Самоуплотняющаяся присоска

Самоуплотняющаяся присоска — это присоска , которая оказывает силу всасывания только при физическом контакте с предметом. В отличие от большинства других присосок, она не оказывает никакой всасывающей силы, когда не соприкасается с предметом. ^[1] Его способность захвата достигается полностью пассивными средствами без использования датчиков , клапанов или исполнительных механизмов . ^[2]

Он был разработан таким образом, что при использовании в составе массива присосок присоски, которые не соприкасаются с объектом, остаются герметичными. Благодаря тому, что только присоски, находящиеся в непосредственном контакте с объектом, проявляют силу всасывания, исследователи смогли свести к минимуму места утечки, куда может попасть воздух, и увеличить давление, которое получает каждая активная присоска, максимизируя силу всасывания. ^[3] В результате набор самоуплотняющихся присосок позволяет захватывать и захватывать предметы самых разных размеров и форм. Это контрастирует с обычными присосками, которые обычно предназначены для одного конкретного размера и геометрии объекта. ^[1] Кроме того, производятся присоски различных размеров, от ладони до кончика пальца. ^[4]

Самоуплотняющаяся присоска была впервые разработана в 2010 году в результате сотрудничества исследователей из Исследовательской лаборатории армии США (ARL) , Химико-биологического центра Эджвуда на Абердинском полигоне и Университета Мэриленда . ^[1]^[3]

Дизайн

Дизайн самоуплотняющейся присоски изначально был вдохновлен присосками осьминога и его способностью захватывать предметы разного размера, индивидуально активируя присоски в зависимости от размера и физических особенностей предмета. ^[5]

Внутренняя геометрия самоуплотняющейся присоски была разработана с учетом минимально возможных размеров: минимальная толщина стенки 1,02 мм, диаметр трубки 1,59 мм и минимальное расстояние между деталями 0,13 мм. Присоска состоит из смеси резиновых и пластиковых компонентов: кромка, основание, трубка, пружины и заглушка чашки изготовлены из мягкой резины, а боковая часть чашки, воротник, петли и фланец изготовлены из пластика. В конструкции можно использовать центральный вакуумный насос для максимизации силы всасывания присоски. ^[1] работающего с разными материалами, С помощью 3D-принтера, прототип самоуплотняющейся присоски был создан примерно за 20 минут. ^[5]

Внутри самоуплотняющейся присоски заглушка расположена близко к отверстию трубки, чтобы она могла всасываться в трубку, закрывая отверстие, когда на центральную всасывающую линию подается питание. Пара пружин, соединенных с основанием присоски, помогает поддерживать положение заглушки, восстанавливая уплотнение заглушки при отсутствии воздействий со стороны объекта. ^[1]^[2] Если чашка соприкасается с предметом, шарнирное действие поднимает заглушку от всасывающей трубки. В тот момент, когда губы чашки прижимаются к объекту, силы пассивной реакции от губ чашки передаются на резиновую основу чашки, которая натягивается на воротник и позволяет конструкции сжиматься. Действуя как шарнир шарниров, воротник заставляет шарниры вращаться, а края шарниров скользят вдоль нижней стороны фланца и поднимают заглушку в сторону от отверстия всасывающей трубки. В результате присоска самоуплотняется, когда не контактирует с предметом, и самооткрывается, а губы присоски прикасаются к предмету. ^[1]

В 2015 году в конструкцию самоуплотняющейся присоски было внесено несколько усовершенствований, направленных на улучшение ее захватывающих возможностей. Предыдущая конструкция имела следующие недостатки: ^[6]

Конструкция требовала большой общей высоты чашки, что увеличивало объем устройства.
Конструкция была относительно хрупкой по отношению к чрезмерному растяжению, а также к скручивающим и поперечным силам .
Внутренняя геометрия затрудняла удаление поддерживающего материала внутри, что ухудшало качество уплотнения.

Чтобы устранить эти недостатки, исследователи из ARL уменьшили количество компонентов за счет объединения функций нескольких частей, что уменьшило несжатую высоту присоски почти на 50% — до 0,72 см. Диаметр чашки также был уменьшен до 1,07 см. заглушку . К основанию чашки была добавлена рычажная система, которая поворачивает воротник и поднимает Кроме того, трубка выполняет функцию пружины, которая помогает вернуть рычаги и заглушку в закрытое положение. Вокруг чашки было добавлено пластиковое ограничитель, чтобы помочь справиться с силами чрезмерного растяжения, сдвига и скручивания . ^[6]

Производительность

Самоуплотняющаяся присоска была подвергнута серии испытаний для определения качества ее работы. Для силового перемещения и испытаний был создан гибкий испытательный стенд с четырьмя десятицентовую монету и пластиковыми ребрами, соединенными резиновыми трубками. присосками размером в ^[1]

Испытание на силовое смещение, в ходе которого сравнивались характеристики самоуплотняющейся присоски, идентичной присоски и имеющейся в продаже присоски, показало, что внутренняя структура самоуплотняющейся присоски позволяет приложить большую силу для того же смещения по сравнению в другие чашки. Однако в идентичных условиях самоуплотняющаяся чашка достигла максимальной силы 12,5 Н, тогда как коммерчески доступная чашка достигла максимальной силы 12,9 Н. ^[2]

При проверке качества уплотнения измерялось давление, создаваемое каждой самоуплотняющейся присоской. Результаты показали, что массив из четырех чашек поддерживает давление 93,8% атмосферного. Испытание также показало, что не все чашки одинаково эффективно герметизируют после контакта с объектом. Однако это может быть результатом различий в предыдущем использовании чашек. ^[2]

Во время тестирования захвата объектов, в ходе которого проверялась дальность захвата, испытательный стенд успешно схватил около 80% объектов, которые были предприняты. Эти предметы состояли из следующего: пульт от телевизора, бутылочка с таблетками, клей-карандаш, очки, вилка, одноразовая бутылочка, зубная паста, кофейная кружка, миска, тарелка, книга, сотовый телефон, кусок мыла, бумажные деньги, почта, ключи, шоу, столовый нож, аптечка, кредитная карта, монета, подушка, расческа, одноразовая бутылка, бумажник, журнал, банка содовой, газета, ножницы, наручные часы, кошелек, зажигалка, компакт-диск, телефонная трубка, полная бутылка вина, полное вино стекло, лампочка, замок, мягкий волейбольный мяч, деревянный брусок. В качестве демонстрации прочности чашек исследователям ARL удалось взять полную бутылку вина, используя всего четыре присоски размером в десять центов. ^[4]

Использование в робототехнике

Самоуплотняющиеся присоски были встроены в роботы для улучшения их пассивных возможностей захвата. Благодаря конструкции присосок можно использовать центральный источник вакуума для эффективного создания силы всасывания от присосок и уменьшения количества исполнительных механизмов и датчиков для робота. ^[7]

Исследователи из ARL спроектировали и разработали трехпальцевую систему ручного привода с использованием 3D-принтера, чтобы робот мог правильно использовать самоуплотняющиеся присоски. Четыре присоски проходят вдоль нижней части каждого пальца, в центре которого находится узкий вакуумный канал. Центральный вакуумный насос служит для приведения в действие присосок и облегчения захвата. Пальцы также могут сгибаться вокруг объекта, чтобы лучше схватить его и освободить любой объект, подаваемый обратно на вакуумный насос и создавая выброс положительного давления . ^[7]

Рука с тремя пальцами использовалась в воздушных системах и продемонстрировала значительные успехи в захвате объектов на земле, сохраняя при этом полет. По мнению исследователей ARL, самоуплотняющиеся присоски могут демонстрировать более высокие показатели успеха под водой из-за дополнительного давления со стороны морских глубин , окружающих и прижимающихся к объекту и захвату. ^[5] Однако они отметили, что для подводной среды потребуются другие производственные материалы, которые позволят присоскам хорошо работать в соленой воде , например, термопластик. ^[3]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Кессенс, Чад; Десаи, Джайдев (май 2010 г.). «Проектирование, изготовление и внедрение самоуплотняющихся присосок для захвата». 2010 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации . стр. 765–770. дои : 10.1109/РОБОТ.2010.5509818 . ISBN 978-1-4244-5038-1 . S2CID 15529423 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Кессенс, Чад; Десаи, Джайдев (ноябрь 2011 г.). «Самоуплотняющаяся присоска для захвата» . Журнал механизмов и робототехники . 3 (4): 045001. doi : 10.1115/1.4004893 – через ResearchGate.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хармон, Кэтрин (21 февраля 2013 г.). «3D-печатные присоски-осьминоги помогают роботам прилипать» . Научный американец . Проверено 20 августа 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Монтальбано, Элизабет (25 марта 2013 г.). «Армия использует щупальца, напечатанные на 3D-принтере, чтобы помочь роботам манипулировать объектами» . Новости дизайна . Проверено 20 августа 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «ECBC и ARL сотрудничают в создании присоски в стиле осьминога» . Армейская исследовательская лаборатория . 12 февраля 2013 года . Проверено 20 августа 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Кессенс, Чад; Десаи, Джайдев (21 ноября 2015 г.). Компактная рука с пассивным захватом . стр. 117–126. ISBN 9783319237787 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ Jump up to: ^а ^б Кессенс, Чад (12 февраля 2016 г.). «Универсальный пассивный захват для манипуляций». Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 21 (3): 1293–1302. дои : 10.1109/TMECH.2016.2520306 . S2CID 8038086 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Кессенс, Чад; Десаи, Джайдев (май 2010 г.). «Проектирование, изготовление и внедрение самоуплотняющихся присосок для захвата». 2010 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации . стр. 765–770. дои : 10.1109/РОБОТ.2010.5509818 . ISBN 978-1-4244-5038-1 . S2CID 15529423 .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Кессенс, Чад; Десаи, Джайдев (ноябрь 2011 г.). «Самоуплотняющаяся присоска для захвата» . Журнал механизмов и робототехники . 3 (4): 045001. doi : 10.1115/1.4004893 – через ResearchGate.

[:2-3] Jump up to: ^а ^б ^с Хармон, Кэтрин (21 февраля 2013 г.). «3D-печатные присоски-осьминоги помогают роботам прилипать» . Научный американец . Проверено 20 августа 2018 г.

[:3-4] Jump up to: ^а ^б Монтальбано, Элизабет (25 марта 2013 г.). «Армия использует щупальца, напечатанные на 3D-принтере, чтобы помочь роботам манипулировать объектами» . Новости дизайна . Проверено 20 августа 2018 г.

[:4-5] Jump up to: ^а ^б ^с «ECBC и ARL сотрудничают в создании присоски в стиле осьминога» . Армейская исследовательская лаборатория . 12 февраля 2013 года . Проверено 20 августа 2018 г.

[:5-6] Jump up to: ^а ^б Кессенс, Чад; Десаи, Джайдев (21 ноября 2015 г.). Компактная рука с пассивным захватом . стр. 117–126. ISBN 9783319237787 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[:6-7] Jump up to: ^а ^б Кессенс, Чад (12 февраля 2016 г.). «Универсальный пассивный захват для манипуляций». Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 21 (3): 1293–1302. дои : 10.1109/TMECH.2016.2520306 . S2CID 8038086 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]