Grijper WB59

Ontwerpeisen

Uit deze opdracht hebben wij uiteindelijk zelf de volgende eisen afgeleid waaraan de grijper moest voldoen:

De grijper moet minimaal 15 cm in verticale richting kunnen bewegen.
De grijper moet minimaal 10 cm in horizontale richting kunnen bewegen.
De grijper moet ronde voorwerpen (diameter minimaal 50 mm) en vierkante voorwerpen(tetrapakken) kunnen oppakken.
De grijper moet tot 0.5 kg kunnen oppakken.
Het bevestigingspunt van de grijper mag maximaal 25 cm breed zijn in horizontale richting aan het bord.
De actuatoren moeten snel bevestigd worden aan de grijper.
Het bekertje moet intact blijven en de inhoud mag er niet uit.
De energiedrager voor de bewegingen van de grijper moet perslucht zijn (pneumatisch).
De eerste actie moet minimaal een grijp actie zijn, oftwel de grijper staat al in de postitie dat die het voorwerp gelijk kan pakken.

Er was nog één eis die we aan het begin over het hoofd hadden gezien, namelijk:

De grijper moet, nadat het voorwerp is losgelaten, weer terug naar de beginpositie kunnen zonder het bekertje mee te nemen.

Concepten

Ons doel van het maken en bedenken van de concepten was om op zoveel mogelijk manieren te kijken hoe we een grijper konden maken die voldoet aan de eisen in de ontwerpopdracht. De concepten gaven als het ware een kleine toekomstverwachting hoe het eindontwerp eruit zou kunnen zien. Deze toekomstverwachting is goed te zien in de grijper die wij nu hebben geproduceerd. Er is namelijk nog veel van het originele concept te zien. Naarmate we dichterbij het eindontwerp kwamen is de grijper echter steeds geëvalueerd en verbeterd waar mogelijk.

Technisch lego grijper.

Bovenstaande grijper grijpt de voorwerpen door middel van een breed elastiek. Bij het uitschuiven van de actuator wordt via armen het elastiek uitgerekt in de richting loodrecht op de bewegingsrichting van de actuator. Hierdoor ontstaat een opening waar een voorwerp in geplaatst kan worden. Door de actuator weer naar binnen te schuiven 'klemt' het elastiek het voorwerp vast.

Insluiting elastiek.

De werking van deze grijper is simpel. De vingers kunnen scharnieren en tussen de achterkanten van beide vingers kan een actuator worden geplaatst zodat de vingers een grijpbeweging kunnen maken. Om de grip op alle vormen te verbeteren wordt aan de binnenkant van de vingers een elastiek geplaatst, zodat het op te pakken voorwerp niet wordt opgetild door de vingers, maar door de elastieken. Hierdoor wordt de versnelling van de actuatoren een minder groot probleem.

Klemmen-elastiek-en-balk.

De klemmen-elastiek-en-balk-grijper was een zeer simpel idee. Door een actuator wordt een elastische band strak getrokken, waardoor een object tussen de band en de balk wordt vastgeklemd, waarna het kan worden opgetild.

Schuifdeur.

De schuifdeur was een idee om de kracht van de actuator in de grijper aanpasbaar te maken. De constructie van de grijper zit zo in elkaar dat de trekkracht van de actuator via rechtgeleiding een horizontale component (de richting van de knijpbeweging) krijgt. Naarmate de grijper-vingers dichter bij elkaar komen, wordt de hoek tussen de koppel-armpjes en de lat waar de grijper aan is bevestigd kleiner. Dit maakt de de horizontale component van de kracht kleiner, wat handig is voor kleine kwetsbare objecten.

Verensysteem.

In het verensysteem zijn er zijn twee diagonale balken die tegenover elkaar staan. Deze twee balken zitten vast aan een L-vormige constructie, waar een actuator aan vastzit. De actuator zorgt dat de diagonale balken naar elkaar toe gaan. Deze balken tillen het voorwerp dan automatisch op, doordat aan de achterkant van de balk veren zitten die de kracht van het voorwerp op de diagonale balken tegenhouden. Zo wordt het voorwerp dan uiteindelijk klemgezet.

Vinger.

De grijper wordt met behulp van een veer altijd open gedrukt, terwijl een actuator, wanneer ingeschoven, hem juist dicht drukt. Door de actuator in-en uit te schuiven worden de twee vingers dus geopend en gesloten.

Bovenaf grijpen.

Het ontwerp zou als volgt werken; er zijn 4 scharnierende hoekplaten, deze 4 hoekplaten staan onder constante druk van een elastiek die om de vier hoekplaten heen zit, dit elastiek wil de hoekplaten naar binnen duwen. Om de grijper te openen zitten alle hoekplaatjes aan de bovenkant vast met een touw dat verbonden is met een actuator, wanneer de actuator uitschuift zullen de hoekplaatjes omhoog scharnieren oftewel de grijper gaat open. Wanneer de actuator weer inschuift zorgt de druk van het elastiek dat de grijper weer dicht gaat.

Morfologisch overzicht

	Technisch lego grijper	Insluiting met elastieken	Vinger	Schuifdeur	Klemmen-elastiek-en-balk	Bovenaf grijper	Veren systeem	Maximale score
In staat om het maximale gewicht (500gram) op te tillen	20	20	15	20	20	7	15	20
Ronde en vierkante voorwerpen grijpen	20	17	10	5	15	10	12	20
Te grijpen voorwerp intact houden	15	12	10	10	12	10	12	15
Actuatoren snel aan te brengen	4	5	4	4	5	3	5	5
Realiseerbaar ofwel simpel(Keep it Simple)	8	10	8	3	10	2	5	10
Origineel	5	1	1	5	2	5	4	5
Kan bekertjes pakken met uistekende delen boven de rand	10	10	10	10	10	4	10	10
Makkelijk vast te maken aan de rest van de grijper	9	8	9	7	9	2	7	10
Totaal:	91	83	67	64	83	43	70	95
Mogelijk grijper terug te brengen in oorsprongelijke stand	Nee	Ja	Ja	Ja	Nee	Ja	Ja	Ja of Nee

Uit het morfologisch overzicht blijkt dat de grijper 'Technisch-lego-grijper', de meeste punten heeft behaald. De grijper voldoet namelijk aan bijna alle gestelde eisen en wensen.
Toch hebben wij dit ontwerp uiteindelijk niet gekozen omdat er aan de laatste eis niet werd voldaan door de grijper. Na het maken van het morfologisch overzicht werden we op de laatste eis gewezen waarna we onze keuzen hebben moeten aanpassen.

Het ontwerp 'technisch-lego-grijper' kon namelijk na het oppakken van het bekertje en het verplaatsen en neerzetten niet meer terug naar de beginpositie zonder het bekertje (of tetra pak) om ver te gooien. Het teruggaan naar de beginpositie stond expliciet in de ontwerpopdracht. Door deze eis te negeren zou onze grijper strikt genomen dus niet voldoen aan de opdracht.

Na lang nadenken en terugkijkend op het morfologisch overzicht hebben wij uiteindelijk de keuze gemaakt om verder te gaan met het prototype 'insluiting elastiek', de redenen van onze keuze zijn als volgt:

Ten eerste is het een van de makkelijkste ontwerpen om te realiseren omdat er weinig benodigde onderdelen zijn en het maar 1 scharnierende beweging maakt.

Ten tweede geeft deze grijper ons de mogelijkheid om grote en kleine objecten te pakken, met uitstekende voorwerpen erin of niet. Dit laatste omdat de grijper de voorwerpen van de zijkant pakt.

Ten slotte heeft de grijper veel vrijheid om het een ander aan te passen. Dit was belangrijk voor ons aangezien toen wij overgingen op deze grijper we al verder in het proces waren van het ontwerpen van de gehele grijper. We hadden bijvoorbeeld al een heel systeem voor de arm ontworpen, waar deze grijper op moest passen.

Specifieke ontwerpkeuzes

Grijper

We hebben de binnenkant van de grijper 10 cm lang en breed gemaakt. Dit was op basis van de breedte van het breedste tetra-pak dat we konden vinden, wat 7,5 cm is.
De hoek die de armen voor de actuator in de gesloten stand maken is 90°, zodat de bek van de grijper in geopende stand ook 90° is. De armen zijn namelijk dezelfde grootte en dus zal de hoek recht zijn. Alle bekertjes en pakken zullen er in kunnen passen.
Wij hebben gekozen elastiek te gebruiken omdat:
1. De benodigde druk voor het optillen van voorwerpen vrij laag ligt, door de hoge wrijvingscoëfficiënt van elastiek.
2. Elastiek zich naar het bekertje/tetra pak vormt, wat zorgt voor een groter contactoppervlak, waardoor het voorwerp minder makkelijk weg glipt.
3. We door middel van schroefdraad verschillende diktes/hoeveelheden elastiek op verschillende hoogtes kunnen plaatsen, waardoor we de optie hadden voor lage, lichte bekertjes minder elastiek te gebruiken en voor hoge, zware tetrapakken meer elastiek. Bovendien zijn de elastiekjes makkelijk te plaatsen en weg te halen, wat voor flexibiliteit zorgt wanneer je verschillende objecten op moet tillen.
4. Elastiek wel kracht levert op het gegrepen voorwerp, maar niet zodanig veel dat de voorwerpen stuk gaan. Het levert een stuk minder kracht op het voorwerp dan de actuator zou doen zonder aanpassingen en dus was er een stuk kleinere kans om het gegrepen voorwerp kapot te knijpen.

Koppelstang

De lengte van deze stang hebben we gebaseerd op de ruimte die de 4 platen van de grijper van 5 mm perspex innemen, plus de ruimte daartussen. Daarbij hebben we rekening gehouden met het feit dat in de uiterste standen van de grijper de drijver- en volgstang tegen de grijperkop zou kunnen komen, wat ervoor zorgt dat het systeem blokkeert op een ongewenst punt.

Arm

In eerste instantie waren we van plan een gewicht te gebruiken om de hefboom in beweging te zetten bij het optillen van het bekertje of pak, omdat we daarmee de acceleratie makkelijk aanpasbaar en laag konden maken. Hierbij kwamen we op een lengte van 18 cm met de volgende berekening, uitgaand van een hoek van 30° tussen het frame en de arm in de laagste stand. hoogte/cos(a) = 15/cos(30) ≈ 18 cm.
We hebben verschillende gaten in arm gemaakt om makkelijk de plek van het contragewicht aan te passen aan het gewicht van het bekertje/tetra pak.
Met deze lengte konden we dan makkelijk met een momentenvergelijking de lengte van de andere kant van de hefboom en het gewicht daarvan bepalen. We gingen daarbij uit van een gewicht van 0,5 kg, want moesten maximaal een 500mL tetrapak kunnen tillen. hierbij hebben we het gewicht van de grijper zelf verwaarloosd. De berekening 0,018*0,5 Nm < L*m. L en m zijn dan respectievelijk de lengte en het gewicht van de aandrijvende kant van de hefboom. Uiteindelijk kwam het er op neer dat de lengte werd beperkt door de hoeveelheid perspex die we beschikbaar hadden, dus hebben we een lengte van 10 cm gebruikt voor L, wat betekent dat m ≈ 0,018*0,5/0,01 ≈ 0,9 kg. Dit gewicht konden we in verschillende gaten hangen om het contra moment te veranderen bij een verandering van gewicht van het gepakte object, of we konden de grootte van de massa aanpassen.
Echter bleek tijdens de constructie dat het afknijpen van de luchttoevoer voor voldoende regelbaarheid en afname in acceleratie zorgde.

Scharnierplaat

De bouw van de scharnierplaat moest zorgen voor ruimte voor zowel de hefboom als het vierstangenmechanisme. vandaar dat de afmeting van het dunne uiteinde hetzelfde is als dat van de koppelstang en lengte iets meer is dan de aandrijvende kant van de hefboom.
We hebben schuining gemaakt bij de plaat om zowel een afstand van 10cm tussen de scharnier gaten te realiseren, zodat hij in het frame paste en het moment door het frame te laten opvangen.
We hebben het hoekplaatje tussen de scharnierplaten geplaatst om de aandrijvende kant van de hefboom tegen te houden. Deze is te veranderen in hoogte, waardoor we makkelijk de grijper konden afstellen.
We hebben gekozen om scharnieren te gebruiken voor de zijwaartse verplaatsing, omdat scharnieren makkelijk te verkrijgen en te bevestigen zijn en het daarmee de beste oplossing is.

Probleemanalyse

We kwamen de volgende problemen tegen, terwijl we de grijper in elkaar aan het zetten waren:

1. Het vastmaken van de grijper aan de arm

Toen we de grijper in elkaar aan het zetten waren, kwamen we erachter dat de grijper niet goed aan de arm kon worden gemonteerd omdat de gaten in het perspex niet op de goede plek zaten. Dit kwam doordat we geen rekening hadden gehouden met de dikte van het materiaal van de hoekplaatjes. Dit hebben we opgelost door nieuwe gaten te boren in het perspex.

2. De actuator aan de grijper

We kwamen er vrij snel achter dat de afstand tussen de gaten, die er voor zorgden dat de grijper open en dicht kon, niet ver genoeg uit elkaar lagen. Als de grijper dicht ging kwam er een kracht te staan op het uiteinde van de grijper, waardoor het materiaal mogelijk zou kunnen breken. Dit probleem hebben we opgelost door een hoekplaatje aan de gaten vast te maken waardoor de afstand net iets vergroot werd en de grijper, als deze dicht ging, dus geen kracht op zichzelf zou uitoefenen.

3. De verticale actuator vastmaken

De actuator die zorgde voor de verticale beweging kon moeilijk stabiel worden vastgemaakt aan de arm van onze grijper. Dit kwam doordat de afmetingen van de actuatoren niet goed te vinden waren, wat het lastig maakte om hier rekening mee te houden tijdens het ontwerpen. Daarnaast zaten de bevestigingspunten van de actuator niet op een gunstige positie. Dit hebben we opgelost door extra gaten te boren in de arm van onze grijper en daarbij tussen de actuator en de arm nog een extra verleng stuk te plaatsen, zoals op de foto te zien links van de cilindervormige actuator. Door deze aanpassingen was de actuator wel goed aan de arm vast te maken.

4. Het vastmaken van de horizontale actuator

Een ander probleem was dat het bord te smal was om de actuator voor de horizontale beweging goed te krijgen. Dit hebben we opgelost door een verlengstuk vast te maken aan het perspex dat aan de muur vast zat, zodat het bevestigingspunt van de actuator (aan het bord) dichter bij het bevestigingspunt van de grijper (ook aan het bord) kwam te liggen. Hierdoor verloren we wel wat bewegingsruimte in de horizontale richting, maar het bekertje bewoog nog steeds meer dan de geëiste 10 cm horizontaal, dus vormde dit geen probleem.

5. Het contragewicht

In ons originele ontwerp hadden wij een contragewicht hangen dat er voor zou zorgen dat het bekertje rustig omhoog ging. Dit hadden we zo gedaan omdat we niet meer in de gelegenheid waren een flowregelaar te testen voordat de deadline van de lasersnij-tekening was. Als de flowregelaar dan niet zou werken, konden we alsnog met een langzame beweging de grijper-arm omhoog laten bewegen. De flowregelaar (simpelweg het afklemmen van de slangetjes van de actuator) bleek echter prima te werken en aangezien het een stuk makkelijker was de actuator direct vast te maken aan de arm, in plaats van te werken met een contragewicht die voor de opwaartse beweging moest zorgen, hebben wij voor deze oplossing gekozen.

6. De verticale beweging stoppen

Het enige probleem met het vastmaken van de actuator aan de hefboom was dat de actuator op de juist plek gestopt moest worden. Hij moest namelijk zo uit komen dat de verticale beweging net iets groter was dan 15cm. Dit hebben wij opgelost door een hoekplaatje te gebruiken die op de juiste plek gemonteerd werd. Het is dan wel zo dat de actuator een kracht blijft leveren en dat die kracht dus blijft werken op dat hoekplaatje, maar de materialen waren sterk genoeg om ervoor te zorgen dat dit geen problemen opleverde.

7. De elastieken buigen door

Wij gebruikten elastieken die ervoor zorgden dat de grijper de flesjes en tetrapakken kon oppakken. Het handige hieraan is dat deze elastieken veereigenschappen hadden en de flesjes en pakken dus niet werden platgedrukt. Het probleem met deze oplossing is echter dat de elastieken niet alleen in de horizontale, maar ook in de verticale richting uitrekken. Flessen en pakken die zwaarder waren zorgde dus voor een grotere uitrekking in de verticale richting dan flesjes en pakken die minder zwaar waren, waardoor zwaardere pakken niet hoger dan 15cm kwamen en lichtere pakken juist te hoog. Dit hebben we opgelost door de afstand tussen het hoekplaatje en de achterkant van de hefboom te vergroten of verkleinen, afhankelijk van het gewicht. Door extra schroeven en ringen te plaatsen aan het hoekplaatje was dit makkelijk te verstellen.

8. De actuatoren bewegen te snel

De actuatoren die wij tot onze beschikking hadden geven minimaal een druk van één bar. De kracht die dan uit die actuator komt resulteert dan in een (te) grote versnelling (tweede wet van Newton). Om dit probleem op te lossen maakten we de slangetjes nauwer. Per tijdseenheid kan er dan minder lucht door de opening gaan, wat ervoor zorgt dat de actuator minder snel gevuld is met lucht.

Samenvatting ontwerpproces

Iedereen kreeg de taak om zelf twee verschillende grijpers te ontwerpen. Van die grijpers maakten we een morfologisch overzicht. Uit het overzicht besloten wij dat we de 'technisch- lego-grijper' zouden gebruiken. Van de armen hadden we geen gekozen maar samen één ontworpen die voldeed aan onze eisen. Omdat de snelheid van de actuatoren een probleem was, hadden we besloten om voor de op-en neergaande beweging een contragewicht te gebruiken.

Tijdens het ontwerpen kwamen we erachter dat de 'technisch-lego-grijper' niet terug kon in de beginstand, nadat het voorwerp is verplaatst. Dit omdat de grijper het voorwerp helemaal omsluit. De grijper vervingen wij door de 'insluiting-elastiek-grijper'. Tijdens het assembleren brak één van de platen van de grijper, waardoor de grijper één plaat dik werd in plaats van 2.

De horizontale actuator kon niet goed gekoppeld worden met de grijper, omdat de afstand tussen de actuator en de scharnierplaat te kort was (waardoor het bevestigingspunt van de actuator buiten het bord zou komen te liggen). Dit hebben we opgelost door middel van metalen strips. Met deze strips hebben we de lengte van scharnierplaten verlengd.

De snelheid van de actuatoren hebben we aangepast door de slangetjes tussen twee plaatjes te vernauwen. Nu we hiervoor een oplossing hadden gevonden bleek het contragewicht onnodig en kon het worden vervangen door een actuator die vastzat aan de de arm. Hierna werkte de grijper naar wens.

Uitleg werking

Grijperkop

De grijperkop kan bekers en tetrapakken oppakken door de grijper-armen waaraan elastieken zitten bevestigd naar elkaar toe te laten bewegen. De grijper werkt op basis van het hefboomprincipe. De actuator werkt namelijk op de korte arm van de kop waardoor de grijper, met de elastieken eraan, rond het scharnierpunt draait. De actuator kan draaien rond beide bevestigingspunten, om de scharnierbeweging mogelijk te maken. Daarbij zit één van de twee vingers vast aan de arm, dus gezien vanaf de arm beweegt maar een van vingers.

Arm

Het vierstangenmechanisme waaruit de arm bestaat, beweegt omhoog en omlaag op basis van nog een hefboomprincipe. de bovenste stang is de drijfstang, die bij het omhoog tillen van de kop naar beneden wordt getrokken door de actuator, die aan de andere kant bevestigd is. Hierdoor worden de overige stangen ook in beweging gezet, waarbij de koppelstang dezelfde oriëntatie houdt, aangezien de afstand van het bovenste scharnier tot de koppelstang even lang is als de volgstang.

De zijwaartse beweging wordt gerealiseerd door een actuator die tussen de zijkant van de verlenging van de scharnierplaat en het frame geplaatst is. In de meest linkse stand is de actuator uitgeschoven. Bij het inschuiven van de actuator beweegt de arm dus naar rechts. Deze beweging is dus een rotatie rond de scharnieren, waarmee de arm is bevestigd aan het frame.

Materiaallijst

perspex (solidworks)
metalen strips (180 x 30 mm)
hoekplaatjes (20 x 8)
scharnieren (100 x 20 mm
elastieken

M4 moeren
M4 bouten (15 mm)
M4 bouten (50 mm)
M6 moeren
M6 bouten (20 mm)
M6 bouten (50 mm)

Discussie

Over project

Uiteindelijk is een van de nog steeds bestaande problemen dat wanneer de grijper het voorwerp op een plek loslaat en terug moet, de perspex grijper-arm waar de moer met elastiek aan vast zit het voorwerp soms nog omgooit op de terugweg. Een manier om dit op te lossen zou zijn door in plaats van een uitstekend stuk plastic te hebben deze schuin af te snijden, waardoor het voorwerp dus langzaam opzij wordt geduwd in plaats van meegenomen.

Samenwerking

Voor een eerste project is het geheel redelijk soepel verlopen. We hebben wekelijks een planning bijgewerkt waardoor er dus altijd een idee was van wat er gedaan moest worden en hoeveel tijd hiervoor benut moest worden. De planning is niet altijd even strak nageleefd, waardoor af en toe op het laatste moment nog iets afgemaakt moest worden. Daarentegen is wel alles op tijd afgekomen.

De sfeer is altijd goed geweest en niemand was bang om ideeën te uiten of anderen om hulp te vragen wanneer deze ergens niet uitkwam. Communicatie is altijd positief geweest binnen de werkgroep, maar een verbeterpunt is de reactietijd. Antwoorden kwamen er namelijk altijd wel, maar dit kon meestal best even duren. Uiteraard is dit erg onhandig wanneer je probeert aan een onderdeel van het project te werken.

Een ander verbeterpunt was het overleggen over ieder zijn onderdeel. Het is namelijk vaker voorgekomen dat opdrachten waren verdeeld, maar zodra iedereen bezig was met zijn eigen deel er geen communicatie meer was naar de rest van de groep over hoe iemand het probleem (de opdracht) had opgelost. De afspraak die wij hier nu over hebben gemaakt is; bij elke vergadering minimaal 30 minuten in te plannen, zodat ieder zijn vooruitgang in zijn projectdeel kan presenteren. Hierdoor blijft iedereen op de hoogte van elkaar.