Mecanismo compatível
Na engenharia mecânica, um mecanismo compatível é um mecanismo flexível que atinge a transmissão de força e movimento por meio da deformação elástica do corpo.[1] Ele ganha parte ou todo o seu movimento com a flexibilidade relativa de seus membros, e não apenas com as articulações de corpo rígido. Estas podem ser estruturas monolíticas (peça única) ou sem juntas.[2] Alguns dispositivos comuns que usam mecanismos compatíveis são travas de mochila, clipes de papel e cortadores de unhas. Um dos exemplos mais antigos de uso de estruturas compatíveis é o arco e flecha.[3]
Métodos de design editar
Os mecanismos compatíveis são geralmente projetados usando duas técnicas: [4]
Abordagem cinemática editar
A análise cinemática pode ser usada para projetar um mecanismo compatível criando um modelo de corpo pseudo-rígido do mecanismo.[3] Neste modelo, os segmentos flexíveis são modelados como ligações rígidas conectadas a juntas de rotação com molas de torção. Outras estruturas podem ser modeladas como uma combinação de elos rígidos, molas e amortecedores.[2][5][6]
Abordagem de otimização estrutural editar
Neste método, métodos computacionais são usados para otimização da topologia da estrutura. A carga esperada e o movimento desejado e a transmissão de força são inseridos e o sistema é otimizado para peso, precisão e tensões mínimas. Métodos mais avançados primeiro otimizam a configuração de ligação subjacente e, em seguida, otimizam a topologia em torno dessa configuração.[2] Outras técnicas de otimização enfocam a otimização da topologia das juntas de flexão tomando como entrada um mecanismo rígido e substituindo todas as juntas rígidas por juntas de flexão otimizadas.[6] Para prever o comportamento da estrutura, a análise de tensão por elemento finito é feita para encontrar deformações e tensões em toda a estrutura.
Outras técnicas estão sendo concebidas para projetar esses mecanismos. Os mecanismos complacentes fabricados em um plano que têm movimento emergente do referido plano são conhecidos como mecanismos emergentes de lâmina (LEMs).
Vantagens editar
Estruturas compatíveis são frequentemente criadas como uma alternativa a mecanismos semelhantes que usam várias partes. Existem duas vantagens principais no uso de mecanismos compatíveis:
- Baixo custo: um mecanismo compatível geralmente pode ser fabricado em uma única estrutura, o que é uma simplificação dramática no número de peças necessárias.[2] Uma estrutura compatível com uma única peça pode ser fabricada por meio de moldagem por injeção, extrusão e impressão 3D, entre outros métodos. Isso torna a fabricação relativamente barata e acessível.[3]
- Melhor eficiência: os mecanismos compatíveis não sofrem de alguns problemas que afetam os mecanismos de vários corpos, como folga ou desgaste da superfície. Devido ao uso de elementos flexíveis, os mecanismos compatíveis podem facilmente armazenar energia para ser liberada em um momento posterior ou transformada em outras formas de energia.[3]
Desvantagens editar
A gama completa de um mecanismo depende do material e da geometria da estrutura; devido à natureza das articulações de flexão, nenhum mecanismo puramente complacente pode atingir o movimento contínuo, como encontrado em uma articulação normal. Além disso, as forças aplicadas pelo mecanismo são limitadas às cargas que os elementos estruturais podem suportar sem falhar. Devido ao formato das juntas de flexão, elas tendem a ser locais de concentração de tensões. Isso, aliado ao fato de que os mecanismos tendem a realizar movimentos cíclicos ou periódicos, pode causar fadiga e eventual rompimento da estrutura. Além disso, como parte ou toda a energia de entrada é armazenada na estrutura por algum tempo, nem toda essa energia é liberada de volta como desejado. No entanto, esta pode ser uma propriedade desejável para adicionar amortecimento ao sistema.[3]
Usos editar
Alguns dos usos mais antigos de estruturas compatíveis datam de vários milênios. Um dos exemplos mais antigos é o arco e flecha. Alguns projetos de catapultas também faziam uso da flexibilidade do braço para armazenar e liberar energia para lançar o projétil a distâncias maiores.[3] Atualmente, os mecanismos compatíveis são usados em uma variedade de campos, como estruturas adaptativas e dispositivos biomédicos. Mecanismos compatíveis podem ser usados para criar mecanismos auto-adaptativos, comumente usados na robótica para agarrar objetos.[7] Uma vez que os robôs exigem alta precisão e têm alcance limitado, tem havido uma extensa pesquisa em mecanismos de robôs compatíveis. Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) são uma das principais aplicações dos mecanismos compatíveis. Os MEMS se beneficiam da falta de montagem necessária e da forma plana simples da estrutura, que pode ser facilmente fabricada usando fotolitografia.[2]
Laboratórios de pesquisa e pesquisadores editar
Vários laboratórios e pesquisadores estão pesquisando mecanismos compatíveis:
- Prof. Larry Howell, pesquisa sobre mecanismos compatíveis da Universidade Brigham Young[1]
- Prof. Haijun Su na Ohio State University[8][9]
- Dr. Shane Johnson do Instituto Conjunto da Universidade de Michigan, SJTU, Xangai.
- Prof. Kota, do Laboratório de Projeto de Sistemas Conformes da Universidade de Michigan[10]
- Prof. Zentner na Ilmenau University of Technology[11]
- Prof. Martin Culpepper, do Laboratório de Sistemas Compatíveis com Precisão do MIT[12]
- Prof. Just L. Herder da Delft University of Technology[13]
- Prof. Engin Tanık e Prof. Volkan Parlaktaş na Hacettepe University[14]
- Prof. Jonathan Hopkins, da Universidade da Califórnia, Los Angeles[15]
- Prof. Dannis Brouwer da Universidade de Twente, Holanda[16]
- Prof. Alexander Hasse na Chemnitz University of Technology[17]
- Prof. Jared Butler, The Pennsylvania State University, University Park
Referências editar
- ↑ a b «CMR Awarded Research Grant from National Science Foundation». Cmr.byu.edu. Consultado em 21 de fevereiro de 2015
- ↑ a b c d e Perai, Seberang. "Methodology of compliant mechanisms and its current developments in applications: a review." American Journal of Applied Sciences 4.3 (2007): 160-167.
- ↑ a b c d e f Howell, Larry L. "Compliant mechanisms." 21st Century Kinematics. Springer, London, 2013. 189-216.
- ↑ Alejandro E. Albanesi, Victor D. Fachinotti and Martin A. Pucheta: [www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/3015/2946%7Cdate=October A review of design methods for compliant mechnasms.] In: Mecánica Computacional, Vol XXIX, pages 59-72. Eduardo Dvorkin, Marcela Goldschmit, Mario Storti (Eds.) Buenos Aires, Argentina, 15-18 November 2010.
- ↑ Albanesi, Alejandro E., Victor D. Fachinotti, and Martin A. Pucheta. "A review on design methods for compliant mechanisms." Mecánica Computacional 29.3 (2010).
- ↑ a b Vittorio Megaro, Jonas Zehnder, Moritz Bächer, Stelian Coros, Markus Gross, and Bernhard Thomaszewski. 2017. A Computational Design Tool for Compliant Mechanisms. ACM Trans. Graph. 36, 4, Article 82 (July 2017), 12 pages. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1145/3072959.3073636
- ↑ Doria, Mario; Birglen, Lionel (17 de março de 2009). «Design of an Underactuated Compliant Gripper for Surgery Using Nitinol». Journal of Medical Devices. 3: 011007–011007–7. ISSN 1932-6181. doi:10.1115/1.3089249
- ↑ «Home Page - DAS 2D/3D». DAS 2D/3D (em inglês). Consultado em 11 de novembro de 2015
- ↑ «Design Innovation and Simulation Laboratory». Design Innovation and Simulation Laboratory. Consultado em 11 de novembro de 2015
- ↑ «U of M - Compliant Systems Design Laboratory». Sitemaker.umich.edu. Consultado em 21 de fevereiro de 2015. Cópia arquivada em 6 de maio de 2014
- ↑ «FG Nachgiebige Systeme». www.tu-ilmenau.de (em alemão). Consultado em 3 de agosto de 2017
- ↑ «MIT Precision Compliant Systems Laboratory Home». Pcsl.mit.edu. Consultado em 21 de fevereiro de 2015. Cópia arquivada em 14 de dezembro de 2012
- ↑ [1] Arquivado em 2012-11-16 no Wayback Machine
- ↑ «CRMR». Yunus.hacettepe.edu.tr. Consultado em 21 de fevereiro de 2015
- ↑ «Flexible Research Group». ucla.edu. Consultado em 2 de dezembro de 2017
- ↑ «Precision Engineering». utwente.nl. Consultado em 26 de novembro de 2018
- ↑ «Nachgiebige Systeme». www.tu-chemnitz.de/mb/mp/ (em alemão). Consultado em 22 de maio de 2018