CC BY
1УДК 631.3 Статья поступила 19.11.2024
4.3.1. Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса РО! 10.35524/2227-0280_2024_06_64
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВОРОТНОГО АКТУАТОРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ МЯГКИХ ЗАХВАТОВ
^Т.А. Бучельникова,
старший преподаватель, ФГБОУ ВО "Государственный аграрный университет Северного Зауралья"
Ключевые слова: мягкий захват, приводы, витой поворотный актуатор, чувствительность, толщина стенки, форма поперечного сечения, давление в полости, угол поворота, универсальный захват, экспериментальный стенд
Key words: soft grip, drives, twisted rotary actuator, sensitivity, wall thickness, cross-sectional shape, cavity pressure, rotation angle, universal grip, experimental setup
Введение. Процессы автоматизации и роботизации на сегодняшний день широко вошли в нашу жизнь. В сельском хозяйстве эти процессы широко применяются в области транспортировки и упаковки сельскохозяйственной продукции, также известно применение роботов для сбора плодов и овощей. Захваты обеспечивают непосредственное взаимодействие роботизированного устройства с сельскохозяйственной продукцией [1, 2]. Одним из основных требований, предъявляемых к сельскохозяйственной технике, является возможность адаптации разрабатываемой конструкции к использованию ее с различными видами сельскохозяйственной продукции. Конструкция должна быть по возможности простой, а сборочные единицы взаимозаменяемыми и легко поддаваться ремонту. К дополнительным относятся требования, предъявляемые к качеству собираемой продукции, то есть обеспечение минимального давления на продукцию сельского хозяйства для предотвращения ее повреждения, сохранения качества продукции, а также использование в элементах конструкции неопасных материалов, непосредственно контактирующих с продукцией.
Традиционные захваты для роботов чаще всего изготавливают из жёстких материалов. Такие захваты считаются небезопасными при работе с деликатными объектами и рядом с
человеком в изменяющейся среде, кроме того, такие устройства сложны в изготовлении и сборке, а также имеется необходимость в установке множества датчиков со сложными алгоритмами, способными отслеживать и регулировать усилие, прилагаемое к объекту. Также необходимо наличие ультразвуковых устройств с обратной связью для обеспечения целостности объектов захвата. Стоимость разработки, изготовления и внедрения таких устройств также может ограничивать их внедрение в производство. Поэтому данные захваты сложно применять при работе с сельскохозяйственной продукцией.
В отличие от жёстких захватов, мягкие захваты имеют множество преимуществ. Такие захваты могут быть изготовлены из мягких материалов, которые имеют невысокую стоимость и доступность, их легко изготовить, а при поломке несложно заменить. Поскольку захваты изготовлены из мягких материалов, то необходимость в применении сложных сенсорных систем с обратной связью не всегда важна, так как давление на объект захвата значительно меньше вследствие того, что мягкий захват может адаптироваться к форме объекта. Также такие захваты безопасны при работе рядом с людьми и в изменяющейся среде.
Актуальной задачей на сегодняшний день является разработка универсального мягкого
захвата, способного работать в изменяющейся среде. Рассмотрим некоторые модели захватных устройств, которые по мнению их авторов являются универсальными. Авторы работы [3] разработали мягкий захват, имеющий монолитные пневматические пальцы с зигзагообразной структурой и интегрированным механическим метаматериалом, который предназначен для увеличения приспособленности пальцев к форме объекта. Пальцы захвата закреплены на жестком корпусе, который рассчитан на установку четырёх пальцев (рис. 1а).
В работе [4] авторы разработали захват, состоящий из одноканального привода диа-фрагменного типа с гибкой конструкцией, трех контактных элементов и жёсткого корпуса (рис. 1б). При подаче давления в полость диафрагмы происходит линейное перемещение её верхней части, что способствует раскрытию контактных элементов. В это время захват направляется к объекту. При снижении давления контактные элементы соединяются, обхватывая объект.
Авторы работы [5] предлагают трехпалый мягкий захват с переменной жёсткостью (рис. 1в). Каждый мягкий палец состоит из внутренней камеры и нерастяжимой оболочки. Элементы крепления пальцев расположены под углом к горизонтальной плоскости. В процессе работы первоначально подаётся давление в полость двух пальцев для создания большего усилия изгибающего момента.
К недостаткам всех рассмотренных мягких захватов можно отнести ограниченную приспособленность их к объектам различной формы.
С этой целью разработан мягкий захват, предназначенный для использования его для сбора и сортировки плодов и овощей (рис. 2). Захват имеет четыре пневматических захватных пальца, которые соединяются с корпусом при помощи витых поворотных актуаторов. Витой актуатор имеет возможность обеспечить поворот каждого захватного пальца относительно его продольной оси на угол, необходимый для обеспечения захвата объектов различной геометрической формы. Большинство известных мягких захватов на сегодняшний день используют пневматический привод. Он может быть положительным, отрицательным (вакуум), а также возможно совместное применение положительного и отрицательного давления.
В работе предлагается исследование мягких пневматических поворотных актуаторов для дальнейшего использования их в конструкциях захвата для плодов и овощей.
Многие ученые занимаются подобными разработками. Авторами работы [6] разработана конструкция многокамерного поворотного ак-туатора, изготовленного из силикона (рис. 3а), имеющего возможность поворота на 115 градусов при давлении 178 кПа. Известна конструкция мягкого поворотного актуатора с четырьмя эллиптическими камерами, выполненного из силикона [7]. При создании пневматического давления до 60кПа корпус актуатора разворачивается на угол до 60 градусов (рис. 3б).
Авторы работы [8] разработали экспериментальную модель мягкого актуатора с тремя пневматическими камерами. Актуатор приводится в движение за счет разности давлений
Рис. 1. Мягкие захваты
б
а
в
Рис. 2. Мягкий захват с актуаторами
в пневматических камерах (рис. 3в). Максимальный угол поворота 240° при давлении 60 кПа. К недостаткам всех многокамерных ак-туаторов можно отнести сложность изготовления такой поверхности, а также необходимость установки оборудования для подачи и регулировки давления в каждую камеру, что отражается на надежности таких устройств.
Авторы работы [9] предлагают силиконовый актуатор с четырьмя камерами, который приводится в движение за счет перепада давления в камерах. Максимальный угол поворота составляет 35° при давлении в полости 18 кПа (рис. 4а).
Мягкий привод, представленный в работе [10], имеет два основания в виде правильно-
го шестиугольника, лежащих в параллельных плоскостях и изначально повернутых относительно друг друга. Боковая поверхность имеет складку по диагонали каждой стороны для определения места складывания поверхности привода (рис. 4б). Конструкция состоит из нескольких модулей, общий угол поворота -435°. Привод выполнен из силикона. Недостатком такого привода можно считать невозможность его использования в конструкциях захватов для плодов и овощей в связи с малой боковой жесткостью.
Целью работы является определение упруго-прочностных характеристик витых поворотных актуаторов для использования их в конструкциях мягких захватов. К таким характеристикам относятся чувствительность витого актуатора при повороте, жесткость, тяговый момент и др. В данной работе представлено определение чувствительности мягких витых поворотных актуаторов. Под чувствительностью понимается отношение угла поворота к номинальному давлению.
Материалы и методы исследований. Витой актуатор выполнен в виде полой замкнутой трубки с поперечным сечением в форме прямоугольника (рис. 5б). Для проведения исследования было изготовлено три образца мягких витых поворотных актуаторов. Анализируя указанные источники информации, можно сделать вывод, что подобные конструкции выполняются из эластомерных материалов (силиконов).
Процесс изготовления образцов заключается в следующем. Образцы изготавливают методом литья в формы. Основа смешивается с отвердителем в пропорции (100:1,5-2,5), нужное количество отмеряют при помощи весов в соответствии с необходимым объёмом.
Рис. 3. Многокамерные актуаторы
а б
Рис. 4. Мягкий поворотный актуатор:
а - актуатор HOSE; б - актуатор по типу оригами
Полученная смесь аккуратно перемешивается и заливается в формы, после чего производят дегазацию. После удаления пузырьков воздуха смесь в формах оставляют для застывания не менее чем на 24 часа, в зависимости от температуры окружающей среды и влажности, температуры смеси и формы. Форма для заливки изготовлена способом печати 3D-модели методом послойного наплав-ления из ABS-пластика.
Подобные исследования уже проводились. В ранее опубликованных работах было сказано, что форма поперечного сечения витой части актуатора представляет собой прямоугольник и характеризуется размерами а и b, толщиной стенки h. Длина рабочей части актуатора обозначена через L. В качестве пара-
метров, характеризующих геометрию витого элемента актуатора, следует выделить число и шаг витков, обозначаемых, соответственно, п и S. Материал - силикон марки Эласто-форм-Т с параметрами: прочность при растяжении на разрыв - 2,8 МПа, твердость по Шору - 25...30А, деформация 290% [11] (рис. 5).
Исследования проводились на специально разработанном экспериментальном стенде, состоящем из рамы-основания, компрессора, установки для определения угла поворота, датчика давления, аккумулятора [12, 13] (рис. 6).
Замер чувствительности витого актуатора сводится к замеру величины угла поворота при подаче давления в полость актуатора и происходит в следующем порядке. При измерении актуатор необходимо закрепить на установке для определения угла поворота, при этом фиксируется нулевая точка, после чего подается давление в полость актуатора и замеряется угол поворота. Измерение угла поворота выполнялось не менее трех раз для каждой величины давления из ряда: 30, 50, 70, 90 кПа.
Анализ экспериментальных данных был проведен в программном комплексе Statistica. Факторами для определения зависимых переменных были выбраны величина давления в полости актуатора (р) и толщина стенки Используя два фактора на трех уровнях, был построен план поверхности. Доверительный интервал составил 95%. Угол поворота (а) и величина чувствительности витого поворотного актуатора (д) были отнесены к зависимым переменным.
а б
Рис. 5. Мягкий поворотный актуатор:
а - экспериментальный образец; б - геометрические характеристики
Рис. 6. Экспериментальный стенд:
1 - рама-основание; 2 - компрессорная установка; 3 - установка для фиксации актуатора
Результаты и обсуждение. При исследовании результатов, полученных при определении величины угла поворота витого актуатора, была построена поверхность отклика, указывающая на взаимосвязь величины угла поворота от величины давления в полости актуатора и толщины стенки (рис. 7).
При увеличении давления внутри полости актуатора величина угла поворота уменьшается, при этом также влияет толщина стенки. При уменьшении толщины стенки величина угла поворота увеличивается. Было выявлено, что наибольший угол поворота будет у актуатора с толщиной стенки 4 мм, наименьший - у актуатора с толщиной стенки 6 мм. В процессе изучения полученных результатов было определено, что величина толщины стенки оказывает наибольшее воздействие на указанный параметр. Для оценки качества подогнанной модели определен коэффициент детерминации R2 = 0,99. Получено уравнение регрессии:
а = 108,9619 - 39,9214р + 3,6071р2 + + 0,07981| - 0,000И2.
Также была получена поверхность отклика, отражающая зависимость чувствительности витого поворотного актуатора от величины давления и толщины стенки актуатора (рис. 8). При увеличении давления внутри полости
актуатора величина чувствительности уменьшается, при этом также влияет толщина стенки. При уменьшении толщины стенки чувствительность увеличивается. Установлено что уровень максимальной чувствительности будет при давлении 30 кПа для образца с толщиной стенки 4 мм, минимальная чувствительность у актуатора с толщиной стенки 6 мм - при давлении 30 кПа. Минимальная чувствительность для образцов с толщиной стенки 4 мм будет при давлении 80 кПа. Для образца с толщиной стенки 6 мм максимальная чувствительность будет при давлении 30 кПа, минимальная - при давлении 90 кПа. В результате анализа поверхности отклика установлено, что наибольшее влияние на полученную модель оказывает толщина стенки | влияние этого эффекта имеет статистическую значимость - при уровне р=0,05. Также определен коэффициент детерминации R2 = 0,88, показывающий точность подгонки модели. Получено уравнение регрессии в раскодированных значениях:
д = 21,8241 - 7,35261| + 0,66331|2 -- 0,0273р + 0,0002р2-
Вывод. В результате проведенных исследований мягких поворотных актуаторов с поперечным сечением в виде прямоугольника была определена величина чувствительно-
сельскохозяйственные науки
Рис. 7. Зависимость угла поворота от величины давления и толщины стенки
Рис. 8. Зависимость чувствительности от величины давления и толщины стенки
сти. В результате регрессионного анализа получена зависимость величины угла поворота и чувствительности с учетом двух факторов: толщины стенки поперечного сечения актуа-тора и величины давления. Установлено что при повышении давления внутри полости ак-туатора и увеличении толщины стенки угол поворота становится меньше, чем при том же давлении, но меньшей толщине стенки акту-атора, а также при увеличении толщины стенки поперечного сечения и величины давления в полости актуатора величина чувствительности уменьшается. Получено уравнение регрессии, определяющее зависимость величины угла поворота, а также зависимость величины чувствительности от величины подаваемого давления в полость актуатора и толщины стенки поперечного сечения, позволяющее спрогнозировать необходимые параметры мягкого витого поворотного актуатора с поперечным сечением в виде прямоугольника, в зависимости от рассматриваемых параметров.
Библиографический список
1. Billard, A. Trends and challenges in robot manipulation / A. Billard, D. Kragic. - Text : unmediated // Science. - 2019. - 364. - DOI 10.1126/science.aat8414.
2. Firouzeh, A. Grasp Mode and Compliance Control of an Underactuated Origami Gripper / A. Firouzeh, J. Paik. - Text : unmediated // Using Adjustable Stiffness Joints. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics - 2017. - P. 1-1.
- DOI 10.1109/TMECH.2017.2732827.
3. Taw, C. A. 3D Printed Modular Soft Gripper Integrated With Metamaterials for Conformal Grasping / C. Tawk, R. Mutlu, G. Alici. - Text : unmediated // Front. Robot. AI. - Vol. 8. - 2021.
- DOI 10.3389/frobt.2021.799230.
4. Soft gripper for small fruits harvesting and pick and place operations / E. Navas, R. R. Shamshiri, V. Dworak [and etc.]. - Text : unmediated // Front Robot AI. - 2024. - DOI 10.3389/frobt.2023.1330496.
5. Arachchige, D. D. K. A Novel Variable Stiffness Soft Robotic Gripper / D. D. K. Arachchige, Y. Chen, I. D. Walker, I. S. Godage/ - Text : unmediated // IEEE 17th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Lyon, France. - 2021. - P. 2222-2227.
- DOI 10.1109/CASE49439.2021.9551616.
6. Flexible pneumatic twisting actuators / B. Gorissen, T. Chishiro, S. Shimomura [and etc.].
- Text : unmediated // 2013 Transducers & Eurosensors XXVII : The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and
Microsystems, Barcelona, Spain. - 2013. - P. 1687-1690. - DOI 1 0.1109/Transdu-cers.2013.6627110.
7. Buckling of elastomeric beams enables actuation of soft machines / D. Yang, B. Mosa-degh, A. Ainla [and etc.]. - Text : unmediated // Advanced Materials. - 2015. - № 27 (41). - P. 6323-6327.
8. Parallel Helix Actuators for Soft Robotic Applications / J. H. Chandler, M. Chauhan, N. Garbin [and etc.]. - Text : unmediated // Frontiers in Robotics and AI. - 2020. - № 119. - DOI 10.3389/frobt.2020.00119.
9. Firouzeh, A. Soft pneumatic actuator with adjustable stiffness layers for Multi-DoF Actuation / A. Firouzeh., M. Salerno, J. K. Paik. - Text : unmediated // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). -2015. - P. 1117-1124.
10. Origami-Inspired Soft Twisting Actuator / Li Diancheng, F. Dongliang, Z. Renjie [and etc.]. -Text : unmediated // Soft Robotics. - 2020. - DOI 10.1089/soro.2021.0185.
11. Бучельникова, Т. А. Экспериментальное исследование силовой характеристики поворотного актуатора для использования в конструкциях захватов для плодов и овощей / Т. А. Бучельникова, В. С. Панов, Н. Н. Устинов. - Текст : непосредственный // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 5 (103). - С. 134-139. -EDN YVIUDI.
12. Бучельникова, Т. А. Разработка экспериментальной установки для исследования пневматических захватов плодов и овощей / Т. А. Бучельникова, Н. Н. Устинов, В. А .Осипов. - Текст : непосредственный // Современное состояние, традиции и инновационные технологии в развитии АПК. Материалы международной научно-практической конференции в рамках XXXI международной специализированной выставки «Агрокомплекс - 2021», Уфа, 23-26 марта 2021 г. - Уфа : Башкирский ГАУ, 2021. - С. 38-41.
13. Бучельникова, Т. А. Исследование параметров поворотного актуатора для использования в конструкциях захватов для плодов и овощей / Т. А Бучельникова, В. С. Панов, Н. Н. Устинов. - Текст : непосредственный // АгроЭкоИн-фо. - 2022. - № S5-1. - DOI 10.51419/20212S1104.
References
1. Billard, A. Trends and challenges in robot manipulation / A. Billard, D. Kragic. - Text : unmediated // Science. - 2019. - 364. - DOI 10.1126/science.aat8414.
2. Firouzeh, A. Grasp Mode and Compliance Control of an Underactuated Origami Gripper / A. Firouzeh, J. Paik. - Text : unmediated // Using Adjustable Stiffness Joints. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics - 2017. - P. 1-1.
- DOI 10.1109/TMECH.2017.2732827.
3. Taw, C. A. 3D Printed Modular Soft Gripper Integrated With Metamaterials for Conformal Grasping / C. Tawk, R. Mutlu, G. Alici. - Text : unmediated // Front. Robot. AI. - Vol. 8. - 2021.
- DOI 10.3389/frobt.2021.799230.
4. Soft gripper for small fruits harvesting and pick and place operations / E. Navas, R. R. Shamshiri, V. Dworak [and etc.]. - Text : unmediated // Front Robot AI. - 2024. - DOI 10.3389/frobt.2023.1330496.
5. Arachchige, D. D. K. A Novel Variable Stiffness Soft Robotic Gripper / D. D. K. Arachchige, Y. Chen, I. D. Walker, I. S. Godage/ - Text : unmediated // IEEE 17th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Lyon, France. - 2021. - P. 2222-2227.
- DOI 10.1109/CASE49439.2021.9551616.
6. Flexible pneumatic twisting actuators / B. Gorissen, T. Chishiro, S. Shimomura [and etc.]. -Text : unmediated // 2013 Transducers & Eurosensors XXVII : The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Barcelona, Spain. - 2013. - P. 16871690. - DOI 10.1109/Transducers.2013.6627110.
7. Buckling of elastomeric beams enables actuation of soft machines / D. Yang, B. Mosadegh, A. Ainla [and etc.]. - Text : unmediated // Advanced Materials. - 2015. - № 27 (41). - P. 6323-6327.
8. Parallel Helix Actuators for Soft Robotic Applications / J. H. Chandler, M. Chauhan, N.
Контактная информация: Бучельникова Татьяна Анатольевна
старший преподаватель, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья 625003, Российская Федерация, город Тюмень, улица Республики, 7 E-mail: [email protected]
Garbin [and etc.]. - Text : unmediated // Frontiers in Robotics and AI. - 2020. - № 119. - DOI 10.3389/frobt.2020.00119.
9. Firouzeh, A. Soft pneumatic actuator with adjustable stiffness layers for Multi-DoF Actuation / A. Firouzeh., M. Salerno, J. K. Paik. - Text : unmediated // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). -2015. - P. 1117-1124.
10. Origami-Inspired Soft Twisting Actuator / Li Diancheng, F. Dongliang, Z. Renjie [and etc.]. - Text : unmediated // Soft Robotics. - 2020. -DOI 10.1089/soro.2021.0185.
11. Buchelnikova, T. A. Experimental study of the power characteristics of a rotary actuator for use in the designs of grippers for fruits and vegetables / T. A. Buchelnikova, V. S. Panov, N. N. Ustinov. - Text: direct // Bulletin of the Orenburg State Agrarian University. - 2023. - No. 5 (103). -P. 134-139. - EDN YVIUDI. 12. Buchelnikova, T. A. Development of an experimental setup for the study of pneumatic grippers for fruits and vegetables / T. A. Buchelnikova, N. N. Ustinov, V. A. Osipov. - Text: direct // Current state, traditions and innovative technologies in the development of the agro-industrial complex. Proceedings of the international scientific and practical conference within the framework of the XXXI international specialized exhibition "Agrocomplex - 2021", Ufa, March 23-26, 2021 - Ufa: Bashkir State Agrarian University, 2021. - P. 38-41.
13. Buchelnikova, T. A. Study of the parameters of a rotary actuator for use in the designs of grippers for fruits and vegetables / T. A Buchelnikova, V. S. Panov, N. N. Ustinov. - Text: direct // AgroEcoInfo. - 2022. - No. S5-1. - DOI 10.51419/20212S1104.
Contact Information:
Buchelnikova Tatyana Anatolyevna
senior teacher, Northern of the Trans-Ural State Agricultural University 7, Republic Street, Tyumen, 625003 E-mail: [email protected]
