A new methodology for evaluating kinematic chains in number synthesis through topological requirements

Abstract

O desenvolvimento de um mecanismo inicia-se rigorosamente com a identificação de uma necessidade específica, para a qual se busca uma solução adequada. Uma vez identificada essa necessidade, inicia-se o processo de concepção e seleção dos mecanismos potenciais que possam atender à demanda inicial. Historicamente, o desenvolvimento de novos mecanismos dependia amplamente da experiência e intuição dos projetistas envolvidos no processo. Para superar essa dependência, foram desenvolvidas, e continuam sendo aprimoradas, metodologias de projeto que oferecem uma abordagem estruturada para criar mecanismos viáveis por meio da síntese. A síntese de mecanismos pode ser dividida em três macroprocessos: síntese do número, síntese do tipo e síntese dimensional. No presente trabalho, analisam-se as principais metodologias de síntese de mecanismos. Em seguida, propõe-se uma nova metodologia, com foco na síntese do número e a filtragem das cadeias enumeradas, baseada em requisitos topológicos. Além da organização do processo de síntese por meio de uma metodologia estruturada, o trabalho introduz novos conceitos relacionados às cadeias cinemáticas, como os requisitos topológicos, que padronizam e categorizam a identificação de características em mecanismos existentes, e, conceitos relacionados com as estruturas de subcadeias, classificando-as e especificando suas propriedades. A introdução desses conceitos, juntamente com a metodologia proposta, permite que as cadeias cinemáticas enumeradas sejam filtradas computacionalmente com base nos requisitos topológicos. Isso reduz a subjetividade do processo de síntese de mecanismos ao definir precisamente esses requisitos e sua relação com as cadeias enumeradas. A utilização de métodos computacionais para realizar a filtragem das cadeias elimina a possibilidade de erro humano e viabiliza a avaliação de grandes conjuntos de cadeias cinemáticas. A aplicação dos filtros, baseados nos requisitos topológicos, utiliza características dos grafos, principalmente as propriedades de graus e vizinhos. Dessa forma, não só a subjetividade na escolha dos requisitos é reduzida, como também a eficiência e a precisão do processo de síntese de mecanismos são significativamente aprimoradas. Para comprovar a eficiência da metodologia, dos conceitos e dos filtros propostos, apresentam-se três estudos de caso, que ilustram a aplicação prática da metodologia e consolidam os benefícios da utilização de filtros baseados nos requisitos topológicos.

Abstract: The development of a mechanism begins with identifying a specific need, followed by the design and selection of potential mechanisms tailored to meet the identified requirements. Historically, the development of new mechanisms largely depended on the experience and intuition of the designers involved in the process. To overcome this dependency, design methodologies have been developed and continue to be refined, offering a structured approach to creating viable mechanisms through synthesis. Mechanism synthesis can be divided into three macro-processes: number synthesis, type synthesis, and dimensional synthesis. In the present work, the main methodologies of mechanism synthesis are analyzed. Subsequently, a new methodology is proposed, focusing on number synthesis and the filtering of enumerated chains, based on topological requirements. In addition to organizing the synthesis process through a structured methodology, the work introduces new concepts related to kinematic chains, such as topological requirements, which standardize and categorize the identification of characteristics in existing mechanisms, and concepts related to subchain structures, classifying them and specifying their properties. The introduction of these concepts, along with the proposed methodology, allows enumerated kinematic chains to be computationally filtered based on topological requirements. This reduces the subjectivity of the mechanism synthesis process by precisely defining these requirements and their relationship with the enumerated chains. The use of computational methods to perform chain filtering eliminates the possibility of human error and enables the evaluation of large sets of kinematic chains. The application of filters, based on topological requirements, uses graph characteristics, mainly degree and neighbor properties. Thus, not only is the subjectivity in choosing requirements reduced, but the efficiency and precision of the mechanism synthesis process are significantly improved. To prove the efficiency of the methodology, concepts, and proposed filters, three case studies are presented, which illustrate the practical application of the methodology and consolidate the benefits of using filters based on topological requirements.