Het team WB51
Voor het vak Technische Systemen kregen wij de opdracht een mechanische grijper te maken die tetrapakken, flessen en bekers kan pakken, verplaatsen en weer neer kan zetten. Wij hebben hier gedurende negen weken aan gewerkt. Al snel hebben wij ons ontwerp de "Chocochoker" gedoopt, omdat wij wel heel vaak onder het genot van bekers ChocoChino’s (een mix van chocolademelk en cappuccino) aan ons project gewerkt hebben. Ons Chocochoker-team bestaat uit:
Onze missie
Om ons doel te bereiken en onze missie te voltooien moesten we een robot arm maken met de volgende eigenschappen:
Bekertje optillen met inhoud |
Horizontaal verplaatsen |
Neerzetten |
 Terug naar beginpositie zonder bekertje |
|---|
Onze ideeën
Wij hebben felle discussies gehad over onze ideeën voor het ontwerp van de grijper, door de Chocochino’s zijn we dichter bij elkaar gekomen en hebben wij een definitieve conceptkeuze kunnen maken. Klik hieronder om verder te lezen over de drie deelontwerpen van onze concept keuze.
Beweging in de horizontale richting
Om het voorwerp een horizontale afstand van minimaal 100mm af te laten leggen, besloten we te kiezen voor een simpele oplossing. Ons mechanisme is namelijk afgeleid van een deur. In de opstelling is een triplexplaat aan één kant met twee scharnieren vast gemaakt aan het systeembord. Aan de andere zijde van de plaat bevestigden we een kleine actuator aan een scharnier en aan het systeembord met een beugel. (Zie figuur 1 en 2)
Voor deze opdracht was dit deelontwerp zeer voordelig, aangezien er ruimte moest zijn om zowel het parallellogram als ook een actuator te kunnen bevestigen. Tevens moest de deur stijf genoeg zijn om niet door te buigen/breken onder het gewicht van de grijper. Aan beide voorwaarden voldeed de deur.
De verticale afstand tussen de twee scharnieren is vastgesteld op 150mm, waardoor het mogelijk is de scharnieren, en zo ook het hele systeem, op verschillende posities vast te maken op het systeembord, omdat de gaten op het systeembord 50mm uit elkaar zitten.
-
Figuur 1
Ingeschoven stand actuator
-
Figuur 2
Uitgeschoven stand actuator
Beweging in de verticale richting
Om het voorwerp een verticale afstand af te laten leggen, is er gekozen voor een vierstangenmechanisme. Als vierstangenmechanisme kozen wij voor een parallellogram. Dit parallellogram is bevestigd aan de deur en beweegt alleen in de verticale richting.
Daar het gewenst is geen vloeistof te verspillen en het op te tillen voorwerp in dezelfde positie te houden, biedt het parallellogram de oplossing (zie figuur 3, 4 en 5) is te zien dat de linker verticale stang constant een hoek maakt van 90 graden met de tafel. Het bekertje zal hier parallel aan staan en zo wordt er geen water gemorst. Verder is het produceren en monteren van het parallellogram redelijk simpel.
Daarnaast zou een mechanisme zoals in figuur 6 en 7 geen oplossing bieden, omdat hierbij het bekertje niet horizontaal blijft, maar evenwijdig met de arm die omhoog beweegt, en er dus water gemorst zal worden. In figuur 6 en 7 is in het rood de actuator aangegeven. Dit tezamen toont dat het parallellogram het beste deelontwerp is.
-
Uitgeschoven stand actuator -
Ingeschoven stand actuator
Figuur 6 en 7
-
Figuur 3
Uiterste stand 1
-
Figuur 4
0 stand
-
Figuur 5
Uiterste stand 2
Grijper
Bij de grijper kozen we voor een ontwerp waarin de actuator op een eenvoudige manier aangesloten kon worden. Een schematische weergave in bovenaanzicht, is te zien in figuur 8. Hierin is met zwart de grijper aangegeven, met rood de actuator en met blauw de elastieken.
Deze grijper was voor ons het beste deelontwerp om een paar redenen. Allereerst was het mogelijk om voorwerpen van verschillende formaten vast te grijpen. Zowel vierhoekige als ronde voorwerpen konden vastgeklemd worden tussen de armen van de grijper, dankzij de elastieken. Deze kunnen vervormen en pasten zich aan het voorwerp aan.
Deze grijper werd ook geprefereerd vanwege het feit dat de actuator op een simpele wijze aangesloten kon worden. Door de actuator aan te sluiten tussen de twee armen op de getekende wijze, wordt de slag van de actuator direct omgezet in een beweging van de armen.
Om de zwart getekende armen te verstevigen besloten wij om meerdere malen dezelfde vorm uit perspex en hout te snijden en deze op elkaar te bevestigen. Op deze wijze werd de stevigheid bevorderd en werd het risico van het breken van de armen geminimaliseerd (figuur 9).
-
Figuur 8
Schematische tekening van de grijper
-
Figuur 9
De grijper
De grijper
Morfologisch diagram
Figuur 10
Schuifknijper
Elastoknijper
Tandwielinator
Morfologisch diagram
Het dimensioneren
Nu wij eindelijk onze ideeën op een rijtje hadden, konden wij verder gaan met het berekenen van de groottes van alle onderdelen zodat wij onze conceptkeuze konden realiseren en een Chocochino konden optillen. Kijk hieronder om verder te lezen.
De grijper
Om te beginnen moesten we uitrekenen hoe lang de armen van de grijper moesten zijn om de actuator te bevestigen. We wisten dat de actuator in ingeschoven stand 180 mm was en in uitgeschoven stand 280 mm. De armen van de grijper moesten dus lang genoeg zijn om zowel de uitgeschoven als de ingeschoven stand aan te kunnen. Omdat zo kort mogelijke armen zo min mogelijk materiaal zou kosten, zijn we gaan zoeken naar een zo klein mogelijke lengte. Na wat rekenen met Pythagoras kwamen we op een lengte van 117 mm voor een halve arm. Dit was een acceptabele lengte. Echter, toen we door gingen rekenen met deze waarde kregen we in het scherm van onze rekenmachine een error. Na wat kijken zagen we dat de hoek die de armen bij uitgeschoven stand van de actuator zouden maken groter zou moeten zijn dan 180 graden, wat onmogelijk was. We hebben hierop opnieuw de lengte van onze armen bepaald, maar nu op geometrische wijze. Bij een lengte van 157 mm (halve arm) klopten onze berekeningen wel, dus is dat de lengte van de arm geworden. Hierna moesten we berekenen in welke hoek de ‘grijpklauwen’ op de armen moesten staan. Dit was nodig omdat de klauwen in dichte stand (bijna) perfect zouden moeten sluiten. De berekening staat in onderstaande afbeelding. Hoek gamma is de hoek tussen de klauw en de arm.
Daarnaast moesten de armen ook nog bevestigd worden aan het parallellogram, dus hier moesten we ook nog een constructie voor bedenken. De makkelijkste oplossing hiervoor was het maken van een verlengstukje dat aan de ene kant aan het parallellogram vast zou zitten en aan de andere kant aan het midden van de armen. Tot slot hebben we berekend of de arm sterk genoeg zou zijn en hoeveel de arm door zou buigen.
-
Figuur 11
De grijper -
Figuur 12
Verlengstuk grijper -
Figuur 13
Berekening minimale lengte verlengstuk
-
Figuur 14
Uitwerking
Het paralellogram
Het eerste wat we moesten doen was de afmetingen van het parallellogram bepalen. De grijparmen moesten bij het omhoog gaan van het parallellogram niet in de weg zitten. Het lange deel van het parallellogram moest daarom dus langer zijn dan de helft van de arm. De helft van de arm hadden wij zoals hierboven vermeld vastgesteld op 157 mm, dus de minimale lengte van het parallellogram zou 160 mm zijn. Omdat een langer parallellogram tot een groter moment op de montagepunten zou leiden, hebben we ervoor gekozen om de lengte van het parallellogram vast te stellen op 160 mm (we hadden geen marge nodig, want deze marge zouden we in het verlengstuk, waar de grijper mee aan het parallellogram bevestigd zou worden, inbouwen). De hoogte van het parallellogram hebben we bepaald aan de hand van de hoogte die we in totaal af moesten leggen. Deze hoogte bedroeg 150 mm. We hebben een marge ingebouwd, en de hoogte vastgesteld op 160 mm. De beweging die het parallellogram aflegt is onder te verdelen in drie standen: geheel naar beneden, horizontaal en geheel omhoog. De afstand die tussen deze standen moest worden afgelegd bedroeg dus 160mm/2=80mm. Deze afstand is zoals in de afbeelding te zien is precies gelijk aan de hoogte van het parallellogram. Anders gezegd, de afstand die het parallellogram van beneden naar boven aflegt is gelijk aan twee keer de hoogte van het parallellogram. De hoogte van het parallellogram hebben we dus vastgesteld op 80 mm.
Om ons ontwerp stevig en stabiel te maken hebben we gekozen om ons parallellogram uit te voeren in een twee-lagen-systeem. Dit gaf een extra dimensie aan ons ontwerp, wat betekende een extra vast te stellen afmeting. Het bepalen van de afstand tussen de twee parallellogram was een kwestie van kiezen of delen. Hoe groter de afstand tussen de parallellogrammen des te stabieler de constructie. Het nadeel hiervan was echter dat het bovengenoemde verlengstuk, waarmee de grijper aan het parallellogram gemonteerd moest worden, langer zou moeten worden. Bij een langer verlengstuk zou het moment aan het bevestigingspunt echter weer te groot worden, wat ervoor zou kunnen zorgen dat er iets kapot ging. We hebben uiteindelijk gekozen voor een compromis waarbij het parallellogram stabiel genoeg zou zijn en het verlengstuk zo kort mogelijk. De afmeting is vastgesteld op 60 mm.
Daarnaast was het van belang de actuator op de goede hoogte aan het parallellogram te bevestigen, zodat de grijper de gegeven hoogte zou kunnen bereiken. Om dit uit te rekenen hebben we een aantal situatieschetsen gemaakt. Door de situatieschetsen te bestuderen konden we een formule voor de positie afleiden. Deze formule was als volgt:
Invullen van deze formule gaf ons: 100/160*160=100. De actuator moest dus 100 mm van de linkerbovenhoek van het parallellogram af bevestigd worden.
Tot slot hebben we berekend wat de beginhoek moest zijn waarop het parallellogram ten opzichte van de deur zou moeten staan in beginpositie. Deze hoek bedroeg 60 graden.
-
Figuur 16
Het paralellogram -
Figuur 17
Verschillende standen actuator -
Figuur 18
Verschillende standen paralellogram
De deur
De grootte van de deur konden we niet met berekeningen vast leggen. Wat voor de deur namelijk belangrijk was, was dat het parallellogram erop zou passen en dat de actuator erop gemonteerd kon worden voor de beweging. De afmetingen van het parallellogram waren 160mm*80mm, dus dit was de minimale grootte van de deur. Voor het bevestigen van de actuator moesten we rekening houden met de minimale afstand die de grijper horizontaal af moest kunnen leggen en de in- en uitgeschoven stand van de actuator. De afstand x konden we als volgt berekenen: x=√(280^2-100^2 ). Dit is schematisch weergegeven in figuur 18. Hier wordt het bovenaanzicht getoond, waarbij de actuator in het rood is weergegeven.
De minimale breedte van de deur moest dus 262 mm zijn. We wilden als materiaal voor de deur een triplexplaat gebruiken. Deze platen konden we kopen met afmetingen 300mm x 300mm. Dit leek ons makkelijk omdat we de plaat niet meer hoefden te bewerken en dit ons tijd zou besparen. De afmetingen van de deur werden dus 300mm x 300mm.
-
Bovenaanzicht deur
Figuur 19
De grijper
De fabricage
Hier komt het belangrijkste onderdeel van het project, de assemblage van ons concept! De Chocochino’s hebben ons geholpen door te zetten, er kwamen namelijk redelijk wat problemen op ons pad.
De testfase
Werkt de grijper daadwerkelijk zoals verwacht in de berekeningen of wijst de praktijk toch op wat anders uit?
Deed de grijper wat het moest doen....
De vraag die al sinds het begin van het project herhaaldelijk gesteld wordt maar nu pas een concreet antwoord kan krijgen; bij het testen. Een van de voordelen die we hebben is dat de grijper al gemonteerd is op een plaat. Hierdoor was het monteren van het mechanisme op het systeembord binnen enkele seconden gedaan. Ook het eventueel verstellen van de hoogte was zeer gemakkelijk, omdat de deur niet een vaste plek had op het systeembord.
Nadat de actuatoren aangesloten waren op de grijper werkte bijna alles volgens onze verwachtingen. Echter er waren ook problemen die niet allemaal een voor de hand liggende oplossing hadden.
Pak een Chocochino en probeer niet te veel stress te hebben, want hier komen de problemen…
We hadden op papier berekend dat onze arm met de grijper zeker hoog genoeg zou komen en dat de actuatoren ruim genoeg kracht zouden hebben. Toen we ons perspex van het lasersnijden terug kregen kwamen we er al snel achter dat de grijper veel meer zou doorbuigen dan dat we dachten omdat perspex voor ons allemaal een onbekend materiaal was. Ook was de arm achteraf gezien veel te lang waardoor hij ook sneller ging buigen. Dit hadden we eventueel kunnen veranderen door de grijper een kwartslag te draaien. We dachten het probleem meteen op te lossen door met extra hout en perspex de grijper dikker te maken. Hierdoor werd de grijper een stuk zwaarder waardoor we de luchtdruk moesten verhogen. Nu konden we de arm en de grijper omhoog krijgen zonder moeite, maar door de buiging kwam de grijper net niet hoog genoeg. De oplossing die we hiervoor bedacht hadden konden we niet meer realiseren. We zouden namelijk wel aan de goede hoogte komen als we het parallellogram groter hadden gemaakt.
Verder ging de horizontale beweging ook niet heel soepel omdat de actuator nog steeds op de hoge druk stond van de actuator die de arm omhoog hield. Ons deur principe was sterk genoeg maar de inhoud van het bekertje zou zeker uit het bekertje klotsen. Ook de derde actuator die de grijper open en dicht deed stond op hoge druk, hierdoor werd het bekertje al een beetje fijngeknepen. Het vifit pak kon deze kracht wel aan.
Ook een probleem was de grip van de grijper. Deze konden we zelf variëren door het aantal elastieken te verminderen of vermeerderen. Maar we kregen maar niet genoeg grip op het vifit pak waardoor deze langs de elastieken naar onderen schoof. Dit hadden we kunnen verbeteren door een groter contactoppervlak te hebben tussen in dit geval het pak en de grijper.
Ons laatste probleem was dat we fase vier, het terugkomen naar de beginstand zonder het bekertje, niet konden voltooien omdat de grijper dan het bekertje zou omstoten. Dit hadden we simpelweg kunnen voorkomen door de grijper een kwartslag te draaien.
De grijper
De Evaluatie
De samenwerking
De samenwerking in ons groepje verliep heel goed, alle taken waren goed verdeeld en iedereen hield zich aan de afspraken en deadlines die gesteld werden. Iedereen deed altijd goed mee en iedereen kwam met ideeën. Af en toe ontstonden er hevige discussies over ideeën, maar door de Chocochino’s was het altijd wel weer gezellig en dat maakte dat het project heel goed verliep.
Verder liep over het algemeen onze planning goed en kwamen we amper in tijdnood. Af en toe hadden we weinig tijd om deadlines te halen doordat we opdrachten wat aan de late kant kregen of omdat er onduidelijkheden waren. We zijn eigenlijk maar één keer echt in tijdnood gekomen, omdat er wat miscommunicatie binnen de groep was. Dit misverstand konden we wel oplossen en daarna maakten we afspraken om dit in het vervolg te voorkomen. Uiteindelijk hebben we op tijd de grijper af gekregen, al had de grijper wat minder problemen kunnen hebben als we iets meer tijd zouden hebben gehad.
Conclusies en aanbevelingen
Er zijn verschillende soorten materialen gebruikt voor de grijper, zoals: perspex, metalen en verschillende soorten hout.
De grijper bestaat voor het overgrote deel uit perspex. De armen en het parallellogram bestonden uit perspex. De plaat die voor de horizontale beweging zorgde en waar het parallellogram aan bevestigd is, is van hout. Om alle onderdelen aan elkaar te bevestigen hebben is er vooral van metaal gebruik gemaakt, omdat wij hier bekend mee waren en wisten dat het stevig was. Verder hebben is er nog hout gebruikt om de grijper steviger te maken.
Achteraf gezien hadden de meeste onderdelen die we niet van perspex waren gemaakt ook van perspex gekund. Dit had gekund door middel van buigen of anders bewerken van perspex. Maar omdat het de eerste keer was dat wij met perspex werkten en er dus niet bekend mee waren, wisten wij niet precies hoe stevig en bewerkbaar het was. We waren bang dat het te zwak zou zijn en heel moeilijk bewerkbaar, maar achteraf gezien bleek het perspex best wat aan te kunnen en best goed bewerkbaar te zijn. Dus was het extra hout en perspex dat aan onze grijper armen bevestigd was overbodig en werden de armen onnodig zwaar, waardoor ze een beetje door zakten en de gewenste hoogte niet gehaald werd. Als de grijper wat lichter was geweest had de luchtdruk op de actuatoren ook wat lager gekund, waardoor de bewegingen wat soepeler hadden kunnen verlopen, de inhoud van het bekertje er niet uit zou klotsen en het bekertje niet zo ineen gedrukt zou worden.
Door het ontwerp was er heel veel perspex nodig voor de armen, waardoor er maar heel weinig perspex overbleef voor de rest van onze onderdelen. Als we voor een ander ontwerp hadden gekozen, was er misschien wat meer perspex overgebleven voor andere onderdelen. Bijvoorbeeld hadden we de armen een kwartslag gedraaid aan het parallellogram kunnen bevestigen waardoor ze een heel stuk korter gekund hadden. Hiermee zou ook een ander probleem waar wij uiteindelijk mee zaten verholpen zijn: de grijper naar de beginstand terugbrengen zonder dat het bekertje zou worden omgestoten.
Er had ook, om de gewenste hoogte te halen, gekozen kunnen worden voor een groter parallellogram.
We hebben ook gebruik gemaakt van elastiekjes om een betere grip te krijgen op de voorwerpen. Dit hielp redelijk bij het bekertje en het flesje, maar werkte amper bij het tetra pak: het pak gleed tussen de armen uit. Dit was te voorkomen door een groter contactoppervlakte tussen de grijper en het pak te maken.
De grijper
Uiteindelijk
Aan het einde van het gehele ontwerpproces is het gelukt een grijper te maken die goed functioneerde. We hadden echter houten en ijzeren onderdelen kunnen vervangen voor perspex, als we beter bekend waren met de bewerking en materiaaleigenschappen van perspex. Onze missie was om de grijper vier bewegingen te laten doorlopen, daarvan hebben wij er drie weten te realiseren. De grijper kon het bekertje vast pakken, op een hoger plateau plaatsen en grotendeels de inhoud behouden van het bekertje.
Wat ons betreft hebben we de missie gehaald en we zijn trots op het behaalde resultaat.
Hebben jullie nu ook al zin in Chocochino?
Wij zeggen proost!
