Engineering
Miękki chwytak pneumatyczny
Zerwij pomidora w słonecznej szklarni chwytakiem z czterech półprzezroczystych silikonowych palców. Powietrze przez zawór wypełnia ich komory ze stałą czasową obwodu RC, ciśnienie zgina każdy palec ze stałą krzywizną M/EI, a tam, gdzie palec styka się z miękkim owocem, kontakt podlega prawu Hertza: F = 4/3 E* sqrt(R) δ^1.5, z ciśnieniem szczytowym, które musi pozostać poniżej progu obicia owocu. Podnieś, a owoc utrzyma się tylko tak długo, jak tarcie i obejmujące go palce niosą jego ciężar i przyspieszenie podnoszenia. Znajdź najmniejsze ciśnienie, które trzyma, zmocz skórkę i patrz, jak pomidor się wyślizguje, potem wypróbuj truskawkę, którą to samo ciśnienie obija; każdy dżul pracy powietrza jest śledzony do zgiętego silikonu, wgnieceń i strat.
Co się dzieje
Cztery palce PneuNet o długości 96 mm zwisają z dłoni na promieniu 46 mm; z symetrii owoc leży na osi i liczony jest jeden palec, a sumy są czterokrotnością jego własnych. Palec to osiem segmentów po 12 mm: każdy przegub ma sztywność zginania k = EI/l = 0,1 N·m/rad (EI = 1.2×0.001 N·m²), stratę lepką c = 0,15 s·k i moment komór M = p·A·e z A·e = 0,78 cm³ — objętością, którą każdy przegub dodaje na radian, więc M·dφ jest pracą p·dV. Bez kontaktu każdy przegub obraca się o M·l/EI: stała krzywizna κ = M/EI. Palce są nadkrytycznie tłumione, c·dφ/dt = M − k·φ + Q. Ciśnienie podąża za zaworem, dp/dt = (p_s − p)/τ z τ = 0,25 s, dokładnie w każdym kroku. Nakładka, 8 mm od linii środkowej, wgniata owoc (kulę) o δ = R + t − d; Hertz daje F = 4/3·E*·√R·δ^1.5 z 1/E* = (1 − ν_f²)/E_f + (1 − ν_s²)/E_s, ciśnienie szczytowe p0 = (2E*/π)·√(δ/R) i promień kontaktu √(R·δ); Q to praca wirtualna siły na przegubach. Sąsiednie końcówki palców naciskają na siebie, gdy spotkają się przy osi. Pomidor: R = 32 mm, 140 g, E = 0,45 MPa, próg obicia 28 kPa; pomidor koktajlowy 14 mm, 12 g, 45 kPa; truskawka 17 mm, 20 g, 0,12 MPa, 14 kPa; silikon 0,8 MPa. Ramię opuszcza się, zawór otwiera się w 1 s, w 3 s ramię odrywa owoc od szypułki na 15 cm, przenosi go 0,5 m do skrzynki, a zawór wypuszcza powietrze. Od podniesienia owoc trzyma się, dopóki 4·ΣF·(e_z + μ·|e_h|) ≥ m·(g + a_z), μ = 0,9 na sucho, 0,3 na mokro; w przeciwnym razie się wyślizguje — z palców na roślinie albo z dłoni, spadając do skrzynki lub na podłogę. RK4 krokami 0,1 ms, zagęszczanymi tam, gdzie zaczyna się kontakt; praca pneumatyczna = sprężysta + kontaktowa + dyssypacja + uwolniona energia kontaktu z dokładnością 10^-9 J. Metoda Newtona daje statyczny chwyt, a bisekcja na nim okno ciśnienia.
Co wypróbować
Patrz, jak palce się zamykają i pojawiają się wgniecenia; odczytaj zapas trzymania przed podniesieniem i zobacz, jak pomidor jest przenoszony do skrzynki; zmocz skórkę, a wyślizgnie się na początku podnoszenia; naciśnij „Użyj minimum”, a chwyt ledwie trzyma; wybierz truskawkę, a te same 32 kPa ją obiją; zabierz owoc, a końcówki palców się spotkają.
Model i jego ograniczenia
Palce jako nadkrytycznie tłumione łańcuchy sztywnych segmentów z liniowymi przegubami zamiast nieliniowego modelu MES silikonu; bez bezwładności palców; owoc to kula ze środkiem na osi, kontakt Hertza na segment bez obciążania palców tarciem i bez poślizgu przed progiem; ciągnięcie szypułki i poziome przyspieszenie przenoszenia nie są modelowane; progi obicia są poglądowe. Wgniecenia narysowano czterokrotnie głębsze, niż są.
Równania modułu
Równania M = p·A·e, c·dφ_j/dt = M − k·φ_j + Q_j, k = EI/l (free: κ = M/EI) dp/dt = (p_s − p)/τ, p(t) = p_s·(1 − e^(−t/τ)) F = 4/3·E*·√R·δ^1.5, p0 = (2E*/π)·√(δ/R), 4·ΣF·(e_z + μ·|e_h|) ≥ m·(g + a_z) ∫p·dV = ½k·Σφ² + 2/5·ΣF·δ + ∫c·Σ(dφ/dt)²·dt + E_released
