Brazo robótico con pinza: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:39

La cosecha de limoneros se considera un trabajo duro, debido al gran tamaño de los árboles y también a los climas cálidos de las regiones donde se plantan los limoneros. Es por eso que necesitamos algo más para ayudar a los trabajadores agrícolas a completar su trabajo más fácilmente. Entonces, se nos ocurrió una idea para facilitar su trabajo, un brazo robótico con pinza que recoge el limón del árbol. El brazo mide unos 50 cm de largo. El principio de funcionamiento es simple: le damos una posición al robot, luego irá al lugar correcto, y si hay un limón, su pinza cortará el pedúnculo y agarrará el limón al mismo tiempo. Luego, el limón se soltará en el suelo y el robot volverá a su posición inicial. Al principio, el proyecto puede parecer complejo y difícil de realizar. Sin embargo, no es tan complejo, pero necesitaba mucho trabajo y una buena planificación. Solo necesita construirse una cosa sobre la otra. Al principio, nos enfrentamos a algunos problemas debido a la situación del covid-19 y al trabajo de forma remota, pero luego lo hicimos y fue increíble.

Este Instructable tiene como objetivo guiarlo a través del proceso de creación de un brazo robótico con un sujetador. El proyecto fue diseñado y diseñado como parte de nuestro proyecto Bruface Mechatronics; el trabajo fue realizado en Fablab Bruselas por:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Paso 1: Habilidades requeridas

Entonces, aquí hay algunas habilidades que debe tener para realizar este proyecto:

-Básicos de electrónica

-Conocimientos básicos de microcontroladores.

-Codificación en lenguaje C (Arduino).

-Estarse acostumbrado a software CAD, como SolidWorks o AutoCAD.

-Corte por láser

-Impresión 3d

También debes tener paciencia y una generosa cantidad de tiempo libre, además te aconsejamos que trabajes en equipo como lo hicimos nosotros, todo será más fácil.

Paso 2: Diseño CAD

Después de probar diferentes muestras, finalmente decidimos diseñar el robot como se muestra en las figuras, el brazo tiene 2 grados de libertad. Los motores están conectados al eje de cada brazo mediante poleas y correas. El uso de poleas tiene muchas ventajas, una de las más importantes es aumentar el par. La primera correa de polea del primer brazo tiene una relación de transmisión de 2 y la segunda tiene una relación de transmisión de 1,5.

La parte difícil para el proyecto fue el tiempo limitado en Fablab. Por lo tanto, la mayoría de los diseños se adaptaron para ser piezas cortadas con láser y solo algunas piezas de conexión se imprimieron en 3D. Aquí puede encontrar el diseño CAD adjunto.

Paso 3: Lista de componentes utilizados

Estos son los componentes que usamos en nuestro proyecto:

I) Componentes electrónicos:

-Arduino Uno: Esta es una placa de microcontrolador con 14 pines de entrada / salida digital (de los cuales 6 se pueden usar como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un cristal de cuarzo de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un encabezado ICSP, y un botón de reinicio. Usamos este tipo de microcontrolador ya que es fácil de usar y puede hacer el trabajo requerido.

-Dos servomotores grandes (MG996R): es un servomecanismo de circuito cerrado que utiliza retroalimentación de posición para controlar su movimiento y posición final. Se utiliza para rotar los brazos Tiene un buen torque, hasta 11kg / cm, y gracias a la reducción del torque que hacen las poleas y la correa podemos alcanzar un torque mayor que es más que suficiente para sujetar los brazos. Y el hecho de que no necesitemos más de 180 grados de rotaciones, este motor está muy bien de usar.

-Un servo pequeño (E3003): es un servomecanismo de circuito cerrado que utiliza retroalimentación de posición para controlar su movimiento y posición final. Este motor se usa para controlar la pinza, tiene un torque de 2.5 kg / cm, y se usa para cortar y agarrar el limón.

-Fuente de alimentación de CC: este tipo de fuente de alimentación estaba disponible en el fablab, y debido a que nuestro motor no se mueve en el suelo, la fuente de alimentación no tiene que estar pegada entre sí. La principal ventaja de esta fuente de alimentación es que podemos ajustar el voltaje y la corriente de salida a nuestro gusto, por lo que no es necesario un regulador de voltaje. Si este tipo de fuentes de alimentación no está disponible, pero es caro. Una alternativa económica a esto sería usar un soporte de batería 8xAA, junto con un regulador de voltaje como 'MF-6402402' que es un convertidor de CC a CC, para obtener el voltaje que necesita. Su precio se muestra también en la lista de componentes.

-Breadboard: Tablero de plástico que se utiliza para sujetar componentes electrónicos. Además, para conectar la electrónica a la fuente de alimentación.

-Alambres: se utilizan para conectar los componentes electrónicos a la placa de pruebas.

-Botón-Pulsador: Se utiliza como botón de inicio, por lo que cuando lo pulsamos el robot funciona.

-Sensor ultrasónico: utilizado para medir la distancia, genera sonido de alta frecuencia y calcula el intervalo de tiempo entre el envío de la señal y la recepción del eco. Se utiliza para detectar si el limón fue sujetado por la pinza o si se resbala.

II) Otros componentes:

-Plástico para impresión 3d

-Láminas de madera de 3 mm para corte por láser

-Eje metálico

-Hojas

-Material blando: Se pega a ambos lados de la pinza, por lo que la pinza comprime la rama de limón mientras la corta.

-Empulgueras

-Correa para conectar poleas, correa estándar 365 T5

-Rodamientos circulares de 8 mm, el diámetro exterior es de 22 mm.

Paso 4: impresión 3D y corte por láser

Gracias a las máquinas de corte por láser e impresión 3D que se encuentran en Fablab, construimos las piezas que necesitamos para nuestro robot.

I- Las piezas que tuvimos que cortar con láser son:

-Base del robot

-Soportes para el motor del primer brazo

-Apoyos del primer brazo

-Placas de los 2 brazos

-Base de la pinza

-Conexión entre la pinza y el brazo.

-Dos lados de la pinza

-Soportes para los cojinetes, para que no se deslicen ni se muevan de su posición, todos los encajes de los cojinetes son de dos capas 3mm + 4mm, ya que el grosor del cojinete era de 7mm.

Nota: necesitará una pequeña hoja de madera de 4 mm, para algunas piezas pequeñas que deben cortarse con láser. Además, encontrará en el diseño CAD un grosor de 6 mm, o cualquier otro grosor que sea múltiplo de 3, entonces necesita varias capas de piezas cortadas con láser a 3 mm, es decir, si hay 6 mm de grosor, entonces necesita 2 capas 3 mm cada uno.

II- Piezas que tuvimos que imprimir en 3D:

-Las cuatro poleas: se utilizan para conectar cada motor al brazo que se encarga de mover.

-Apoyo del motor del segundo brazo

-soporte para el rodamiento sobre la base, que se fija debajo de la correa para hacer fuerza sobre ella y aumentar la tensión. Se conecta al rodamiento mediante un eje metálico redondo.

-Dos placas rectangulares para la pinza, se colocan sobre el material blando para sujetar bien la rama y tener fricción para que la rama no resbale.

-Eje cuadrado con un orificio redondo de 8 mm, para conectar las placas del primer brazo, y el orificio fue para insertar un eje metálico de 8 mm para hacer que todo el eje sea fuerte y pueda manejar el torque total. Los ejes metálicos redondos se conectaron a los cojinetes y a ambos lados del brazo para completar la parte giratoria.

-Eje de forma hexagonal con un orificio redondo de 8 mm por el mismo motivo que el eje cuadrado

-Abrazaderas para apoyar bien las poleas y las placas de cada brazo en sus lugares.

En las tres figuras de CAD, puede comprender bien cómo se ensambla el sistema y cómo se conectan y apoyan los ejes. Puedes ver cómo se conectan los ejes cuadrados y hexagonales al brazo y cómo se conectan a los soportes mediante el eje metálico. El conjunto completo se da en estas figuras.

Paso 5: Ensamblaje mecánico

El montaje de todo el robot tiene 3 pasos principales que hay que explicar, primero montamos la base y el primer brazo, luego el segundo brazo al primero, y finalmente la pinza al segundo brazo.

Montaje de la base y primer brazo:

Primero, el usuario debe ensamblar las siguientes partes por separado:

-Los dos lados de las articulaciones con los cojinetes en su interior.

-El soporte del motor con el motor, y la polea pequeña.

-El soporte simétrico de la polea pequeña.

-El eje cuadrado, la polea grande, el brazo y las abrazaderas.

-El cojinete "tensor" soporta la placa de soporte. Luego agregando el rodamiento y el eje.

Ahora, cada subconjunto está en su lugar para conectarse entre sí.

Nota: para asegurarnos que conseguimos la tensión en la correa que queremos se puede ajustar la posición del motor en base a la base, tenemos agujero alargado para que se pueda aumentar o disminuir la distancia entre las poleas y cuando comprobemos que el La tensión es buena, sujetamos el motor a la base mediante pernos y lo fijamos bien. Además de esto, se fijó un rodamiento sobre la base en un lugar donde hace una fuerza sobre la correa para aumentar la tensión, de manera que cuando la correa se mueve el rodamiento gira, y no hay problemas de fricción.

Montaje del segundo brazo al primero:

Las piezas deben ensamblarse por separado:

-El brazo derecho, con el motor, su soporte, la polea, así como con el cojinete y sus partes de soporte. También se coloca un tornillo para fijar la polea al eje como en el apartado anterior.

-El brazo izquierdo con los dos rodamientos y sus soportes.

-La polea grande se puede deslizar sobre el eje hexagonal así como los brazos superiores, y las abrazaderas diseñadas para fijar su posición.

Luego tenemos el segundo brazo listo para ser colocado en su posición, el motor del segundo brazo se coloca sobre el primero, su posición también es regulable para alcanzar la tensión perfecta y evitar deslizamiento de la correa, luego se fija el motor con cinturón en esta posición.

Montaje de la pinza:

El montaje de esta pinza es fácil y rápido. Al igual que en el montaje anterior, las piezas se pueden montar solas antes de unirlas al brazo completo:

-Conecte la mordaza móvil al eje del motor, con la ayuda de la pieza de plástico que viene con el motor.

-Atornillar el motor al soporte.

-Atornillar el soporte del sensor en el soporte de la pinza.

-Ponga el sensor en su soporte.

-Coloque el material blando en la pinza y fije la parte impresa en 3D sobre ellos

La pinza se puede montar fácilmente en el segundo brazo, solo una pieza del cortador láser sostiene la base de la pinza por el brazo.

Lo más importante fue el ajuste de las cuchillas en la parte superior del brazo y a qué distancia las cuchillas estaban fuera de la pinza, por lo que se hizo a prueba y error hasta llegar al lugar más eficiente que podamos conseguir para las cuchillas donde cortar y cortar. el agarre tiene que suceder casi al mismo tiempo.

Paso 6: Conexión de componentes electrónicos

En este circuito, tenemos tres servomotores, un sensor ultrasónico, un pulsador, Arduino y una fuente de alimentación.

La salida de la fuente de alimentación se puede ajustar como queramos, y dado que todos los servos y los ultrasonidos funcionan a 5 Voltios, por lo que no es necesario un regulador de voltaje, solo podemos regular la salida de la fuente de alimentación para que sea de 5V.

Cada servo debe estar conectado a Vcc (+ 5V), tierra y señal. El sensor ultrasónico tiene 4 pines, uno está conectado a Vcc, uno a tierra, y los otros dos pines son pines de disparo y eco, tienen que estar conectados a pines digitales. El pulsador está conectado a tierra y a un pin digital.

Para el Arduino, tiene que hablar de su energía desde la fuente de energía, no puede alimentarse desde la computadora portátil o su cable, debe tener la misma tierra que los componentes electrónicos conectados a él.

!!¡¡NOTAS IMPORTANTES!!:

- Debe agregar un convertidor de potencia y potencia al Vin con 7V.

-Asegúrese de que con esta conexión, debe quitar el puerto Arduino de su PC para grabarlo, de lo contrario, no debe usar el pin de salida de 5V como entrada.

Paso 7: Código Arduino y diagrama de flujo

El objetivo de este brazo robótico con pinza es recoger un limón y ponerlo en otro lugar, por lo que cuando el robot está encendido, tenemos que presionar el botón de inicio y luego va a una determinada posición donde se encuentra el limón, si es que agarra el limón, la pinza irá a una posición final para poner el limón en su lugar, elegimos la posición final a nivel horizontal, donde el torque necesario es máximo, para demostrar que la pinza es lo suficientemente fuerte.

¿Cómo puede el robot alcanzar el limón?

En el proyecto que hicimos, simplemente le pedimos al robot que mueva los brazos a una determinada posición donde colocamos el limón. Bueno, hay otra forma de hacerlo, puedes usar cinemática inversa para mover el brazo, dándole las coordenadas (x, y) del limón, y calcula cuánto tiene que girar cada motor para que la pinza llegue al limón.. Donde estado = 0 es cuando no se presiona el botón de inicio para que el brazo esté en la posición inicial y el robot no se mueva, mientras que el estado = 1 es cuando presionamos el botón de inicio y el robot se inicia.

Cinemática inversa:

En las figuras hay un ejemplo de cálculo de cinemática inversa, se pueden ver tres croquis, uno para la posición inicial y los otros dos para la posición final. Entonces, como ves, para la posición final, no importa dónde esté, hay dos posibilidades, codo arriba y codo abajo, puedes elegir lo que quieras.

Tomemos el codo hacia arriba como ejemplo, para hacer que el robot se mueva a su posición, se deben calcular dos ángulos, theta1 y theta2, en las figuras también se ven los pasos y ecuaciones para calcular theta1 y theta2.

Nótese que, si el obstáculo se encuentra a una distancia menor a 10 cm, entonces el limón es agarrado y sujetado por la pinza, finalmente tenemos que entregarlo a la posición final.

Paso 8: Ejecutar el robot

Después de todo lo que hicimos antes, aquí hay videos del robot funcionando, con el sensor, el pulsador y todo lo demás funcionando como debería. También hicimos una prueba de agitación en el robot para asegurarnos de que sea estable y que el cableado sea bueno.

Paso 9: Conclusión

Este proyecto nos brindó una buena experiencia en el manejo de tales proyectos. Sin embargo, este robot se puede modificar y tener algunos valores más agregados, como la detección de objetos para detectar el limón, o tal vez un tercer grado de libertad para que pueda moverse entre los árboles. Además, podemos hacerlo controlado por una aplicación móvil o por el teclado para que lo vayamos moviendo como queramos. Esperamos que les guste nuestro proyecto y un agradecimiento especial a los supervisores de Fablab por ayudarnos.