Diseño y construcción de un Gripper para un brazo robótico Martin Acevedo Pacheco ¹, Dr. Jaime Cid Monjaraz ¹ ¹Facultad de Ciencias de la Electrónica - BUAP
Resumen El presente trabajo de investigación hace referencia al diseño y construcción de un gripper para un brazo robótico, debido a que el gripper debe ser acoplado a uno de los brazos robóticos que han sido desarrollados por investigadores de la facultad de ciencias de la electrónica ubicados en el laboratorio de robótica y control, el diseño no debe tener efectos significativos en peso, corriente consumida y debe ser de fácil montaje. Este prototipo será parte de un sistema de reconocimiento de tarjetas de desarrollo electrónico, que por medio de una cámara que tiene un algoritmo de visión desarrollado en Matlab para poder detectar componente faltantes, algunas anormalidades en las tarjetas y con esa información poder activar al brazo y una secuencia del gripper para poder retirar la tarjeta, realizar la soldadura de algún componente y con ello automatizar una línea de producción de tarjetas de desarrollo electrónico.
Introducción Un gripper es un dispositivo que permite manipular la sujeción de un objeto. La manera más fácil de describir un gripper es pensar en la mano humana. Al igual que una mano, una pinza permite sujetar, apretar, manipular y soltar un objeto. Un gripper es sólo un componente de un sistema automatizado. Un gripper puede ser fijado a un robot o puede ser parte de un sistema de automatización fijo. Existen muchos estilos y tamaños de grippers para poder seleccionar el modelo correcto para la aplicación. Antes de desarrollar un prototipo de algún producto o dispositivo en ingeniería deben considerarse tres puntos principales: adquirir todo el conocimiento necesario a cerca del producto a fabricar, definir el material de fabricación y limitaciones del mismo, elaborar un modelo de simulación a fin de evaluar nuestro diseño (CAD) y finalmente llevar el producto o diseño al prototipado físico y hacer pruebas. Aplicaciones del gripper Una de las líneas de investigación que el Dr. Jaime Cid Monjaraz ha estado desarrollando es un sistema de producción de una banda transportadora circular ya patentada, el objetivo de sus tesistas de maestría y algunos alumnos que han aportado al proyecto han permitido desarrollar el prototipo de una línea de producción, el cual cuenta con un algoritmo de reconocimiento visual por Matlab usando una cámara de bajo costo. Con esto se busca automatizar una línea de producción para el desarrollo de tarjetas electrónicas. Se han incorporado sistemas y nuevos algoritmos de control para banda transportadora, como un sistema XY para el control de la posición de la cámara, maquinado de mejores piezas para evitar rozamiento y desgaste, entre otras modificaciones. Como parte de esta mejora continua nace la necesidad de diseñar el gripper 1
para poder ser acoplado a un brazo robot y con ello poder usar uno de estos robots disponibles y poder integrarlo al sistema. Por lo tanto se busca que el gripper tenga el menor peso posible, para no interferir en la programación y llegar a afectar el sistema de control del brazo robot, esto con el propósito de realizar un sistema más eficiente y sin complicaciones. Cuando el gripper esté en funcionamiento, su principal tarea será la manipulación de tarjetas de desarrollo electrónico, es decir el mecanismo del gripper acoplado al brazo será el encargado de remover tarjetas identificadas como defectuosas, con el propósito de soldar componentes faltantes, separarlas, o simplemente realizar alguna otra manipulación de ellas. Estas tareas ponen bases para el diseño debido a que a aplicación del gripper no requiere de un torque máximo o mínimo y por lo tanto tampoco controlar niveles de corriente presentados, el peso promedio a cargar del gripper no supera los 5kg por lo tanto un servomecanismo funciona bastante bien. Especificaciones del diseño Las especificaciones del diseño son las siguientes: tiene que tener por lo menos dos grados de libertad, debe ser accesible para su ensamblaje (fácilmente montable y desmontable), los materiales de construcción no deben pesar mucho, tiene que tener un peso menor a 500g. Materiales utilizados La clasificación de los materiales utilizados pueden ser dos: piezas de ensamblaje (piezas que permiten acoplar el gripper al brazo) y piezas estructurales (piezas que forman la estructura para sujetar cada motor). Piezas de ensamblaje. El material principal utilizado para las piezas de ensamblaje es de plástico ABS. El Aluminio fue considerado en la etapa inicial del proyecto debido a su alta resistencia a la deformación y su ligero peso, pero basándonos en peso volumétrico la pieza elaborada de aluminio tiene un peso mayor que impresa en impresa en 3D con plástico ABS. Por lo tanto optó por el prototipado rápido. Piezas estructurales. Estas piezas están construidas de acrílico transparente de 3mm de espesor, las cuales fueron manufacturadas con corte laser. Elementos de sujeción mecánica. Para la sujeción correcta se emplearon pernos pequeños en su mayoría M3 x ½” con tuerca y ángulos estructurales pequeños para fijar la estructura del acrílico. El diseño no usa rodamientos debido a que requiere de rodamientos diminutos, por lo tanto el problema se solucionó con contra tuercas lo que permitieron evitar la fricción de algunas partes. 2
Desarrollo La primera etapa del desarrollo del diseño se realizaron corresponde a la toma de medidas con un vernier y regla del extremo del brazo robot donde será colocado el gripper. En la figura 1 se muestra a la izquierda el brazo robot ubicado en el laboratorio de robótica y control del departamento de maestría de la Faculta de Ciencias de la electrónica y a la derecha las medidas resultados de las mediciones.
Figura 1) Brazo robot al cual el gripper será acoplado. Propuesta de motores Los motores propuesto son servomotores modelo: MG995, MG996, SG5010 los cuales tienen dimensiones de 40 × 20 × 36mm (Medidas para cualquier Servo acoplado), como se mencionó en las aplicaciones del gripper, no se requiere de un torque excesivo o una capacidad estricta. Por lo tanto un servomotor es suficiente para el diseño de este mecanismo.
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Características de los motores seleccionados. TOWARDPRO MG996R Giro de 120 grados, 60 en cada lado Specifications Weight: 55 g Dimension: 40.7 x 19.7 x 42.9 mm approx. Stall torque: 9.4 kgf·cm (4.8 V ), 11 kgf·cm (6 V) Operating speed: 0.17 s/60º (4.8 V), 0.14 s/60º (6 V)
Operating voltage: 4.8 V a 7.2 V Running Current 500 mA – Stall Current 2.5 A (6V) Dead band width: 5 µs Stable and shock proof double ball bearing design Temperature range: 0 ºC – 4.8 V a 7.2 V – 900 mA (6V) double ball bearing design 55 ºC
Figura 2) Dimensiones en mm del servomotor seleccionado MG996. Piezas de ensamblaje. Son piezas diseñadas para acoplar la estructura del gripper al brazo. La sujeción principal es soportada por dos tornillos M4 x 1”.
Figura 3) Piezas diseñadas en CAD, usando el software Solidworks 2014. 4
Dimensiones de las piezas estructurales Estas piezas son las encargadas de soportar y acoplar los tres servomotores, el diseño se realizó en Solidworks 2014 y las dimensiones se muestran a continuación. Pieza 4)
Pieza 5)
Pieza 6)
Figura 4) Piezas estructurales, diseñadas para ser cortadas por tecnología láser en acrílico transparente. 5
Lista de todos los materiales empleados:
2 x tornillos M4 x 1” 8 x tornillos M3 x ¼” con tuerca. 6 x tornillos M3 ¼” sin tuerca. 2 x tuercas extra M3. (Contratuercas) 2 ángulos pequeños de acero con entrada de dos tornillos M5. 4 x Tornillos M5 x ¼”. Corte láser del diseño de las piezas en CAD (acrílico transparente de 3mm). Impresión del diseño de las dos piezas de ensamble al brazo en plástico ABS. 3 servomotores modelo MG996. Cabeza de gripper prefabricado para motores MG996. Peso aproximado de: 0.117Kg (incluye motor). Descripción de la construcción del prototipo final
En la siguiente imagen se muestran los elementos de sujeción mecánicos utilizados para la construcción del gripper, el cual tiene tres grados de libertar cada uno controlado por un motor (Desplazamiento en X, en y y un giro de rotación).
Figura 5) Prototipo digital completo renderizado en Solidworks 2014.
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Resultados Los resultados del proyecto de investigación fueron completados con éxito. El diseño y construcción del gripper fue una realidad gracias a herramientas de prototipado rápido y CAD (Computer-aided design). En la siguiente figura 6 se muestra la construcción física del prototipo, con un peso de 344 g, este resultado permite un diseño óptimo para las aplicaciones a realizar.
Figura 6) Prototipo final del gripper. Se muestra su peso de 344g el cual no supera los 500g de las especificaciones de diseño. Conclusiones Como conclusión se logró un diseño óptimo y práctico de un gripper por prototipado rápido (Impresión 3D) y piezas de acrílico, el prototipo cuenta con tres grados de libertad (eje Y, eje X y rotación) los cuales son controlados por tres servomotores (MG996) cada uno y tiene un peso de 344 g, en etapas posteriores la programación de secuencias es un área de interés, ya que se pueden implementar un sistema de control con una retroalimentación al sistema como un sensor piezoeléctrico, laser o infrarrojo al sujetar una pieza. Agradecimientos Al Dr. Jaime Cid Monjaraz, por darme la oportunidad de realizar este proyecto bajo su tutela y a la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado por permitirme participar en el programa “Jóvenes investigadores Otoño VIII”. Referencias [1] Troud, William F. Smith, Javad Hashemi. “Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales”. Ed. McGraw-Hill, S.A. de C.V. Ciudad de México, México, 2006. [2] Automation.”GRIPPER 101: WHAT IS A GRIPPER?”. Internet [Disponible]: http://www.automation.com/library/articles-white-papers/robotics/gripper-101-what-is-a-gripper (consultado el 27 de Noviembre del 2016). 7
