Number synthesis methods for mechanism design: an alternative approach

Abstract

A identificação de estruturas cinemáticas viáveis no início do projeto de mecanismos é um desafio. Algumas características estruturais podem ser utilizadas para identificar cadeias cinemáticas promissoras, como conectividade, redundância e variedade. Entrentanto, ainda pode restar uma grande quantidade de cadeias cinemáticas para serem analizadas, sendo impraticável analisá-las manualmente. Além disso, a representação abstrata das cadeias cinemáticas dificulta a visualização dos seus movimentos. Desta forma, são necessários novas características estruturais e novos métodos de seleção de estruturas cinemáticas. Esta tese introduz cinco conceitos novos na Teoria de Mecanismos: grau-de-controle atuado, matriz de influência, mapa de influência, matriz de entradas e saídas e redundância atuada. Inicialmente, algumas características estruturais são revisadas, focando em como elas podem ser utilizadas para a seleção de estruturas cinemáticas. Em seguida os novos conceitos são introduzidos, sendo comparados com os conceitos já existentes. Esta tese apresenta a base teórica e os algoritmos para calcular as características estruturais propostas. São propostos métodos para a seleção de estruturas cinemáticas utilizando o grau-de-controle atuado, o mapa de influência, a matriz de entradas e saídas e a redundância atuada. Tais métodos são implementados em Matlab e são utilizados para selecionar automaticamente estruturas cinemáticas que satisfazem os requisitos funcionais. Finalmente, quatro estudos de caso são apresentados, mostrando como os métodos e conceitos propostos são efetivos para a seleção de estruturas cinemáticas.

Abstract : The identification of feasible kinematic structures is a challenge in early stages of mechanism design. Structural characteristics can be used to identify promising chains, such as connectivity, redundancy and variety. However, the number of remaining kinematic chains can be too great to manually analyze each one of them. Besides the great quantity of kinematic chains, their abstract representation makes it harder for the designer to visualize the mechanism motions. Therefore, new structural characteristics and kinematic structure selection methods are necessary. This thesis introduces five new concepts to Mechanism Theory: actuated degree-of-control, influence matrix, influence map, input-output matrix and actuated redundancy. Initially some structural characteristics are reviewed, focusing on how these structural characteristics can be used in kinematic structures selection. Then, new concepts are introduced, comparing them to existing structural characteristics. This thesis provides the theoretical ground and the algorithms to evaluate the structural characteristics. Methods to select kinematic structures using the actuated degree-of-control, the influence map, the input-output matrix and the actuated redundancy are proposed. The selection methods are implemented in Matlab and they are used to automatically identify feasible kinematic structures according to functional requirements. Finally, four case studies show the use of the methods and concepts introduced to effectively select kinematic structures.