Vertical Vibratory Transport of Grasped Parts Using Impacts

📄 arXiv: 2502.05693v1 📥 PDF

作者: C. L. Yako, Jérôme Nowak, Shenli Yuan, Kenneth Salisbury

分类: cs.RO

发布日期: 2025-02-08

期刊: In 2024 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) (pp. 1950-1956). IEEE (2024)

DOI: 10.1109/ICRA57147.2024.10610769

💡 一句话要点

提出基于冲击的垂直振动输送方法，实现零件快速逆重力运输

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 振动输送 冲击 粘滑运动 垂直输送 自动化 机器人 零件抓取

📋 核心要点

  1. 垂直振动输送零件比水平输送更困难，需要克服重力影响，对加速度和法向力有更高要求。
  2. 利用冲击诱导加速度和周期性粘滑运动，通过控制加速度和法向力实现零件的垂直输送。
  3. 实验验证了理论模型，并使用配备振动表面的夹爪进行了抓取测试，验证了设计指南的有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种利用冲击诱导加速度结合周期性粘滑运动，成功且快速地垂直输送零件的方法，使其克服重力。我们通过分析表明，垂直振动输送比水平振动输送更具挑战性，并为实现零件的最佳垂直振动输送提供了指导。具体而言，该系统必须能够快速实现高加速度，并提供至少是静态平衡所需几倍的法向力。我们还表明，对于给定的最大加速度，存在一个用于输送的最佳法向力。为了验证我们的分析指导，我们构建了一个振动表面，该表面使用挠曲和音圈致动器，可以将磁性冲头加速到各种材料中以产生冲击。该表面用于逆重力输送零件。实验获得的运动跟踪数据证实了理论模型。配备振动表面的平行爪夹具进行的一系列抓取测试证实了设计指南。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决垂直方向上振动输送零件的难题。现有方法在垂直方向上效率较低，需要克服重力，对加速度和法向力控制要求更高。传统的振动输送方法难以在垂直方向上实现快速、稳定的零件输送。

核心思路：论文的核心思路是利用冲击产生高加速度，结合周期性的粘滑运动，实现零件在垂直方向上的输送。通过控制冲击的频率、幅度和法向力，使零件在每次冲击后向上移动一段距离，从而实现连续的垂直输送。这种方法的关键在于快速产生足够大的加速度，并提供适当的法向力以防止零件在冲击过程中滑落。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个部分：1) 振动表面的设计，使用挠曲和音圈致动器产生冲击；2) 冲击参数的控制，包括冲击频率、幅度和法向力；3) 零件运动的建模与分析，用于确定最佳的冲击参数；4) 实验验证，使用运动跟踪系统测量零件的运动轨迹，并与理论模型进行比较。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将冲击诱导加速度应用于垂直振动输送。与传统的连续振动方法相比，冲击方法可以产生更高的加速度，从而更有效地克服重力。此外，论文还提出了一个关于最佳法向力的概念，即在给定的最大加速度下，存在一个最佳的法向力，可以最大化输送效率。

关键设计：关键设计包括：1) 振动表面的材料和结构选择，需要能够承受高加速度冲击；2) 音圈致动器的参数选择，需要能够产生足够的力和加速度；3) 冲击频率和幅度的控制算法，需要根据零件的质量和摩擦系数进行调整；4) 法向力的控制方法，可以通过调整磁性冲头的磁力来实现。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够有效地实现零件的垂直输送。运动跟踪数据显示，零件的运动轨迹与理论模型预测相符，验证了模型的准确性。通过调整冲击参数，可以优化输送效率。配备振动表面的平行爪夹具成功实现了对零件的抓取和放置，验证了设计指南的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于自动化装配线、微型零件输送、以及在恶劣环境下（如太空或深海）的零件操作。通过精确控制振动参数，可以实现对零件的快速、高效、可靠的垂直输送，提高生产效率和自动化水平。未来可应用于医疗器械组装、电子元件制造等领域。

📄 摘要（原文）

In this paper, we use impact-induced acceleration in conjunction with periodic stick-slip to successfully and quickly transport parts vertically against gravity. We show analytically that vertical vibratory transport is more difficult than its horizontal counterpart, and provide guidelines for achieving optimal vertical vibratory transport of a part. Namely, such a system must be capable of quickly realizing high accelerations, as well as supply normal forces at least several times that required for static equilibrium. We also show that for a given maximum acceleration, there is an optimal normal force for transport. To test our analytical guidelines, we built a vibrating surface using flexures and a voice coil actuator that can accelerate a magnetic ram into various materials to generate impacts. The surface was used to transport a part against gravity. Experimentally obtained motion tracking data confirmed the theoretical model. A series of grasping tests with a vibrating-surface equipped parallel jaw gripper confirmed the design guidelines.