Handschetsen grijper

Hieronder de ontwerpen die invloed hebben gehad op het finale ontwerp voor de grijper.

Dit zijn de resultaten van de handtekening opdracht 3 waarin iedereen een isometrische tekenning moest maken van zijn of haar ontwerp. Met behulp van deze tekeningen was het makkelijk voor iedereen in de groep om een beeld te krijgen van andermans ideeën.

Close Handschetsen

Solidworks

Zo zag het solidworks bestand eruit om de onderdelen uit te snijden.

Het schaarmechanisme voor onze grijper is opgebouwd uit PMMA/perspex componenten, die met behulp van een lasersnijder uit een plaat van het desbetreffende materiaal zijn gehaald. Bovenstaande afbeelding geeft het gebruikte Solidworks bestand weer waarmee de lasersnijder werd aangestuurd. De witte lijnen geven de randen van de componenten aan waarlangs gesneden moest worden. Zoals te zien is zijn er ook gaten met een diameter van 8mm uitgesneden waardoor wij de componenten met M8 bouten aan elkaar konden bevestigen. De gleuven op de onderste stukken boden een oplossing om het schaarmechanisme te bevestigen zonder deze in zijn bewegingsvrijheid te belemmeren. Ter verduidelijking en voor het eindresultaat kan er op de volgende link gedrukt worden, waarna u naar de desbetreffende pagina wordt gestuurd.

Close solidworks bestand

Concepten

De verschillende concepten waarop ons ontwerp gebaseerd was.

Concept 1

Dit concept heeft een grijphand met tandwielen. Een actuator in een schaarmechanisme zal ervoor zorgen dat de arm niet alleen opzij kan bewegen via een zijwaartse actuator, maar ook naar voren en achter. De grijphand zal sluiten bij deze beweging, wegens de tandwielen in dit ontwerp. De grijper beweegt verticaal door een actuator boven de arm, die de grijparm kan tillen.

Concept 2

Dit concept is gebaseerd op een portaalkraan. De grijparm is bevestigd aan een frame met behulp van een touw. Bovenaan dit frame is één actuator geplaatst die de verticale verplaatsing en het openen en sluiten van de grijper beheerd en een andere actuator die zorgt voor een horizontale verplaatsing. De grijparm bestaat uit 2 halve pvc buizen, gevuld met schuim, die zal sluiten wanneer deze wordt opgetild. Het touw waaraan de grijper hangt kan door de actuator op het frame worden opgetild, zo kan het bekertje dus worden opgetild. Wanneer het touw omhoog getrokken wordt door de actuator, zal het schaarmechanisme boven de grijper uitreken en hierbij de grijper sluiten. Het nadeel van dit ontwerp is dat de grijparm heel makkelijk kan gaan slingeren door het touw. Hierdoor kan er vloeistof verloren gaan.

Concept 3

Dit concept bestaat uit een grijparm die beweegt door middel van een schaarmechanisme. Wanneer de actuator in en uitschuift gaat de grijphand open en dicht. De arm beweegt horizontaal door een actuator die zijwaarts bevestigd is en omhoog door middel van een ander schaarmechanisme.

Concept 4

Dit concept heeft een grijphand met een schaarmechanisme. Verder is dit ontwerp gebaseerd op het mechanisme van een 3d printer. Zo zal de grijphand dus verticaal en horizontaal alle kanten op kunnen bewegen.

Concept 5

De grijphand van dit concept bestaat ook uit een schaarmechanisme, maar de binnenkant van de hand is opgespannen met elastieken, zodat de hand elk voorwerp makkelijk kan pakken. Verder kan dit ontwerp verticaal bewegen door een actuator boven de arm die deze omhoog trekt en een zijwaartse actuator die de arm opzij duwt.

Concept 6

Dit concept heeft hetzelfde principe als concept 5 voor de verticale en horizontale beweging, maar de grijphand is wel uniek: deze bestaat uit twee delen die door de actuator tegen het voorwerp gedrukt worden.

Concept 7

Dit concept bestaat ook uit twee actuatoren die de arm omhoog en opzij duwen. Tevens heeft dit ontwerp ook een grijphand met een schaarmechanisme.

Morfologisch overzicht

Vervolgens is met behulp van een morfologisch overzicht bekeken welke ontwerpen de meeste potentie hebben:

Uit het morfologisch overzicht is gebleken dat concept 2, 3 en 6 het best zijn. Met deze ontwerpen is dus verder gegaan.

Gekozen ontwerp

Horizontale verplaatsing:

De horizontale verplaatsing is gebaseerd op concept 2: het portaalkraanprincipe. Dit houdt in dat de grijper aan een karretje bevestigd is. Dit karretje zit aan de bovenkant van een frame op twee rails. Door de actuator in en uit te schuiven zal het karretje meebewegen en zal de grijper 10 centimeter opzij schuiven.

Verticale verplaatsing:

De arm waaraan de grijper zit beweegt op en neer volgens het schaarmechanisme, dus volgens concept 3. De actuator is aan de bovenkant van het frame bevestigd en zal bij het in en uitschuiven de arm in en uitklappen, zodat het bekertje 15 centimeter omhoog kan bewegen.

Grijpmechanisme

De grijphand is gebaseerd op concept 6, waarbij de actuator ervoor zorgt dat het voorwerp wordt ingeklemd. De binnenkant van de grijper is bekleed met schuim, waardoor alle voorwerpen passen en stevig vastzitten.

Close concepten

Uiteindelijke ontwerp

Hieronder zijn alle onderdelen en aspecten van de grijper beschreven.

Het frame

Voor ons ontwerp hebben wij ons laten inspireren door het reeds bestaande idee van de portaalkraan. Ondanks het duidelijk goed werkende systeem hebben wij toch een aantal, noodzakelijke, aanpassingen gedaan. Zo limiteerde de functionaliteit van de pneumatische actuator ons in sommige opzichten. Al met al is er een compleet eindresultaat uit voortgekomen, in de vorm van een grijper die met 3 pneumatische actuatoren elk van de opgegeven objecten kan vastgrijpen, optillen en verplaatsen zonder deze te beschadigen. Dit hebben wij als volgt gedaan:

Als eerste is er gekeken naar de algehele structuur van het mechanisme en is er besloten dat dit het beste tot zijn recht zou kunnen komen in de vorm van een portaalkraan. (zie hieronder de foto's van ons portaalkraanframe)

Op de foto's is het frame te zien dat wij hebben gebouwd. Hierover komt de rails te liggen waarop het grijpergeheel beweegt.

Het schaarmechanisme

Om de grijphand met/zonder object in de verticale richting te kunnen verplaatsen is er gekozen voor een schaarmechanisme. De voor- en nadelen hiervan worden besproken in het morfologisch overzicht. Samenvattend verzorgde het schaarmechanisme de benodigde verticale verplaatsing ruimschoots, namelijk 20cm, in plaats van de geëiste 15cm. Verder voorkomt dit mechanisme het schommelen van een de grijper met/zonder object en kunnen ongewilde momenten simpeler worden gevonden en tegengewerkt.

Op de foto hieronder is het losse schaarmechanisme te zien dat waarvan wij de onderdelen hebben laten uitsnijden bij de werkplaats.

De grijphand

Bij dit ontwerp hoort ook dat het object van bovenaf benaderd moeten worden. Uit de verscheidene ontwerpen is er uiteindelijk naar voren gekomen om gebruik te maken van een buis die langs het object kan zakken. Deze buis is aan de binnenzijde trapsgewijs bekleed met schuim. Hierdoor ontstond er een ruimte waarin een kleiner/zwakker object zoals een leeg bekertje geplaatst kan worden zonder deze te vervormen. Hoe groter/sterker de te verplaatsen objecten werden, hoe meer schuim er in de grijper zat, waardoor deze objecten een groter deel van de totale kracht zullen ondervinden en daarmee ook beter vast komen te zitten. De grijphand wordt gesloten met behulp van een om de buis heen gemonteerde lus die aangetrokken kan worden door de actuator. Het grote voordeel hiervan was dat de actuator in meerdere richtingen opgesteld kan worden, waardoor de grijper beter gebalanceerd wordt. Tevens is er gebruik gemaakt van een elastiek om de grijphand weer te openen, wanneer de lus niet aangetrokken wordt. Zie ter verduidelijking de foto's.

Tijdens het testen van dit systeem kwamen wij tot de conclusie dat de verticale actuator een grotere massa dan wenselijk is moest verplaatsen. Om dit probleem te verhelpen hebben wij een aantal elastieken toegevoegd (zie de foto). Het idee is dat deze elastieken de totale massa van de grijphand weerspiegelen in uitgerekte stand. Het theoretische resultaat hiervan is dat de actuator in eerste instantie alleen zichzelf en het object hoeft te verplaatsen. Naarmate het object verder wordt opgetild neemt de mate van uitrekking in de elastieken af en zullen deze de actuator minder ondersteunen. Dit geeft als resultaat dat de grijphand rustig/gelijkmatig wordt opgetild en mogelijke vloeistoffen/obstakels in het object ook daadwerkelijk in het object blijven, wel zo fijn als je een glaasje water optilt. Deze elastieken remmen het schaarmechanisme vanzelfsprekend ook, waardoor het object op een vergelijkbare rustige manier zakt als bij het stijgen.

Horizontale verplaatsing

De horizontale verplaatsing was makkelijk te realiseren aangaande ons ontwerp berust op die van een portaalkraan. Er zijn rails boven op het frame gemonteerd, waarover een karretje, met het daaraan gemonteerde schaar- en grijpmechanisme, kan bewegen, zie hiertoe figuur 3. Deze beweging wordt opgestart door de actuator die het karretje versnelt over de rails. Als het maximale bereik van de actuator is bereikt dan kan het karretje nog steeds doorschuiven in het door ons uitgewerkte systeem. Dit sublieme resultaat is bereikt door de, aan het framewerk bevestigde, actuator via een touwtje te monteren aan het karretje. Deze zal namelijk geremd worden op de rails in verband met de optredende wrijving en hierdoor gelijkmatig tot stilstand komen. Op vergelijkbare wijze wordt het systeem naar zijn originele toestand teruggebracht, de actuator wordt ingeschoven waardoor het touw op spanning komt te staan en het karretje versneld zal worden. Als de actuator naar zijn initiële stand is teruggekeerd zal de spanning op het touw afnemen en zal het karretje afremmen als resultaat van de reeds genoemde optredende wrijving. Uit metingen blijkt dat het systeem een horizontale verplaatsing tussen de 12 en 16cm kan realiseren, afhankelijk van het gewicht van het object. De maximale horizontale verplaatsing zou theoretisch gezien nog groter kunnen zijn, maar dan wordt het touwtje dermate lang, groter dan 6cm, waardoor er niet genoeg kracht kan worden overgedragen aan het karretje om deze in zijn originele toestand terug te brengen.

Het geheel

Ons complete ontwerp is te zien in de video's die onder het kopje video's grijper staan in het portfolio.

Close ontwerp

Video's grijper

Een samenvatting van de video's van onze grijper.

Deze video laat de werking van het schaarmechanisme zien. Het werkte uiteindelijk heel soepel omdat alle onderdelen precies op maat zijn en goed kunnen scharnieren

Deze twee videos laten het testen zien van de grijper in de assemblagewerkplaats. De actuatoren waren hier aangesloten op perslucht en wij zetten de actuatoren alleen maar in open of dichte stand.

Deze laatste video geeft nogmaals de werking van het hele systeem weer. Wij hadden echter geen actuatoren meer tot onze beschikking dus hebben wij touw gebruikt om de actuatoren na te bootsen.

Close Project

Evaluatie/Discussie

Hier kijken wij terug op het project en wat er in een volgend project beter kan.

De samenwerking in ons groepje heeft pieken en dalen gekend, maar heeft uiteindelijk geleid tot een fantastisch resultaat. Aan het begin van de week stelden we een agenda op, werden de taken verdeeld en gingen we aan het werk. Dit verliep over het algemeen soepel en resulteerde erin dat wij over het algemeen voorliepen op de algemene planning. Als er iemand binnen de projectgroep problemen had met bepaalde opdrachten, dan werd deze personen geholpen. Op deze manier is er meermaals door groepsleden gestudeerd. We hadden altijd een voorzitter die de besprekingen in goede banen leidde. Verder werden de gemaakte afspraken en verdelingen van het werk genoteerd in een Dropbox bestand, zodat iedereen duidelijk kon zien wat er van hem/haar verwacht werd. Dit heeft bijgedragen tot het succes achter deze opdracht. De pijlers onder onze samenwerking berustte op de volgende afspraken:

- Iedereen komt op tijd.

- Iedereen levert zijn opdracht compleet en op tijd in.

- Iedereen is bereid om elkaar te helpen.

In het begin hebben wij meerdere brainstorm sessies gehouden en is het internet meermaals doorgespit in onze zoektocht naar informatie. Nadat iedereen zijn eigen grijper had geïntroduceerd, kwamen wij tot het uiteindelijke ontwerp voor onze grijper door deze te combineren. Naderhand van deze ontwerpen hebben wij de afmetingen en verbindingen voor ons grijpsysteem bepaald. Deze hebben wij vervolgens, waar nodig was, omgezet naar een Solidworks bestand, waardoor wij de beschikking kregen over precieze onderdelen om onze grijper mee te bouwen. Hiernaast is de lokale Gamma meermaals bezocht om hout, schroeven, scharnieren en een (lade)rails te halen. Met al deze componenten zijn wij uiteindelijk, na veel passen en meten, tot het resultaat gekomen wat terug te vinden is in de filmpjes op onze website. Al met al kijken we met gepaste trots terug naar ons project. We hebben geleerd een technische systeem te analyseren en uiteindelijk echt te bouwen. Hiertoe waren wij alleen in staat door samen te werken. Wij kijken uit naar het volgende project en verwachten dit met de opgedane kennis tot een succesvol einde te kunnen brengen.

Close evaluatie