Optimization of 3D printed Complaint Robotic Gripper

Abstract

En <<compliant>> mekanisme er en monolittisk struktur som lar komponenter deformeres til ønsket form og kraft uten noen kobling eller ledd. Bruken av en ettergivende mekanisme i et design som en robotgriper krever en bruk av mekanikk for at strukturen skal oppføre seg med ønsket resultat. I denne oppgaven er det utført litteraturforskning for en eksisterende griper og kompatibel griper, sammen med omfattende forskning på bakgrunnsprinsipper. Bakgrunnsprinsipp som er essensielt for forskningen som mekaniker, kompatibel mekanisme og FEA. Samtidig som målet er å skape enkelt vedlikehold, rimelig, omfattende design, allsidig og bærekraftig kompatibel robotgriper. Flere metoder har blitt brukt på hvert trinn av kompatibel griperproduksjon. Starter med idédugnad om ideen, designe griperen ved hjelp av CAD-programvare som SolidWorks, og analysere 3Dmodellen med bruk av FEA tilgjengelig i SolidWorks. Simuleringen gjort på 3D-modellen av et valgt endelig design er statisk, knekking, falltest og strukturell inspeksjon. Der målet med designet er å forårsake stor x forskyvning og samtidig skape lavest mulig spenning i strukturen. Kontrollvariabelen i analysen er det faste punktet ved bunnen av griperen, den nedadgående kraften som virker på griperen plassert på trekkstangen, og størrelsen på masken med en generell maskevidde på 1 mm mens hjørnene er 0,5 mm. Etter digital analyse går inn i prototyping-stadiet hvor det endelige designet skrives ut med en Prusa 3D-printer i PETG. Til slutt testes prototypen for livssyklus og funksjonalitet. Fra testen samlet inn for analysen vil det endelige designet ikke gi etter når produktet produseres. Siden designet har en høy FOS-verdi hvor maksverdien er 2,36, opplever dermed lavere spenning enn materialets flytespenning. Det ble imidlertid utført en knekktest for å undersøke sikkerhetsfaktoren for strukturen ytterligere. Derfor er BLF for strukturen rundt 3,5. En falltest brukes for å bestemme strukturens beste orientering for støt. Fra alle sammenligninger av virkningen som basen, siden og toppen. Den beste orienteringen er på siden. Mens miljøpåvirkningen til robotgriperen anses som bærekraftig siden produktet kan resirkuleres tilbake uten store endringer i materialegenskaper. Holdbarheten til griperen er imidlertid betydelig lav, noe som kan resultere i karbonutslipp på 1892- 2093 kg per år under produksjon.

A complaint mechanism is a monolithic structure that allows components to deform to the desired form and force without any link or joint. The use of a compliant mechanism in a design such as a robotic gripper requires the application of mechanics for the structure to behave with the desired result. In this assignment literature research for an existing gripper and compliant gripper has been conducted, along with extensive research on background principles. Background principles which are essential to research such as mechanics, compliant mechanisms, and FEA. While aiming to create easy maintenance, low-cost, comprehensive design, versatile, and sustainable compliant robotic gripper. Several methods have been applied to each stage of compliant gripper production. Starting with brainstorming the idea, designing the gripper using CAD software such as SolidWorks, and analyzing the 3D model with the application of FEA available in SolidWorks. The simulation done on the 3D model of a chosen final design are static, buckling, drop test, and structural inspection. Where the aim of the design is to cause large x displacement while creating the lowest stress in the structure possible. The control variable in the analysis is the fixed point at the base of the gripper, the downward force acting on the gripper located on the pulling bar, and the size of the mesh with a general mesh size of 1mm while the corners are 0.5 mmm. After digital analysis, enters the prototyping stage. Where the final design is printed with a Prusa 3D printer in PETG. Lastly, the prototype is tested for the life cycle and functionality. From the test gathered for the analysis, the final design will not yield easily when the product is produced. Since the design has a high FOS value where the max value is 2.36. Thus, experiences lower stress than the yield stress of the material. Though, a buckling test was performed to further investigate the safety factor for the structure. Therefore, BLF for the structure is around 3.5. A drop test is used to determine the structure’s best orientation for impact. From all the comparisons of the impact that the base, side, and top. The best orientation is on the side. While the environmental impact of the robotic gripper is considered sustainable since the product could be recycled back without much change in material properties. Though, the durability of the gripper is considerably low which might result in carbon emissions of 1892-2093 kg per year during production.