Structural Analysis and Optimization of Multi-grippers Used in Industrial Robots

Year 2023, Volume: 4 Issue: 2, 103 - 112, 31.12.2023

Furkan Değirmencioğlu Yunus Can Koşer Ahmet Yıldız

Abstract

Industrial robot applications used in many different industrial sectors have an important place in terms of efficient mass production in today. Industrial robots; transportation, assembly, painting, packaging, welding-cutting, etc. in the machinery and automotive industry. It is used in many places in the health-care, aviation and defense industry sectors as well as in operations. The optimum design and lighter structure of the robots used in industry provide many advantages such as energy consumption, cost, mobility, high functionality and compact design. In this study, structural analysis of the multi-gripper designed for use in industrial robots was made and a light-weighting study was carried out with topology optimization. First of all, the structural analysis of the existing structure was made using the finite element method and the shape change and maximum stresses were determined. Then, the unloading locations were determined, aiming to reduce its mass by approximately 20%, and a new design was obtained. The analyzes of the renewed design were repeated and similar safety coefficients were obtained. Thus, a significant improvement work has been carried out to reduce the energy consumption of a robot gripper that is subjected to prolonged operation.

Keywords

Robot, gripper, gripper, structural analysis, optimization

Endüstriyel Robotlarda Kullanılan Çoklu Tutucunun Yapısal Analizi ve Optimizasyonu

Abstract

Günümüzde birçok farklı sanayi sektöründe kullanılan endüstriyel robot uygulamaları seri üretimin verimli bir şekilde gerçekleşmesi açısından önemli bir yere sahiptir. Endüstriyel robotlar; makine ve otomotiv sektöründe taşıma, montaj, boyama, paketleme, kaynak-kesme vb. işlemlerde kullanıldığı gibi sağlık, havacılık ve savunma sanayi sektöründe de birçok yerde kullanılmaktadır. Endüstride kullanılan robotların optimum tasarımı ile daha hafif yapıda olması başta enerji sarfiyatı olmak üzere, maliyet; hareket kabiliyeti; yüksek işlevsellik; kompakt tasarım gibi birçok avantaj sağlamaktadır. Bu çalışmada, endüstriyel robotlarda kullanılmaya yönelik tasarlanmış çoklu tutucunun yapısal analizleri yapılmış ve topoloji optimizasyonu ile hafifletme çalışması yapılmıştır. Öncelikle mevcut yapının sonlu elemanlar yöntemi ile yapısal analizleri yapılmış ve şekil değişikliği ile maksimum gerilmeleri belirlenmiştir. Daha sonra kütlesinin yaklaşık %20 oranında azaltılması hedeflenerek boşaltma yerleri belirlenmiş ve buna uygun yeni bir tasarım elde edilmiştir. Yenilenen tasarımın analizleri tekrarlanmış ve benzer emniyet katsayıları elde edilmiştir. Böylece süreli bir çalışmaya maruz kalan bir robot tutucunun enerji tüketiminin azaltılması için önemli bir iyileştirme çalışması gerçekleştirilmiştir.

Keywords

Robot, tutucu, gripper, yapısal analiz, optimizasyon

References

• [1] Khouja, M. ve Offodile, O.F.,1994. The industrial robot selection problem: literature review and directions for future research, IIE Transactions, 26, 4.
• [2] Kavala Sen, D., Yildiz, A., ve Kopmaz, O.,2022. Optimal Design of a Five-Bar Planar Manipulator and Its Controller by Using Different Algorithms for Minimum Shaking Forces and Moments for the Largest Trajectory in a Usable Workspace, Machines, 10, 11, 971.
• [3] Molaei, F. ve Ghatrehsamani, S., 2022. Kinematic-Based Multi-Objective Design Optimization of a Grapevine Pruning Robotic Manipulator. AgriEngineering, 4, 1, 606-625.
• [4] URL1, 15.11.2023. https://www.fanuc.eu/tr/tr/robotlar/robot-filtre-sayfas%c4%b1/r-1000-serisi
• [5] Yildiz, A., 2021. Parametric synthesis of two different trunk lid mechanisms for sedan vehicles using population-based optimisation algorithms, Mechanism and Machine Theory, 156, 2, 104130
• [6] Bingül, Ö., ve Yildiz, A., 2023. Fuzzy logic and proportional integral derivative based multi-objective optimization of active suspension system of a 4× 4 in-wheel motor driven electrical vehicle, Journal of Vibration and Control, 29, 5-6, 1366-1386.
• [7] Yildiz, A., ve Yilmaz, Ö., ve Karabulut, H., 2022. Structural design optimization of the arc spring and dual-mass flywheel integrated with different optimization methods, Materials Testing, 64, 2, 240-248.
• [8] Yildiz, A., 2019. A comparative study on the optimal non-linear seat and suspension design for an electric vehicle using different population-based optimisation algorithms, International Journal of Vehicle Design, 80, 2-4, 241-256.
• [9] Bendsoe, M.P., 1989. Optimal Shape Design As A Material Distribution Problem, Structural Optimization 1, 1,193–202.
• [10] Bendsoe, M. P., 2005. Lund, E., Olhof, N., ve Sigmund, O., Topology Optimization Broadening The Areas of Application, Department of Mechanical Engineering, Aalborg University DK-9220 Aalborg Ø, Denmark.
• [11] Kahraman, F., ve Küçük, M., 2020. Otomotiv Endüstrisinde Topoloji Optimizasyonu ile Ağırlık Azaltma Uygulaması Üzerine Bir Araştırma, Tarsus Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği. Bölümü, Tarsus, Türkiye, 789424.
• [12] Chaudhari, P., ve Khairnar, R., 2020. Weight Optimization Of Hub And Knuckle Using Topology Optimization, International Journal of Mechanical Engineering, 7, 6, 20–23.
• [13] Liu, S., Li, Q., Liu, J., Chen, W., ve Zhang, Y.A., 2018. Realization Method for Transforming a Topology Optimization Design into Additive Manufacturing Structures, Engineering, 4, 1, 277-285.
• [14] Lopez-Franco, C., Diaz, D., Hernandez-Barragan, J., Arana-Daniel, N., Lopez-Franco, M., 2022. A Metaheuristic Optimization Approach for Trajectory Tracking of Robot Manipulators, Mathematics 10,1, 1051.
• [15] Singh, G., ve Banga, V.K., 2022. Kinematics and trajectory planning analysis based on hybrid optimization algorithms for an industrial robotic manipulators, Soft Computing, 26, 11339–11372.
• [16] Ajwad, S.A., Iqbal. J., ve Islam M.R., 2018. Optimal and robust control of multi DOF robotic manipulator: design and hardware realization. Cybern Syst, 49,1, 77–93.
• [17] Sun, Y., Liu, Y., Pancheri, F. ve Lueth, T. C., 2022. LARG: A Lightweight Robotic Gripper With 3-D Topology Optimized Adaptive Fingers, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 27,4, 2026-2034.
• [18] Dinakaran, V.P., Balasubramaniyan, M. P., ve Le. Q. H., 2023. A novel multi objective constraints based industrial gripper design with optimized stiffness for object grasping, Robotics and Autonomous Systems, 160, 1, 104303.
• [19] Datta, R., Pradhan, S., ve Bhattacharya, B., 2016. Analysis and design optimization of a robotic gripper using multiobjective genetic algorithm, IEEE Trans. Syst. Man Cybern: Syst. 46,1, 16–26.
• [20] Wang, R., Zhang, X., Zhu, B., Zhang, H., Chen, B., ve Wang, H., 2020. Topology optimization of a cable-driven soft robotic gripper, Struct. Multidiscip. Optim., 62, 5, 2749–2763.