El diseño de mecanismos de marcha ha sido un desafío constante en la ingeniería mecánica. Con el avance de la tecnología, ahora es posible utilizar el análisis asistido por ordenador para explorar y optimizar diferentes diseños. En este artículo, exploraremos cómo el diseño y análisis asistido por ordenador está revolucionando la industria, específicamente en el campo de los mecanismos de marcha. Descubriremos las ventajas y desafíos de esta metodología, así como los resultados sorprendentes que se han logrado hasta ahora. Si eres un entusiasta de la ingeniería mecánica o simplemente estás interesado en cómo la tecnología está transformando nuestra capacidad para diseñar y analizar mecanismos de marcha, ¡sigue leyendo!

ABSTRACTO

Hay vehículos de ruedas y de orugas en la masa terrestre. Pero las personas y los animales pueden llegar a casi cualquier lugar con las piernas. El objetivo principal del mecanismo de marcha es desarrollar robots todoterreno capturando autonomía de movilidad y simulando seres vivos. Estos robots pueden subir escaleras como seres vivos. El desorden en el hogar limita la utilidad de los vehículos con ruedas. Las máquinas cuentan con una serie de mecanismos para su funcionamiento exitoso y el logro del rendimiento deseado. Mecanismos como el mecanismo de cuatro barras, el mecanismo de una sola manivela, el mecanismo de doble manivela, etc. se utilizan para transmitir movimiento, fuerza, par, etc. Nuestro objetivo es realizar un análisis de estos mecanismos de funcionamiento para estudiar los movimientos cinemáticos, tensiones y deformaciones de las conexiones cinemáticas mediante el uso de software CAD. Los datos del análisis se pueden utilizar como referencia para desarrollar un robot andante para lograr mejores cualidades de diseño. Hay muchos tipos de mecanismos para caminar, pero hay dos mecanismos principales que se implementan de manera óptima. Son el mecanismo de THEO JANSON y la conexión KLANN. Por ello, realizaremos un análisis de la conexión KLANN. La conexión KLANN es una extensión del mecanismo de cuatro barras. Fue desarrollado por primera vez por Joe Klann en 1994. El análisis se basa en el concepto FEM, que está integrado en el software CAD ANSYS 16.0. Utilizando un software de diseño llamado CATIA, también diseñaremos un modelo 3D de la forma en ejecución y lo simularemos.

RESUMEN

Objetivo:

Diseñé el modelo de un robot andante usando SOLIDWORKS y analicé las conexiones cinemáticas del mecanismo de las piernas usando ANSYS.

Ojo del proyecto:

• Observar la distribución de tensiones en las conexiones cinemáticas del mecanismo de patas para obtener un diseño seguro del robot andante.
• Conozca la velocidad y aceleración de cada eslabón cinemático del mecanismo de las piernas.
• Observar la simulación de un robot andante.
• Obtener el diseño flexible de un robot andante mediante simulación en SOLIDWORKS utilizando dimensiones estándar del mecanismo KLANN

Alcance futuro:

El proyecto trata del análisis y diseño del robot andante. Pero nuestra perspectiva futura es reemplazar las ruedas de los robots todoterreno con movimiento de piernas para llegar a donde las ruedas no puedan.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Mecanismo Klann

El varillaje Klann fue desarrollado por Joe Klann en 1994 como una extensión de las curvas Burmester utilizadas para desarrollar varillajes de doble balancín y cuatro barras, como las grúas portuarias. Este mecanismo Klann es un mecanismo plano que convierte el movimiento giratorio de la manivela en un movimiento lineal del pie durante media revolución de la manivela y eleva el pie durante la segunda mitad para devolverlo al punto de partida. Dos de estas conexiones, que están desfasadas 180 grados, sirven como reemplazos de ruedas. Fue diseñado para simular el andar de un animal con patas, como una araña, y para actuar como rueda de repuesto. Aquí las ruedas se pueden sustituir por cuatro o seis patas. A veces también es posible diseñar un robot todoterreno con ocho patas. El varillaje CAN consta del bastidor, una manivela, dos brazos oscilantes puestos a tierra y dos acoplamientos, todos conectados mediante juntas giratorias. Tiene 6 extremidades por pierna.

También existe otro mecanismo popular: el mecanismo de Theo Jansen. Diseñado por Theo Jansen para simular un movimiento suave al caminar. Jansen ha utilizado su mecanismo en varias esculturas cinéticas conocidas como Strandbeests. El vínculo de Jansen es valioso tanto desde el punto de vista artístico como mecánico porque simula el movimiento orgánico de caminar utilizando una simple entrada giratoria. Existen muchos tipos de mecanismos de piernas, como por ejemplo: B. Mecanismos de patas de ocho barras, Strandbeests (conexión Jansen aplicada), andador del Instituto Tecnológico de Tokio, máquina de la planta de Ghassaei Linkage Tchebyshev. Sin embargo, de estos, el mecanismo Klann y el mecanismo Jansen son los más populares y tienen el mejor diseño.

Las imágenes de arriba muestran cómo los enlaces se conectan a otros enlaces y cómo se pueden simular. El mecanismo Klann está ligeramente mejor construido en comparación con el enlace Jansen debido al menor número de enlaces. Por este motivo, nos gustaría optar por el diseño y análisis asistido por ordenador de robots andantes basados ​​en el mecanismo Klann utilizando algunas herramientas CAD. Estos robots andantes pueden moverse a cualquier lugar como organismos vivos, como zonas todoterreno, zonas rocosas y superficies embarradas.

1.2 Robots andantes

Dado que las ruedas son ineficaces en terrenos irregulares y rocosos, un robot con patas y mecanismo klann es beneficioso para vehículos andantes avanzados. Puede sortear bordillos, subir escaleras o desplazarse por zonas actualmente inaccesibles con ruedas. La ventaja más importante de este mecanismo es que no requiere control por microprocesador ni una gran cantidad de mecanismos operativos. En este mecanismo, los eslabones están conectados mediante juntas giratorias y convierten el movimiento de rotación de la manivela en un movimiento de pie, similar al de un animal que camina. Las proporciones de los eslabones individuales del mecanismo están definidas de tal manera que la linealidad del pie se optimiza para la mitad de la revolución de la manivela. La rotación restante de la manivela permite elevar el pie a una altura predeterminada antes de volver a la posición inicial y repetir el ciclo. Dos de estos enlaces, conectados en la manivela y desfasados ​​por medio ciclo, permiten que el marco de un vehículo se mueva paralelo al suelo. Este proyecto es útil cuando se manipulan materiales peligrosos, se limpian campos minados o se asegura un área sin poner en peligro a nadie. El ejército, los organismos encargados de hacer cumplir la ley, las unidades de eliminación de artefactos explosivos y las empresas de seguridad privadas también podrían beneficiarse del uso de una araña mecánica. Sería muy adecuada como plataforma con capacidad para superar escaleras y otros obstáculos para vehículos de ruedas o de orugas.

Estos robots andantes pueden ser más ventajosos que los robots con ruedas y pueden ir a cualquier parte, al igual que los humanos y otros organismos como arañas, cangrejos y cucarachas. Hay muchísimos tipos de robots andantes.

La imagen de arriba muestra algunos de los robots andantes diseñados para terrenos accidentados.

1.3 Ventajas de los robots andantes frente a los robots con ruedas

• Los robots o vehículos con patas pueden navegar por todo tipo de superficies inaccesibles para los robots con ruedas.
• Los robots con piernas pueden saltar o patear obstáculos, mientras que las ruedas tienen que superarlos de alguna manera o tomar un camino diferente.
• Las ruedas requieren un camino continuo para moverse, mientras que las piernas pueden superar caminos aislados y avanzar.
• Los robots con piernas pueden evitar patadas no deseadas que no se pueden evitar con robots con ruedas
• Robots con patas nos ayudan a investigar la locomoción humana y animal
• Tan pronto como pasamos de nuestro hábitat modificado a un terreno accidentado, rocoso, arenoso, empinado e indeseable, nos damos cuenta de que nuestro brillante invento de las ruedas resulta absolutamente inútil.
• Y por último, la emoción de recrear un humano o un animal e intentar desafiar a la naturaleza.

2. REVISIÓN DE LA LITERATURA

La ilustración de la página anterior muestra el mecanismo de la pata, que utiliza un mecanismo Klann para imitar la pata de la araña (insecto). El proyecto optará por un mecanismo de seis barras porque tiene un mejor ángulo de transmisión de potencia y un mayor ángulo de oscilación en comparación con otros tipos como el mecanismo de Theo Jansen. Debido al punto de contacto con el suelo, la transmisión de fuerza es muy importante para la mecánica de las piernas. El mecanismo de patas cuyo tamaño de cuerpo se muestra en la figura mencionada en la página anterior. Tiene seis extremidades y siete articulaciones cilíndricas. Las dimensiones de altura y conexión se determinan a partir de los ángulos máximos de giro y elevación. Por este motivo, el proyecto tiene en cuenta las dimensiones estándar para su análisis.[1]

Los vehículos de transporte tradicionalmente utilizan mecanismos con ruedas, como los coches y los trenes. Las ruedas son ideales para moverse sin balanceo vertical de la carrocería y los neumáticos con cámaras de goma absorben los impactos en carreteras irregulares. Por otro lado, la robótica de inspiración biológica aprende la flexibilidad móvil de criaturas con múltiples piernas y su coordinación. Buenos ejemplos de esto son los artrópodos como las arañas y las cucarachas. Los robots están equipados convencionalmente con actuadores en cada articulación.[2] En tal implementación, los robots son buenas herramientas para estudiar cómo se mueve un animal.[4] Sin embargo, no pueden sustituir a las ruedas porque apenas tienen en cuenta la capacidad de carga máxima. Los actuadores de Joint prometen flexibilidad móvil, mientras que la salida de par del actuador afecta la robustez del cuerpo del robot. Por lo tanto, los trenes de aterrizaje con orugas o orugas son populares en el diseño de robots para desastres que necesitan moverse sobre escombros y transportar equipos de rescate. Theo Jensen, un artista cinético holandés que intentó unir el arte y la tecnología centrándose en la naturaleza biológica, propuso un mecanismo de conexión para imitar el esqueleto de las patas de los animales. Esto se llama “mecanismo de Theo-Jansen” y proporciona al animal la capacidad de moverse con fluidez.[5] Curiosamente, sus animales artificiales no requieren energía eléctrica para los actuadores y funcionan con energía eólica débil para impulsar la marcha de múltiples piernas al convertir el movimiento cíclico interno en una órbita elíptica de las piernas. eso tiene un nombre Playas. ¿Qué significa animal de playa? La siguiente imagen muestra exactamente cómo se ve

Foto de aprendiendodeperros.com

El mecanismo de Theo Jansen está detrás de esta estructura de engranajes STRANDBEEST. Cada estructura de pierna individual se coloca una al lado de la otra para formar esta estructura. El mecanismo de Theo Jansen también está sembrado en la página anterior, sembrado de nuevo aquí.

3 MECANISMO KLANN

El mecanismo Klann es un mecanismo plano que convierte el movimiento giratorio de la manivela en un movimiento lineal del pie durante media vuelta de la manivela. Hay seis conexiones en el mecanismo Klann: marco fijo, manivela, balancín superior, balancín inferior y conexión brazo-pata principal.

Fig. 3.1: Conexión Klann

Nuestro objetivo es realizar un análisis del mecanismo Klann y diseñar un modelo informático de un robot andante para demostrar un mecanismo Klann basado en un robot andante. El modelo informático muestra cómo se puede diseñar y simular el robot de seis patas. Nuestro proyecto simulará el modelo por computadora y realizará un análisis en la única pierna del robot andante basado en el enlace Klann utilizando el concepto FEM. Hay muchísimas herramientas CAD para realizar este análisis. Utilizando una de las herramientas CAD el proyecto trabajará en ello.

Hay tantas herramientas CAD como SOLIDWORKS, CATIA, CREO, UNIGRAPHICS, AutoCAD, ANSYS y ABAQUS. Cada software tiene su propio estilo de diseño y análisis.

El proyecto se basa íntegramente en estas herramientas CAD. Por tanto, elegiremos aquel que nos ofrezca más flexibilidad en el diseño y análisis. Pero, lamentablemente, tanto el diseño como el análisis no son fáciles con un único software. Por este motivo, optaremos por diseñar y analizar software individual. En primer lugar, se ejecuta en SOLIDWORKS el modelo informático de un robot andante basado en el mecanismo Klann. Debido a la interfaz fácil de usar y muy fácil de aprender a usar las herramientas de diseño en SOLIDWORKS, así como a la buena interfaz gráfica en comparación con otros programas.

Pasemos al análisis, que también es posible en trabajos sólidos, pero ANSYS es el mejor software para análisis. Pero los trabajos sólidos también pueden hacer el análisis, pero el problema es la precisión. En SOLIDWORKS los resultados son menos precisos, pero en ANSYS podemos obtener valores más precisos que en SOLIDWORKS. Y la tecnología de redes también es más extensa en ANSYS en comparación con SOLIDWORKS. Pero SOLIDWORKS tarda menos tiempo en resolver el modelo pero ANSYS tarda más que SOLIDWORKS.

3.1 DIMENSIONES Y SEGUIMIENTO EN LA PIERNA

Como se mencionó, el proyecto se ciñe a la dimensión estándar del mecanismo Klann del sitio web de Klann para realizar análisis y modelos CAD del robot andante.[3] Pero ahora el proyecto examinará los cambios en las dimensiones de las patas y observará el cambio en el camino trazado desde el punto donde la conexión de la pata principal toca el suelo.

Fig. 2.3: Ninguna dimensión cambió

La imagen de arriba muestra el camino que sigue el punto de la conexión de la pata principal del mecanismo Klann a medida que la pata se mueve hacia adelante y hacia atrás. No se realizan cambios en las dimensiones de ninguna conexión del mecanismo de patas.

Cuando se realizan cambios en el brazo de conexión, cambia el camino trazado desde el punto de conexión de la pata principal. Esto se muestra en la Figura 2 a continuación.

Fig. 2.4: Dimensiones modificadas en el brazo de conexión

La figura de arriba muestra cómo se traza el camino a través del punto del enlace principal. La pista gira sólo ligeramente cuando entra en contacto con el suelo, por lo que la flexibilidad y estabilidad de la pierna cambia y no es adecuada para la construcción de un robot andante.

Ahora el proyecto cambiará las dimensiones de la manivela. Entonces el camino trazado desde el punto en el enlace principal definitivamente cambiará, como se muestra en la Figura 3 a continuación.

Fig. 2.5: Cambio en las dimensiones de la manivela

El camino trazado desde el punto de la conexión del ramal principal se muestra arriba. Es similar a la primera Figura 1, pero aquí el proyecto no puede observar el movimiento de la conexión de la pata principal. Si consideramos el movimiento de la articulación principal de la pierna, hay una diferencia en la velocidad del movimiento. Si el proyecto cambia las dimensiones del balancín superior y del balancín inferior, el proyecto puede observar el mismo fenómeno en la velocidad de movimiento.

Fig. 2.6: Cambios en el balancín inferior

Fig. 2.7: Cambios en la conexión de la pata principal

4 INTRODUCCIÓN A SOLIDWORKS

SolidWorks es un moderno programa CAD (diseño asistido por computadora). Permite a los diseñadores crear un modelo sólido matemáticamente correcto de un objeto que puede vincularse a las propiedades de los materiales utilizados. El proyecto puede obtener un modelo sólido que puede usarse para simular y predecir el comportamiento de la pieza o modelo de elementos finitos y otro software de simulación. El mismo modelo sólido se puede utilizar para fabricar el objeto y también contiene la información necesaria para probar y ensamblar el producto. La organización de marketing puede crear folletos de ventas y vídeos que presenten el producto a los clientes potenciales. SolidWorks y programas CAD similares han permitido la ingeniería concurrente, donde todos los grupos involucrados en el proceso de desarrollo del producto pueden compartir información en tiempo real.

SOLIDWORKS es un software fácil de usar, fácil de aprender y comprender. Y mucho más fácil de usar. Comparado con otro software CAD como CATIA, este software es mucho más fácil de usar. Se desarrolló por primera vez en 1993 y el primer lanzamiento se produjo en 1995 en los sistemas DASSAULT. Dassault Systems también ha desarrollado CATIA, un gran software que es un software CAD más eficaz y potente.

En SOLIDWORKS existen principalmente tres módulos cuando abrimos un archivo nuevo. Estos son modelado de piezas, modelado de ensamblajes y dibujo. En el modelado de piezas existen varios tipos de módulos adicionales como superficies, chapa, dibujadores, herramientas de moldeo, piezas soldadas y productos de oficina.

4.1 MODELADO DE UN ROBOT CAMINANTE BASADO EN EL MECANISMO KLANN

El diseño del robot andante se basa en nuestro tamaño en términos de ancho, alto y largo del robot. Esto es opcional para seleccionar el tamaño del bot, independientemente de si el bot es más grande o más pequeño. En consecuencia, el proyecto puede cambiar las dimensiones del mecanismo Klann. Entonces el proyecto no cambiará estas dimensiones del mecanismo Klann. El proyecto tiene en cuenta las dimensiones reales de las piernas y, en base a estas dimensiones, cambia las dimensiones del robot para evitar dificultades en el diseño de todo el robot andante.

Por tanto, el proyecto considera el largo, alto y ancho del robot según el largo de la pierna. Estas dimensiones son sólo consideraciones. No resuelto.

4.2 OBSERVACIÓN

Todas las imágenes anteriores se tomaron mientras se diseñaba un robot andante en SOLIDWORKS. El modelo anterior puede simular cómo puede caminar el robot andante. Sin embargo, según el modelo anterior, el proyecto sólo puede simular las direcciones de avance y retroceso. El robot tiene dos patas montadas en un marco individual. Por eso el robot no puede dar vueltas. Sin embargo, se requiere que cada pata esté montada en marcos individuales y que tengan un grado de libertad libre a lo largo de la dirección horizontal. Entonces el robot puede proporcionar fácilmente movimientos de rotación al robot de seis patas. Sin embargo, la transmisión de potencia para cada tramo individual se realiza en la relación de transmisión normal. Esto se puede lograr a través de sensores y actuadores. Luego, el proyecto podrá diseñar un exitoso robot andante de seis patas que pueda caminar a cualquier lugar como criaturas como cangrejos y arañas. En realidad así se llama este tipo de robot. Arañas mecánicas. Este nombre ya ha sido mencionado por el Klan en su sitio web oficial. Pero están diseñando robots con patas que constan de cuatro patas. Esto podría ser más ventajoso que un animal de seis patas, ya que menos articulaciones y conexiones resultan en menos fricción.

Sólo tenemos un motor montado en el marco. El proyecto también puede ensamblar motores individuales para las levas individuales. Es decir, un motor para las tres patas traseras y un segundo motor para las tres patas delanteras. Sin embargo, los motores deben seguir la misma relación de transmisión. De lo contrario, el proyecto no puede abandonar el robot. Esto facilita el giro cuando los dos motores giran en direcciones opuestas. Y en la misma dirección hay un momento de avance o retroceso.

5 INTRODUCCIÓN A ANSYS

ANSYS es un software de simulación técnica. Desarrollado por ANSYS, Inc., la sede está ubicada en Pittsburgh, Pensilvania, EE. UU.

Esto ofrece tantos productos como ANSYS Mechanical, Auto Dynamics, Ansys Fluid Dynamics, CFD, CFX, Electronics, ANSYS Maxwell y productos similares. Hay tantos módulos internos en cada producto. Como en mecánica, existen análisis estructurales y lineales y no lineales y térmicos, transitorios y análisis explícitos. Por ello, Ansys ofrece diferentes plataformas para diferentes tipos de análisis.

ANSYS fue fundada en 1970 por John A. Swanson. Inicialmente se desarrolló para la física estructural y podía simular análisis estáticos, es decir, estacionarios, y dinámicos, es decir, en movimiento y térmicos. Después de eso, lanzan tantas versiones con diferentes productos como se mencionó anteriormente. La versión actual es ANSYS 17.0, pero aún no está disponible. Sin embargo, existe una licencia gratuita para la versión para estudiantes llamada ANSYS 16.2. Esto significa que los estudiantes reciben una licencia gratuita durante seis meses para uso comercial. Por eso el proyecto quiere continuar con esta versión. Sin embargo, esta versión tiene limitaciones ya que el número de nodos/elementos no debe exceder los 32 000 para elementos estructurales y los 512 000 nodos/elementos para elementos fluidos. Si se excede este límite, Ansys 16.2 no puede resolver el problema. Por tanto, debemos prestar atención a que el número de elementos no supere los 32.000. El análisis se realiza esencialmente en dos módulos diferentes. Uno es el análisis rígido y el otro es el análisis estructural transitorio. El análisis rígido permite al proyecto determinar las velocidades y aceleraciones de las conexiones. En el análisis estructural transitorio se determinan tensiones, deformaciones y deformaciones. Ahora todo lo que necesitamos es ingresar información para el análisis. Estos dos métodos de análisis requieren dos información de entrada diferente.

Antes de comenzar el análisis, consideremos una pata unida al marco. es decir, se tiene en cuenta la mitad de la longitud del marco al analizar el mecanismo Klann. Esto reduce la complejidad del análisis y reduce el número de elementos. Esto resulta en tiempo de análisis.

Para el proceso de análisis, el proyecto consideró la instalación de un motor DC de 30 rpm con 5 kg de torque. Esto es sólo para tener en cuenta la información de entrada para ANSYS. Es decir, para el análisis dinámico, debe haber información de entrada a ANSYS. Esta velocidad del motor de 30 rpm da como resultado la velocidad angular de la manivela según la fórmula de velocidad angular. Aquí la potencia del motor se transfiere directamente al cigüeñal.

Ahora el proyecto necesita encontrar el tiempo que le toma a la manivela completar una revolución a una velocidad determinada del motor. Porque el proyecto hará el análisis transitorio. Es decir, una acción basada en el tiempo para conocer las velocidades de cada eslabón del mecanismo Klann.

30 revoluciones = 60 segundos

1 revolución = 2 segundos

El tiempo para una revolución de la manivela es = 2 segundos.

5.1 ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Ahora los datos anteriores son suficientes para el análisis dinámico rígido. Con esta información de entrada, el análisis dinámico rígido nos proporciona las velocidades lineales y angulares, así como las reacciones articulares de cada miembro de la pierna en el mecanismo de la pierna.

Y allí el proyecto también determinará la carga en conexiones del mecanismo de patas así como análisis de deformación y fatiga. El análisis de fatiga permite al proyecto determinar la vida útil, los daños y el factor de seguridad.

Este análisis estructural transitorio requiere torsión para la manivela. Es decir, ¿cuánto par genera el motor y se transfiere al cigüeñal?

Torque = 5 kg-cm

= 490,5 N-mm

= 0,4905 Nm

El valor anterior es la entrada para el análisis estructural transitorio. El valor debe ingresarse como la carga conjunta en la conexión entre la manivela y el marco. Los resultados se muestran en las siguientes imágenes en las páginas siguientes. En primer lugar, se muestran las imágenes de los resultados del análisis estructural transitorio.

5.1.1 IMÁGENES DE EJEMPLO

Fig. 5.1: Interfaz ANSYS Workbench 16.2

Fig. 5.2: Módulo mecánico ANSYS

Fig. 5.3: Redes

Fig. 5.4: Condiciones de contorno

Fig. 5.5(a): Árbol de productos

Fig. 5.5(b): Información de la solución

Los resultados del análisis estructural del mecanismo se muestran en las siguientes figuras. Los resultados se pueden entender utilizando el código de colores en Ansys. La figura 4.6 a continuación muestra las tensiones equivalentes en la conexión del tramo principal. Aquí el color azul representa el valor mínimo y el color rojo representa el valor máximo porque la barra de colores muestra el valor respetado según el color. En la pierna principal, la carga máxima se alcanza en el punto en que la extremidad toca el suelo. Por lo tanto, aquí puede producirse una mayor deformación. Para evitar esta deformación necesitamos hacerlo más resistente añadiendo material. Esto ayuda a evitar el estrés allí, pero el estrés se traslada a otra parte. Por tanto, el material a añadir transmite una cierta tensión para no evitar tensiones.

Fig. 5.6: Tensión comparativa en la pierna principal

La distribución de tensiones en el brazo de conexión se muestra en la siguiente Figura 4.7. Se muestra la tensión equivalente en el brazo de conexión. La barra de colores muestra los valores de voltaje correspondientes para el brazo de conexión. Las tensiones aquí son las tensiones de compresión. Porque las cargas son mayores en los puntos donde los pivotes se conectan a la conexión de la pata principal y a la manivela.

Fig. 5.7: Tensión equivalente en el brazo de conexión

La Fig. 5.8 muestra las tensiones en el balancín inferior, aquí la barra de colores muestra los valores de tensión del balancín inferior. Nuevamente, las tensiones en los puntos de pivote son mayores, pero estos valores de tensión son muy bajos en comparación con los otros componentes.

Fig. 5.8: Tensión equivalente en el balancín inferior

Fig. 5.9: Tensión equivalente en el balancín superior

Las cargas en el cigüeñal son mayores en comparación con los otros componentes porque es la conexión que está montada en el eje del motor. Entonces esta conexión es responsable de todo el movimiento en el mecanismo de las piernas. Por lo tanto, las tensiones se observan más en comparación con los otros componentes. Este voltaje se muestra en la Fig. 5.10.

Fig. 5.10: Tensión equivalente en la manivela

Fig. 5.11: Tensión comparativa en el marco.

La tensión en el marco también se muestra en la figura 5.11. También en este caso la tensión máxima se produce en el orificio donde se conectan la manivela y el eje del motor. La figura 5.12 muestra la distribución general de tensiones en el mecanismo.

Fig. 5.12: Tensión equivalente en todo el mecanismo

5.1.2 OBSERVACIONES-1 EN ANÁLISIS ESTRUCTURAL TRANSITORIO

La imagen de arriba muestra el voltaje equivalente de los enlaces para la información de entrada dada. La Figura 5 muestra la distribución de tensiones a lo largo de la conexión de la pata principal. La siguiente Figura 6 muestra la distribución de tensiones en el brazo de conexión, mientras que las imágenes siguientes muestran la distribución de tensiones respectiva en las conexiones restantes.

La tensión máxima generada en todo el mecanismo se produce en la manivela y es de 1,9 MPa. La tensión mínima se crea en el balancín inferior y es de 0,066 MPa. De hecho, la tensión mínima generada en el marco es de 43 MPa, pero el proyecto sólo considera los seis eslabones del mecanismo Klann.

Esfuerzos equivalentes en la conexión del tramo principal = 0,67 MPa

Tensiones equivalentes en el brazo de conexión = 0,27 MPa

Esfuerzos equivalentes en la manivela = 1,95 MPa

Esfuerzos equivalentes en el balancín inferior = 0,069 MPa

Esfuerzos equivalentes en el balancín superior = 0,40 MPa

Tensiones equivalentes en el marco = 0,66 MPa

5.2 ANÁLISIS DINÁMICO

Para el proceso de análisis, el proyecto reparará un motor DC de 30 rpm y 5 kg de torque. Esto es sólo para tener en cuenta la información de entrada para ANSYS. Es decir, para el análisis dinámico, debe haber información de entrada a ANSYS. Esta velocidad del motor de 30 rpm da como resultado la velocidad angular de la manivela a partir de la fórmula para la velocidad angular. Aquí la potencia del motor se transfiere directamente al cigüeñal.

Ahora el proyecto necesita encontrar el tiempo que le toma a la manivela completar una revolución a una velocidad determinada del motor. Porque el proyecto hará el análisis transitorio. Es decir, una acción basada en el tiempo para conocer las velocidades de cada eslabón del mecanismo Klann.

30 revoluciones = 60 segundos

1 revolución = 2 segundos

El tiempo para una revolución de la manivela es = 2 segundos.

La información anterior se utiliza para encontrar la velocidad angular y las velocidades lineales de los enlaces y también ayuda a encontrar las aceleraciones de los enlaces. Las siguientes imágenes nos muestran los resultados del análisis dinámico rígido. El análisis dinámico se puede realizar de dos maneras. Tanto en dinámica estructural transitoria como en dinámica de cuerpos rígidos. Pero el proyecto completó este análisis en ambos módulos y conservó los valores. La siguiente imagen está publicada en las siguientes páginas.

5.2.1 IMÁGENES DE EJEMPLO – 3

Fig. 5.13: Velocidad en la manivela

Fig. 5.14: Velocidad en el balancín inferior

Fig. 5.15: Velocidad en el balancín superior

Fig. 5.16: Velocidad en el brazo conector

Fig. 5.17: Velocidad en la conexión del ramal principal

Fig. 5.13 a Fig. 5.22 muestran los resultados del análisis dinámico del proyecto. Aquí, el análisis dinámico proporciona la velocidad y aceleraciones generales de cada eslabón de los mecanismos. La Figura 4.20 arriba muestra las velocidades generales de las conexiones. Aquí las velocidades máximas se determinan en el punto que toca el suelo. Aquí, el código de colores de arriba representa las velocidades de la conexión: el azul representa la velocidad mínima y el rojo representa la velocidad máxima. Y los colores restantes representan los valores de velocidad respetados en el lado de la barra de colores de la imagen, como se muestra arriba.

Los siguientes números son el resultado de las aceleraciones en las conexiones. El análisis dinámico también muestra esta aceleración en los enlaces. Nuevamente, las aceleraciones son más parecidas a las velocidades en la conexión principal de la pierna, donde la pierna hace contacto con el suelo. Las siguientes Figuras 5.18 a 5.22 muestran las aceleraciones en las conexiones. En la observación 3, el proyecto discutió velocidades y aceleraciones.

Fig. 5.18: Aceleración en la manivela

Fig. 5.19: Aceleración en el balancín inferior

Fig. 5.20: Aceleración en el balancín superior

Fig. 5.21: Aceleración en el brazo conector

Fig. 5.22: Aceleración en la articulación femoral principal

5.2.2 OBSERVACIÓN-3 PARA ANÁLISIS DINÁMICO

Las figuras anteriores muestran que los resultados provienen del análisis dinámico del mecanismo de las piernas. Aquí el proyecto obtuvo la velocidad general de las conexiones y las aceleraciones generales de las conexiones. El proyecto calcula la velocidad y aceleraciones de las conexiones únicamente mediante cálculos teóricos. Las primeras cinco cifras muestran las velocidades de las conexiones y el resto las aceleraciones.

La velocidad máxima generada se produce en la conexión de la pata principal, donde el punto toca el suelo. Este punto tiene la velocidad máxima. Y la velocidad mínima está en el balancín superior. La máxima aceleración también se genera en la articulación principal del muslo, donde la punta toca el suelo. Y la aceleración mínima está en el balancín superior.

6 CÁLCULOS TEÓRICOS PARA EL ANÁLISIS DINÁMICO

Determine velocidades para conexiones cinemáticas: Primero, el proyecto necesita determinar la velocidad de la manivela. Después de eso, el proyecto necesita determinar las velocidades de las conexiones restantes utilizando el método del gráfico de velocidad.

Velocidad lineal (v) = ω rm/seg

= 3,14 x 110 x

= 0,3454m/s

Método de velocidad relativa (gráfico):

Escala 1 cm = 0,3454/3 m/seg

= 0,11513 m/s

(Nota: el método gráfico para los gráficos de velocidad se dibuja en el software CAD para obtener resultados y ángulos más precisos y evitar errores de paralaje).

vCreación de diagramas de velocidad utilizando herramientas CAD:

Fig. 5.1: Perpendicular a los respectivos enlaces

Fig. 5.2: Diagrama de velocidad con dimensiones

Fig. 5.3: Dirección de la velocidad

La velocidad de la conexión XA (V_A) = 0,3454 m/s

Conviértalos a velocidades usando el factor de escala mencionado anteriormente.

Velocidad de conexión AB (V_{licenciado en Letras}) = 0,29X0,11513

= 0,0333m/s

Velocidad de conexión YB (V_b) = 3,09X0,11513

= 0,35575 m/s

Velocidad del punto C (V_C) = 3,024X0,11513

= 0,348 m/s

Velocidad de conexión DZ (V_D) = 1,358×0,11513

= 0,156 m/s

Velocidad del CD de enlace (V_CD) = 2,602X0,11513

= 0,299 m/s

6.1 DISCUSIONES

Los resultados anteriores son más o menos consistentes con nuestros resultados teóricos. Sin embargo, existe una cierta diferencia debido a la longitud y el grosor de los marcos. El proyecto no puede evitar los agujeros para conexiones y espesores en el diseño.

La comparación entre los resultados teóricos y los de ANSYS se muestra en las Tablas 7.1 y 7.2. Hay una gran diferencia en que algunas conexiones, como la conexión del balancín superior y la conexión de la pierna principal, no coinciden, pero el resto casi coinciden. Entonces el problema radica en los cálculos teóricos. Sin embargo, para que el proyecto obtuviera los resultados correctos de ANSYS, recibimos resultados menos precisos de los cálculos teóricos debido a algunos errores en los cálculos del teatro. El proyecto determinó esto basándose en el análisis.

7 COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Durante las comparaciones, los resultados de los datos del análisis se compararon con los valores teóricos. El proyecto observó las velocidades y aceleraciones de las extremidades, así como las aceleraciones de cada extremidad en el mecanismo de marcha.

7.1 VELOCIDAD

Tabla 7.1

Los valores teóricos anteriores son ligeramente inferiores a los resultados de Ansys debido a las dimensiones que tienen en cuenta el diseño en el modelo CAD. Sin embargo, en los cálculos teóricos se tienen en cuenta las longitudes hasta los centros de las juntas. Sin embargo, al diseñar el modelo CAD, tenemos en cuenta el diámetro del orificio para las juntas, lo que genera velocidades adicionales en los resultados de Ansys.

7.2 ACELERACIÓN

Tabla 7.2

7.3 OBSERVACIÓN – TENSIONES Y DEFORMACIONES

Tabla 7.3

8 CONCLUSIONES

El diseño del mecanismo para caminar asistido por computadora es más ventajoso en la construcción de robots para caminar. Finalmente, el proyecto aprendió mediante análisis cuáles son las velocidades y aceleraciones de las conexiones.

Con estos datos de análisis, el proyecto puede construir los robots deseados según la velocidad y capacidad de carga en función de nuestros requisitos. Si el robot se utiliza para transportar las cargas o si se utiliza para transportar información de un lugar a otro a través de zonas del terreno donde los robots con ruedas no pueden llegar.

SOLIDWORKS es un software más flexible y fácil de usar en comparación con otros programas CAD. Y ANSYS es el paquete de software más eficiente para el análisis de elementos finitos entre todos los demás programas. Por ejemplo, proporciona todo tipo de paquetes de análisis para análisis. CFD, eléctrica, dinámica, estructura y mucho más.

En este proyecto determinamos las velocidades y aceleraciones, así como tensiones y deformaciones para las dimensiones fijas. Pero el proyecto también cambió las dimensiones para el trazado de caminos, pero no para el análisis y diseño. Estas imágenes también están publicadas en este documento.

Por lo tanto, nuestro proyecto examina proyectos utilizando software de diseño y simulación.

9 REFERENCIAS

1. Araña mecánica que utiliza el mecanismo Klann. G. Lokhande*, VB Emche** Profesor asistente, Departamento de Ingeniería Mecánica Politécnico Shri Datta Meghe, HingnaNagpur-16.India Correo electrónico: [email protected] , [email protected]
2. Araña mecánica que utiliza el mecanismo Klann. del Canal de Ingeniería y Ciencia de https://www.youtube.com/alexander85074 Ingeniería Mecánica
3. Animación flash de una posible configuración de la conexión Klann. http://www.mekanizmalar.com/mechanical-spider.html Aquí podemos cambiar las dimensiones de cada enlace.
4. Araña mecánica de KLANN RESEARCH AND DEVELOPMENT, LLC http://www.mechanicalspider.com/
5. La conexión Jansen fue desarrollada por Theo Jansen com

ANEXO 1

UNIDADES

Velocidad mm/seg

Velocidad angular rad/seg

Aceleración mm/seg²

Par/Par N-mm

Diámetro mm

Longitud mm

MPa de estrés

Deformaciones mm

[automatic_youtube_gallery type=»search» search=»Diseño y análisis asistido por ordenador del mecanismo de marcha.

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Introducción

En esta era tecnológica, los robots juegan un papel clave en diversos campos. Los robots con ruedas son eficientes en terrenos planos, pero enfrentan dificultades en terrenos accidentados o con obstáculos. Por otro lado, los robots con patas tienen la capacidad de moverse en cualquier tipo de superficie y superar obstáculos. En este artículo, analizaremos uno de los mecanismos de patas más eficientes, el mecanismo Klann, que simula el movimiento de las patas de algunas criaturas vivas como las arañas.

Mecanismo Klann

El mecanismo Klann es un mecanismo plano que convierte el movimiento rotativo de la manivela en movimiento lineal del pie durante media rotación de la manivela. Este mecanismo consta de una estructura fija, una manivela, dos brazos oscilantes y dos acopladores, todos conectados por articulaciones pivotantes. Una vez que se acoplan dos de estos mecanismos, desfasados 180 grados, funcionarán como sustitutos de las ruedas. Este mecanismo imita el movimiento de animales con patas y puede ser utilizado en robots que necesiten moverse en terrenos no accesibles para las ruedas.

Beneficios de los Robots con Patas

1. Los robots con patas pueden moverse en cualquier tipo de superficie, incluso en terrenos inaccesibles para los robots con ruedas.
2. Los robots con patas pueden saltar o superar obstáculos, mientras que los robots con ruedas necesitan encontrar una ruta alternativa.
3. Los robots con patas pueden evitar apoyos indeseables, lo que no es posible para los robots con ruedas.
4. Los robots con patas permiten la exploración y el estudio de la locomoción humana y animal.
5. Los robots con patas ofrecen la emoción de imitar a seres vivos y desafiar a la naturaleza.

Análisis y Diseño

Para realizar un análisis detallado y un diseño eficiente de un robot con mecanismo Klann, se utilizan herramientas de diseño asistido por computadora (CAD). En este proyecto, se emplea el software SolidWorks para el modelado 3D del robot y el software ANSYS para el análisis estructural.

El diseño del robot se basa en las dimensiones estándar del mecanismo Klann, pero se pueden realizar cambios en las dimensiones del robot para adaptarlo a las necesidades específicas. Mediante la simulación en SolidWorks, se pueden analizar el movimiento y la caminata del robot en diferentes terrenos. Por otro lado, ANSYS permite realizar un análisis estructural para determinar las tensiones y deformaciones en los componentes del mecanismo.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es el objetivo principal de este proyecto?

El objetivo principal de este proyecto es diseñar y analizar un robot con mecanismo Klann utilizando SolidWorks y ANSYS.

2. ¿Qué beneficios ofrecen los robots con patas?

Los robots con patas tienen la capacidad de moverse en cualquier tipo de superficie y superar obstáculos.

3. ¿Cómo se simula el movimiento del robot en SolidWorks?

En SolidWorks se utiliza una simulación 3D para analizar el movimiento y la caminata del robot en diferentes terrenos.

4. ¿Qué información se obtiene del análisis estructural en ANSYS?

En ANSYS se obtienen datos sobre las tensiones y deformaciones en los componentes del mecanismo Klann.

5. ¿Cuáles son los pasos para diseñar un robot con mecanismo Klann?

Los pasos para diseñar un robot con mecanismo Klann incluyen el modelado 3D en SolidWorks, la simulación del movimiento en diferentes terrenos y el análisis estructural en ANSYS.

Para obtener más información sobre el mecanismo Klann y el diseño de robots con patas, puedes visitar los siguientes enlaces:

• Página oficial de Mechanical Spider
• Animación flash del mecanismo Klann