Mecanismo de conformidad
En ingeniería mecánica , un mecanismo flexible es un mecanismo que logra la transmisión de fuerza y movimiento a través de la deformación elástica del cuerpo . Obtiene parte o la totalidad de su movimiento de la flexibilidad relativa de sus miembros en lugar de solo de las juntas del cuerpo rígido . Estos pueden ser estructuras monolíticas (de una sola pieza) o sin juntas. Algunos dispositivos comunes que utilizan mecanismos flexibles son los pestillos de las mochilas y los clips de papel. Uno de los ejemplos más antiguos de uso de estructuras flexibles es el arco y la flecha . [1] Los mecanismos flexibles fabricados en un plano que tienen movimiento que emerge de dicho plano se conocen como mecanismos de lámina emergente o LEM.
Métodos de diseño
El diseño de mecanismos compatibles sigue siendo un área activa de investigación a mediados de la década de 2020. [2] Se han desarrollado muchos métodos para el diseño de mecanismos compatibles, en general en dos categorías: [3]
Enfoques cinemáticos
La síntesis cinemática considera los mecanismos flexibles como combinaciones discretas de elementos rígidos y flexibles.
Modelo de cuerpo pseudo-rígido
El enfoque cinemático más temprano se basa en un modelo de pseudocuerpo rígido del mecanismo. [1] En este modelo, los segmentos flexibles se modelan como enlaces rígidos conectados a juntas giratorias con resortes de torsión . Otras estructuras se pueden modelar como una combinación de enlaces rígidos, resortes y amortiguadores . [3] [4]
Diseño basado en restricciones
En la topología de libertad y restricción (FACT) y en la síntesis basada en la teoría de tornillos, los elementos flexibles básicos se definen y analizan primero por sus grados de restricción antes de usarse para construir mecanismos flexibles complejos.
Enfoque de optimización estructural
Estos enfoques tratan toda la estructura del mecanismo como un cuerpo flexible. Se utilizan métodos computacionales para la optimización topológica de la estructura. Se ingresan la carga esperada y el movimiento y la transmisión de fuerza deseados y el sistema se optimiza para peso, precisión y tensiones mínimas . Los métodos más avanzados primero optimizan la configuración de enlace subyacente y luego optimizan la topología alrededor de esa configuración. [ cita requerida ] Otras técnicas de optimización se centran en la optimización topológica de las juntas de flexión tomando como entrada un mecanismo rígido y reemplazando todas las juntas rígidas con juntas de flexión optimizadas. [4] Para predecir el comportamiento de la estructura, se realiza un análisis de tensión de elementos finitos para encontrar deformaciones y tensiones en toda la estructura.
Ventajas
Las estructuras flexibles se crean a menudo como alternativa a mecanismos similares que utilizan varias piezas. Existen dos ventajas principales de utilizar mecanismos flexibles:
- Bajo costo: un mecanismo flexible generalmente se puede fabricar en una sola estructura, lo que simplifica enormemente la cantidad de piezas necesarias. [ cita requerida ] Una estructura flexible de una sola pieza se puede fabricar mediante moldeo por inyección, extrusión e impresión 3D, entre otros métodos. Esto hace que la fabricación sea relativamente barata y accesible. [1]
- Mayor eficiencia: los mecanismos flexibles no sufren algunos problemas que afectan a los mecanismos de varios cuerpos, como el juego o el desgaste de la superficie. Debido al uso de elementos flexibles, los mecanismos flexibles pueden almacenar fácilmente energía para liberarla en un momento posterior o transformarla en otras formas de energía. [1]
Desventajas
El alcance completo de un mecanismo depende del material y la geometría de la estructura; debido a la naturaleza de las juntas de flexión, ningún mecanismo puramente flexible puede lograr un movimiento continuo como el que se encuentra en una junta normal. Además, las fuerzas aplicadas por el mecanismo están limitadas a las cargas que los elementos estructurales pueden soportar sin fallar. Debido a la forma de las juntas de flexión, tienden a ser lugares de concentración de tensión. Esto, combinado con el hecho de que los mecanismos tienden a realizar un movimiento cíclico o periódico, puede causar fatiga y, finalmente, falla de la estructura. Además, dado que parte o toda la energía de entrada se almacena en la estructura durante algún tiempo, no toda esta energía se libera de regreso como se desea. Sin embargo, esta puede ser una propiedad deseable para agregar amortiguación al sistema. [1]
Aplicaciones
Algunos de los usos más antiguos de las estructuras flexibles se remontan a varios milenios. Uno de los ejemplos más antiguos es el arco y la flecha. Algunos diseños de catapultas también hicieron uso de la flexibilidad del brazo para almacenar y liberar energía para lanzar el proyectil a distancias mayores. [1] Los mecanismos flexibles se utilizan en una variedad de campos, como estructuras adaptativas y dispositivos biomédicos. Los mecanismos flexibles se pueden utilizar para crear mecanismos autoadaptativos , comúnmente utilizados para agarrar en robótica. [5] [6] Dado que los robots requieren una alta precisión y tienen un alcance limitado, ha habido una amplia investigación en mecanismos robóticos flexibles. Los sistemas microelectromecánicos son una de las principales aplicaciones de los mecanismos flexibles. Estos sistemas se benefician de la falta de ensamblaje requerido y la forma plana simple de la estructura que se puede fabricar fácilmente mediante fotolitografía . [7]
Un ejemplo es el accionamiento flexible o resiliente , que se utiliza a menudo para acoplar un motor eléctrico a una máquina (por ejemplo, una bomba ). El accionamiento consiste en una "araña" de goma intercalada entre dos dientes metálicos . Un diente está fijado al eje del motor y el otro al eje de la bomba. La flexibilidad de la pieza de goma compensa cualquier ligera desalineación entre el motor y la bomba. Véase junta de trapo y giubo . [ cita requerida ]
Galería de imágenes
- Un robot de soldadura láser posiciona las piezas de trabajo mediante un mecanismo flexible entre la mesa y el dispositivo.
- Mecanismo de iris compatible – cerrado
- Mecanismo de iris compatible – abierto
- Clip compatible
- Mecanismo de conmutación compatible biestable
Véase también
Referencias
- ^ abcdef Howell, Larry (2013). Howell, Larry L; Magleby, Spencer P; Olsen, Brian M (eds.). Manual de mecanismos de cumplimiento . Chichester, West Sussex, Reino Unido. p. 300. doi :10.1002/9781118516485. ISBN 9781119953456.
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace ) - ^ Li, Chenglin; Chen, Shih-Chi (1 de mayo de 2023). "Diseño de mecanismos flexibles basados en elementos de construcción flexibles. Parte I: Principios". Ingeniería de precisión . 81 : 207–220. doi :10.1016/j.precisioneng.2023.01.006.
- ^ ab Albanesi, Alejandro E.; Fachinotti, Víctor D.; Pucheta, Martín A. (noviembre 2010). "Una revisión sobre métodos de diseño para mecanismos compatibles". Mecánica Computacional . 29 : 59–72.
- ^ ab Megaro, Vittorio; Zehnder, Jonas; Bächer, Moritz; Coros, Stelian; Gross, Markus; Thomaszewski, Bernhard (2017). "Una herramienta de diseño computacional para mecanismos compatibles". ACM Transactions on Graphics . 36 (4): 1–12. doi :10.1145/3072959.3073636. S2CID 3361104.
- ^ Doria, Mario; Birglen, Lionel (17 de marzo de 2009). "Diseño de una pinza flexible subactuada para cirugía con nitinol" (PDF) . Journal of Medical Devices . 3 (1): 011007–011007–7. doi :10.1115/1.3089249. ISSN 1932-6181.
- ^ Hartisch, Richard Matthias; Haninger, Kevin (20 de enero de 2023). "Pinza flexible con efecto de rayos de aleta para el ensamblaje robótico de alta velocidad de componentes eléctricos". arXiv : 2301.08431 [cs.RO].
- ^ Howell, Larry L. (2001). Mecanismos de cumplimiento (1.ª ed.). Estados Unidos: John Wiley & Sons. pp. 15-18. ISBN 047138478X.
Enlaces externos
- Por qué las máquinas que se doblan son mejores – Vídeo de YouTube de Veritasium
- [1] - Vídeo de YouTube : Una herramienta de diseño computacional para mecanismos compatibles de Disney Research Hub
- [2] - Investigación sobre mecanismos de cumplimiento de BYU
- Pinza Finray compatible para ensamblaje de enchufes eléctricos robóticos de alta velocidad: video de YouTube
