DISEÑO DE UN BRAZO MANIPULADOR PARA LA RECOGIDA DE FRUTA

Transcripción

1 DISEÑO DE UN BRAZO MANIPULADOR PARA LA RECOGIDA DE FRUTA AUTOR: Belda Sánchez, Francisco de Borja. DIRECTOR: Ribeiro Seijas, Ángela. ENTIDAD COLABORADORA: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) Centro de Automática y Robótica. RESUMEN DEL PROYECTO La producción agrícola es uno de los mayores sectores económicos a nivel europeo, dentro de la cual la producción de fruta y verdura supone un gran porcentaje. Con un mercado de semejantes dimensiones y una demanda cuyo nivel de exigencia ha aumentado con el paso de los años, es necesario el desarrollo de soluciones que aumenten la competitividad de los cultivos. La recogida de fruta fresca es una tarea que ha permanecido puramente manual desde sus inicios. Pese a haberse realizados numerosos acercamientos al problema, e incluso haberse solucionado en cultivos muy específicos (como es el caso de la fresa o de la aceituna), este problema permanece sin resolver en muchos otro casos. Una de las situaciones donde este problema no ha podido ser resuelto a día de hoy ha sido en los cultivos de fruta fresca de tipo manzana o naranja. La dificultad a la hora de recolectar la fruta del árbol así como su transporte y almacenamiento evitando daños en el proceso, forman parte de las causas por las cuales la automatización de esta tarea no ha podido ser resuelta. El proyecto que se presenta tiene como objetivo el diseño de un manipulador para la recogida autónoma de fruta fresca del tipo manzana, naranja, pera, melocotón, etc. El desarrollo del proyecto puede resumirse en dos grandes bloques: - Propuesta del sistema de recolección del manipulador - Detalles constructivos P á g i n a 1 5

2 PROPUESTA DE DISEÑO Para llevar a cabo el diseño de un manipulador que cumpla con los requisitos de partida, ha sido necesario realizar un estudio exhaustivo del panorama robóticotecnológico actual, seleccionando aquellas soluciones potencialmente de utilidad para el desarrollo del proyecto. Para su correcto diseño también ha sido necesario realizar un estudio del entorno de operación del manipulador. Para ello se ha estudiado la geometría y el peso de los objetos con los que va a tratar así como las geometrías propias de los huertos de frutales. En la Figura 1 se muestra un esquema del tipo de huerto sobre el que actuará el manipulador diseñado. Figura 1. Esquema del campo de cultivo sobre el que el manipulador actuará Una vez completado el estudio preliminar se definieron las características que debía tener el manipulador a diseñar y se propusieron diversos diseños que cumplían con las especificaciones. Tras el análisis de las distintas propuestas se optó por un manipulador compuesto por una herramienta de corte utilizada para desprender la fruta del árbol y un elemento de succión utilizado para el transporte de la fruta. Las principales características que definen a este sistema son las siguientes: P á g i n a 2 5

3 - Efector final de poco peso, que reduce las componentes inerciales, mejorando el control y reduciendo la potencia de los motores. - Sistema seguro de recogida. Al ser transportadas las piezas por un sistema de succión se previenen daños que pudiera sufrir la fruta en el trayecto. - Velocidad del sistema. Al transportarse la fruta mediante el uso de una manguera se evita que el manipulador realice cualquier momento distinto al desplazamiento de fruto en fruto. Esto supone un ahorro en el tiempo total empleado en la recolecta. - Simplicidad del sistema. La tarea de corte del tallo de una fruta requiere menos precisión que otros sistemas de recolección. En la Figura 2 se ilustra un diseño realizado en CATIA del efector final del manipulador finalmente propuesto. En la figura puede verse el diseño de la herramienta de corte así como la ubicación de la manguera de transporte. Figura 2. Representación gráfica del manipulador propuesto P á g i n a 3 5

4 ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DEL MANIPULADOR Realizada la propuesta, se procede a la ingeniería del detalle para matizar los elementos constructivos del manipulador. Para ello, se realiza un estudio específico de cada uno de los siguientes parámetros característicos: - Espacio de trabajo del manipulador: zona del espacio tridimensional dentro de la cual el manipulador tiene la capacidad de operar - Longitud de los eslabones, de forma que el manipulador pueda moverse por el espacio de trabajo asegurándose de obtener la mejor distribución de masas posible. - Articulaciones y grados de libertad: número de articulaciones y por consecuente motores que el manipulador propuesto necesita. - Motores: Tipo, par mecánico y ubicación de los motores necesarios para suministrar movimiento a las articulaciones - Mecanismos relevantes para la implantación del sistema: como las uniones entre eslabón y motores o los sistemas reductores que adaptan la potencia del motores a la necesaria por el manipulador En la Figura 3 se muestra una representación del espacio de trabajo obtenido tras la caracterización de los parámetros anteriores. El volumen gris representa el conjunto de puntos en los cuales el robot posee la capacidad de ubicarse mientras que la superficie roja indica el lugar dentro del cual el robot deberá operar. Figura 3. Representación del volumen de trabajo del manipulador P á g i n a 4 5

5 SIMULACIÓN Y MODELADO FINAL Una vez finalizado el diseño teórico y conceptual, se procede a la elaboración de un modelo que comprenda todos los elementos decididos hasta el momento. Para eso se hace uso de CATIA. Este software también permite la elaboración de un análisis de elementos finitos para el estudio de Por último se realiza una simulación dinámica mediante Webots, un simulador específico para elementos robóticos, con el objetivo de comprobar que la potencia establecida por los motores seleccionados posee la capacidad de mantener y soportar el resto de los elementos. Para finalizar se realiza un diseño conceptual del sistema de almacenaje así como del método de integración en el caso de querer utilizar diversos manipuladores consecutivos. Para concluir, se plantean otros mecanismos u ideas que han sido concebidos durante el desarrollo y que deben considerar como parte de los futuros desarrollos del proyecto. P á g i n a 5 5