L10: Garras mecánicas simples - myTeachingURJC/Mecatronica GitHub Wiki

Sesión 10: Garras Mecáncias simples

  • Tiempo: 2h
  • Objetivos de la sesión:
    • Entender el funcionamiento mecánico de garras simples
    • Aprender técnicas de implementación de garras

Contenido

Introducción

Veremos algunas estructuras sencillas que nos permitirán implementar nuestras propias garras. Además de entender el funcionamiento y los mecanismos implicados, haremos hincapié en las técnicas de diseño. ¿Qué pasos tendría que seguir para implementar mi propia garra?. Hay muchas formas de hacerlo. En esta sesión veremos el Método de la inspiración

Método de inspiración. Pasos

Una técnica de diseño muy efectiva es la inspiración en el mundo real. Nos fijamos en algún mecanismo del mundo real que nos resulte interesante. La naturaleza es una gran fuente de inspiración. Es lo que llamamos Bioinspiración

Los pasos de diseño son:

  1. Inspiración. Buscar en el mundo real ejemplos de elementos que hagan cosas parecidas o similares a lo que yo quiero
  2. Seleccionar el elemento más sencillo. De todos los elementos que se nos ocurran, nos quedamos con los más sencillos
  3. Análisis del elemento: Partimos del elemento y lo vamos simplificando hasta quedarnos sólo con sus partes esenciales: eslabones y articulaciones
  4. Síntesis del diseño: A partir de esas partes esenciales sintetizamos (construimos) piezas que repliquen su funcionalidad
  5. Construir y probar

Diseñando mi primera garra

¿Cómo diseño mi propia garra? Seguiremos el método de la inspiración

En el caso de una garra tenemos muchos animales en los que fijarnos. Pero no sólo en los que tienene pinzas, como los cangrejos, escarabajos, langostas... Las mandíbulas también son un ejemplo de un elemento que permite agarrar

Si te pones a pensar, seguro que se te ocurren muchas maneras de agarrar objetos. La cuestión es... ¿Cómo construir un mesanismo basado en ellos?

Selección del elemento: Nuestra mano

De todos los elementos, hay uno muy cercano: nuestra propia mano. Nuestra mano es una garra muy buena, que nos permite manipular los objetos del mundo real. Pensamos en la manera más simplificada que tendríamos para agarrar: Usar dos dedos

Observamos nuestra mano. Apoyamos el dedo pulgar sobre una mesa y movemos el dedo índice hacia el pulgar, generando un movimiento de pinza

Análisis de la pinza

Miramos el movimiento de cómo funciona la pinza de nuestra mano, y sacamos estas conclusiones:

  • Hay una articulación que hace que los dos dedos se muevan relativamente, cambiando su ángulo para abrirse o cerrarse
  • Los dos dedos son móviles, pero para agarrar podemos dejar un dedo fijo, y otro móvil
  • El dedo fijo es el pulgar
  • El dedo móvil es el índice

El análisis detallado lo hacemos siguiente estos pasos:

  1. Sacar fotos. Hacemos una foto de la mano con la pinza abierta y la pinza cerrada. Es importante NO cambiar la mano de posición. Lo recomendable es que alguien haga las fotos por nosotros (Para no mover la mano con la pinza)

  1. Dibujar las manos en Inkscape. Utilizamos la técnica de calcado vectorial de imágenes, que ya conocemos.
  • Empezamos por la primera foto. Por ejemplo la pinza cerrada. Creamos una capa nueva e importamos la foto. Sobre esa capa colocamos otra, y empezamos el calcado, utilizando trayectos con curvas de Bezier

Sólo calcamos las partes que nos interesan. En este caso sólo los dos dedos: el índice y el pulgar. El resto de dedos los ignoramos

Para comprobar que tal nos ha salido la mano, la rellenamos de color "carne" y dibujamos algunas líneas interiores de los dedos. Esto en realidad no lo necesitamos para nuetro análisis, pero así la mano parece más real 😉

Repetimos lo mismo con la imagen de la pinza abierta. La calcamos y obtenemos su imagen vectorial

Ponemos las dos imágenes juntas, para verlas mejor:

  1. Obtener los puntos de interés: Articulación y extremos

Superponemos los dos dibujos. En la izquierda están con su color normal. En la derecha se han puesto aplicando una transparencia al de la capa superior para ver los dos superpuesto

Para obtener el centro de rotación dibujamos líneas rectas que definan las falanges de los dedos, nos quedamos con sus centros y los unimos. Su lugar de intersección nos da la posición aproximada de la articulación del dedo índice

El dedo índice lo simplificamos al máximo reduciendo el grosor de cada falange al mínimo: una línea recta. La punta del índice, que entra en contacto con el dedo gordo, la representamos mediante un círculo. La articulación la representamos también mediante un círculo. Es el modelo alámbrico del dedo índice

El dedo gordo está también unido a la articulación. En el punto de contacto con el índice colocamos su extremo, y lo denotamos mediante un punto. Tiramos segmentos que unan los puntos medios de las falanges, y por último tiramos una línea vertical hacia la articulación. Este es nuestro modelo alámbrico del dedo gordo. Es el mismo para la pinza abierta y cerrada, ya que sólo se mueve el dedo índice:

Con esto concluye la fase de análisis: con el modelo alámbrico de nuestra garra simple

Síntesis del diseño

En la fase de síntesis creamos nuestra garra simple a partir del modelo alámbrico. Nuestro objetivo es diseñar las piezas de la garra, de manera que sea fabricable

Primero obtendremos las piezas en 2D, de forma aproximada, para luego crear las piezas en 3D

Síntesis de las piezas en 2D

Nuestro punto de partida es el modelo alámbrico. A partir de él hay que diseñar la geometría de las piezas. ¡Hay infinitas piezas!. Nuestra misión es encontrar una de las infinitas soluciones. Habrá que tomar muchas decisiones para acotar el diseño

Como hemos partido de nuestra mano, utilizaremos sus dimensiones para engordar los segmentos del modelo alámbrico. Una forma de proceder es la siguiente

Dedo Pulgar

Comenzamos por el dedo gordo, que sabemos que es fijo. Dibujamos una circunferencia que contenta el punto de contacto con el otro dedo y que se encuentre dentro del propio dedo

El diámetro de esta circunferencia es el que vamos a usar para la anchura de la pieza que hace de dedo gordo. Lo desplazamos horizontalmente al codo de la "L" y luego verticalmente a la articulación

Dibujamos un rectángulos de altura el diámetro de las circunferencias, que una las dos circunferencias horizontales. Ponemos otro rectángulo para unir la circunferencia central con la superior

Hacemos la unión de las 3 cincunferencias y los dos rectángulos. Con ello generamos la pieza final del dedo gordo

La rellenamos de un color para verla mejor, y que destaque

Dedo índice

Repetimos el proceso para el dedo índice. Partimos ahora de la misma circunferencia anterior, que está sobre la articulación

Ponemos más circunferencias en las falanges del dedo, de diferentes diámetros y otra en la punta

Añadimos cuadriláteros entre circunferencias consecutivas

Ahora unimos todos los elementos para obtener la pieza del dedo índice

La coloreamos para que destaque:

Maqueta de las piezas 2D

¡Ya tenemos una maqueta de las piezas en 2D!

Tenemos que decidir la escala. La pinza podría ser muy grande o muy pequeña. Decicimos hacerla a la escala de la mano humano. Para ello hay que tomar una medida. Según mi mano, la longitud del pulgar hasta la proyección de la articulación es de unos 60mm aproximadamente

Síntesis de las piezas 3D

Ya tenemos una maqueta en 2D de las piezas, pero todavía no está el diseño resuelto. Nos falta darle volúmen y definir una unión entre las piezas que se pueda construir

Las piezas las vamos a diseñar en el banco de trabajo Part Design de FreeCad. Cada pieza es un Cuerpo construido a partir de un boceto, mediante extrusión

Estos bocetos los vamos a crear "Calcando** el dibujo que ya tenemos en Inkscape. No hace falta calcarlo exactamente, lo usamos como aproximación. Usaremos el plano xy para el diseño de las piezas. El origen de coordenadas lo situamos en la articulación. Esto nos simplificará las operaciones y nos ahorrará trabajo (ya que la articulación es el punto común a ambas piezas)

Importando imágenes 2D en FreeCAD

Lo primero es importar la imagen SVG en Freecad. Creamos un documento nuevo y le damos a la opción del menú File/Import

Seleccionamos el fichero con la imagen SVG a utilizar y pinhchamos en Open. En mi caso voy a utilizar esta: pinza-simple-diseno-23-sintesis-piezas2D.svg

Nos aparece una ventana indicando que seleccionemos como queremos abrir el fichero, como imagen o como geometría. En nuestro caso lo queremos como imagen, así que seleccionamos la primera opción y pinchamos en Open

La imagen se nos mete en la escena 3D, en el plano xy

Cambiamos a la vista superior para ver la imagen de frente

Ahora vamos a calibrar la imagen para que se corresponda con medidas reales. Hacemos doble click en el nombre de la imagen, en el árbol de operaciones y luego pinchamos en Calibrate en la ventana nueva que aparece en tareas

El cursor nos cambia. Ahora hay que pinchamar en ambos extremos de la cota de 60mm. En esta imagen en pinchando en una línea paralela para que se vea lo que aparece. Nos aparece la distancia actual

Al hacer el segundo click nos pide que introduzcamos la distancia real de la cota que hemos definido. En nuestro caso escribimos 60 y le damos al Enter

Ya tenemos la imagen calibrada. Mostramos los ejes para ver el origen de coordenadas de Freecad (View/toggle cross axis). Ahora ponemos la transparencia al 30% y situamos el punto negro de la articulación en el origen de Freecad mediante las opciones X distance e Y distance. Por último pinchamos en OK para cerrar la ventana de tareas de la imagen

Boceto del pulgar

Empezamos modelando el dedo gordo. Creamos un cuerpo nuevo, y lo llamamos Dedo-gordo. Creamos un boceto nuevo

Lo creamos hasta que esté totalmente restringido. El dibujo de Inkscape es orientativo. Ahora en el boceto ponemos medidas exactas

Cerramos el boceto, y le damos un nombre

Pulgar: Version 1

Extruimos el boceto del pulgar 6mm y ya tenemos la version 1 del dedo gordo

Esta pieza no será la definitiva, como veremos más adelante. De momento seguimos diseñando

Dedo índice: Versión 1

Ahora creamos el dedo índice de manera similar. Creamos el cuerpo y añadimos un boceto. Lo dejamos totalmente restringido

Cerramos y lo extruimos

Pinza versión 1

Ya podemos crear la primera versión de la pinza, uniendo ambas piezas. Hacemos un primer ensamblaje

Parace que está todo bien... PERO hay una pieza sobre otra. Si miramos la pinza de perfil vemos que el índice no se apoya contra el pulgar. Están en paralelo

Pinza Versión 2

Hay que volver a la mesa de diseño, y modicar las piezas para lograr que el índice y el pulgar se apoyen uno sobre otro

Una solución es añadir un rebaje en la parte del eje a cada una de las piezas, para que una encaje sobre la otra. En el cuerpo del dedo gordo añadimos un boceto para hacer este rebaje. Nos basta con colocar un cuadrado tangente a la circunferencia que delimita la articulación

Este boceto se lo restamos (pocket) a la pieza actual. Aprovechamos para cambiar el color para resaltar la pieza. Así nos queda:

Hacemos lo mismo con el dedo índice pero con el rebaje hacia el lado contrario:

Ya tenemos las dos nuevas piezas: Versión 2

Ensamblaje

Hacemos el ensamblaje para comprobar el funcionamiento de las piezas versión 2

Ahora el índice está justo encima del dedo gordo. En esta animación lo vemos. Para que se aprecie mejor que están perfectamente alineados, hacemos que el índice atraviese el dedo gordo

Por último mejoramos el ensamble para que se parezca lo más posible al final, y que se pueda construir. Hay que añadir un tornillo que haga de eje y una tuerca autoblocante de tope. Además añadimos una moneda de 1€ para apreciar la escala

En el ensamblaje añadimos límites a la articulación, para que el índice no atraviese el pulgar. Lo vemos en esta animación:

Construcción de la pinza simple

Para construir esta pinza necesitamos una lista del material y los planos

Lista de material

En este ensamble se han colocado todas las piezas sobre el plano xy para verlas. Son las que necesitamos para construir la pinza

Planos del Pulgar

Y por último los planos de las piezas, para tener recopilados todos los detalles de las piezas

Planos del índice

Estudiando el modelo alámbrico

🚧 TODO 🚧

  • Análisis cualitativo usando el Sketches de FreeCAD
  • Barra fija
  • Sólido rígido en 2D --> 3gdl
  • Sólido no rígitod (chicle) --> 4gdl
  • Pasar de barra chiche a rígida (sólida, 30mm de longitud)
  • Fijar posicion a origen --> 1 gdl
  • Restricción horizontal --> 0 gdl. Totalmente restringida
  • Dedo gordo -> L
  • Dedo índice
  • Modelo alámbrico geométrico --> Forma de "dedo", con falanges

Garra simple activa

🚧 TODO 🚧

  • La articulación tiene que estar actuada (no pasiva)
  • ¿Cómo la actuamos?
  • Una forma muy sencilla es usando Servos

Servos

  • Ejemplo 9: Mini-servo
  • Reto: Pinza simple con servo

(DEBUG)

TODO

  • Añadir servo

¡A practicar!

  • A diseñar sólo se aprende diseñando...
  • La herramienta no hace al ingeniero...Lo que te hace diseñar mejor es ¡PENSAR!

Reto 1: Diseña tu pinza simple pasiva

  • ¿Serás capaz de diseñar la pinza basada en tu mano?. El reto se consigue si el diseño es fabricable (CAD, ensamblaje y planos)
  • Si quieres diseñar otra pinza sencilla, pero inspirada en otro mecanismo que no sea la mano, ¡Adelante! Da rienda suelta a tu imaginación!. ¡Lo importante es practicar!

Reto 2: Diseña tu pinza simple activa

  • Modifica el diseño del reto 1 para añadir un servo