¿Como hacer un Robot Scara con Arduino?

robot-scara-con-arduino
Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin

Tabla de Contenidos

Para aquellos entusiasmados con la robótica que además quieran aprender a fabricarse su propio Robot con Arduino. Vamos a explicaros como hacer un Robot Scara con Arduino UNO desde cero. Es decir, cómo diseñarlo, qué herramienta y material se necesita (os enumeraremos a continuación), ganas de aprender y seguir leyendo para más:

https://www.youtube.com/watch?v=wNbzl8wn5B4

Introducción al proyecto

Para aquellos que no lo sepan, un Robot Scara tiene 4 grados de libertad, está impulsado por 4 motores paso a paso NEMA 17 y además tiene incorporado un servo motor para controlar la pinza del extremo del brazo.
El ordenador principal de este robot es una placa de Arduino UNO que está emparejado con un escudo CNC y cuatro controladores para motor paso a paso A4988, con el que controlar los motores.


Paso 1. Crear una Interfaz gráfica

Utilizando el entorno de desarrollo de Processing, se crea una interfaz gráfica de usuario que presenta control de cinemática directa e inversa. Con la cinemática de avance podemos mover manualmente cada articulación del robot para obtener la posición deseada. Usando los controles deslizantes del lado izquierdo, podemos establecer el ángulo de cada articulación. La posición final del efector final, los valores X, Y y Z se calculan e imprimen en el lado derecho de la pantalla.

Por otro lado, usando Cinemática Inversa podemos establecer la posición deseada del efector final, y el programa calculará automáticamente los ángulos de cada articulación para que el robot llegue a la posición deseada.

Interface-robot-scada-procesing
Control del Robot Scara por Processing

El programa se hace de manera que podamos usar ambos métodos al mismo tiempo, en la misma pantalla. Es decir, los ángulos de las articulaciones, así como los valores X, Y y Z del efector del extremo o pinza tienen que estar conectados y siempre presentes en la pantalla.

Por supuesto, el robot también puede funcionar automáticamente. 
Mediante el botón “Guardar” del programa podemos guardar cada movimiento o posición del robot. Para después, al presionar el botón “Ejecutar” el robot ejecutará los movimientos almacenados en un bucle, desde el primero hasta el último, repetidamente. También se puede ajustar la velocidad de movimiento y la aceleración desde la misma interfaz de usuario.

Paso 2. Modelo 3D del Robot Scara

El modelo 3D del robot se crea a partir de la idea de poder imprimir todas sus partes y piezas estructurales principales con una impresora 3D.
Por ello, se eligen poleas GT2, que serán imprimibles

Para la primera unión, se diseña una relación de reducción de 20:1, a partir de dos etapas con poleas. Para la transmisión se utilizan correas de 200 y 300mm de longitud así como 2 cojinetes axiales y 1 radial.

componentes-robot-scada
Componentes del Robot SCADA

Para la segunda junta, tenemos una relación de reducción de 16: 1, lograda de la misma manera, y la tercera junta tiene una relación de reducción de 4: 1 con una reducción de una sola etapa. Las juntas son huecas, por lo que podemos usar eso para pasar los cables de los motores y los microinterruptores. Para cada una de las correas, hay ranuras en las que podemos colocar poleas locas para tensarlas.

La pinza del robot es accionada por un servomotor MG996R y podemos cambiar fácilmente los extremos de la pinza para lograr diferentes tamaños de agarre. El eje Z del robot es impulsado por un tornillo de avance de 8 mm, mientras que todo el conjunto del brazo se desliza sobre cuatro varillas lisas de 10 mm y rodamientos lineales de bolas. La altura del robot simplemente depende de la longitud de las varillas lisas, que en este caso son de 40 cm. El tornillo de avance debe ser 2 cm más corto para encajar en esta configuración, o si no, el motor Z puede elevarse 2 cm usando tuercas espaciadoras.

A continuación se adjuntan los planos en 3D modelados en el programa SolidWorks:

Paso 3. Imprimir las piezas del Robot

robot-scada-impreso
Creality 10 imprimiendo Robot Scada

El siguiente paso requiere una impresora 3D. En este caso se usó una Creality CR-10 para imprimir todas las piezas, que es una impresora 3D realmente excelente con un precio muy asequible. Como ya se mencionó, las piezas están diseñadas para caber incluso en una impresora 3D más pequeña, por ejemplo, la Ender3.

¿Qué materiales se utilizaron?

Para la mayoría de las piezas se utilizó PLA +, en color azul, así como PLA normal para las poleas y la pinza. Se tardó alrededor de 120 horas en imprimir todas las piezas a una velocidad de impresión de 60 mm / s. La base fue la parte más grande para imprimir, alrededor de 32 horas. Pero cada uno conoce mejor los parámetros de su impresora, por lo que en vuestra decisión está aumentar la velocidad de impresión.

Finalmente, cuando estén todas las piezas impresas correctamente, seguiremos con el montaje.

Nota:
Se imprimieron todas las piezas con una tolerancia externa de –0,1 mm en el software de debanado o «slicer». Esto permite que las piezas tengan dimensiones más precisas y encajen mejor con las otras piezas mecánicas como los cojinetes, las varillas y los pernos.

Paso 4. Montaje del Robot Scada

A continuación, se detalla una lista con los componentes necesarios para ensamblar este robot SCARA basado en Arduino. La lista de componentes electrónicos se puede encontrar a continuación en la sección de diagrama de circuito del artículo.

  • Eje de varilla lisa 4x – 10 mm 400 mm ………. ……… ..… Amazon 
  • 1x tornillo de avance – 8 mm 400 mm ……………………………… Amazon 
  • 4x Cojinetes lineales 10mm ……………………………………. Amazon
  • 1x Cojinete de bolas de empuje 40x60x13mm …………………… Amazon
  • 2x Rodamiento de bolas de empuje 35x52x12mm …………………… Amazon
  • Rodamiento de bolas radial 5x 8x22x7mm ………………………… Amazon
  • Pernos y tuercas M3, M4 y M5 de varias longitudes

Estos son los tamaños de pernos necesarios para este proyecto:

Lista de materiales

Montaje de la base

Comenzamos el montaje con base. Aquí primero insertamos un rodamiento de bolas radial con un diámetro interior de 35 mm y un diámetro exterior de 47 mm.

robot-scada-arduino
Montaje rodamiento axial

Después, va el primer cojinete de empuje que tiene un diámetro interior de 40 mm y un diámetro exterior de 60 mm. Este cojinete se asentará entre la polea y la base.

En el otro lado de la base, utilizamos otro cojinete de empuje del mismo tamaño junto con un acoplador de junta.

montaje-robot-scada-impreso-3D

Luego podemos acoplar la polea y la parte superior mediante cuatro tornillos M4 de 55 mm de longitud. Necesitamos usar tuercas autoblocantes y apretarlas adecuadamente para que la articulación sea resistente y pueda girar libremente.

Montaje de las poleas

A continuación, necesitamos instalar la polea del medio. Esta polea está emparejada con la polea de unión con una correa GT2 de 300 mm. Para instalar esta polea, usamos dos rodamientos de bolas 608, uno en la parte superior y el otro en la parte inferior de la base. Luego, usando un perno M8 de 45 mm, una arandela y una tuerca autoblocante, podemos asegurar la polea en su lugar.

montaje-polea-robot-scada

A continuación, necesitamos instalar el motor paso a paso para esta articulación. El paso a paso se emparejará con la polea central con una correa de 200 mm. Para fijarlo a la base, necesitamos cuatro tornillos M3.

apriete-tornillos-robot-impreso
Apriete de tornillos

Antes de apretar los tornillos, debemos estirar el cinturón tanto como podamos. Solo una nota rápida aquí que en realidad reemplacé el perno M8 de la polea central con su cabeza en la parte inferior para que pueda caber dentro de la base.

Ajuste de las poleas y correas

En este punto, debemos comprobar si las correas están lo suficientemente apretadas. Si no, podemos utilizar algunas poleas locas para ajustarlo mejor. Aquí estoy usando un perno M5 de 35 mm y algunas tuercas para hacer la polea loca de ajuste, de esta manera evitamos holguras innecesarias.

montaje-poleas-robot-impreso
Montaje

Se pueden colocar en las ranuras a ambos lados de la correa y así poder apretar la misma tanto como queramos. DE esta manera, se completa la primera articulación.

Colocación del final de carrera

proyecto-de-robot-arduino
Colocación del interruptor o final de carrera

Para seguir con la instalación, se va a colocar el microinterruptor para esta articulación. Antes de colocarlo en su lugar, ya se han soldado los cables, ya que está un poco apretado aquí para hacer eso después. Necesitamos tornillos M3 de 20 mm y una tuerca para asegurar el microinterruptor en su lugar.

El tornillo de unión pasa tan cerca del interruptor que finalmente se va a usar solamente un perno para asegurar el interruptor. En el otro agujero, tan sólo se va a insertar un perno para posicionarlo. De esa manera, el interruptor queda lo suficientemente fijo y seguro para poder funcionar correctamente.

Montaje del Eje Z

A continuación, podemos comenzar a ensamblar el eje Z. Primero, en la parte superior del acoplador de junta necesitamos asegurar la parte de la placa inferior del eje Z.

Por la parte superior, podemos fijar las cuatro abrazaderas para las varillas lisas. Luego, podemos insertar las varillas lisas en su lugar. Deben encajar bien y llegar hasta la parte del acoplador de la junta. A partir de ahí, ya se pueden apretar las varillas a través de las abrazaderas y estas con algunos tornillos y tuercas M4.

En este punto se necesita insertar el rodamiento para el husillo o tornillo de avance. 

Para terminar el primer brazo, se procede al montaje del extremo superior. El brazo del robot queda conformado por dos partes atornilladas. La primera parte es donde necesitamos instalar los rodamientos lineales que se deslizarán a través de las varillas lisas. Es decir, esta:

montaje-rodamientos-lineales

Insertarlos en su lugar puede ser un poco difícil porque quedan bastante apretados.

En realidad, esto depende de la precisión con que vuestra impresora pueda imprimir las piezas. Por lo tanto, sugiero que se haga una prueba antes para ver la tolerancia de agujero que deja. De esta manera, podréis ajustarla de acuerdo con los parámetros de vuestras impresoras. 

Una vez insertados y fijados, ya se pueden emparejar las dos partes del brazo. Para ello se utilizarán cuatro tornillos M5 de 25 mm. de la siguiente manera:

montaje-brazo-robotico
Unión del brazo

Montaje de la segunda Articulación

Seguidamente, ya se puede instalar el segundo motor paso a paso. Aquí se utilizará una polea GT2 impresa en 3D con 20 dientes. Esta polea se diseñó a partir de un programa paramétrico, ya mencionado antes. Aquí también necesitamos asegurar la tuerca del tornillo de avance en su lugar correspondiente.

A continuación, se pueden instalar las correas y poleas para la segunda articulación. Aquí necesitamos un cinturón de 400 mm y otro de 300 mm de longitud. El procedimiento para instalarlos es prácticamente el mismo que se explicó para la primera unión.

montaje-segunda-articulacion
Montaje poleas para la segunda unión

En este paso, para la segunda y tercera articulación, utilizamos rodamientos más pequeños en comparación con la primera. El cojinete de bolas radial tiene un diámetro interior de 30 mm y un diámetro exterior de 42 mm, y el cojinete de empuje tiene un diámetro interior de 35 mm y un diámetro exterior de 52 mm.

Antes de instalar el segundo acople de junta, debemos insertar seis pernos M4 de 20 mm en las ranuras hexagonales.

acople-de-junta

Servirán para sujetar el segundo brazo a la articulación. Si es necesario, para tensar las correas podemos usar el mismo método que se explicó anteriormente con poleas locas. Es importante asegurar el segundo microinterruptor o final de carrera en su lugar.

robot-casero-scara

De esta manera ya estará conectado y ensamblado todo el brazo.

Continué conectando el segundo brazo al acoplador de articulación. Aquí usamos esos pernos en el acoplador de junta que instalamos anteriormente, para asegurar la parte superior del segundo brazo.

montaje-segundo-brazo-robot-scara
Conectar las dos partes

Nota:

En este punto, quería probar cuánto juego tenían las juntas. De hecho, esperaba algo de juego debido a las correas, pero en realidad, noté que el problema estaba entre los orificios donde van los pernos pasantes y los pernos en sí mismos. Para resolver el problema, se requiere un ajuste mayor entre los pernos y los orificios. Es decir, imprimir las piezas con mayor ajuste en los orificios pasantes de los tornillos. De esta manera, conseguiremos mayor precisión en todos sus movimientos.

Montaje de la tercera articulación

Muy bien, ahora se puede continuar con el montaje del segundo brazo. Aquí primero necesitamos instalar el motor paso a paso para la tercera articulación.

Estoy usando un motor paso a paso más pequeño en este caso para que el brazo sea un poco más ligero. Aún así, es un motor paso a paso NEMA 17 pero con una longitud más corta de 24 cm.

Nuevamente, tenemos el mismo procedimiento para instalar las correas y la polea para la tercera articulación, excepto que aquí usamos solo una reducción de una etapa con una correa de 400 mm. A continuación, antes de unir esta parte inferior del brazo a la parte superior, necesitamos conectar el motor y el microinterruptor y pasar sus cables por la segunda articulación.

montaje-tercera-articulacion
Montaje de la tercera articulación

En este punto, también necesitamos insertar los cables para el efector o pinza final. En mi caso, inserté un cable de 4 hilos de un motor paso a paso que usaré para impulsar el servomotor de la pinza que requiere 3 hilos.

parte-superior-robot-scara

A continuación, necesitamos insertar tuercas M4 en las ranuras del brazo superior que servirán para asegurar la parte inferior al mismo.

Justo antes de unirlos, debemos pasar los cables por debajo de esos ganchos para que se mantengan alejados de las partes móviles.

disposicion-de-los-cables-brazo-robot

Los cables que salen de la segunda unión pueden quedar atrapados por las tuercas de la polea, por lo que se hizo un soporte de cables bastante simple para mantener los cables alejados de las tuercas.

Debemos disponer los cables para que pasen por un lado del brazo para evitar el contacto con las partes móviles. Finalmente, podemos insertar la funda del primer brazo.

La cubierta está asegurada al brazo con una junta de ajuste a presión. Con esto, se completa el ensamblaje de los brazos del robot.

A continuación, podemos insertar todo este conjunto en las varillas del eje Z.

robot-scara-impreso-3D

Después, se debe preparar la placa superior del eje Z que sujetará los extremos superiores de las varillas. En este punto, primero se instala el microinterruptor para el eje Z y luego se colocan las abrazaderas a la tapa.

Antes de colocar la tapa superior en su sitio, primero se inserto otra tapa más simple justo debajo, para que las abrazaderas, los pernos y el microinterruptor queden ocultos. Luego, se ajusta y apreta la tapa superior a las varillas usando las abrazaderas. Y, seguidamente insertamos el tornillo de avance en su sitio.

robot-DIY

A continuación, se puede colocar el cuarto motor paso a paso en su lugar. Aquí, es necesario usar un acoplador de eje de 5 mm a 8 mm para conectar el motor al tornillo de avance o husillo.

motor-paso-a-paso-para-robot

Por último, podemos pasar los cables por la tapa y fijarla a la placa superior mediante dos pernos.

Bien, a continuación podemos ordenar un poco los cables y dejarlo todo mas recogido y presentable. Para eso, se usaron fundas de cables. También son muy útiles las bridas.

Antes de colocar los cables en los manguitos de los cables, es una buena idea marcar cada uno de ellos para no conectar nada incorrecto.

Montaje de la pinza o efector final

Lo que queda ahora es hacer el efector o pinza final del robot. De hecho, podemos fabricar y conectar cualquier tipo de efector final al robot. Se eligió hacer una pinza simple que funciona con un servomotor MG996R. La pinza se basa en dos varillas de 6 mm sobre las que se deslizan los dos lados.

pinza-robot-3D

Los dos lados deslizantes están conectados al servo, accionados con unas bielas impresas en 3D y unidos por pernos y tuercas M3. Se utilizaron pernos y tuercas M3 para todo el conjunto de la pinza. El espacio para asegurar los pernos y las tuercas es bastante estrecho, por lo que necesitan algunos nervios para ensamblar algunas de estas piezas.

Sin embargo, lo bueno de este diseño es que podemos cambiar fácilmente los extremos de las pinzas. Pueden ser más anchos o más estrechos o pueden tener una forma específica. Además, se puede sujetar la pinza al brazo del robot usando algunos tornillos y tuercas M4.

Finalmente, podemos conectar el servomotor a los cables que instalamos anteriormente.

Y eso es todo, nuestro brazo robótico SCARA está completamente ensamblado. Lo que queda ahora es conectar los componentes electrónicos de este proyecto.

robot-casero-arduino

Conexiones y electrónica

Próximamente

Fuentes:

  1. HowtoMechatronics

 

Lo + leido

holograma-que-es
Innovación y Tecnología

¿Qué es un holograma?

Para crear un holograma, necesita un objeto (o persona) que desea grabar; un rayo láser para iluminar el objeto y el medio de grabación;

Leer más »
ejemplos de inteligencia artificial
Innovación y Tecnología

7 Ejemplos de Inteligencia Artificial

Nada más lejos de la mera realidad, aquí queremos tratar una serie de ejemplos de inteligencia artificial cotidianos que si bien no sabías que se podían asociar a la IA, ahora ya lo sabréis:

Leer más »
mood_bad
  • No hay comentarios.
  • Añadir un comentario