Inner-cable mechanisms: a feasibility analysis of cable substitution in planar kinematic chains

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Muraro, Thaís
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247794
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2023.
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spelling Inner-cable mechanisms: a feasibility analysis of cable substitution in planar kinematic chainsEngenharia mecânicaRobôs industriaisRobóticaCabosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2023.A robótica está cada vez mais presente na vida cotidiana e é utilizada para diversos tipos de tarefas. Os robôs aparecem massivamente na indústria, na área médica e hospitalar, e vêm tomando espaço na interação com humanos. A difusão de robôs para as mais variadas atividades poderia ser mais expressiva se o custo, a massa e o tamanho dos dispositivos pudesse ser reduzido sem que se perdesse a funcionalidade e o desempenho. Exatamente de acordo com essas vantagens este trabalho foi desenvolvido. Nesta tese, o problema de minimização de custo, massa e volume é resolvido através do uso conveniente de cabos em sistemas que originalmente possuem todas as suas partes rígidas, sem que haja as perdas de funcionalidade e desempenho antes mencionadas. Nesse sentido, o principal objetivo deste estudo é determinar se existem elos em um dados mecanismo que podem ser substituídos por cabos e quais são eles, a fim de manter o sistema em equilíbrio e permitindo que ele realize determinadas tarefas sem colapsar. Assim, algumas condições são impostas para que a substituição dos elos por cabos de comprimento fixo possa ser bem sucedida. A partir dessas condições os cabos são posicionados e os elos rígidos removidos. Então, a cinemática de posição é realizada a fim de determinar as carcterísticas dos helicoides em função de ângulos e das dimensões conhecidas do mecanismo. Essas posições são utilizadas para escrever as heliforças atuantes no sistema que serão utilizadas no método de Davies para a resolução do modelo estático. Conhecendo as forças envolvidas no sistema, faz-se, então, uma análise vetorial para identificar, dada uma trajetória de um ponto do sistema, o sucesso ou fracasso da substituição. Caso algum cabo não permaneça tensionado durante a trajetória, ele pode ser removido ou a configuração de carregamento pode ser modificada para reverter a situação. A abordagem proposta é mostrada e validada através de estudos de casos nos quais são consideradas diferentes cadeias cinemáticas planares, desde casos mais simples até casos de aplicação real. A substituição proposta gera um tipo de mecanismo (e de sistemas mecânicos em geral) que contém cabos de comprimento fixo não atuados, que não podem ser considerados mecanismos atuados por cabos e tampouco sistemas de tensegridade. Assim, é também proposta uma nomenclatura para esse tipo de mecanismo gerado: os Inner-Cable Mechanisms (ICMs). A fim de incluir os sistemas inner-cable na classificação de sistemas com cabos, uma nova classificação desses sitemas é proposta.Abstract: Robotics is increasingly present in everyday life and is used for various types of tasks. Robots appear massively in industry, in the medical and hospital areas, and have been taking up space in the interaction with humans. The diffusion of robots for the most varied activities could be more expressive if the cost, mass and size of the devices could be reduced without losing functionality and performance. Exactly according to these advantages this work was developed. On this thesis the problem of cost, mass and volume minimization is solved through the convenient use of cables in systems that originally have all their rigid parts, without the aforementioned loss of functionality and performance. In this sense, the main objective of this study is to determine which links can be replaced in order to keeping the system in balance and allowing it to perform certain tasks without collapsing. Thus, some conditions are imposed so that the replacement of links by cables of fixed length can be successful. From these conditions the cables are positioned and the rigid links removed. Then, the position kinematics is performed in order to determine the screw characteristics as a function of known angles and dimensions of the mechanism. These positions are used to write the wrenches acting on the system that will be used in the Davies method to solve the static model. Knowing the forces involved in the system, a vector analysis is then carried out to identify, given a trajectory of a point in the system, the success or failure of the replacement. If any cable does not remain tensioned during the trajectory, it can be removed or some force application criteria can be modified to reverse the situation. The proposed approach is shown and validated through case studies in which different planar kinematic chains are considered, from simple cases to real application cases. The proposed replacement generates a class of mechanisms that contain non-actuated fixed-length cables, which cannot be considered cable-actuated mechanisms or tensegrity systems. Thus, a classification for this type of generated mechanism is also proposed: the Inner-Cable Mechanisms.Martins, DanielMejia Rincon, LeonardoUniversidade Federal de Santa CatarinaMuraro, Thaís2023-06-28T18:28:14Z2023-06-28T18:28:14Z2023info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis91 p.| il., gráfs.application/pdf382154https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247794engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-06-28T18:28:14Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/247794Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732023-06-28T18:28:14Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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