Development of a UAV gripping device for fast coupling

Abstract

Veículos aéreos não tripulados (VANTs) são cada vez mais populares em diversas aplicações, principalmente devido à sua simplicidade mecânica e relativo baixo custo. O emprego de VANTs em logística e transporte de pacotes apresentou um crescimento substancial na última década, e a expectativa é que este crescimento continue ao longo dos próximos anos. Porém, um método de acoplamento entre o VANT e o objeto em solo ainda é um desafio a ser superado. Esta dissertação de mestrado busca o desenvolvimento de um sistema passivo que permite o acoplamento rápido para tais aplicações. O desenvolvimento consiste em um estudo do estado da arte de sistemas de pouso para VANTs para obtenção de recursos e requisitos desejáveis. Uma revisão bibliográfica sobre transporte aéreo através de VANTs também é realizada, bem como uma revisão sobre os princípios de funcionamento e classificação de garras e mecanismos de trava. Em seguida, uma nova topologia de garra é desenvolvida através da síntese do número e do tipo. A otimização dimensional é realizada para a nova topologia através de um algoritmo genético, considerando as restrições geométricas impostas pelo VANT. Após o processo de otimização da topologia, é efetuada a análise estática através do método de Davies, para calcular as forças de reação impostas sobre as juntas do mecanismo e, em seguida, determinar os esforços internos de cada elo. Dessa forma, é possível estimar as dimensões da seção transversal de cada elo, bem como a massa dos componentes considerando um conjunto de materiais selecionados. A seguir, uma nova análise estática é desenvolvida para avaliar o efeito das forças gravitacionais sobre o mecanismo. Finalmente, uma análise de auto-alinhamento é desenvolvida de forma a identificar e eliminar possíveis restrições redundantes, e uma nova análise estática é desenvolvida para o mecanismo final, onde os resultados obtidos são coerentes com os obtidos nas análises anteriores. Esta dissertação busca fornecer a pesquisadores e profissionais uma metodologia de desenvolvimento e dimensionamento de um mecanismo de garra para acoplamento de um objeto a um veículo aéreo não tripulado.

Abstract: Unmanned aerial vehicles (UAVs) are increasingly popular among different applications, mainly due to their mechanical simplicity and relatively low cost. The employment of UAVs in logistics and transportation of packages has experienced substantial growth over the last decade and is expected to experience significant growth in the next few years. However, a coupling method between the UAV and the grounded load is still a challenge to overcome. This master thesis aims to develop a passive gripper that allows fast coupling for such applications. The proposed development comprises a state-of-the-art UAV docking system survey to gather desirable features and requirements. A bibliographical review on aerial transport through UAVs is also conducted, along with a review on gripper?s and locking mechanisms working principles and classifications. Afterwards, a new gripper topology is developed through number and type syntheses. A dimensional optimization is conducted on the new topology through an evolutionary algorithm, considering the geometrical constraints imposed by a UAV. Once the optimized topology is defined, the Davies method for static analysis is performed to compute the reaction forces acting on the kinematic pairs. Since the forces acting on the links are known, the internal stresses are calculated. An estimate of the cross-section area is defined, along with a mass estimate for a set of selected materials. Furthermore, a new static analysis evaluates the effect of gravitational forces on the mechanism. Finally, a self-alignment analysis is conducted in order to identify and eliminate redundant constraints, and a new static analysis is performed on the final, self-aligned mechanism, which results in reaction forces coherent to the previous studies. This work aims to provide researchers and professionals with a methodology for developing and dimensioning a gripper device for UAV coupling purposes.