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Publication
EcoGrip: Developing sustainable gripper solutions for collaborative robotics
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 9.49 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
With the intensification of competition across industries, companies are increasingly adopting strategies to secure a competitive advantage. One such approach is the growing integration of robots into factories to optimize operations and enhance efficiency. However, this shift also results in workforce reductions. For that reason, organizations and policy makers are increasingly tasked with balancing technological advancement and the preservation of employment opportunities. This practice has led to the adoption of collaborative robots, and the development of robotic grippers for collaborative applications which are designed with safety in mind. On the other hand, a completely different topic that influences gripper design is the European Union’s Ecodesign for Sustainable Products Regulation. This regulation aims to reduce the environmental impact of products during the entirety of its lifecycle. Together, the need to enhance gripper safety for collaborative operations and the imperative to reduce their environmental impact have resulted in the demand for a new approach to the gripper development process. With this goal in mind, the objective of this dissertation is to create a methodology for the development of a collaborative robotic gripper that integrates Ecodesign
principles to be employed in a practical use case. This use case proposes the creation of a vacuum based collaborative robotic gripper with four suction cups, capable of handling boxes of up to 10 kg with both 150 and 550 mm edge size. To have this capability, the gripper must be adjustable in the X-axis. In regard to weight, the gripper should weigh less than 1.5 kg and be fabricated using acrylonitrile styrene acrylate or polylactic acid. An important design characteristic was that access to the internal components of the gripper should be simple. Through the study of peer-reviewed scientific papers and also an analysis of existing gripper engineering solutions, the new methodological approach for gripper development was formulated. It encompasses six phases: Product planning, Product concept, Product
architecture, Product detail, Product Prototyping, and Product testing and improvement. During the course of this work, a model is conceptualized that responds to the use case, safety, and Ecodesign requirements. The developed design is validated through numerical simulations. After validation, a physical prototype is fabricated and tested using additive manufacturing to assess its functionality and performance. The results of these tests also resulted in the creation of an improved prototype. The developed prototype was validated as a proof-of-concept, which demonstrated that Ecodesign requirements could be fully integrated into the gripper development process without compromising functionality or safety.
Com a intensificação da competição entre indústrias, as empresas têm vindo a adotar estratégias para assegurar uma vantagem competitiva. Uma dessas abordagens é a crescente integração de robôs nas fábricas, de modo a otimizar operações e aumentar a eficiência. No entanto, esta mudança conduz também a reduções na força de trabalho. Por essa razão, as organizações e os decisores políticos são cada vez mais desafiados a equilibrar o avanço tecnológico com a preservação de empregos. Esta prática conduziu à adoção de robôs colaborativos e ao desenvolvimento de garras robóticas para aplicações colaborativas, ambos concebidos com a segurança em mente. Por outro lado, um tema completamente distinto que influencia o design das garras é o regulamento da União Europeia sobre Ecodesign para produtos sustentáveis, que visa reduzir o impacto Ambiental dos produtos ao longo de todo o seu ciclo de vida. Em conjunto, a necessidade de melhorar a segurança das garras para operações colaborativas e o imperativo de reduzir o seu impacto Ambiental geraram a necessidade de uma nova abordagem no processo de desenvolvimento de garras. Considerando esta necessidade, a presente dissertação tem como objetivo criar uma metodologia para o desenvolvimento uma garra robótica que integre os princípios de Ecodesign, a ser aplicada e testada em um caso de estudo prático. Este caso de estudo propõe a criação de uma garra robótica colaborativa que funcionasse através de vácuo, com quatro ventosas, capaz de manipular caixas de até 10 kg com dimensões laterais de 150 e 550 mm. Para garantir esta capacidade, a garra deverá ser ajustável no eixo X. Relativamente ao peso, a garra deverá pesar menos de 1,5 kg e ser fabricada recorrendo a acrilonitrilo estireno acrilato ou ácido poliláctico. Uma característica importante para o design é que o acesso aos componentes internos da garra deve ser simples. Através do estudo de artigos científicos e da análise de soluções de engenharia aplicadas em garras existentes, foi formulada uma nova abordagem metodológica para o desenvolvimento de garras. Esta metodologia abrange seis fases: Planeamento de produto, Conceito de produto, arquitetura do produto, detalhe do produto, prototipagem do produto, e testagem e melhoramento do produto. No decorrer deste trabalho, foi conceptualizado um modelo que responde ao caso de estudo, aos requisitos de segurança, e aos princípios de Ecodesign. O design desenvolvido foi validado através de simulações numéricas. Após validação, foi fabricado um protótipo físico através de fabrico aditivo que foi também testado de forma a avaliar a sua funcionalidade e desempenho. Os resultados destes testes conduziram também à criação de um protótipo aprimorado. O protótipo que foi desenvolvido e testado foi validado como prova de conceito, já que demonstrou que os requisitos de Ecodesign podem ser totalmente integrados no processo de desenvolvimento de garras sem comprometer a funcionalidade ou a segurança.
Com a intensificação da competição entre indústrias, as empresas têm vindo a adotar estratégias para assegurar uma vantagem competitiva. Uma dessas abordagens é a crescente integração de robôs nas fábricas, de modo a otimizar operações e aumentar a eficiência. No entanto, esta mudança conduz também a reduções na força de trabalho. Por essa razão, as organizações e os decisores políticos são cada vez mais desafiados a equilibrar o avanço tecnológico com a preservação de empregos. Esta prática conduziu à adoção de robôs colaborativos e ao desenvolvimento de garras robóticas para aplicações colaborativas, ambos concebidos com a segurança em mente. Por outro lado, um tema completamente distinto que influencia o design das garras é o regulamento da União Europeia sobre Ecodesign para produtos sustentáveis, que visa reduzir o impacto Ambiental dos produtos ao longo de todo o seu ciclo de vida. Em conjunto, a necessidade de melhorar a segurança das garras para operações colaborativas e o imperativo de reduzir o seu impacto Ambiental geraram a necessidade de uma nova abordagem no processo de desenvolvimento de garras. Considerando esta necessidade, a presente dissertação tem como objetivo criar uma metodologia para o desenvolvimento uma garra robótica que integre os princípios de Ecodesign, a ser aplicada e testada em um caso de estudo prático. Este caso de estudo propõe a criação de uma garra robótica colaborativa que funcionasse através de vácuo, com quatro ventosas, capaz de manipular caixas de até 10 kg com dimensões laterais de 150 e 550 mm. Para garantir esta capacidade, a garra deverá ser ajustável no eixo X. Relativamente ao peso, a garra deverá pesar menos de 1,5 kg e ser fabricada recorrendo a acrilonitrilo estireno acrilato ou ácido poliláctico. Uma característica importante para o design é que o acesso aos componentes internos da garra deve ser simples. Através do estudo de artigos científicos e da análise de soluções de engenharia aplicadas em garras existentes, foi formulada uma nova abordagem metodológica para o desenvolvimento de garras. Esta metodologia abrange seis fases: Planeamento de produto, Conceito de produto, arquitetura do produto, detalhe do produto, prototipagem do produto, e testagem e melhoramento do produto. No decorrer deste trabalho, foi conceptualizado um modelo que responde ao caso de estudo, aos requisitos de segurança, e aos princípios de Ecodesign. O design desenvolvido foi validado através de simulações numéricas. Após validação, foi fabricado um protótipo físico através de fabrico aditivo que foi também testado de forma a avaliar a sua funcionalidade e desempenho. Os resultados destes testes conduziram também à criação de um protótipo aprimorado. O protótipo que foi desenvolvido e testado foi validado como prova de conceito, já que demonstrou que os requisitos de Ecodesign podem ser totalmente integrados no processo de desenvolvimento de garras sem comprometer a funcionalidade ou a segurança.
Description
Keywords
Collaborative robots Robotic gripper Human-robot collaboration Ecodesign Mechanical project Robô colaborativo Garras robóticas colaboração robô-humano conceção ecológica projeto mecânico