METODE DE PROIECTARE CREATIVĂ APLICATE LA SINTEZA STRUCTURAL CONSTRUCTIVĂ A PREHENSOARELOR MECANICE

CONSIDERATE CA PRODUSE

Ionel STAREŢU, Ioan DAJ

Universitatea "Transilvania" din Braşov

Abstract: The paper presents the possibility to improve the mechanical grippers used the techniques and/or methods of the inventics. These techniques and methods, for the first time intuitive techniques and methods of creation (psychological techniques and psychological methods) and then, combinatorial methods (morphological matrices method and generical product method) are described with eloquent examples of domain of the mechanical grippers. With these techniques and methods new variants can be obtained for the mechanical grippers too. Cuvinte cheie: inventică, proiectare, produs, prehensor mecanic.

1. Introducere

Prehensoarele mecanice sunt utilizate la roboţipentru realizarea funcţiei de prehensiune, prinderea şi deplasarea unui obiect în spaţiu. [3]. Aceste prehensoare constructiv şi funcţional pot fi considerate produse distincte, fiind fabricate de firme specializate [6]. Datorită varietăţii foarte mari a operaţiilor de prehensiune, tipurile de prehensoare mecanice necesare sunt foarte numeroase. Ca urmare, este justificată preocuparea de a genera cât mai multe variante pentru aceste prehensoare, ceea ce se poate realiza folosind tehnicile şi metodele inventicii, pentru a obţine implicit un proces modern de concepţie şi proiectare creativă.

În lucrare sunt prezentate şi exemplificate tehnicile şi metodele inventicii utilizabile în procesul proiectării creative a prehensoarelor mecanice considerate ca produse.

2. Tipurile principale de prehensoare mecanice

Prehensoarele mecanice se pot clasifica după

mai multe criterii, dintre care cel mai important este considerat criteriul structural funcţional, care ţine cont de modul de realizare a prehensiunii. În funcţie de acest criteriu există: prehensoare mecanice cu bacuri (fig.1,a), la care prehensarea se face prin intermediul unor piese specializate numite bacuri; prehensoare mecanice antropomorfe (fig.1,b), care sunt asemănătoare cu mâna umană, prehensarea făcându-se prin intermediul a două sau mai multor degete; prehensoarele mecanice tentaculare (fig.1,c), care au element principal degetul tip tentacul, asemănător cu trompa elefantului sau braţul caracatiţei.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV Catedra Design de Produs şi Robotică

Simpozionul naţional cu participare internaţionalăPRoiectarea ASIstată de Calculator

P R A S I C ' 02 Vol. III – Design de Produs

7-8 Noiembrie ■ Braşov, România ISBN 973-635-076-2

Fig. 1 3. Tehnicile şi metodele psihologice-intuitive

ale inventicii [1]

3.1 Tehnici psihologice a) Asocierea şi consonanţa prin care se stabilesc

legături între imaginaţie şi memorie, astfel, încât o idee o antrenează pe alta caracterizează activitatea generală de proiectare a prehensoarelor mecanice, mai ales, în cazul celor cu bacuri şi celor

Fig. 2 antropomorfe. b) Analogia şi extrapolarea care presupune un transfer de însuşiri, de la un obiect la alt obiect, este indispensabilă în cazul utilizării ca modele a biosistemelor de prehensiune: cleştii crabilor pentru prehensoarele mecanice cu bacuri, mâna umanăpentru prehensoarele antropomorfe, braţul caracatiţei pentru prehensoarele tentaculare (fig. 2,a,b,c). Această tehnică poate fi invocată şi în cazul folosirii

ca modele a dispozitivelor de fixare a pieselor, în special pe maşinile unelte, pentru prehensoarele mecanice cu bacuri sau a protezelor pentru mânăpentru prehensoarele antropomorfe pentru roboţi(fig. 3,a,b) [5].

Fig. 3

c) Inversia, care presupune schimbarea unghiului de abordare a temei de creaţie tehnică, se poate utiliza cu succes pentru optimizarea constructivă a prehensoarelor din perspectiva materialelor, formelor şi funcţiilor pieselor componente. Prin folosirea de întrebări de tipul: de ce acest material şi nu altul?, de ce această formă şinu alta?, de ce această funcţie şi nu alta sau altele?, se pot obţine optimizări importante în direcţiile indicate mai sus. d) Empatia presupune substituirea inventatorului - inginerului proiectant cu obiectul creaţiei şianalizarea temei şi posibilităţilor de rezolvare din această nouă perspectivă. Tehnica empatiei ne poate conduce atât la substituirea cu prehensorul propriu-zis cât şi cu obiectul prehensat. Ambele situaţii pot ajuta substanţial la optimizarea structurală şifuncţională a prehensorului. e) Combinarea presupune folosirea unor întrebări specifice ca: ce idei s-ar putea combina?, ce materiale s-ar putea combina?, ce mişcări s-ar putea combina?…Cu aceste întrebări pot fi evidenţiate intercorelaţiile între diferitele clase mari de prehensoare, dar şi între variantele aceleaşi clase. Un rezultat notabil al acestei tehnici pot fi prehensoarele multiple cu funcţii simple (numai prehensiune) sau cu funcţii complexe (prehensiune şi montaj), iar într-o abordare mai largă prehensoarele hibride (combinaţii între prehensoarele mecanice şi cele cu vacuum, magnetice etc). f) Modificarea - ameliorarea - dezvoltarea presupune plecarea de la o situaţie existentă care poate conduce la o altă situaţie, de multe ori, substanţial imbunătăţită. Se pot folosi întrebări

stimulative ca: ce se poate modifica?, ce se poate ameliora?, ce se poate dezvolta?, ce elemente se pot modifica?, cum se poate reduce greutatea?, ce se poate adăuga?, ce se poate reduce?, ce se poate înlocui şi prin ce? [1]. Aceste întrebări sunt utile pentru perfecţionarea tuturor tipurilor de prehensoare mecanice atât la nivel structural cât şi la nivel constructiv. Folosind această tehnică, primul autor al acestei lucrări plecând de la un prehensor cu bacuri pentru prehensare la exterior (fig. 4,a) a propus şi a obţinut un brevet de invenţie pentru un prehensor cu bacuri pentru prehensare atât la exteriorul cât şi la interiorul pieselor (fig. 4,b).

Fig. 4 g) Tehnica intrărilor şi ieşirilor este importantădin perspectiva intrărilor prehensorului mecanic (cuplarea cu robotul) şi a ieşirilor (pe de o parte interacţiunea cu piesa de prehensat, iar de pe altăparte interacţiunea întregului prehensor - piesă cu altă piesă, în cazul montajului robotizat, sau cu un alt subsistem (o bandă transportoare, un buncăr…), care trebuie să preia presa prehensată. Prin analiza intrărilor şi ieşirilor pot fi stabilite criterii

structurale, cinematice şi chiar dinamice utile la proiectarea optimă a prehensoarelor mecanice. h) Tehnica listelor interogative de verificare Osborn se bazează pe elaborarea unei liste concise de întrebări, care să pună în valoare tehnicile intuitive analizate până acum. Pentru prehensoarele mecanice pot fi particularizate următoarele întrebări: ce alte utilizări ar putea avea?, ce adaptări s-ar putea face?, ce modificări exterioare ar putea fi posibile?, ce s-ar putea înlocui?, ce altă amplasare a modulelor structurale de bază ar fi posibilă?, ce s-ar putea inversa?, ce s-ar putea combina?…etc.

3.2 Metode psihologice

Cele două metode psihologice de creaţie tehnică(brainstormingul şi sinectică) nu sunt potrivite pentru perfecţionarea unor clase sau subclase de prehensoare mecanice (temele fiind prea specializate).

Aceste metode au fost amintite pentru că se pot utiliza la rezolvarea unor probleme pe care le presupune sistemul de prehensiune în ansamblul său(care cuprinde pe lângă partea mecanică şi partea de acţionare, de comandă şi control, de calcul etc) sau probleme de la nivelul unui sistem robot sau unei celule robotizate, în care exită probleme specifice de prehensiune, pentru care se pot obţine, cu aceste metode, soluţii viabile.

4. Metode logico- combinatorice - deductive

4.1Metoda metricelor morfologice La această metodă în general produsul, în cazul

nostru, prehensorul mecanic, se descompune în modulele structural - funcţionale de bază (notate cu A, B, C…) pentru care se identifică variantele principale de materializare: A1, A2,…Aa, pentru modulul A; B1, B2, B3…Bb pentru modulul B ş.a.m.d. În continuare se obţin grupări între variantele primelor două module, apoi între aceste grupări şivariantele următorului modul ş. a. m. d. până la variantele ultimului modul. O variantă a prehensorului mecanic rezultă ca o combinaţie care cuprinde câte o variantă a fiecărui modul structural. În fiecare etapă se pot selecta numai grupările tehnic posibile pentru etapa următoare, caz în care metoda este secvenţial - selectivă.

Această metodă a fost aplicată cu succes la sinteza structurală a majorităţii prehensoarelor mecanice cu bacuri [3] şi, într-o măsură mai mică, se poate aplica la prehensoarele antropomorfe şitentaculare.

În fig. 5 este arătat un tabel prin care se exemplifică grupările între variantele primelor douămodule structurale ale prehensorului cu bacuri (modulul motor - A şi modulul mecanismului de acţionare a elementelor suport - bac - B).

Fig. 5

În fig. 6 sunt arătate trei tabele care conţin o parte a schemelor structurale corespunzătoare combinaţiilor între variantele modulelor structurale de bază (pentru cazul în care mecanismul de acţionare a elementelor suport - bac este cu bare articulate - fig. 6,a;

Fig. 6,a

pentru cazul în care mecanismul de acţionare a elementelor suport - bac este un şurub - fig. 6,b;

Fig. 6,b

Fig.6,c

pentru cazul în care mecanismul de acţionare a elementelor suport - bac este cu roţi dinţate - fig. 6,c), [3].

4.2 Metoda obiectului generalizat

În cazul acestei metode se construieşte obiectul generalizat sau produsul generalizat, care cuprinde atît soluţiile existente cât şi cele probabile. Elaborarea obiectului generalizat cuprinde următoarele faze: stabilirea modulelor structural - funcţionale de bază, identificarea variantelor acestor module, schematizarea tuturor variantelor, codificarea modulelor de bază şi a variantelor, construirea unui corp geometric suport care să poatăcuprinde numărul de module şi de variante considerate [1]. Pe baza acestei reprezentări se obţin variante ale produsului prin considerarea cîte unei variante a fiecărui modul structural - funcţional de bază. Avantajul acestei metode faţă de cea anterioarăeste existenţa schematizărilor variantelor care ajutăsubstanţial la conturarea soluţiei finale. Un exemplu de obiect generalizat pentru clasa prehensoarelor mecanice cu bacuri, care au la bazăun mecanism cu camă, este arătat în fig. 7.

Fig. 7

În acest caz cele trei module structural funcţionale sunt: tipul camei, ansamblul tacheţilor - elementelor portbacuri şi modul de închidere a cuplei camă - tachet. Prin combinarea variantelor adoptate ca semnificative se obţin un număr considerabil de scheme structurale [2]. Un alt exemplu de obiect generalizat, pentru clasa prehensoarelor mecanice cu bacuri care au la bază un mecanism cu bare articulate, este arătat în fig. 8.

Fig. 8

Cel de al doilea obiect generalizat a fost conceput pentru a putea cuprinde cinci module structurale de bază. Pentru mai multe module structurale de bază se pot folosi corpuri geometrice spaţiale complexe (poliedre cu 6, 8, 10, 12 sau mai multe feţe) [4]. Metoda obiectului generalizat se aplică cu succes pentru clase, sau chiar subclase de prehensoare mecanice în funcţie de numărul de module şivariante care pot fi luate în considerare.

5. Concluzii

Pe baza celor prezentate în această lucrare se pot formula următoarele concluzii: a) Prehensorul mecanic cu bacuri este un produs,

realizat în firme specializate, având un loc distinct pe piaţa roboticii.

b) Multitudinea operaţiilor de prehensiune necesită

o gamă variată de prehensoare mecanice cu particularităţi structural - funcţionale specifice.

c) Îmunătăţirea caracteristicilor funcţionale ale

prehensoarelor mecanice este o necesitate şipoate fi realizată prin utilizarea uneia sau mai multor tehnici şi/sau metode specifice inventicii.

d) Folosirea tehnicilor şi/sau metodelor inventicii, ca şi în cazul altor produse, ne poate conduce la variante originale - brevetabile, care justifică pedeplin problematica tratată în lucrare.

Bibliografie

1. Belous, V. Creaţia tehnică în construcţia de

maşini - Inventica. Ed. Junimea, Iaşi, 1986. 2. Dudiţă, Fl., Stareţu, I. Strukturanalyse von

grifern mit Kurvengetriebenfur Industrieroboter. Univ. Kostok, N - Reihe 39 (1990)6.S. p. 53-61.

3. Stareţu, I. Sisteme de prehensiune. Ed. Lux Libris, Braşov, 1996.

4. Stareţu, I., Salcă, H. Generalizarea metodei obiectului generalizat pentru un număr oarecare de module structurale cu un număr oarecare de variante. Buletinul A.G.I.R, anul V, nr. 2, 2000.

5. Stareţu, I., Neagoe, M., Albu, N. Mâini mecanice - Mecanisme antropomorfe de prehensiune pentru protezare şi roboţi. Ed. Lux Libris, Braşov, 2001.

6. *** Cataloage de firme: CCMOP - Franţa, NEWMAT - Franţa, SOMMER automatic - Germania, SCHUNK - Germania.