La ventosa autosellante es una ventosa que ejerce una fuerza de succión solo cuando está en contacto físico con un objeto. A diferencia de la mayoría de las otras ventosas, no ejerce ninguna fuerza de succión cuando no está en contacto con un objeto. [1] Su capacidad de agarre se logra completamente a través de medios pasivos sin el uso de sensores, válvulas o actuadores. [2]
Fue diseñado para que, cuando se usa como parte de una matriz de ventosas, las ventosas que no entran en contacto con el objeto permanezcan selladas. Al tener solo las ventosas que están en contacto directo con el objeto para exhibir la fuerza de succión, los investigadores pudieron minimizar los puntos de fuga por donde el aire podría entrar y aumentar la presión que recibe cada ventosa activa, maximizando la fuerza de succión. [3] Como resultado, una variedad de ventosas autosellables puede agarrar y tomar una amplia gama de tamaños y formas de objetos. Esto contrasta con las ventosas convencionales que normalmente están diseñadas para un tamaño y geometría de objeto específicos. [1] Además, se han fabricado ventosas de varios tamaños, que van desde la palma de una mano hasta la punta de un dedo. [4]
La ventosa autosellante fue desarrollada por primera vez en 2010 por una colaboración de investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) , el Centro de Biología Química Edgewood en Aberdeen Proving Ground y la Universidad de Maryland. [1] [3]
Diseño
El diseño de la ventosa autosellante se inspiró inicialmente en las ventosas del pulpo y su capacidad para recoger artículos de diferentes tamaños accionando individualmente sus ventosas según el tamaño y las características físicas del artículo. [5]
La geometría interna de la ventosa autosellante se diseñó con el tamaño más pequeño posible y presenta un grosor de pared mínimo de 1,02 mm, un diámetro de tubo de 1,59 mm y una separación mínima entre piezas de 0,13 mm. La ventosa incorpora una mezcla de componentes de caucho y plástico, donde el borde de la ventosa, la base, el tubo, los resortes y el tapón están hechos de goma blanda, mientras que el lado de la ventosa, el collar, las bisagras y la brida están hechos de plástico. Como parte de su diseño, se puede utilizar una bomba de vacío central para maximizar la fuerza de succión de la ventosa. [1] Se utilizó una impresora 3D multimaterial para crear el prototipo de ventosa autosellante en unos 20 minutos. [5]
Dentro de la ventosa autosellante, el tapón se coloca cerca de la abertura del tubo para que pueda ser succionado por el tubo y sellar el orificio cuando se alimenta la línea de succión central. Un par de resortes conectados a la base de la ventosa ayudan a mantener la posición del tapón, restaurando el sello del tapón en ausencia de fuerzas de objetos. [1] [2] Si la copa entra en contacto con un objeto, una acción de bisagra levanta el tapón del tubo de succión. En el momento en que los labios de la copa se empujan contra el objeto, las fuerzas de reacción pasiva de los labios de la copa se transfieren a la base de goma de la copa, que se extiende sobre el cuello y permite que la estructura se comprima. Actuando como un pivote para las bisagras, el collar hace que las bisagras giren y los bordes de las bisagras se deslicen a lo largo de la parte inferior de la brida y levanten el tapón alejándolo de la abertura del tubo de succión. Como resultado, la ventosa se sella automáticamente cuando no está en contacto con un objeto y se abre automáticamente, los labios de la ventosa hacen contacto con un objeto. [1]
En 2015, se realizaron varias mejoras en el diseño de la ventosa autosellante para mejorar su capacidad de agarre. El diseño anterior demostró los siguientes defectos: [6]
- El diseño requería una altura de copa alta, lo que aumentaba el volumen del dispositivo.
- El diseño era relativamente frágil con respecto a la hiperextensión, así como a las fuerzas de torsión y cortante .
- La geometría interna dificultaba la extracción del material de soporte del interior, variando la calidad del sello.
Para abordar estos defectos, los investigadores de ARL redujeron el número de componentes al consolidar las funciones de varias partes, lo que redujo la altura sin comprimir de la ventosa en casi un 50% a 0,72 cm. El diámetro de la copa también se redujo a 1,07 cm. Se agregó un sistema de palanca a la base de la copa, que hace pivotar el collar para levantar el tapón. Además, el tubo funciona como un resorte, lo que ayuda a restaurar las palancas y el tapón a su posición cerrada. Se agregó una restricción de plástico alrededor de la copa para ayudar a manejar las fuerzas de hiperextensión, cizallamiento y torsión. [6]
Actuación
La ventosa autosellante ha sido sometida a una serie de pruebas para determinar la calidad de su funcionamiento. Se creó un banco de pruebas flexible con cuatro ventosas del tamaño de una moneda de diez centavos y nervaduras de plástico conectadas con tubos de goma para el desplazamiento forzado y las pruebas. [1]
Una prueba de desplazamiento de fuerza que comparó el rendimiento entre la ventosa autosellante, una ventosa idéntica y una ventosa disponible comercialmente encontró que las estructuras internas de la ventosa autosellante permitían ejercer más fuerza para el mismo desplazamiento comparado a las otras copas. Sin embargo, en condiciones idénticas, la copa autosellante alcanzó una fuerza máxima de 12,5 N mientras que la copa disponible comercialmente alcanzó una fuerza máxima de 12,9 N. [2]
Una prueba de calidad del sello midió la presión generada por cada ventosa autosellante. Los resultados mostraron que una serie de cuatro tazas mantenían una presión atmosférica del 93,8%. La prueba también demostró que no todas las copas eran igualmente eficientes en el sellado después del contacto con un objeto. Sin embargo, esto podría ser el resultado de una variación en el uso anterior de los vasos. [2]
Durante la prueba de agarre de objetos donde se examinó el rango de agarre, el banco de pruebas agarró con éxito alrededor del 80% de los objetos intentados. Estos artículos consistían en lo siguiente: control remoto de TV, frasco de pastillas, barra de pegamento, anteojos, tenedor, frasco desechable, pasta de dientes, taza de café, tazón, plato, libro, teléfono celular, pastilla de jabón, papel moneda, correo, llaves, espectáculo, cuchillo de mesa, Caja de medicinas, tarjeta de crédito, acuñar, almohada, cepillo para el cabello, Botella no desechable, billetera, revista, Lata de refresco, periódico, tijeras, Reloj de pulsera, monedero, encendedor, disco compacto, Receptor de teléfono, Botella de vino llena, Vino completo vidrio, bombilla, candado, voleibol acolchado, bloque de madera. (4) Como demostración de la fuerza de las copas, los investigadores de ARL pudieron recoger una botella llena de vino usando solo cuatro de las copas de succión del tamaño de una moneda de diez centavos. [4]
Uso en robótica
Las ventosas autosellantes se han incorporado a los robots para mejorar sus capacidades de agarre pasivo. Debido al diseño de las ventosas, se puede utilizar una fuente de vacío central para generar efectivamente la fuerza de succión de las ventosas y reducir el número de actuadores y sensores del robot. [7]
Los investigadores de ARL diseñaron y desarrollaron un sistema de actuador manual de tres dedos que utiliza una impresora 3D para que el robot utilice correctamente las ventosas autosellantes. Cuatro ventosas corren a lo largo de la parte inferior de cada dedo, que contiene un canal de vacío estrecho que atraviesa el centro. Una bomba de vacío central sirve para alimentar las ventosas y facilitar el agarre. Los dedos también pueden curvarse alrededor del objeto para agarrarlo mejor y liberar cualquier objeto en su lugar al retroalimentar la salida de la bomba de vacío y emitir una ráfaga de presión positiva . [7]
La mano de tres dedos ha sido utilizada por sistemas aéreos y ha demostrado un éxito considerable para agarrar objetos en el suelo mientras se mantiene el vuelo. Según los investigadores de ARL, las ventosas autosellables pueden exhibir mayores tasas de éxito bajo el agua debido a la presión adicional de las profundidades del mar que rodean y presionan contra el objeto y la pinza. [5] Sin embargo, señalaron que un entorno submarino requeriría diferentes materiales de fabricación que permitirían que las ventosas funcionen bien en agua salada, como un plástico térmico. [3]
Referencias
- ^ a b c d e f g Kessens, Chad; Desai, Jaydev (mayo de 2010). Diseño, fabricación e implementación de matrices de ventosas autosellantes para agarrar . 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation . págs. 765–770. doi : 10.1109 / ROBOT.2010.5509818 . ISBN 978-1-4244-5038-1.
- ^ a b c d Kessens, Chad; Desai, Jaydev (noviembre de 2011). "Una matriz de ventosa autoadhesiva para agarrar" . Revista de Mecanismos y Robótica . 3 (4): 045001. doi : 10.1115 / 1.4004893 - a través de ResearchGate.
- ^ a b c Harmon, Katherine (21 de febrero de 2013). "Chupones de pulpo impresos en 3D ayudan a los robots a pegarse" . Scientific American . Consultado el 20 de agosto de 2018 .
- ^ a b Montalbano, Elizabeth (25 de marzo de 2013). "El ejército utiliza tentáculos impresos en 3D para ayudar a los robots a manipular objetos" . Noticias de diseño . Consultado el 20 de agosto de 2018 .
- ^ a b c "ECBC, ARL colaboran en una ventosa inspirada en el pulpo" . Laboratorio de Investigación del Ejército . 12 de febrero de 2013 . Consultado el 20 de agosto de 2018 .
- ^ a b Kessens, Chad; Desai, Jaydev (21 de noviembre de 2015). Mano compacta con agarre pasivo . Robótica Experimental: El 14º Simposio Internacional de Robótica Experimental . págs. 117-126. ISBN 9783319237787.
- ^ a b Kessens, Chad (12 de febrero de 2016). "Agarre pasivo versátil para manipulación". Transacciones IEEE / ASME sobre mecatrónica . 21 (3): 1293–1302. doi : 10.1109 / TMECH.2016.2520306 .