Pinza para atornillar imita dos

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Los investigadores han desarrollado un robot efector final que puede coger un tornillo, mantenerlo en su lugar y accionarlo. Foto cortesía del Instituto Coreano de Tecnología Industrial

La parte de atornillado del efector final está diseñada para aplicar una fuerza de contacto constante sin un sensor de fuerza, utilizando una estructura de enlace flexible. Foto cortesía del Instituto Coreano de Tecnología Industrial

Para probar su efector final de atornillado robótico, los investigadores idearon una célula robótica para ensamblar una silla de madera. La celda está equipada con tres cobots. Dos cobots, equipados con pinzas estándar, sujetan partes de la silla en su lugar mientras que el tercer cobot, equipado con el efector final atornillador, instala los tornillos. Foto cortesía del Instituto Coreano de Tecnología Industrial

La inserción es un proceso de cinco pasos: determinar la posición y el tamaño del tornillo o clavija mediante visión artificial; agarrar la pieza; alinee la pieza con la punta del destornillador o la punta de inserción; alinee la pieza con el agujero; y atornille el tornillo o introduzca la clavija. Foto cortesía del Instituto Coreano de Tecnología Industrial

A ambos lados del dedo atornillador se monta un eslabón flexible. Su forma lo convierte en un elemento dócil. El enlace flexible permite al conductor mantener la fuerza de contacto sin un controlador de fuerza preciso. Foto cortesía del Instituto Coreano de Tecnología Industrial

Para automatizar una tarea de montaje que requiere dos manos, los ingenieros tienen dos opciones: un robot equipado con un cambiador de herramientas o dos robots. Ahora bien, es posible que pronto haya una tercera opción. Hemos desarrollado una única herramienta de extremo de brazo que puede sujetar simultáneamente una pieza, como una clavija o un tornillo largo, en su lugar e instalarla al mismo tiempo.

El montaje de muebles es un buen ejemplo de una aplicación que podría beneficiarse de dicho efector final. Considere el proceso de montaje de una silla típica de IKEA. Muchos pasos implican sujetar una parte, como una pierna, mientras se inserta otra parte, como una clavija o un tornillo. Sería considerablemente ineficaz automatizar cada paso del montaje utilizando varios robots.

Las pinzas estándar de dos o tres dedos carecen de grados de libertad o control para realizar las tres tareas: levantar un tornillo, sujetarlo en su lugar y atornillarlo.

Varios estudios han analizado el uso de una pinza antropomórfica para tales tareas. Debido a que tienen una configuración de articulación similar a la de la mano humana, estas pinzas tienen un alto grado de libertad y versatilidad. Un estudio demostró que una pinza de este tipo podría usarse para girar una llave hexagonal, siempre que la herramienta ya estuviera enganchada al sujetador. La pinza no pudo realizar todo el proceso de atornillado.

Diseñamos una pinza de atornillado robótica que imita el montaje a dos manos por parte de una persona.

Para manipular objetos pequeños, la gente utiliza un agarre de pellizco. Para objetos grandes o que requieren gran fuerza, utilizan un agarre de fuerza. La manipulación manual es esencial para pellizcar. Por el contrario, un agarre de fuerza gira o cambia de dirección usando las muñecas o los brazos, porque los grados de libertad de los dedos están limitados. Para atornillar un tornillo, una persona aprieta el tornillo con dos o tres dedos para alinearlo con el destornillador y el orificio. Luego, con la otra mano, utiliza un agarre mecánico para atornillar el tornillo con una herramienta.

Nuestra pinza para atornillar realiza ambas funciones simultáneamente. Un único efector final se divide en dos partes: una para agarrar el tornillo y otra para atornillarlo.

La parte de agarre puede agarrar objetos como tornillos y tacos. Consta de dos dedos y una configuración conjunta de balanceo-guiñada-cabeceo. La articulación de orientación desempeña el papel de pronación y supinación de la muñeca humana. La articulación enrollable proporciona movimientos de pellizco y de elevación. Las yemas de los dedos tienen una ranura en forma de V para manipular pequeños objetos cilíndricos, como tornillos. La ranura ayuda a alinear el tornillo en dirección vertical sin manipulación adicional. También evita que el tornillo se deslice.

Para atornillar un tornillo, una persona agarra una herramienta y la gira con la muñeca o el brazo. Al mismo tiempo, presiona el sujetador con suficiente fuerza para que la herramienta no se separe de la cabeza del tornillo. La parte atornilladora de nuestro efector final realiza esta función utilizando un dedo, un motor de atornillado y un enlace flexible.

Para que un robot instale un tornillo, el destornillador y el sujetador deben estar alineados, y la herramienta debe aplicar una fuerza constante hacia abajo. Por sí solo, el controlador del robot no puede mantener la distancia entre la cabeza del tornillo y el destornillador. Esto es malo, porque un error puede dañar el conjunto o la pinza. La parte de atornillado de nuestro efector final está diseñada para aplicar una fuerza de contacto constante sin un sensor de fuerza, utilizando una estructura de enlace flexible.

El dedo atornillador está situado en la parte superior de la pinza y consta de una configuración de junta de paso-rollo con tres grados de libertad. Dos de los eslabones son rígidos. El último eslabón, conectado al motor de atornillado, es flexible. La junta enrollable evita que el tornillo se atasque al girar hacia la izquierda y hacia la derecha. También gira el dedo atornillador 180 grados para permitir el uso de la punta de inserción.

El motor de atornillado puede equiparse con una punta para atornillar o una punta de inserción para instalar clavijas de madera. Una guía de alineación adjunta al exterior de la broca facilita la conexión con el tornillo.

A ambos lados del dedo atornillador se monta un eslabón flexible, junto con una guía del eslabón. La guía evita que el eslabón flexible oscile hacia la izquierda y hacia la derecha. También proporciona movimiento hacia arriba y hacia abajo. El eslabón flexible consta de varias formas de W. Tiene una estructura saliente en contacto con la guía de enlace. Esta forma de W continua lo convierte en un elemento dócil. El enlace flexible permite al conductor mantener la fuerza de contacto sin un controlador de fuerza preciso. También evita que el tornillo y el conjunto se atasquen mientras se atornilla el tornillo al proporcionar cumplimiento pasivo.

Cuando se aplica una fuerza en dirección opuesta a la de la gravedad, el eslabón flexible se dobla en respuesta. Cuando se aplica la fuerza en la dirección de la gravedad, la guía del eslabón sostiene la estructura sobresaliente del eslabón flexible, que permanece horizontal. Por tanto, el cumplimiento se puede cambiar según la dirección de operación. Al atornillar, la fuerza actúa en dirección opuesta a la de la gravedad y el eslabón flexible se dobla. Sin embargo, para instalar clavijas, la fuerza se puede transmitir de manera estable a la clavija porque la punta del inserto está fija.

La guía de alineación montada en el destornillador comprende una guía y un manguito conectados por un enlace deslizante de resorte. Durante el atornillado, el casquillo se inserta en la guía de alineación y vuelve a sobresalir cuando finaliza la tarea de atornillado. El interior del manguito guía tiene una forma oblicua, lo que ayuda a alinear el tornillo con la guía de alineación cuando el dedo que agarra inserta el tornillo en el dedo que atornilla sin un control preciso de la posición.

La punta de inserción está fijada a la parte posterior del actuador de atornillado. Presiona la clavija para insertarla en el agujero. La punta del inserto es oblicua, de modo que las superficies de la clavija y de la punta del inserto forman ángulos rectos.

Tanto la parte de agarre como la parte de atornillado del efector final funcionan con servomotores comerciales estándar con sensores incorporados. Sólo se necesitan cuatro cables para controlar los motores y suministrarles energía. Cada motor y el controlador principal se comunican vía RS485.

Todas las juntas están conectadas en serie. Como resultado, el efector final se puede modularizar a nivel de articulación. La estructura de articulación modular es fácil de mantener y la configuración de la articulación del dedo se puede cambiar fácilmente.

La parte de atornillado de nuestro efector final mide 25,7 centímetros de largo, 22,7 centímetros de ancho y 16,9 centímetros de alto. Pesa aproximadamente 1,5 kilogramos. La funda de la guía de alineación está hecha de acrílico transparente. El vínculo flexible entre el destornillador y el material de la yema del dedo es ABS. Fue hecho con una impresora 3D.

Para ensamblar piezas con nuestro efector final, la información de posición se adquiere mediante un sistema de visión instalado encima del banco de trabajo. El sistema de visión localiza objetos dispersos al azar, como tornillos y tacos. También determina la ubicación de los agujeros en las piezas. El robot utiliza un método de búsqueda en espiral para insertar una clavija o un tornillo en el agujero. Esto permite al robot insertar la pieza sin retroalimentación de fuerza ni cumplimiento pasivo, y puede superar la inevitable incertidumbre posicional de las piezas.

La inserción es un proceso de cinco pasos:

Paso 1.Determine la posición y el tamaño del tornillo o clavija mediante visión artificial.

Paso 2.Agarre la pieza.

Paso 3.Alinee la pieza con la punta del destornillador o la punta de inserción.

Etapa 4.Alinee la pieza con el agujero.

Paso 5.Introduzca el tornillo o introduzca la clavija.

El proceso de atornillado se controla mediante un sensor integrado en el motor. No se utilizó un sensor de torsión externo. Antes de atornillar el tornillo, el motor gira hacia adelante y hacia atrás para asegurar el encaje de la broca. Luego el motor acciona el tornillo a velocidad constante. El motor se apaga cuando el sensor detecta un cambio dramático en la velocidad del motor, lo que indicaría que el tornillo se ha asentado completamente.

Para probar nuestro efector final de atornillado robótico, ideamos una célula robótica para ensamblar una silla de madera. Nuestra célula está equipada con tres robots colaborativos de seis ejes de Rainbow Robotics. Dos cobots están equipados con pinzas multidedos estándar. Estos cobots mantienen partes de la silla en su lugar mientras el tercer cobot, equipado con nuestro efector final de destornillador, instala los tornillos. Se monta un sistema de visión encima del banco de trabajo para localizar las piezas. Los tornillos están colocados aleatoriamente sobre una placa verde para facilitar su reconocimiento.

Nuestros resultados indican que es posible que un equipo de robots monte una silla de madera. Nuestro efector final atornillador pudo recoger tornillos de la placa de forma fiable e instalarlos.

Sangchul Han, Ph.D. // Profesor de Robótica // Instituto Coreano de Tecnología Industrial // Ansan, Corea