S2: Estructuras mecánicas
- Tiempo: 2h
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Objetivos de la sesión:
- Implementación de articulaciomes lineales y de rotación, tanto activas como pasivas
- Conocer la terminología y usos de los elementos necesarios: Ejes, topes, tornillos, pernos, tuercas, pasadores...
- Tiempo de proyecto
- Introducción
- Articulaciones de rotación
- Articulaciones lineales
- Tiempo de Proyecto
La estructura mecánica de los robots manipuladores está formada por cadenas cinemáticas, abiertas o cerradas. Estas están a su vez formadas por eslabones unidos mediante articulaciones
La cadena cinemática más sencilla es la formada únicamente por dos eslabones unidos por una articulación. Es la configuración mínima, y sólo puede ser abierta
Comenzaremos el estudio de las estructuras mecánicas por lo más básico: la configuración mínima dotada únicamente de una articulación y dos eslabones
Nuestro estudio será eminentemente práctico: queremos conocer los elementos necesarios para sus implementaciones, así como la terminología
Las articulaciones se denominan pasivas cuando no consumen energía. No tienen ningún actuador que fije posición relativa de los eslabones. Se denominan activas o actuadas cuando se necesita aportar energía para su movimiento. Disponen de un actuador que genera el cambio de posición
Hay 3 articulaciones de 1 GDL: Tornillo, de rotación y Prismáticas, que las agrupamos en dos categorías: Lineales y de rotación
Las articulaciones de rotación imponen una restriccion en los eslabonen, y sólo permite que exista un movimiento relativo de rotación entre ellos
Un conjunto de 2 sólidos rígidos (eslabones) en el plano tiene un total de 6 GDL. Sin embargo, al unirlos mediante una articulación de rotación, tienen un punto en común (el del eje) y el sistema se reduce a 4 GDL: la posición (x,y) y orientación (θ) de uno de los eslabones, y el ángulo de rotación (φ) de ese eslabón con el otro
En el modelo alámbrico las articulaciones se reducen a un punto y los eslabones a rectas. En ángulo entre ellos es φ. Esta configuración sólo tiene 1 GDL
En esta animación se muestra el movimento entre los eslabones, suponiendo que el eslabón izquierdo está fijado al plano
Se trata de un mecanismo muy sencillo, pero... ¿Cómo lo construimos?
Para implementar la articulación pasiva necesitamos un eje que atraviese los dos eslabones por sus extremos de unión. Al eje se le añadem unos topes en los extremos para que no se salga
En la vista superior se puede ver el eje. Debe existir una cierta holgura entre la unión de los dos eslabones y también entre los tapones y los eslabones. Si se aprisionan con mucha fuerza, el rozamiento sería muy alto y la articulación estaría dura
El tornillo es una opción muy buena y simple para la implementación del eje, cuando no tiene que aguantar mucho peso. En el caso de usar tornillos, uno de los topes es la propia cabeza del tornillo y el otro una tuerca autoblocante.
Esta es la configuración ensamblada, vista desde arriba y desde los dos laterales. Uno de los topes es la propia cabeza del tornillo, y el otro tope es la tuerca autoblocante
Para el eje vale cualquier pieza cilíndrica, que tenga la suficiente robustez. Los parámetros son el diámetro del eje y su longitud
Estas son las piezas que se pueden usar para la implementación de ejes
Los Pernos son piezas metálicas de diferentes largos, con cabeza que nos sirve de tope. Como tope del otro extremo se pueden usar tuercas
Los espárragos son pernos sin cabeza. Típicamente tiene roscas a ambos lados para colocar las tuercas que se usan de topes
Los Tornillos son una opción muy buena para nuestros robots educativos, porque son fáciles de encontrar y hay de muchos tipos y tamaños
Las Varillas Roscadas son pernos sin cabeza, que tiene rosca por todo su cuerpo. Se compran por metros y luego se cortan a la medida
Son muy útiles no sólo para ejes, sino para hacer estructuras. Por ejemplo, la primera generación de la impresora Prusa se construía con varillas roscadas y piezas impresas
Las varillas lisas son listones macizos que no tienen roscas
El hueco interior está vaciado
Los tetones son elementos salientes de otra pieza que se usan para encajar en otras piezas. Si estos tetones tienen forma cilíndrica se pueden usar como Ejes. Especialmente interesantes son las Pieza impresa con un tetón que hace de eje integrado. El eje se incorpora directamente a uno de los eslabones, formando un único sólido rígido. El otro eslabón se inserta y se añade un tope. La parte cilíndrica saliente que hace de eje se llama tetón
Cualquier objeto cilídrico en general, nos servirá de eje: trozos de clips, alambres, latas de pringles, cilidros de cartón, bolígrafos... todos sirven para implementar ejes
La misión de los topes es mantener el eje en su posición correcta, impidiendo que los eslabones se salgan. Se pueden implementar de múltiples maneras. El usar uno u otro depende los requisitos de diseño: peso que tiene que soportar el eje, tamaño, etc...
Piezas de plástico que se insertan en ambos extremos del eje y se ajustan por presión. Típicamente son impresos en 3D. Tiene tres partes. Una es el alojamiento del eje, que es un hueco cilíndrido dentro del cuerpo donde se sitúa el eje en su interior. Es importante que no haya excesiva holgura, o de lo contrario se saldrá. En la parte exterior está la cabeza, que puede tener cualquier forma. Es importante que el plano exterior de la cabeza sea plano, para poder ejercer presión sobre él para introducirlo en el eje.
También es útil que tenga una forma geométrica con lados rectos (cuadrado, rectángulo, hexágono...) para poder rotarlo.
El ejercer presión sobre la cabeza los topes se insertan en el eje. Si se colocan lados cuadrados se puede acompañar la presión con una rotación, para que encaje mejor
Son piezas que se insertan en el eje y se fijan mediante un tornillo prisionero. Permiten ajustar el tope exactamente en la posición que se quiera. Estos topes son muy fáciles de poner y cambiar de posición
El tope está formado por un cuerpo que típicamente tiene forma cilíndrica (pero que podría ser otra), con un hueco interior cilíndrico por donde se inserta el eje. Tiene un taladro lateral, roscado, por donde se introduce el tornillo prisionero que fija el tope al eje
En esta figura se muestra la colocación de dos topes con prisionero en ambos extremos del eje (los eslabones no se muestran, irían dentro del eje)
Los topes se pueden diseñar para ser impresos en 3D, y se fijan al eje a través de un tornillo que atraviesa una tuerca empotrada en el tope. Estos topes están formados por el cuerpo, el alojamiento de la tuerca, el hueco del eje, el taladro para el tornillo y el tornillo de fijación
En esta figura se muestra el despiece y el ensamble de dos topes en un eje
Los pasadores son elementos que se introducen por un taladro del eje, atravesándolo, impidiendo que los eslabones se salgan. Los hay de muchos tipos, según cómo se fijen al eje. En esta figura se muestra un pasador de aleta
Se introduce por el orificio del eje y las aletas se doblan para impedir que se salga. Cuando el pasador está en su estado original, el pasador está abierto y se puede introducir y sacar por el eje. Al doblar las aletas se cierra
Las abrazaderas son elementos que nos permite fijar piezas cilíncricas (tubos, cables, mástiles...) a otras piezas, como por ejemplo un plano. En esta figura se muestra la típica abrazadera para fijar una tubería a una pared
Las abrazaderas también se pueden utilizar como topes de los ejes. Hay diferentes configuraciones que se pueden emplear. Esta es una abrazadera divida en dos mitades, que se une mediante tornillos y tuercas
Esta abrazadera es de una única pieza, y se une al eje también mediante un tornillo y su tuerca
Son abrazaderas que tienen dos brazos ligeramente flexibles y que se ajustan al eje por presión. Al aplicar la presión los brazos se abren y al introducir el eje se cierran provocando un sonido caraterístico de "click"
Estas abrazaderas son muy cómodas porque no necesitan tornillos ni tuercas. Además de para fijar ejes, se pueden utilizar para amarrar otras piezas a piezas cilíndricas. Por ejemplo, se utilizaban mucho para la decoración de las estructuras de las impresoras Prusa originales, ya que su estructura está formada por varillas roscadas
Puedes encontrar más información en este enlace: Decoradores para la Prusa
Las bridas son elementos de fijación, típicamente hechas de nylon. Una vez que se introduce la cabeza de la cinta, queda atrapada y no se puede sacar
Los topes se pueden implementar con una pieza en la que se han hecho unos alojamientos interiores por donde se introduce la brida
Esta pieza se coloca en el eje y se aprieta la brida para fijarla al eje
Muchas veces no hace falta ni siquiera pieza. Se puede utilizar sólo la brida para hacer de tope
Las tuercas también se pueden utilizar como topes. Es el sistema más sencillo:
Sin embargo, presenta los siguientes problemas:
- La tuerca no se puede apretar fuerte contra el eslabón, o de lo contrario el rozamiento sería muy alto y NO habría giro. Hay que dejar por tanto una holgura
(Dibujo de la holgura, visto desde arriba)
- Al no estar apretada, la tuerca se terminaría saliendo, debido a las vibraciones y el movimeinto
- Autoblocantes
- Doble tuerca
- Fijador de tuercas
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Partes donde hay fricción
- Eje-eslabon
- Eslabón-Eslabón
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Reglas generales
- Fricción entre metales es baja
- Fricción se incrementa con la superficie
- El latón tiene baja fricción
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Reduciendo la fricción (Eje-eslabon):
- Añadiendo casquillos (de latón)
- Eslabones estrechos
- Eje metálico
- RODAMIENTOS (Carga grande)
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Reduciendo la fricción (Eslabón-eslabón)
- No apretar topes
- Arandelas
Las articulaciones de rotación activas se implementan mediante un actuador rotativo: el motor. El motor tiene dos partes, el rotor, que es móvil y el estátor que permanece fijo. La parte fija también la denominamos como cuerpo del motor en cuyo interior está el rotor conectado a un eje móvil
Para nosotros el cuerpo del motor será uno de los eslabones de la articulación, y sobre el eje de salida se acopla el otro eslabón. Necesitamos implementar este acoplamiento entre eslabón y eje, para que queden fijados y el eje le transmita la potencia. Lo representaremos de manera genérica así:
Típicamente, los motores eléctricos tienen ejes cilíndricos. Esto dificulta el acoplamiento del otro eslabón, ya que no restringen su rotación (Se comportan como los ejes de las articulaciones pasivas)
Para mejorar el acople se pueden utilizar otros tipos de ejes. Vienen ya directamente creados por el fabricante del motor o bien los modificamos nosotros
Son ejes cilíndricos en los que se rebaja uno de los lados, dándole una sección semicircular. Esta operación se puede realizar fácilmente utilizando una lima metálica sobre el propio eje
Los ejes puedes estar aplanados por ambos lados, con una sección rectangular
Otros ejes vienen con unos surcos internos, llamados estrías, que permiten transferir la potencia a las piezas que se encajan
Para implementar nuestras articulaciones activas necesitamos acoplar uno de los eslabones al eje móvil del motor. Estos acoplamientos se pueden realizar de diferentes formas
Los tapones son piezas de plástico que se insertan por presión en el extremo del eje. Es necesario que el eje NO sea cilíndrico para imporner la restricción de no rotación
Son las piezas de tipo tapón que llevan los servos. Se ajustan mediante presión al eje estriado. Son intercambiables y tienen diferentes formas
Llevan un tornillo adicional para fijar la pieza al eje y evitar que se salga. Este tornillo no influye en la transmisión de la potencia del eje a la corona (esa es la misión de las estrías). Es simplemente una fijación para que no se salga si hay una fuerza de tracción
Son similares a los topes con prisionero. Son piezas metálicas que tienen un hueco por donde se inserta un tornillo prisionero que se aprieta contra el eje del motor, logrando su fijación
Esta pieza nos la podemos fabricar nosotros mediante impresión 3D. Hay que añadir un alojamiento para la tuerca empotrada y se puede usar un tornillo en vez de un prisionero
Los acopladores de eje nos permite fijar otro eje al propio eje del motor. Ambos ejes se introducen en el acoplador y se fijan mediante tornillos prisioneros. Estos acopladores se usan mucho para implementar los ejes z de las impresoras 3D, que van acoplados a un motor paso a paso
La mejor manera para implementar articulaciones de rotación activas en los robots educativos, que son de pequeño tamaño, es utilizar Servomotores de modelismo, conocidos coloquialmente como Servos
Los Servos son actuadores que pueden estar de manera estable en una posición dentro de su rango, que típicamente es de 180 grados
Se usan muchísimo en la construcción de robots educativos, para abrir y cerrar pinzas, orientar sensores, o mover articulaciones. Están formados por tres partes: cuerpo, cabeza (o Corona) y cable de conexión
El cuerpo es la parte más grande, que alberga en su interior el motor, la electrónica y los engranajes. La cabeza es la pieza que va atornillada al eje de salida, y que es la que gira con respecto al cuerpo. En inglés se llama horn (cuerno). El cable está formado por tres hilos de colores que terminan en un conector hembra
Hay servos de todos los tamaños y gustos. Estos son algunos de los servos más utilizados: El Futaba 3003 o compatible, y los micro-servos Tower-Pro SG90 y Emax ES08A
Los Futaba 3003 o compatibles tienen el tamaño "estándar". Son de los primeros servos que aparecieron, para aplicaciones de aeromodelismo. Los micro-servos son más pequeños
Cada modelo de servo incluye un juego de cabezas intercambiables. Se unen al eje mediante un tornillo
El cable de conexión está formado por 3 hilos, con un conector hembra negro al final. Los hilos son: Masa (GND), alimentación (+5v) y señal de control. Cada uno tiene un color diferente, y dependen del modelo de servo. El código típico, que tienen la mayoría de los servos se muestra en esta imagen:
Para los microservos Tower Pro y Emax, el marrón es GND, el rojo la alimentación y el naranja la señal de control. En los servos Futaba 3003 el negro es GND, el rojo Alimentacón y la señal de control es blanca
Como los servos disponen de la corona fijada al eje de salida, es muy fácil acoplar cualquier otra pieza. Basta con atornillarla directamente a la corona (los servos ya traen los tornillos para hacerlo)
TODO
Tapas para servos
Tapas servos II
Repyz
Modulos Y1
Modulos MY1
Portaboli
SpotMicro Video
SpotMicro Github
- Acopladores (Clemas como acopladores!)
(Por hacer)
Aprovecha este tiempo para practicar y continuar con tu bitácora y avanzar en el proyecto
No conviene usar tuercas normales porque se terminan soltando (ya que no se pueden apretar mucho para no gnerar fricción). Se pueden usar tuercas normales, pero hay que tener la precaución de no apretarlas demasiado
TODO
- Eje de latón
- Fabricando tu propio prisionero
- Clemas de electricista
- Clips como ejes
- Latón: baja fricción
- Tubos de latón como ejes
- Rodamientos
- Fijación: Tuercas/Tuercas autoblocantes/Tuercas de plástico
- Visagra
- Foto del Perno: De Pavel Krok - Trabajo propio, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=796826
- Foto del Espárrago: De Jibiki - Fotografía propia, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2399896
- Foto de la varilla roscada: De Ervín Pospíšil - gallery mine of other photographs find on legacy Ervín Pospíšil, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1397653