Pinza robótica y Arduino. Tutorial sobre una pinza robótica con Arduino

La nueva pinza robótica Andromina V.2.0 es la pinza más avanzada que existe actualmente y tiene muchas aplicaciones. En esta segunda versión, la pinza se ha mejorado mucho, la apertura y el cierre de la pinza se puede controlar por un encoder y un interruptor final de carrera. La principal ventaja de esta pinza es que va controlada por medio de unos servomotores estándares de Radio Control. Los cuales se pueden controlar directamente desde cualquier placa Arduino o cualquier otra placa, como la Raspberry Pi, Beagleboard, Picaxe etc....En esta entrada mostramos el nuevo diseño mecánico de las 5 pinzas Andromina V.2.0. Son 5 diseños diferentes de pinza donde hemos variado el número de dedos que tiene cada pinza y podemos elegir entre 2, 3, 4 ,5 o 6 dedos. También podemos elegir si queremos una pinza con uno, dos o tres grados de libertad.

Foto de la pinza robótica Andromina V.2.0 con seis dedos.

En la fotografía siguiente se puede comparar los 5 modelos diferentes que hay de pinzas Andromina V.2.0. en su versión de un solo grado de libertad, con un solo servo motor RC.

Vista de los 5 modelos de pinzas robóticas Andromina V.2.0.

1-Diseño de las diferentes pinzas robóticas: Hay 5 diseños diferentes de la pinza robótica Andomina V.2.0. En estos cinco modelos hemos variado el número de dedos que tiene cada pinza y podemos elegir entre 2, 3, 4, 5 o 6 dedos. Todos los dedos de la pinza abren y cierran a la misma vez.

En la fotografía siguiente se muestra la pinza de 6 dedos. Estas pinzas al estar construidas en ABS tienen un peso reducido si lo comparamos con su envergadura. Este modelo tiene 3 dedos enfrentados con los otros 3 dedos y los 6 dedos están alineados. La pinza de la foto tiene dos servomotores y pesa 293 gramos y la pinza con un solo servo motor pesa 216 gramos.

Pinza robótica con seis dedos.

En la fotografía siguiente se muestra la pinza de 5 dedos. Este modelo tiene 3 dedos enfrentados con los otros 2 dedos, pero los dedos no están alineados, están desfasados entre ellos. La pinza de la foto con dos servomotores pesa 266 gramos y la pinza con un solo servomotor pesa 189 gramos.

Pinza robótica con cinco dedos.

En la fotografía siguiente se muestra la pinza de 4 dedos. Este modelo tiene 2 dedos enfrentados con los otros 2 dedos y los 4 dedos están alineados. La pinza de la foto con dos servomotores pesa 238 gramos y la pinza con un solo servomotor pesa 160 gramos.

Pinza robótica con cuatro dedos.

En la fotografía siguiente se muestra la pinza de 3 dedos. Este modelo tiene 2 dedos enfrentados con el otro dedo, pero los dedos no están alineados, están desfasados entre ellos. La pinza de la foto con dos servomotores pesa 230 gramos y la pinza con un solo servomotor pesa 154 gramos.

Pinza robótica con tres dedos.

En la fotografía siguiente se muestra la pinza de 2 dedos. Este modelo tiene 1 dedo enfrentado con el otro dedo, los 2 dedos están alineados. La pinza de la foto con dos servomotores pesa 203 gramos y la pinza con un solo servomotor pesa 126 gramos.

Pinza robótica con dos dedos.

2-Especificaciones técnicas de las pinzas:

1. La apertura y cierre de la pinza se realiza por medio de una servomotor de RC que gira 360º.
2. La pinza se puede controlar directamente desde cualquier placa. Sin necesidad de ningún otro componente. 
3. Se puede controlar muy fácilmente la velocidad de apertura y cierre de la pinza.
4. Control del final de carrera de la pinza por medio de un interruptor mecánico.
5. Control de la carrera de apertura y cierre de la pinza por medio de un encoder mecánico.
6. Peso reducido.
7. Apertura máxima 81mm.
8. Podemos elegir el número de dedos que tiene la mano robótica.
9. Podemos elegir el número de grados de libertad de la pinza, entre 1, 2 o 3 grados de libertad. Esto depende del número de servo motores que lleva la pinza.

En la foto siguiente se muestra una pinza robótica Andromina totalmente abierta, que va a sujetar una pelota de tenis.

La pinza totalmente abierta, puede coger una pelota de tenis.

3-Los grados de libertad de la pinza robótica: La pinza se puede suministrar con 1, 2 o 3 grados de libertad. Este dependerá de la aplicación que le queramos dar a nuestra pinza robótica.
El primer grado de libertad es el de apertura y el de cierre de la pinza y se realiza controlando un servomotor estándar de RC, que puede girar 360º en rotación continua. Este servomotor se puede controlar directamente desde cualquier placa  Arduino o de cualquier otra marca como la Raspberry Pi, Beagleboard, Picaxe etc.... Sin necesidad de comprar un controlador de motores de CC expreso para el control de la pinza robótica.

En la foto siguiente se puede ver una pinza con un solo servomotor por lo tanto con un solo grado de libertad.

Vista de la pinza de 6 dedos con un solo grado de libertad.

El segundo grado de libertad se logra con otro servo motor estándar de RC, que girar 180º. Este servomotor permite  a la pinza rotar 90º en un sentido y 90º en el otro. En la foto siguiente se puede ver una pinza con dos servo motores y dos grados de libertad.

Vista de la pinza de 6 dedos con dos grado de libertad.

El tercer grado de libertad también lo proporciona otro servo motor de RC, que también puede girar 180º. Este servo motor ya no están estándar pero se controla como lo servo motores estándares. En la foto siguiente se puede ver una pinza con tres servo motores y tres grados de libertad.
4-Medidas y planos de las 5 pinzas robóticas: En este apartado presentamos los planos técnicos de las diferentes versiones de las pinzas.
En los dos planos siguientes se muestra la pinza robótica Andromina V.2.0 con 6 dedos. Se muestran las medidas principales y los principales componentes que forma esta pinza. En el plano se muestra la pinza en su máxima apertura, que es de 77mm en la parte inicial y de 81mm en la parte central.

Plano y medidas básicas de la pinza robótica de 6 dedos.

Vista 3D de la pinza con 6 dedos, con sus partes principales.

En los dos planos siguientes se muestra la pinza robótica Andromina V.2.0 con 5 dedos. Se muestran las medidas principales y los principales componentes que forma esta pinza. En el plano se muestra la pinza en su máxima apertura, que es de 77mm en la parte inicial y de 81mm en la parte central.

Plano y medidas básicas de la pinza robótica de 5 dedos.

Vista 3D de la pinza con 5 dedos, con sus partes principales.

En los dos planos siguientes se muestra la pinza robótica Andromina V.2.0 con 3 dedos. Se muestran las medidas principales y los principales componentes que forma esta pinza. En el plano se muestra la pinza en su máxima apertura, que es de 77mm en la parte inicial y de 81mm en la parte central.

Plano ymedidas básicas de la pinza robótica de 3 dedos.

Vista 3D de la pinza con 3 dedos, con sus partes principales.

5-El servomotor para el control de apertura y cierre de la pinza: Este servomotor parece un servomotor de RC estándar, pero no lo es. Es un servomotor de RC que puede girar 360º en rotación continua. Especificaciones técnicas del servomotor;

1. Modelo: sm-s4306r.
2. Voltaje de trabajo: 4.8-7.2v.
3. Corriente de funcionamiento: 0,1 a 1,2 Amperios.
4. Par de torsión: 5 kg-cm a 4.8 Voltios y 6.2 kg-cm a 6 Voltios.
5. Velocidad media: 55 revoluciones por minuto a 6v
6. Rotación: rotación continua de 0 - 360 grados.
7. Temperatura de trabajo: de 0 ℃ a 55 ℃.
8. Medidas: 
1. Largo: 40.2mm
2. Ancho: 20.2mm
3. Alto: 43.2 mm 
9. Peso: 41 Gramos
10. Conexiones: 
1.  Cable blanco: Señal PWM.
2.  Cable negro: GND
3.  Cable rojo: de 4.8 a 7.2 Voltios.

En esta nueva entrada se muestra como controlar la pinza Andromina V.2.0 con Arduino; Link.

Este servomotor tiene la particularidad que le podemos variar la velocidad de giro fácilmente desde cualquier placa. Lo cual permite diferentes velocidades de apertura y cierre de la pinza.
Otra particularidad al usar este servomotor, es que la pinza no es reversible, la pinza se mantiene cerrada y haciendo fuerza si no hay corriente eléctrica. Para que la pinza se abra es necesario volver a accionar el servomotor. La pinza no se puede abrir y cerrar forzándola con la mano, siempre es necesario usar el servomotor. Esto es debido a la enorme reducción que hacen los diferentes engranajes que hay dentro del servomotor. No se puede forzar manualmente la pinza o si no se estropeara la parte mecánica de la pinza. En la foto siguiente se puede ver el servomotor RC de rotación continua de la pinza.

Servomotor de rotación continua estándar de RC.

Este servomotor usa una señal PWM (Señal Modulada por Ancho de Pulso) para su accionamiento. Por ejemplo para controlar este servo con Arduino se puede usar la librería servo. En este link pueden encontrar un pequeño tutorial para servomotores de rotación continua.

Usar el comando write() de Arduino;
Usando esta sintaxi; sevo.write(90); El servomotor se queda parado, posición de reposo.
Usando esta sintaxi; sevo.write(0); El servomotor gira a toda velocidad hacia un lado.
Por ejemplo usando esta sintaxi; sevo.write(80); El servomotor gira a una velocidad más lenta hacia el mismo.
Usando esta sintaxi; sevo.write(180); El servomotor gira a toda velocidad hacia el otro lado.
Usando esta sintaxi; sevo.write(100); El servomotor gira a una velocidad más lenta hacia el mismo lado.

Por ejemplo para controlar este servo con Arduino también se puede usar el comando analogWrite();

El servomotor también tiene un pequeño orificio con un pequeño tornillo de calibración. El cual sirve para calibrar el punto medio de paro del servomotor. La posición de "reposo" del servomotor. Girando este pequeño tornillo podremos calibrar el valor de posición de reposo sevo.write(0). Podremos variarlo y ponerlo por ejemplo a sevo.write(20).

En la foto siguiente se puede ver este orificio para la calibración del servomotor por medio de un mini-destornillador plano. Para la calibración del punto medio "Punto muerto" no es necesario desmontar el servomotor, el soporte del servo ya lleva un orificio que lo permite.

Vista del orificio de calibración del punto muerto del servomotor.

6-El encoder mecánico para controlar la pinza robótica:  Para controlar la apertura y el cierre de la pinza se ha diseñado y colocado un pequeño encoder mecánico en el eje de apertura y cierre de la pinza. Este encoder nos da 4 pulsos por cada vuelta del eje del servomotor. El encoder está formado por un micro interruptor mecánico. El cual se puede ver en la foto siguiente.

Fotografía del encoder montado en el eje de apertura de la pinza robótica.

En la fotografía siguiente se puede ver el micro interruptor mecánico que se monta en el encoder de control de todas las pinzas robóticas andromina V.2.0. Es un micro interruptor normal.

Micro interruptor del encoder de la pinza robótica Andromina V.2.0.

Este micro interruptor tiene tres pines. El pin C que envía el pulso a la placa. El pin NO normalmente abierto y el pin NC normalmente cerrado. En el esquema siguiente se puede ver este micro interruptor y su esquema eléctrico.

Esquema del micro interruptor de final de carrera de la pinza.

La posición de este encoder se puede graduar  manualmente aflojando el tornillo que lo sujeta. Esto permitirá calibrar el tamaño del pulso que tendremos en la señal del encoder. Si acercamos el interruptor tendremos un pulso más largo y si lo alejamos un pulso más corto. Se tiene que vigilar con esta distancia, ya que si el micro interruptor está muy lejos no tenemos señal y si el micro interruptor esta muy cerca lo dañaremos. Se tiene que calibrar con mucho cuidado la posición de este.

En esta nueva entrada se muestra como controlar la pinza Andromina V.2.0 con Arduino; Link.

7-El interruptor final de carrera de la garra robótica:  Este micro interruptor mecánico sirve para indicar que la pinza se ha cerrado completamente. Cuando la pinza está totalmente cerrada se presiona este micro interruptor, por medio de un tornillo de M-3, ver foto siguiente. Este punto máximo de cierre de la pinza se puede calibrar por medio del tornillo de Métrica 3 de ajuste. Este tornillo permitirá calibrar el momento que se active el micro interruptor. En la fotografía siguiente se aprecia este micro interruptor montado en la pinza y el tornillo de calibración de M-3.

Foto de micro interruptor y del tornillo de calibración.

Este micro interruptor también tiene tres pines. El pin C que envía el pulso a la placa. El pin NO normalmente abierto y el pin NC normalmente cerrado. Este micro interruptor tiene el mismo esquema eléctrico que hemos mostrado dos fotografías más arriba.

8-Esquema eléctrico básico para el control de la pinza con Arduino UNO: A continuación se puede ver el esquema básico de conexión de la pinza robótica Andromina V.2.0. El Arduino UNO se tiene que conectar directamente a un puerta USB del PC. Un puerto USB que suministre una potencia de unos 700 mAmp/h. Es importante la colocación del condensador electrolítico, para que el voltaje de alimentación sea más constante y no decaiga mucho al activar los servomotores. Lo que provocaría el reinicio del Arduino.

Esquema de conexión de la pinza robótica Andromina V.2.0.

Como puede ver en el esquema las señales de los dos interruptores están conectados a los pines 2 y 3 del Arduino. Esto se hace por que en el Arduino UNO solo estos dos pines tiene Interrupciones.