Соответствующий механизм - Compliant mechanism

Соответствующий механизм переключения - выкл.
Соответствующий механизм переключения - вкл.
Соответствующий механизм переключения (выключено / включено)

В машиностроение, а совместимый механизм гибкий механизм который обеспечивает передачу силы и движения через упругое тело деформация.[1] Он получает часть или все свое движение за счет относительной гибкости своих членов, а не только за счет суставов твердого тела. Это могут быть монолитные (цельные) или бесстыковые конструкции.[2] Некоторые распространенные устройства, в которых используются соответствующие механизмы, - это защелки для рюкзака, скрепки и кусачки для ногтей. Одним из старейших примеров использования совместимых структур является Лук и стрела.[3]

Совместимый механизм плоскогубцев

Методы проектирования

Соответствующие механизмы обычно разрабатываются с использованием двух методов:[4]

Кинематический подход

Кинематический анализ может использоваться для разработки совместимого механизма путем создания псевдотвердой модели механизма.[3] В этой модели гибкие сегменты моделируются как жесткие звенья, соединенные с поворотными шарнирами с помощью крутильных пружин. Другие конструкции можно моделировать как комбинацию жестких звеньев, пружин и амортизаторов.[2][5][6]

Подход структурной оптимизации

В этом методе используются вычислительные методы для оптимизации топологии конструкции. Вводятся ожидаемая нагрузка и желаемое движение и передача усилия, и система оптимизируется по весу, точности и минимальным напряжениям. Более продвинутые методы сначала оптимизируют базовую конфигурацию связи, а затем оптимизируют топологию вокруг этой конфигурации.[2] Другие методы оптимизации направлены на оптимизацию топологии изгибаемых соединений за счет использования жесткого механизма и замены всех жестких суставов на оптимизированные изгибаемые соединения.[6] Для прогнозирования поведения конструкции выполняется анализ напряжений методом конечных элементов для определения деформации и напряжений по всей конструкции.

Для разработки этих механизмов разрабатываются другие методы. Податливые механизмы, изготовленные в плоскости, у которой есть движение, исходящее из указанной плоскости, известны как пластинки возникающие механизмы (LEM).

Преимущества

Соответствующие структуры часто создаются как альтернатива аналогичным механизмам, использующим несколько частей. Использование совместимых механизмов дает два основных преимущества:

  • Бюджетный: Податливый механизм обычно может быть изготовлен в виде единой конструкции, что значительно упрощает количество необходимых деталей.[2] Цельная конструкция, соответствующая требованиям, может быть изготовлена, среди прочего, посредством литья под давлением, экструзии и 3D-печати. Это делает производство относительно дешевым и доступным.[2][3]
  • Лучшая эффективность: Совместимые механизмы не страдают от некоторых проблем, которые влияют на многотельные механизмы, такие как люфт или поверхностный износ. Благодаря использованию гибких элементов, соответствующие механизмы могут легко накапливать энергию, которая будет высвобождена в более позднее время или преобразована в другие формы энергии.[3]

Недостатки

Полный набор механизма зависит от материала и геометрии конструкции; из-за природы изгибаемых суставов ни один полностью податливый механизм не может обеспечить непрерывное движение, такое как нормальный сустав. Кроме того, силы, прикладываемые механизмом, ограничены нагрузками, которые элементы конструкции могут выдерживать без сбоев. Из-за формы изгибаемых соединений они обычно являются местами концентрации напряжений. Это, в сочетании с тем фактом, что механизмы имеют тенденцию совершать циклические или периодические движения, может вызвать усталость и, в конечном итоге, разрушение конструкции. Кроме того, поскольку часть или вся входная энергия сохраняется в конструкции в течение некоторого времени, не вся эта энергия возвращается обратно, как это требуется. Однако это может быть желательным свойством для добавления демпфирования системе.[3]

Приложения

Некоторые из самых старых применений податливых структур датируются несколькими тысячелетиями. Один из самых старых примеров - лук и стрелы. Некоторые конструкции катапульты также использовалась гибкость руки для хранения и высвобождения энергии для запуска снаряда на большие расстояния.[3] В настоящее время совместимые механизмы используются в различных областях, таких как адаптивные структуры и биомедицинские устройства. Совместимые механизмы могут использоваться для создания самоадаптивные механизмы, обычно используется для хватка в робототехнике.[7] Поскольку роботам требуется высокая точность и ограниченный диапазон, были проведены обширные исследования совместимых механизмов роботов. Микроэлектромеханические системы (MEMS) - одно из основных приложений совместимых механизмов. МЭМС извлекают выгоду из отсутствия необходимой сборки и простой плоской формы конструкции, которую можно легко изготовить с использованием Фотолитография.[2]

В гибкий привод или упругий драйв, часто используется пара ан электрический двигатель к машине (например, насос ), является одним из примеров. Привод представляет собой резиновый «паук», зажатый между двумя металлическими. собаки. Одна собака закреплена на моторе вал а другой к валу насоса. Гибкость резиновой части компенсирует любое небольшое смещение между двигателем и насосом. Увидеть тряпичный сустав и Джубо.[нужна цитата ]

Исследовательские лаборатории и исследователи

Ряд лабораторий и исследователей явно исследуют соответствующие механизмы:

  • Проф. Ларри Хауэлл, Исследование совместимых механизмов Университета Бригама Янга[1]
  • Профессор Хайджун Су из Университета штата Огайо[8][9]
  • Доктор Шейн Джонсон в Объединенном институте Мичиганского университета, SJTU, Шанхай.
  • Профессор Кота из лаборатории проектирования совместимых систем Мичиганского университета[10]
  • Проф. Центнер из Технологического университета Ильменау[11]
  • Профессор Мартин Калпеппер из лаборатории прецизионных систем Массачусетского технологического института[12]
  • Проф. Джаст Л. Гердер из Делфтского технологического университета[13]
  • Профессор Энгин Таник и профессор Волкан Парлакташ из Университета Хаджеттепе[14]
  • Профессор Джонатан Хопкинс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе[15]
  • Профессор Деннис Брауэр из Университета Твенте, Нидерланды[16]
  • Профессор Александр Хассе из Технологического университета Хемница[17]
  • Профессор Джаред Батлер, Университет штата Пенсильвания, Университетский парк

Кроме того, следующие исследователи могут проводить исследования соответствующих механизмов:

  • Лаборатория междисциплинарных и многомасштабных устройств и проектирования (M2D2) Индийского института науки, Бангалор[18]
  • Проф. Шридхар Кота[19]
  • Профессор Сория Аутар из Мичиганского университета[20]
  • Проф. Г. К. Анантасуреш в IISc, Бангалор[21]
  • Профессор Стивен Л. Кэнфилд из Технического университета Теннесси[22]
  • Профессор Чарльз Ким из Бакнеллского университета[23]
  • Проф. Анупам Саксена в ИИТ Канпур, Индия[24]
  • Профессор Мэри Фрекер из Университета штата Пенсильвания, Университетский парк[25]
  • Проф. Гуйминь Чен, «Соответствующие механизмы и их приложения» в Сианьском университете Цзяотун[26]
  • Профессор Гуанбо Хао, Группа исследований совместимых механизмов и робототехники, Университетский колледж Корка, Ирландия[27]
  • Проф. W.J. Zhang, Группа исследования механизмов мягкого тела и роботов, Университет Саскачевана, Канада[28]
  • Проф. Стюарт Смит, группа разработки приборов, Университет Северной Каролины в Шарлотте, США [29]

Галерея

  • Робот для лазерной сварки позиционирует заготовки с помощью соответствующего механизма между столом и приспособлением.

  • Совместимый механизм диафрагмы - закрытый

  • Совместимый механизм диафрагмы - открытый

  • Подходящий зажим

  • Бистабильный механизм переключения

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б «CMR получила исследовательский грант от Национального научного фонда». Cmr.byu.edu. Получено 21 февраля 2015.
  2. ^ а б c d е ж Пераи, Себеранг. «Методология совместимых механизмов и ее текущие разработки в приложениях: обзор». Американский журнал прикладных наук 4.3 (2007): 160-167.
  3. ^ а б c d е ж Хауэлл, Ларри Л. «Послушные механизмы». Кинематика 21 века. Springer, London, 2013. 189–216.
  4. ^ Алехандро Э. Альбанези, Виктор Д. Фачинотти и Мартин А. Пучета: [www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/3015/2946%7Cdate=October Обзор методов проектирования совместимых мехназмов.] В: Mecánica Computacional, Том XXIX, страницы 59-72. Эдуардо Дворкин, Марсела Гольдшмит, Марио Сторти (ред.) Буэнос-Айрес, Аргентина, 15-18 ноября 2010 г.
  5. ^ Албанези, Алехандро Э., Виктор Д. Фачинотти и Мартин А. Пучета. «Обзор методов проектирования совместимых механизмов». Mecánica Computacional 29.3 (2010).
  6. ^ а б Витторио Мегаро, Йонас Цендер, Мориц Бехер, Стелиан Корос, Маркус Гросс и Бернхард Томашевски. 2017. Инструмент вычислительного проектирования для совместимых механизмов. ACM Trans. График. 36, 4, статья 82 (июль 2017 г.), 12 стр. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1145/3072959.3073636
  7. ^ Дориа, Марио; Бирглен, Лайонел (17 марта 2009 г.). «Дизайн невосприимчивого податливого захвата для хирургии с использованием нитинола». Журнал медицинского оборудования. 3 (1): 011007–011007–7. Дои:10.1115/1.3089249. ISSN  1932-6181.
  8. ^ «Домашняя страница - DAS 2D / 3D». DAS 2D / 3D. Получено 2015-11-11.
  9. ^ «Лаборатория дизайнерских инноваций и моделирования». Лаборатория дизайнерских инноваций и моделирования. Получено 2015-11-11.
  10. ^ «У оф М - Лаборатория проектирования систем». Sitemaker.umich.edu. Архивировано из оригинал на 2014-05-06. Получено 2015-02-21.
  11. ^ "FG Nachgiebige Systeme". www.tu-ilmenau.de (на немецком). Получено 2017-08-03.
  12. ^ "Главная лаборатория систем, соответствующих требованиям MIT". Pcsl.mit.edu. Архивировано из оригинал на 2012-12-14. Получено 2015-02-21.
  13. ^ [1] В архиве 16 ноября 2012 г. Wayback Machine
  14. ^ «CRMR». Yunus.hacettepe.edu.tr. Получено 2015-02-21.
  15. ^ «Гибкая исследовательская группа». ucla.edu. Получено 2017-12-02.
  16. ^ «Точное машиностроение». utwente.nl. Получено 2018-11-26.
  17. ^ "Nachgiebige Systeme". www.tu-chemnitz.de/mb/mp/ (на немецком). Получено 2018-05-22.
  18. ^ «Индекс M2D2». Mecheng.iisc.ernet.in. Архивировано из оригинал на 2015-02-21. Получено 2015-02-21.
  19. ^ "Шридхар Кота | me.engin.umich.edu". Personal.umich.edu. Получено 2015-02-21.
  20. ^ «Лаборатория систем точного проектирования». Personal.umich.edu. Получено 2015-02-21.
  21. ^ «Анантасуреш». Mecheng.iisc.ernet.in. Архивировано из оригинал на 2015-02-21. Получено 2015-02-21.
  22. ^ "Стивен Л. Кэнфилд, доктор философии, профессор машиностроения". Архивировано из оригинал 20 ноября 2012 г.. Получено 15 июля, 2013.
  23. ^ «Отдел машиностроения: Чарльз Дж. Ким». Архивировано из оригинал 13 мая 2008 г.. Получено 9 мая, 2008.
  24. ^ "index_iitk_32". Home.iitk.ac.in. Получено 2015-02-21.
  25. ^ "Главная". Edog.mne.psu.edu. Архивировано из оригинал на 2015-02-16. Получено 2015-02-21.
  26. ^ «Совместимые механизмы и прецизионные инструменты». web.xidian.edu.cn. Получено 2015-05-06.
  27. ^ https://sites.google.com/site/doctorghao/
  28. ^ https://homepage.usask.ca/~wjz485/

внешняя ссылка