مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی یک ماژول پایه‌ای برای حرکت زاویه‌ای مفاصل کروی با به‌کارگیری محرک‌های آلیاژهای حافظه‌دار و سیستم تثبیت‌کننده مغناطیسی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
2 بخش مهندسی مکاترونیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
مفاصل کروی کاربرد ویژه‌ای در بسیاری از سیستم‌های رباتیک از جمله کاربردهای مختلف صنعتی و پزشکی به‌ویژه در محیط‌های بدون ساختار دارند. سیستم‌های رباتیک ماژولار راه حل‌های مناسبی برای به‌کارگیری در این محیط‌ها هستند؛ به‌گونه‌ای که پیکربندی ربات‌ها می‌تواند سریع و آسان با اتصال‌دادن یا جداکردن ماژول‌های مختلف تغییر کند. انعطاف‌پذیری ماژول‌ها، درجات آزادی کافی، امکان تثبیت موقعیت ماژول و سفتی آن برای حفظ استحکام و سفتی ربات ماژولار هنگام انجام ماموریت از مهم‌ترین مشخصه‌های یک ربات مفصلی ماژولار است. آلیاژهای حافظه‌دار، محرک‌های مطلوبی برای به‌کارگیری در ماژول‌های رباتیک هستند که می‌توان با به‌کارگیری آنها به سیستمی سبک، کم‌حجم و بدون نویز دسترسی پیدا کرد. در این مقاله با جای‌گذاری سه جفت فنر آلیاژ حافظه‌دار در ساختار یک ماژول مفصلی انعطاف‌پذیر مکانیزمی با ۲‌درجه آزادی ایجاد شده است. همچنین با تعبیه یک سیستم الکترومغناطیسی در مفصل امکان تثبیت موقعیت آن در موقع لزوم فراهم شده است. ماژول توسعه‌یافته، علاوه بر انعطاف‌پذیری زیاد می‌تواند در مواقع لزوم موقعیت خود را ثابت نگه داشته و استحکام بازوی رباتیک را افزایش دهد. در این پژوهش، طراحی ماژول ارایه شده و تحلیل سینماتیکی و نیرویی آن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین اثربخشی سیستم تثبیت موقعیت در کنترل مناسب‌تر موقعیت ماژول با آزمایش تجربی صحه‌گذاری شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Design of a basic module for angular motion of spherical joints using the actuators of shape memory alloys and magnetic stabilization system

نویسندگان English

M.M. Sheikhi 1
A. Hadi 2
M. Ghasemi Varzaneh 1
1 Mechanical Engineering Department, Mechanical Engineering Faculty, Shahid Rajaee University, Tehran, Iran
2 Mechatronics Department, New Sciences & Technologies Faculty, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Spherical joints are specifically used in many robotic systems, including various industrial and medical applications, especially in non-structured environments. Modular robotic systems are the appropriate solution for use in these environments; So that the configuration of the robots can change quick and easy by link or separate different modules. Flexibility of modules, enough degrees of freedom, capability to stabilize the position of the module and rigidity to maintain strength and stiffness of modular robot during mission are the most important features of a modular robot. Shape memory alloys are suitable actuators for use in robotic modules, which a tiny, lightweight, and without noise system is achieved by using them. In this paper, a mechanism with two degrees of freedom has been created by placing three memory shape alloys springs in the structure of a flexible joint module. Also, with the installation of an electromagnetic system in the joint, it is possible to stabilize its position when necessary. The developed module, in addition to its high flexibility, can maintain its position when needed and increase the strength of the robotic arm. In this research, the design of the module has been presented and kinematic and force analysis has been investigated.

کلیدواژه‌ها English

Jointed module
Shape Memory alloy
strength
Position stabilization
English C, Russell D. Implementation of variable joint stiffness through antagonistic actuation using rolamite springs. Mechanism and Machine Theory. 1999;34(1):27-40. [Link] [DOI:10.1016/S0094-114X(97)00103-1]
Tondu B, Lopez P. Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuators. IEEE control systems Magazine. 2000;20(2):15-38. [Link] [DOI:10.1109/37.833638]
Farley CT, Houdijk HH, Van Strien C, Louie M. Mechanism of leg stiffness adjustment for hopping on surfaces of different stiffnesses. Journal of applied physiology. 1998;85(3):1044-1055. [Link] [DOI:10.1152/jappl.1998.85.3.1044]
Kanda T, Ishiguro H, Imai M, Ono T. Development and evaluation of interactive humanoid robots. Proceedings of the IEEE. 2004;92(11):1839-1850. [Link] [DOI:10.1109/JPROC.2004.835359]
Brooker JC, Saunders PB, Shah SG, Williams CB. A new variable stiffness colonoscope makes colonoscopy easier: A randomised controlled trial. Gut. 2000;46(6):801-805. [Link] [DOI:10.1136/gut.46.6.801]
Van Ham R, Vanderborght B, Van Damme M, Verrelst B, Lefeber D. MACCEPA, the mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium position actuator: Design and implementation in a biped robot. Robotics and Autonomous Systems. 2007;55(10):761-768. [Link] [DOI:10.1016/j.robot.2007.03.001]
Kong K, Bae J, Tomizuka M. Control of rotary series elastic actuator for ideal force-mode actuation in human–robot interaction applications. IEEE/ASME transactions on mechatronics. 2009;14(1):105-118. [Link] [DOI:10.1109/TMECH.2008.2004561]
English CE, Russell D. Mechanics and stiffness limitations of a variable stiffness actuator for use in prosthetic limbs. Mechanism and machine theory. 1999;34(1):7-25. [Link] [DOI:10.1016/S0094-114X(98)00026-3]
Boyer K, Federolf P, Lin C, Nigg B, Andriacchi T. Kinematic adaptations to a variable stiffness shoe: Mechanisms for reducing joint loading. Journal of biomechanics. 2012;45(9):1619-1624. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiomech.2012.04.010]
Choi J, Hong S, Lee W, Kang S, Kim M. A robot joint with variable stiffness using leaf springs. IEEE Transactions on Robotics. 2011;27(2):229-238. [Link] [DOI:10.1109/TRO.2010.2100450]
Yang K, Yang G, Wang J, Zheng T, Yang W. Design analysis of a 3-DOF cable-driven variable-stiffness joint module. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Zhuhai, China. Piscataway: IEEE; 2015. pp. 529-534. [Link] [DOI:10.1109/ROBIO.2015.7418822]
Firouzeh A, Mirrazavi Salehian SS, Billard A, Paik J. An under actuated robotic arm with adjustable stiffness shape memory polymer joints. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Seattle, WA, USA. Piscataway: IEEE; 2015. pp. 2536-2543. [Link] [DOI:10.1109/ICRA.2015.7139539]
Sugawara T, Hirota KI, Watanabe M, Mineta T, Makino E, Toh S, et al. Shape memory thin film actuator for holding a fine blood vessel. Sensors and Actuators A: Physical. 2006;130-131:461-467. [Link] [DOI:10.1016/j.sna.2005.10.031]
Hadi A, Yousefi-Koma A, Moghaddam MM, Elahinia M, Ghazavi A. Developing a novel SMA-actuated robotic module. Sensors and Actuators A: Physical. 2010;162(1):72-81. [Link] [DOI:10.1016/j.sna.2010.06.014]
Shi Z, Wang T, Liu D, Ma C, Yuan X. A fuzzy PID-controlled SMA actuator for a two-DOF joint. Chinese Journal of Aeronautics. 2014;27(2):453-460. [Link] [DOI:10.1016/j.cja.2014.02.015]
Woehrmann M, Doerbaum M, Ponick B, Mertens A. Design of a fully actuated electromagnetic bending actuator for endoscopic applications. Innovative Small Drives and Micro-Motor Systems; 9. GMM/ETG Symposium, Nuremberg, Germany. Frankfurt: VDE; 2013. [Link]
Cetinkunt S. Mechatronics with experiments. 2nd Edition. Hoboken: John Wiley & Sons; 2015. [Link]