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Mecanismo de interruptor compatible: encendido
Mecanismo de interruptor compatible (apagado / encendido)

En ingeniería mecánica , un mecanismo compatible es un mecanismo flexible que logra la transmisión de fuerza y ​​movimiento a través de la deformación del cuerpo elástico . [1] Obtiene parte o todo su movimiento de la flexibilidad relativa de sus miembros en lugar de solo las articulaciones de cuerpo rígido. Pueden ser estructuras monolíticas (de una sola pieza) o sin juntas. [ cita requerida ] Algunos dispositivos comunes que utilizan mecanismos compatibles son pestillos de mochila, sujetapapeles y cortaúñas. Uno de los ejemplos más antiguos del uso de estructuras compatibles es el arco y la flecha . [2]

Mecanismo de alicates compatible

Métodos de diseño

Los mecanismos compatibles se diseñan generalmente utilizando dos técnicas: [3]

Enfoque cinemático

El análisis cinemático se puede utilizar para diseñar un mecanismo compatible mediante la creación de un modelo de cuerpo pseudo rígido del mecanismo. [2] En este modelo, los segmentos flexibles se modelan como eslabones rígidos conectados a juntas angulares con resortes de torsión. Otras estructuras se pueden modelar como una combinación de eslabones rígidos, resortes y amortiguadores. [4] [5]

Enfoque de optimización estructural

En este método, se utilizan métodos computacionales para la optimización topológica de la estructura. Se ingresan la carga esperada y el movimiento deseado y la transmisión de fuerza y ​​el sistema se optimiza para el peso, la precisión y las 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. [5] Para predecir el comportamiento de la estructura, se realiza un análisis de esfuerzos de elementos finitos para encontrar deformaciones y esfuerzos en toda la estructura.

Se están ideando otras técnicas para diseñar estos mecanismos. Los mecanismos compatibles fabricados en un plano que tienen movimiento que emerge de dicho plano se conocen como mecanismos emergentes de lámina (LEM).

Ventajas

Las estructuras compatibles se crean a menudo como una alternativa a mecanismos similares que utilizan varias partes. Hay dos ventajas principales de utilizar mecanismos compatibles:

  • Bajo costo: un mecanismo compatible generalmente se puede fabricar en una sola estructura, lo que es una simplificación dramática en el número de piezas requeridas. [ cita requerida ] Se puede fabricar una estructura de una sola pieza mediante moldeo por inyección, extrusión e impresión 3D, entre otros métodos. Esto hace que la fabricación sea relativamente barata y accesible. [2]
  • Mejor eficiencia: los mecanismos compatibles 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 compatibles pueden almacenar fácilmente energía para liberarla en un momento posterior o transformarla en otras formas de energía. [2]

Desventajas

La gama completa de un mecanismo depende del material y la geometría de la estructura; Debido a la naturaleza de las articulaciones de flexión, ningún mecanismo puramente compatible puede lograr un movimiento continuo como el que se encuentra en una articulación normal. Además, las fuerzas aplicadas por el mecanismo se limitan 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 esfuerzos. Esto, combinado con el hecho de que los mecanismos tienden a realizar movimientos cíclicos o periódicos, puede causar fatiga y eventual 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 como se desea. Sin embargo, esta puede ser una propiedad deseable para agregar amortiguación al sistema. [2]

Aplicaciones

Algunos de los usos más antiguos de estructuras compatibles 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 mayores distancias. [2] Actualmente, los mecanismos compatibles se utilizan en una variedad de campos, como las estructuras adaptativas y los dispositivos biomédicos. Se pueden usar mecanismos compatibles para crear mecanismos autoadaptativos , comúnmente usados ​​para agarrar en robótica. [6] Dado que los robots requieren una alta precisión y tienen un alcance limitado, se ha realizado una extensa investigación sobre mecanismos robóticos compatibles. Sistemas micro electromecánicos(MEMS) son una de las principales aplicaciones de los mecanismos compatibles. Los MEMS se benefician de la falta de ensamblaje requerido y la forma plana simple de la estructura que se puede fabricar fácilmente mediante fotolitografía . [ cita requerida ]

El accionamiento flexible o elástico , que se utiliza a menudo para acoplar un motor eléctrico a una máquina (por ejemplo, una bomba ), es un ejemplo. La unidad consiste en una "araña" de goma intercalada entre dos perros de metal . Un perro está fijado al eje del motor y el otro al eje de la bomba. La flexibilidad de la pieza de goma compensa cualquier leve desalineación entre el motor y la bomba. Ver porro de trapo y giubo . [ cita requerida ]

Investigadores y laboratorios de investigación

Varios laboratorios e investigadores están investigando explícitamente mecanismos compatibles:

  • Prof. Larry Howell , investigación sobre mecanismos de cumplimiento de la Universidad Brigham Young [1]
  • Prof. Haijun Su de la Universidad Estatal de Ohio [7] [8]
  • Dr. Shane Johnson del Instituto Conjunto de la Universidad de Michigan, SJTU, Shanghai.
  • Prof. Kota en el Laboratorio de diseño de sistemas compatibles de la Universidad de Michigan [9]
  • Prof. Zentner de la Universidad Tecnológica de Ilmenau [10]
  • Prof. Martin Culpepper en el Laboratorio de sistemas compatibles con precisión del MIT [11]
  • Prof. Just L. Herder de la Universidad Tecnológica de Delft [12]
  • Prof. Engin Tanık y Prof. Volkan Parlaktaş en la Universidad Hacettepe [13]
  • Prof. Jonathan Hopkins de la Universidad de California, Los Ángeles [14]
  • Prof. Dannis Brouwer de la Universidad de Twente, Países Bajos [15]
  • Prof. Alexander Hasse de la Universidad Tecnológica de Chemnitz [16]
  • Prof. Jared Butler, Universidad Estatal de Pensilvania, University Park
  • Prof. Giovanni Berselli y Prof. Pietro Bilancia en la Universidad de Génova, Italia

Además, los siguientes investigadores pueden estar realizando investigaciones de mecanismos compatibles:

  • El Laboratorio de Diseño y Dispositivo Multidisciplinario y Multiescala (M2D2) en el Instituto Indio de Ciencia, Bangalore [17]
  • Prof. Sridhar Kota [18]
  • Prof. Shorya Awtar de la Universidad de Michigan [19]
  • Prof. GK Ananthasuresh en IISc, Bangalore [20]
  • Profesor Stephen L. Canfield de la Universidad Tecnológica de Tennessee [21]
  • Prof. Charles Kim de la Universidad de Bucknell [22]
  • Prof. Anupam Saxena en IIT Kanpur, India [23]
  • Prof. Mary Frecker de la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park [24]
  • Prof. Guimin Chen, Mecanismos de cumplimiento y sus aplicaciones en la Universidad de Xi'an Jiaotong [25]
  • Prof. Guangbo Hao, Grupo de Investigación de Robótica y Mecanismos Conformes en el University College Cork, Irlanda [26]
  • Prof. WJ Zhang, Grupo de Investigación de Robots y Mecanismos de Cuerpo Blando de la Universidad de Saskatchewan, Canadá [27]
  • Prof. Stuart Smith, grupo de desarrollo de instrumentación, Universidad de Carolina del Norte en Charlotte, EE. UU. [29]

Galería de imágenes

  • Un robot de soldadura láser coloca las piezas de trabajo mediante un mecanismo compatible entre la mesa y el accesorio

  • Mecanismo Iris compatible: cerrado

  • Mecanismo Iris compatible: abierto

  • Clip compatible

  • Mecanismo de interruptor compatible biestable

Ver también

  • Rigidez
  • Cumplimiento del centro remoto
  • Bisagra viva
  • Cojinete de flexión
  • Mecanismos de autoadaptación

Referencias

  1. ^ a b "CMR recibió una beca de investigación de la National Science Foundation" . Cmr.byu.edu . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  2. ↑ a b c d e f Howell, Larry (2013). Howell, Larry L; Magleby, Spencer P; Olsen, Brian M (eds.). Manual de mecanismos de cumplimiento . Chichester, West Sussex, Reino Unido. pag. 300. doi : 10.1002 / 9781118516485 . ISBN 9781119953456.
  3. ^ Albanesi, Alejandro E .; Fachinotti, Victor D .; Pucheta, Martín A. (noviembre de 2010). "Una revisión de los métodos de diseño para los mecanismos de cumplimiento" . Mecánica Computacional . 29 : 59–72.
  4. ^ Albanesi, Alejandro E., Victor D. Fachinotti y Martin A. Pucheta. "Una revisión de los métodos de diseño de los mecanismos compatibles". Mecánica Computacional 29.3 (2010).
  5. ^ a b Megaro, Vittorio; Zehnder, Jonas; Bächer, Moritz; Coros, Stelian; Gross, Markus; Thomaszewski, Bernhard (2017). "Una herramienta de diseño computacional para mecanismos compatibles". Transacciones ACM en gráficos . 36 (4): 1–12. doi : 10.1145 / 3072959.3073636 .
  6. ^ Doria, Mario; Birglen, Lionel (17 de marzo de 2009). "Diseño de una pinza compatible no activada para cirugía con nitinol". Revista de dispositivos médicos . 3 (1): 011007–011007–7. doi : 10.1115 / 1.3089249 . ISSN 1932-6181 . 
  7. ^ "Página de inicio - DAS 2D / 3D" . DAS 2D / 3D . Consultado el 11 de noviembre de 2015 .
  8. ^ "Laboratorio de simulación e innovación de diseño" . Laboratorio de Innovación en Diseño y Simulación . Consultado el 11 de noviembre de 2015 .
  9. ^ "U of M - Laboratorio de diseño de sistemas compatibles" . Sitemaker.umich.edu. Archivado desde el original el 6 de mayo de 2014 . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  10. ^ "FG Nachgiebige Systeme" . www.tu-ilmenau.de (en alemán) . Consultado el 3 de agosto de 2017 .
  11. ^ "Hogar de laboratorio de sistemas compatibles con precisión de MIT" . Pcsl.mit.edu. Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2012 . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  12. ^ [1] Archivado el 16 de noviembre de 2012 en la Wayback Machine.
  13. ^ "CRMR" . Yunus.hacettepe.edu.tr . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  14. ^ "Grupo de investigación flexible" . ucla.edu . Consultado el 2 de diciembre de 2017 .
  15. ^ "Ingeniería de precisión" . utwente.nl . Consultado el 26 de noviembre de 2018 .
  16. ^ "Nachgiebige Systeme" . www.tu-chemnitz.de/mb/mp/ (en alemán) . Consultado el 22 de mayo de 2018 .
  17. ^ "Índice M2D2" . Mecheng.iisc.ernet.in. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2015 . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  18. ^ "Sridhar Kota | me.engin.umich.edu" . Personal.umich.edu . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  19. ^ "Laboratorio de diseño de sistemas de precisión" . Personal.umich.edu . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  20. ^ "Ananthasuresh" . Mecheng.iisc.ernet.in. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2015 . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  21. ^ "Stephen L Canfield, Ph.D., profesor de ingeniería mecánica" . Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2012 . Consultado el 15 de julio de 2013 .
  22. ^ "Departamento de ingeniería mecánica: Charles J. Kim" . Archivado desde el original el 13 de mayo de 2008 . Consultado el 9 de mayo de 2008 .
  23. ^ "index_iitk_32" . Home.iitk.ac.in . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  24. ^ "Inicio" . Edog.mne.psu.edu. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2015 . Consultado el 21 de febrero de 2015 .
  25. ^ "Mecanismos compatibles e instrumentos de precisión" . web.xidian.edu.cn . Consultado el 6 de mayo de 2015 .
  26. ^ "Bienvenido a la página de inicio de investigación del Dr. Guangbo Hao" .
  27. ^ https://homepage.usask.ca/~wjz485/

Enlaces externos

  • Por qué las máquinas que se doblan son mejores : video de YouTube de Veritasium
  • [2] - Video de YouTube - Una herramienta de diseño computacional para mecanismos compatibles de Disney Research Hub
  • [3] - Investigación de mecanismos compatibles con BYU