Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Autor: David Toro Coronado Tutor: Dr. Federico Cuesta Rojo Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Autor: David Toro Coronado Tutor: Dr. Federico Cuesta Rojo Profesor titular Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Trabajo Fin de Grado: Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Autor: David Toro Coronado Tutor: Federico Cuesta Rojo El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii A mis padres A mis compañeros A Enrique y Juan Carlos A David Gómez ix Agradecimientos En el transcurso de esta enriquecedora experiencia por la Escuela de Ingeniería, deseo expresar mi profundo agradecimiento a quienes han sido mi inquebrantable apoyo a lo largo de este camino académico. En primer lugar, quiero destacar la importancia de mis padres, cuya dedicación constante y fe inquebrantable en mí han sido la fuente de inspiración detrás de cada logro alcanzado. Asimismo, deseo agradecer a mis amigos, compañeros de viaje en esta emocionante etapa académica, sus palabras de aliento, su amistad y apoyo moral que han sido un pilar sobre el que apoyarse. Además, mi gratitud se extiende a dos figuras fundamentales en mi desarrollo académico y el de este proyecto: Federico Cuesta, mi tutor, cuyas orientaciones y enseñanzas han sido cruciales para la culminación de este proyecto y, también, a Enrique Vázquez, director del FabLab, a quien le estoy profundamente agradecido por confiar en mí y brindarme la libertad necesaria para abordar de manera independiente este desafío. Esta autonomía no solo ha permitido mi crecimiento como profesional, sino que también ha sido un motor que impulsó mi creatividad y mi capacidad para asumir la responsabilidad de mis propias decisiones. Su confianza ha sido un factor determinante en el éxito de este trabajo y en mi desarrollo personal y académico. David Toro Coronado Sevilla, 2023 3.4.3. Procesado de modelos 3D. Método para esferas 68 3.4.4. Procesado de puntos y envío a RobotStudio 71 4. Uso de la estación 75 4.1. Secuencia de inicio 75 4.1.1. Configuración para el robot real 75 4.1.2. Configuración para la simulación 78 5. Conclusiones 80 Referencias 82 xvii Índice de Figuras Figura 1.1. Prusa i3 (Impresora FDM). 24 Figura 1.2. Form 2 (Impresora SLA). 24 Figura 1.3. Proceso de fabricación de piezas con arcilla y cerámica [8]. 25 Figura 1.4. Extrusor WASP 3.0 e Impresora Delta WASP 2040 PRO 26 Figura 1.5. Brazo KUKA utilizado por Branch Technology para impresión 3D. 27 Figura 1.6. Robot Stäubli imprimiendo en 3D con plástico. 27 Figura 1.7. CEAD AM Flexbot Imprimiendo una pieza de gran tamaño. 28 Figura 1.8. RIBB3D: Pisos de hormigón acanalados sostenibles con encofrados impresos en 3D 29 Figura 1.9. Estación de prototipado con ABB IRB4600 en el FablLab US. 30 Figura 2.1 Dimensiones del IRB 4600-60/2.05. [17] 32 Figura 2.2. Diagrama de carga del manipulador. [17] 33 Figura 2.3 Sistema de ejes de la muñeca del manipulador. [17] 34 Figura 2.4 Brida de herramientas del manipulador. Esquema Acotado. [17] 34 Figura 2.5 Área de trabajo del manipulador. [17] 35 Figura 2.6 Ubicación de las conexiones de usuario en el manipulador. [17] 36 Figura 2.7 Base de conexiones de usuario con el 7º eje. [17] 36 Figura 2.8 Orientación del robot con la cadena porta cables estándar. [18] 37 Figura 2.9 Vista lateral y superior del Track Motion. [18] 37 Figura 2.10 IRC5 Controller. [19] 38 Figura 2.11 Abrazadera superior 40 Figura 2.12 Abrazadera Inferior 40 Figura 2.13 Boquilla superior (entrada de aire comprimido) 40 Figura 2.14 Boquilla inferior (Salida de material) 40 Figura 2.15 Diseños de la anilla de acople. 41 Figura 2.16 Imágenes del extrusor y la anilla de acople instalada 42 Figura 2.17 Conector MODU del extrusor. Pinout. 43 Figura 2.18 Tarjeta XT35 (a la izquierda) 44 Figura 2.19 Tarjetas XT5.1 y XT5.2 44 Figura 2.20 A4988 Pinout 45 Figura 2.21 Esquema eléctrico para el control del motor paso a paso referenciado a las tomas del IRC5 46 Figura 3.1 RobotStudio. IRB4600 Biblioteca. 49 Figura 3.2 RobotStudio. IRBT2005 Biblioteca. 49 Figura 3.3 RobotStudio. Elementos estación inicial. 49 Figura 3.4 RobotStudio. Estación con brazo y track. 50 Figura 3.5 RobotStudio. Creación de herramientas (A) 51 Figura 3.6 RobotStudio. Creación de herramientas (B) 51 Figura 3.7 RobotStudio. IRB4600 con herramienta propia. 52 Figura 3.8 RobotStudio. Galería de imágenes del brazo con el Taque de arcilla simulado. 53 Figura 3.9 Estructura del software utilizado para comunicar Rhino y RobotStudio. [22] 55 Figura 3.10 Ejemplo de COMPAS FAB. Definición de un punto. 56 Figura 3.11 Ejemplo de COMPAS FAB. Transformaciones. 56 Figura 3.12 Ejemplo COMPAS FAB. Creación de robot con LINK. 56 Figura 3.13 Ejemplo COMPAS FAB. Cinemática directa e inversa. 57 Figura 3.14 Grasshopper. Ejemplo básico. 58 Figura 3.15 Grasshopper. Bloques disponibles en la librería de COMPAS FAB. 59 Figura 3.16 Programa de impresión 3D desarrollado. Vista completa. 60 Figura 3.17 Grasshopper. Sección generar robot. 61 Figura 3.18 Grasshopper. Bloque Robot Visualize 61 Figura 3.19. IRB4600 en Rhino 64 Figura 3.20 Grasshopper. Procesado de modelos 3D 65 Figura 3.21 Cilindro de ejemplo en Rhino 65 Figura 3.22 Grasshopper. Procesado de modelos 3D. Zoom 1 66 Figura 3.23. Modelo 3D. Cilindro con Wireframe en verde 66 Figura 3.24 Grasshopper. Procesado de modelos 3D. Zoom 2 66 Figura 3.25 Grasshopper. Procesado de modelos 3D. Zoom 3 67 Figura 3.26 Modelo 3D. Cilindro con puntos de capas en verde 67 Figura 3.27 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos 68 Figura 3.28 Ejemplo de modelo con jarrón en Rhino 68 Figura 3.29 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos. Zoom 1 69 Figura 3.30 Modelo 3D. Superficie de revolución 69 Figura 3.31 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos. Zoom 2 69 Figura 3.32 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos. Zoom 3 70 Figura 3.33 Procesado de modelos esféricos. Desplazamientos del cabezal de impresión 71 Figura 3.34 Procesado de modelos esféricos. Secuencia de puntos de cada capa 71 Figura 3.35 Grasshopper. Envío a RobotStudio 71 Figura 3.36 Grasshopper. Envío de puntos. Zoom 1 72 Figura 3.37 Grasshopper. Envío de puntos. Zoom 2 72 Figura 3.38. Orientación correcta de la herramienta en RobotStudio 73 Figura 3.39 Orientación errónea de la herramienta en RobotStudio 73 Figura 4.1. IRC5 con controles ampliados. 75 Figura 4.2. Selector de modo de tres opciones presente en el controlador IRC5 del FabLab 76 xix Figura 4.3. RobotStudio. Conexión con un clic 77 Figura 4.4 RobotStudio. Situar puntero de programa en Main 78 Figura 4.5 Log Output de RobotStudio (parte inferior de la estación) 78 Figura 4.6 RobotStudio. Controles de simulación 78 xxi Índice de Tablas Tabla 1. Área de trabajo del manipulador. [17] 34 Tabla 2 : Especificaciones relevantes del IRB 4600-60 35 Tabla 3 Especificaciones del extrusor WASP 3.0 XL 39 Notación FabLab Laboratorio de Fabricación Digital US Universidad de Sevilla ETSI Escuela Técnica Superior de Ingeniería 3D 3 Dimensiones CF COMPAS FAB RRC Rapid Robot Comunication ABB Asea Brown Boveri IRC5 Industrial Robot Controller IRB Industrial Robot ETH Swiss Federal Institute of Technology in Zürich IAAC Institute for Advance Architecture of Catalonia CAD Computer Aided Design CNC Computer Numerical Control FDM Fused Deposition Modeling SLA Stereolithography 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1. Estación de prototipado en FabLab Una estación de prototipado tiene la función de llevar a la realidad los modelos, diseños e ideas de los ingenieros, artistas y cualquier usuario de esta. El desarrollo de prototipos puede realizarse siguiendo múltiples técnicas que puedan adecuarse mejor a los resultados esperados existiendo opciones en un amplio rango de precisión y fidelidad respecto al modelo digital. Esto es un paso clave en el desarrollo de productos porque permite a los ingenieros y diseñadores probar diferentes ideas y conceptos antes de invertir grandes cantidades de tiempo y recursos en la producción de un sistema completo. Además, los prototipos de piezas pueden ayudar a identificar errores existentes que hayan escapado a la fase de verificación del producto durante su diseño permitiendo mejorar la funcionalidad y desempeño del producto. En la Universidad de Sevilla tenemos múltiples talleres y laboratorios donde los estudiantes, profesores e investigadores pueden llevar a cabo estudios y proyectos, así como crear versiones físicas de sus diseños. En estos espacios, se dispone de una amplia variedad de herramientas y maquinaria dependiendo del ámbito educativo en el que se encuentren. Un ejemplo de esto es FabLab en la Universidad de Sevilla, situado en la facultad de arquitectura, el Laboratorio de Fabricación Digital cuenta con herramientas avanzadas, como cortadoras láser para madera, cartón y metal; fresadoras CNC, impresoras 3D, software de diseño asistido por ordenador (CAD) además de talleres para la construcción, refinamiento y optimización de maquetas y estructuras [1]. En este espacio, los estudiantes, profesores e investigadores pueden llevar a cabo proyectos de diseño y fabricación digital en diversas áreas, desde la arquitectura y el diseño industrial hasta la electrónica y la robótica. Además, el FabLab fomenta la colaboración y el intercambio de conocimientos, lo que permite a los usuarios aprender de sus compañeros y mejorar sus habilidades técnicas y creativas. Para ampliar los campos de investigación y estudio, y mejorar la capacidad de producción del FabLab se ha implementado una estación de prototipado con un robot ABB IRB4600. Este robot se ha configurado para realizar impresiones en 3D con arcilla, lo que permite explorar nuevas posibilidades en el ámbito del diseño arquitectónico y la fabricación de piezas artísticas y funcionales gracias al nuevo material disponible. El robot es capaz de realizar figuras 3D de gran tamaño comparado con las posibilidades que ofrece una impresora 3D convencional. Además de esto, también amplía la formación y oportunidades del laboratorio al permitir avanzar en el campo de impresión robótica con otro tipo de algoritmos, configuraciones o herramientas. La modificación, ajuste y programación de un robot ABB para realizar esta tarea no es para nada sencilla ni convencional, especialmente si tenemos en cuenta la versatilidad que debe permitir en su funcionamiento más básico y los componentes que debemos añadir al propio robot. Este proyecto recoge todo el trabajo que se ha realizado para conseguir este objetivo partiendo desde un robot de fábrica. 1.2. Estado del arte La impresión 3D, también llamada fabricación aditiva, es una tecnología que consiste en segmentar un modelo digital en capas para poder crear objetos físicos mediante la adición de material, estas capas pueden disponerse de múltiples formas y con distinta metodología resultando en los diferentes tipos de impresión 3D que existen actualmente. Uno de los más extendidos es la impresión por FDM, por sus siglas en inglés, Fused Deposition Modeling; utiliza habitualmente un material plástico fundido el cual se extruye por capas creando la figura deseada. La facilidad de uso junto con su bajo coste permitió un avance rápido en el mercado situándose como referencia a la hora de realizar proyectos que incluyan impresión 3D. Dentro del mercado de impresoras 3D FDM encontramos una gran variedad de opciones con precios desde 100- 200€ para las más económicas y hasta 1000-3000€ para las de alta gama, en el sector doméstico o particular, si buscamos para el sector industrial los precios ascienden hasta los 100000€ como la serie FDM de stratasys [2]. Introducción y Objetivos 24 Figura 1.1. Prusa i3 (Impresora FDM). Otro tipo de impresión bastante extendido es el SLA (StereoLithograohy Apparatus) donde se utilizan resinas fotosensibles que se solidifican mediante un láser UV de alta potencia, de igual manera que en las impresoras FDM, el modelo digital se segmenta en capas para que la impresora pueda unir lámina a lámina la resina formando el objeto tridimensional. El funcionamiento de este tipo de impresoras es más complejo y costoso que el anterior ya que la impresión se realiza, pero podemos obtener resultados mucho más precisos. Si comparamos los precios con las anteriores el rango se eleva significativamente encontrando las opciones más económicas cerca del millar de euros, y la gama alta pudiendo alcanzar cinco cifras. Figura 1.2. Form 2 (Impresora SLA). Estos dos tipos son los más extendidos, pero existen algunos menos populares como el SLS (Selective Laser Sintering) utilizado habitualmente en la industria debido a su alta velocidad y gran volumen de fabricación. Utiliza un láser para solidificar un material en polvo, típicamente polvo metálico o nylon, capa a capa dando forma a una pieza 3D [3]. 25 25 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Esta tecnología permite imprimir objetos con un alto grado de detalle además de geometrías complejas, por lo que sumado a que permiten utilizar metal como material de impresión las hace la opción predilecta en industrial como la automovilística o aeronaval. Si bien los equipos de impresión SLS son más costosos que el resto de las opciones tienen la ventaja de poder crear piezas duraderas y de gran tamaño [4]. 1.2.1. Impresión con arcilla y materiales similares Anteriormente hemos explicado algunos de los métodos de impresión más extendidos y pese a que tiene grandes diferencias y aplicación tienen un factor común, los materiales que emplean. Tanto las impresoras FDM como las SLA utilizan polímeros plásticos, pero en distintas formas; para las impresoras FDM existen filamentos compuestos de ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno) de igual manera que para las impresoras SLA existen resinas con base ABS. Si bien existen materiales con características únicas como conductividad térmica, resistencia a productos químicos o incluso propiedades antibacterianas [5]; todos comparten características comunes. En primer lugar, todos los materiales de impresión son capaces de fundirse y volverse maleables a temperaturas relativamente bajas. En segundo lugar, la fuerza que pueden soportar antes de romperse no es muy elevada por lo que pueden no servir si van a estar sometidos a esfuerzos constantemente. Una limitación existente en todas las impresoras existentes en el mercado es el tiempo de impresión. Las impresoras 3D se caracterizan por emplear largos periodos de tiempo para completar un trabajo y eso es en parte debido al volumen máximo que pueden extruir. La mayoría de extrusores tienen una boquilla de 0.4mm con lo que se pueden conseguir 15mm3/s, con esta velocidad de impresión si queremos imprimir un cubo macizo de 5cm de lado necesitaríamos aproximadamente 2h y 30min [6]. Debido a estas limitaciones y a la necesidad de llevar la impresión 3D a nuevos sectores, se está avanzando en la impresión con materiales alternativos a los plásticos como pueden ser la arcilla, la cera u otros compuestos de origen orgánico. Estos materiales tienen ventajas respecto a los plásticos, como la capacidad de producir piezas más grandes y con una geometría más atractiva, una mayor eficiencia en este tipo de impresiones y un acabado y textura más natural. La impresión con arcilla se está popularizando en los últimos años, especialmente en el campo de la cerámica y la escultura gracias a que permite producir formas que serían imposibles de manera manual y, además, obtener un objeto final de calidad en comparación con los plásticos. El proceso de crear una pieza de arcilla es más complejo que con materiales plásticos ya que después de la impresión es necesario hornear las piezas a alta temperatura en un horno de cerámicas para que el material expulse la humedad y se vuelva poroso, este proceso puede variar en función del material exacto y la figura desarrollada. Una vez está completado, se puede decorar con diferentes pinturas que le pueden aportar propiedades como la resistencia al agua. Para finalizar hay que introducirla en el horno de nuevo para que se endurezca completamente [7]. Figura 1.3. Proceso de fabricación de piezas con arcilla y cerámica [8]. Las impresoras 3D de cerámica son muy similares a las convencionales FDM ya que utilizan el mismo principio depositando capas de material sucesivamente. En el mercado existen varias empresas que se dedican a la impresión con arcilla como WASP3D, una compañía italiana que comercializa impresoras y extrusores para arcilla, así como todas las piezas necesarias como los tanques de almacenamiento o conectores necesarios. Descripción del Hardware 32 2. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE Analizando el alcance del proyecto, se establecen 4 grupos de equipamiento que requieren una adaptación, ya sea de manera física con instalación de partes adicionales o vía software con una programación específica, siento estos grupos, el brazo robótico IRB 4600, el controlador de ABB IRC5, el extrusor WASP XL 3.0 y un Arduino UNO para la conexión del extrusor. Por esto, es necesario realizar una descripción detallada del hardware explicando las modificaciones realizadas, así como la programación necesaria únicamente para el funcionamiento de tal equipo ya que el software desarrollado para realizar la impresión será revisado en el próximo capítulo. 2.1. IRB 4600. El brazo robótico IRB 4600 pertenece a la nueva generación ABB de alta precisión y capacidades mejoradas y añadidas. Su diseño ha sido optimizado para conseguir prestaciones superiores en aplicaciones específicas como el manejo de material, corte con láser o soldadura, lo que lo hace muy adecuado para un trabajo de impresión 3D ya que cuenta con la precisión necesaria, control de velocidad y un amplio rango de movimiento. Figura 2.1 Dimensiones del IRB 4600-60/2.05. [17] 33 33 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Existen varias versiones de este modelo de robot, en nuestro caso se trata de la 4600-60-2,05 (4600 con 60Kg de capacidad de manejo y alcance de 2,05m; E = 1276mm y F = 960mm). A continuación, se muestra el diagrama de carga de esta versión. Figura 2.2. Diagrama de carga del manipulador. [17] La forma correcta de interpretar este gráfico es la siguiente: El punto (0,0) del diagrama indica la posición de la muñeca del robot, el eje vertical Z(m) indica la desviación del centro de masas de la herramienta (A) utilizada en este eje de igual manera que ocurre con el eje horizontal, aunque en este caso se nombra L de longitud en lugar de utilizar el nombre del eje correspondiente ya que es la distancia en valor absoluto siguiendo esta configuración de ejes. Descripción del Hardware 34 Figura 2.3 Sistema de ejes de la muñeca del manipulador. [17] Es importante conocer el diseño de la muñeca del robot ya que vamos a tener que realizar una anilla de acople para poder instalar el extrusor WASP XL 3.0, esta anilla se describe en el apartado relativo al extrusor y aquí se citan los datos utilizados para su diseño. Figura 2.4 Brida de herramientas del manipulador. Esquema Acotado. [17] El área de trabajo con un montaje sobre suelo del robot se especifica en la siguiente tabla, teniendo en cuenta que a esas medidas debemos de añadir la posición final de la herramienta que instalemos, en nuestro caso el extrusor WASP junto con la anilla de acople que hemos diseñado. Tabla 1. Área de trabajo del manipulador. [17] 35 35 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 2.5 Área de trabajo del manipulador. [17] Tabla 2 : Especificaciones relevantes del IRB 4600-60 Exactitud de posicionamiento Media: 0,5 mm en un 98% Aceleración máxima en movimiento controlado 35 m/s2 Exactitud de trayectoria lineal 0.74 mm Presión máxima de aire comprimido 8 bares Grados de libertad del manipulador (sin TRACK) 6 GLD 2.1.1. Conexiones de usuario en el robot. Para la conexión de equipos adicionales al robot se incorporan diferentes conectores eléctricos y de aire comprimido en la parte delantera del brazo superior. En nuestro modelo disponemos de las siguientes conexiones: A) Aire comprimido M16x1.5. B) R2.CP. Esta conexión se llama CUSTOMER POWER ya que será la encargada de proporcionar la alimentación a los equipos que instalemos en la muñeca. C) R2.CS. Esta conexión se llama CUSTOMER SIGNAL ya que será la encargada de transmitir los datos necesarios para el funcionamiento del equipo. Descripción del Hardware 36 D) R2.ETHERNET. En el caso que deseemos conectar el equipo de la muñeca a una red industrial. Figura 2.6 Ubicación de las conexiones de usuario en el manipulador. [17] Estos cables están internamente conectados a la base del manipulador donde a través de la caja de conexiones R1 llegarán hasta el controlador IRC5. En nuestro caso, el brazo está montado sobre una cinta que permite mover el brazo a lo largo de su eje, constituyendo un séptimo eje y grado de libertad. La base de conexiones de usuario tiene la siguiente configuración en la instalación. A) R1.CP/CS B) R1.PROC1 (Aire comprimido M16.1,5) C) R1.ETHERNET D) R1.SMB E) R2.FB7 Figura 2.7 Base de conexiones de usuario con el 7º eje. [17] 37 37 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Pese a que, en el manual del brazo [17], en la pag74 dentro de la sección de conexiones de usuario, se detalle el número y potencia de las conexiones R2.CP y R2.CS disponibles en cada versión esto no significa que tengamos todas esas conexiones disponibles en nuestro robot ya que cada unidad viene con un kit de conexiones (cableado interno) diferente. Para poder determinar que pines de conexión están disponibles debemos mirar los diagramas de circuitos de nuestra unidad y de esta manera asegurarnos de utilizar las conexiones adecuadas. Además de esto, cuando en el manual se detalla la potencia de los cables se refieren a la certificación de la que disponen los mismo, no quiere decir que estén listos para suministrar dicha potencia ya que no se encuentran conectados a ninguna alimentación dentro del controlador IRC5. La instalación que se ha realizado en nuestro caso se detalla en el apartado del extrusor. 2.1.2. TRACK IRBT 2005 El IRBT 2005 es un Track Motion lineal que, al igual que los robots ABB, se gestiona mediante el controlador IRC5. El movimiento del Track Motion puede ser controlador como un eje más desde el FlexPendant del robot o la estación de RobotStudio. En nuestro caso es un track estándar con carro para 1 robot montados de la siguiente forma: Figura 2.8 Orientación del robot con la cadena porta cables estándar. [18] Figura 2.9 Vista lateral y superior del Track Motion. [18] La aceleración máxima del Track es de 4m/s2 y la velocidad máxima es de 2 m/s. El IRBT 2005 se ha diseñado para un funcionamiento intermitente. No se ha concebido para una aceleración/deceleración continua. Esta última puede dar lugar a un sobrecalentamiento del motor del track, por lo que no utilizaremos este eje como uno cualquiera del robot a la hora de alcanzar posiciones deseadas, sino únicamente para extender el rango de operación del brazo cuando la posición deseada esté fuera del alcanza actual. Descripción del Hardware 38 2.2. IRC5 CONTROLLER El IRC5 es el controlador estrella de ABB capaz de operar un gran número de manipuladores de la compañía. Además del control de movimientos, aporta flexibilidad, seguridad, modularidad, interfaces de aplicación, control multirobot y un puerto de conexión para un PC de servicio. Es este proyecto vamos a hacer uso de todas estas cualidades que nos van a permitir programar con un software alternativo el control del robot gracias a que el IRC5 hará de puente entre el PC de servicio y el manipulador, también se le instalarán los complementos de hardware que sean necesarios para controlar el extrusor permitiendo continuar el proyecto con un controlador único que integre todas las funciones requeridas. Esto no es solo más práctico para el mantenimiento y futuras modificaciones del mismo, sino que engloba todos los sistemas empleados bajo los sistemas de seguridad que incorpora evitando posibles riesgos. Figura 2.10 IRC5 Controller. [19] El panel de control externo sirve para establecer el funcionamiento del controlador y del manipulador permitiendo alternar con seguridad entre los distintos modos de operación. A) Interruptor de encendido B) Paro de emergencia C) Botón de motores ON D) Selector de modo G) Conector de Ethernet para PC de servicio L) Conector para FlexPendant En el siguiente apartado se describirán los diagramas de circuitos del IRC5 utilizados para instalar las conexiones entre el extrusor y el controlador además de los elementos añadidos a la estructura como el Arduino o la fuente de alimentación del extrusor. 39 39 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 2.3. EXTRUSOR Y TANQUE DE ARCILLA En la estación de impresión vamos a utilizar el extrusor WASP 3.0 XL, 3DWASP [20] es una empresa líder en el campo de la impresión 3D con arcilla que ha destacado por su compromiso con la innovación y la calidad en el desarrollo de sus productos. Su enfoque principal radica en proporcionar soluciones avanzadas de impresión 3D para la creación de objetos utilizando este material específico tanto para particulares como sectores profesionales brindando en ambos casos soporte al cliente. El extrusor WASP 3.0 XL es uno de sus productos destacados, este extrusor se caracteriza por su diseño robusto y su capacidad para manejar grandes volúmenes de arcilla. Con una boquilla de alta precisión y un sistema de extrusión controlado, el extrusor WASP 3.0 XL permite la impresión de objetos de gran tamaño con una alta calidad de acabado y alta velocidad. Tabla 3 Especificaciones del extrusor WASP 3.0 XL Printing technology: Liquid Deposition Modeling (LDM) Material maximum granulometry: 1 mm Compatible nozzle dimensions: 4 mm, 6 mm, 8 mm Energy consumption: 40 W Suggested stepper voltage: 24 V Cooling fan voltage: 12 V Connector: MODU Extruder components materials: Aluminum, POM Net extruder weight: 1.3 Kg Net tank weight: 4.6 Kg Tank Capacity 5 L En el manual del producto se especifica que no se proporcionará soporte con la instalación del equipo con el sistema del cliente por lo que tenemos que integrarlo nosotros, desarrollando los acoples necesarios para montarlo en el brazo y los cables de conexión. El motor que utiliza el extrusor es un motor paso a paso de 24v (con una corriente máxima de 2A) que al no estar conectado a una placa base de impresora tenemos que conectarlo a un Stepper driver para poder controlar la velocidad de giro. Además, requiere de un Arduino Uno ya que el controlador IRC5 no es capaz de proporcionar una salida PWM, este proceso se explica en el siguiente apartado. El tanque de arcilla va a ser instalado en el brazo de la articulación 4 del robot, siendo este el mejor lugar para su ubicación debido a la facilidad del montaje en esta zona al tratarse de un brazo recto sin obstáculos y que en la mayoría de los movimientos no supone un riesgo de colisión con otras partes del brazo. Su montaje se va a realizar con dos abracaderas personalizadas en cada extremo, que asegurarán un montaje firme, dejando la boquilla de conexión con la manguera del extrusor en la parte más cercana a este. Descripción del Hardware 40 Figura 2.11 Abrazadera superior Figura 2.12 Abrazadera Inferior El taque requiere de 8 bares de presión para funcionar correctamente que se le serán suministrados desde la salida A de la parte superior del brazo que se muestran en la Figura 2.6. A su vez esta toma es una prolongación de la entrada para aire comprimido que se encuentra en la base del manipulador, concretamente la R1.PROC1 (B) que se muestra en la Figura 2.7, aquí conectaremos un compresor externo que sea capaz de suministrar la presión requerida por nuestro sistema. Figura 2.13 Boquilla superior (entrada de aire comprimido) Figura 2.14 Boquilla inferior (Salida de material) 2.3.1. Anilla de acople del extrusor. Para instalar el extrusor en la articulación 6 del manipulador debemos crear una anilla de acople que permita ser atornillada al brazo y que el extrusor quede en posición vertical, además de esto, el extrusor debe quedar a una altura tal que su boquilla esté por debajo de la parte más baja del conjunto de articulaciones de la muñeca (Figura 2.6) para que a la hora de imprimir estas no puedan colisionar durante su movimiento con el objeto imprimido. Si consideramos como origen de coordenadas el centro de la anilla como se muestra en esta Figura 2.4, la boquilla del extrusor debe quedar 16 cm por debajo del origen. A continuación, se muestran los diseños en perspectiva, planta, alzado y perfil de la anilla y posteriormente la pieza impresa e instalada en el robot. 41 41 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 2.15 Diseños de la anilla de acople. Desarrollo Software 48 3. DESARROLLO SOFTWARE En este capítulo se aborda todo el software necesario para el funcionamiento del manipulador como un brazo de impresión con arcilla. Para llevar a cabo esta adaptación ha sido necesario seleccionar un software 3D que reúna todas las características que el equipo de FabLab puede necesitar a la hora de diseñar y fabricar piezas, este requisito, al ser una de las restricciones más importante del proyecto, modifica el camino a seguir y el resto del software necesario que será el que haga posible la integración. El programa CAD seleccionado es Rhino 7, un programa bajo licencia que permite crear modelos 3D con gran precisión, una de sus ventajas radica en su versatilidad ya que a diferencia de otros softwares CAD más especializados puede utilizarse en diferentes sectores con herramientas de programación integradas. Una de las herramientas de programación que está integrada en Rhino 7 es Grasshopper, una herramienta de programación por bloques basada en Python que permite dar un gran salto en el diseño paramétrico y la modelización generativa. Esta potente herramienta de programación visual permite realizar escenarios completos, en arquitectura, por ejemplo, puede generar una maqueta de una ciudad a criterio del programador o generar estructuras complejas ya que permite el uso de funciones matemáticas aplicándolas al diseño. Estas razones fundamentan la elección de este software para diseñar la plataforma que permita transformar diseños 3d en algo que pueda entender y replicar nuestro manipulador. El uso de este software complica el resto del diseño ya que ni ABB y Rhino proporcionan ningún tipo de integración, sino que además utilizan estructuras de programación completamente diferentes. Durante la fase de investigación previa a este proyecto, se identificaron algunos proyectos realizados por ingenieros de la Universidad de Zúrich, quienes han desarrollado una plataforma o, más precisamente, un conjunto de bibliotecas para Grasshopper que permiten la transmisión de datos a los robots de ABB. Estas librerías necesitan de software adicional para establecer la comunicación entre ambos equipos, pero son la opción más viable que se ha encontrado. El uso académico del software se permite de manera gratuita bajo una autorización previa que ya ha sido otorgada a FabLab. 3.1. DISEÑO DE LA ESTACIÓN EN ROBOTSTUDIO Para operar con cualquier robot de ABB es necesario utilizar el programa RobotStudio, software bajo licencia de ABB. Los clientes que posean un brazo tendrán a su disposición diferentes tipos de licencias que permitirán acceder a todas o algunas de las funciones disponible. En caso de FabLab dispone de la licencia estándar. Cuando programemos en robot de ABB deberemos hacerlo desde una estación de RobotStudio, una estación es una versión virtual de la instalación sobre la que trabajamos representando fielmente las dimensiones de los equipos y la física de estos. El proceso de creación de una estación es sencillo y no se va a detallar como se realiza paso a paso, en cambio, se muestra la estación que creada y la configuración de los equipos. 3.1.1. Elementos básicos Los elementos principales de la instalación son el manipulador IRB4600 y la TRACK 2005 de 6 metros de longitud. Ambos se encuentran en integrados en RobotStudio dentro de la Biblioteca de ABB. Una vez añadidos debemos posicionar el robot encima del Track arrastrándolo y enlazándolo. Además de estos equipos vamos a añadir una mesa de trabajo, que necesitaremos para ajustar la herramienta y a partir de su superficie superior se 49 49 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 tomará el sistema de referencia para los puntos que enviemos al robot. Para crear la mesa utilizaremos la pestaña de modelado desde donde añadimos un sólido con la forma deseada, las medidas en este caso no son las definitivas y pueden ser modificadas en un futuro cuando se decida la superficie real sobre la que imprimirá. Hay que tener en cuenta que RobotStudio toma como Z=0 la base del robot y no la base del track por lo que debemos tener en cuenta el offset a la hora de dimensionar la mesa virtual respecto a la real. Figura 3.1 RobotStudio. IRB4600 Biblioteca. Figura 3.2 RobotStudio. IRBT2005 Biblioteca. Figura 3.3 RobotStudio. Elementos estación inicial. Estos elementos crean la estación inicial sobre la cual vamos a añadir la herramienta de trabajo y el tanque de arcilla. La mayoría de los ajustes de los equipos utilizados desde las librerías vienen configurados correctamente, pero los sólidos que generamos nosotros pueden tener comportamientos diferentes, por ejemplo, pueden computarse en la física de colisiones haciendo que el software los tenga en cuenta a la hora de generar las trayectorias. En todos los objetos que vamos a generar vamos a configurarlos para que se tengan en cuenta en la planificación de trayectorias. Esto se configura haciendo clic derecho sobre la pieza en la pestaña Diseño de la ventana vertical que se sitúa a la derecha de la pantalla. Desarrollo Software 50 Figura 3.4 RobotStudio. Estación con brazo y track. 3.1.2. Creación de la herramienta Pese a que disponemos de multitud de herramientas para seleccionar desde la librería de ABB y que pueden servir para darnos una idea de cómo podemos realizar ciertos movimientos, es necesario crear una herramienta propia que cumpla con las dimensiones precisas que se requiere para imprimir en 3D ya que el software calculará las trayectorias necesarias para posicionar el punto final de la herramienta en la ubicación deseada. Para crear una nueva herramienta en RobotStudio podemos utilizar dos geometrías: una propia que diseñemos y que represente fielmente la herramienta real o una geometría generada automáticamente por RobotStudio que no será una representación de la realidad, pero sí mostrará fielmente el punto final de la herramienta y su centro de masas. El segundo método se puede llevar a cabo desde el menú Modelado en Crear herramienta. Ahora debemos especificarle los parámetros de posición del Centro de gravedad y TCP de la herramienta real, así como el peso. Esto debemos hacerlo en función del sistema de referencia de RobotStudio para que la herramienta se posicione correctamente. 51 51 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 3.5 RobotStudio. Creación de herramientas (A) El segundo paso es indicar la posición del TCP, siendo este el punto situado en el extremo de la herramienta y donde ocurren todas las operaciones y movimientos. Una vez seleccionado TCP es necesario añadir con el botor de la flecha derecha ( -> ) para que quede registrado. Figura 3.6 RobotStudio. Creación de herramientas (B) Una vez realizado esto nuestra herramienta aparecerá en el espacio de trabajo, para que la herramienta sea funcional debemos enlazarla con el manipulador arrastrando su icono en la pestaña de diseño hasta el del IRB4600, ahora sí forma parte del brazo. Desarrollo Software 52 Figura 3.7 RobotStudio. IRB4600 con herramienta propia. 3.1.3. Tanque de arcilla Al robot real, como ya se ha explicado, se le ha añadido un tanque de arcilla en el brazo de 4ª articulación. Para poder visualizar el movimiento de este en la simulación de RobotStudio vamos a crear un objeto que simule esta estructura y que tenga un comportamiento de colisiones. Para ello vamos a generar un objeto rectangular de las medidas de tanque y otro objeto más pequeño que servirá de enlace (esto no es técnicamente necesario ya que se puede enlazar el bloque del depósito “en el aire” pero visualmente es más coherente utilizar un bloque de enlace) Primero vamos a enlazar el bloque de pequeño con la articulación 4, esto se puede hacer con un clic derecho sobre el objeto y seleccionando la opción conectar. Antes de conectar el bloque debe estar en la ubicación que deseemos y al aparecer el mensaje para actualizar la posición de la pieza, tendremos que seleccionar “no”. De esta manera el objeto seguirá el movimiento de la articulación. El objeto que simula el depósito debe quedar 15cm desplazado en sentido positivo del eje y para nuestra instalación, configurándolo de la misma manera que el anterior excepto en la física de colisiones ya que el primer bloque no es necesario que se compute mientras que el bloque del depósito sí es necesario. Al tener el depósito dentro de la simulación cuando indiquemos un recorrido o un punto a alcanzar al controlador automáticamente se generará una ruta sin colisiones del depósito con el brazo o con otros objetos del entorno como puede ser la mesa de impresión. ATENCIÓN: La unidad sobre la que se realiza el proyecto no cuenta con el complemento Collision Avoidance de ABB, este complemento permite al controlador IRC5 utilizar algoritmos de planificación de trayectorias seguras con los objetos del entorno (y en nuestro caso del tanque contra el propio robot). Al no disponer de esta función es necesario comprobar todos los recorridos en la simulación y verificar que no hay riesgo de colisión antes de enviar a imprimir cualquier pieza al robot real. 53 53 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 3.8 RobotStudio. Galería de imágenes del brazo con el Taque de arcilla simulado. Desarrollo Software 54 3.2. COMPAS Uno de los hitos del proyecto es conectar correctamente el robot real IRB4600 de ABB con la plataforma de diseño paramétrico Rhino, crear un canal de comunicación entre estas dos estructuras requiere de múltiples capas de software que vamos a analizar. Esta iniciativa proviene de la investigación Gramazio Kohler en la ETH Zúrich, [14] donde han creado un paquete llamado COMPAS FAB, basado en python y que facilita la planificación y ejecución de procesos de fabricación con robots directamente desde un entorno de diseño paramétrico [21]. Este entorno de programación se construye sobre COMPAS, un ecosistema de librerías de propósito general de Python integradas en un único núcleo. De esta manera se tiene acceso a resultados de múltiples investigaciones y herramientas que han sido revisadas para facilitar su uso y avance ya que permite construir extensiones que utilicen las librerías existentes y que aumenten de esta manera la capacidad del ecosistema. COMPAS se centra en el análisis de datos y estructuras para proporcionar el soporte fundamental que se necesita para trabajar en los campos de la arquitectura, diseño geométrico y paramétrico, e incluye soporte para control de robots y fabricación autónoma. Con estas bases el equipo de investigación de la ETH Zúrich ha desarrollado el conjunto de librerías que permiten comunicar RobotStudio con Rhino 7 y que se explica en el siguiente apartado como se han utilizado en nuestro caso. COMPAS FAB va a permitir comunicar nuestra herramienta de diseño CAD con RobotStudio y a partir de aquí, se desarrollan los programas que permiten procesar los modelos 3D y convertirlos en estructuras para imprimir en 3D y que nuestro controlador de ABB pueda comprender. 3.2.1. COMPAS FAB El entorno de comunicación de COMPAS FAB (en adelante CF) es un conjunto de librerías que permiten la transferencia de datos entre los procesos de RobotStudio y Rhino 7, haciendo uso de las tecnologías de Visual Studio y ROS como base de la comunicación. RobotStudio y Rhino se encuentran disponibles exclusivamente para el sistema operativo Windows. Sin embargo, la implementación completa y óptima de ROS, a fecha de 2023, está limitada a sistemas Linux. La necesidad de integrar ROS se origina en la utilización de MoveIt, una librería de planificación de movimientos muy extendida. Esta dependencia, motiva la incorporación de ROS en nuestro ecosistema y, por tanto, de un software que permita ejecutarlo correctamente en Windows. La mejor opción es Docker, una plataforma de virtualización y compartimentación de sistemas que nos permite ejecutar una distribución de Linux en segundo plano. Gracias a Docker podemos establecer una ejecución segura de ROS. Además de esto, en el lado CAD de Rhino, debemos utilizar un complemento llamado Grasshopper que nos permite añadir una capa de programación visual con bloques y Python para así poder hacer uso de la potencia CAD de Rhino 7 de manera automática siendo Grasshopper donde se ejecutará el programa de impresión 3D 55 55 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Para entender mejor la relación que existe entre estos programas disponemos del siguiente gráfico proporcionado por el equipo de CF en la documentación que tuvimos acceso durante el proyecto. Aquí se aprecia visualmente la secuencia de comunicación que sigue el ecosistema. Figura 3.9 Estructura del software utilizado para comunicar Rhino y RobotStudio. [22] Para comenzar la explicación detallada de CF vamos a explicar a continuación la librería de Python, algunas de sus capacidades y como utilizarla. Esta librería está disponible para su uso gratuito en GitHub [23], para hacer uso necesitamos tener instalado el software Anaconda y desde su ventana de comandos podremos instalar el paquete como añadiríamos cualquier otro paquete desde GitHub. Previamente a la instalación debemos tener creado un entorno (enviroment) de Anaconda para poder añadir la librería dentro de este. Una vez este instalado ya tendremos acceso y podemos ver los archivos que incluye desde Visual Studio seleccionando el entorno donde hemos añadido el paquete, así como la ventana de comandos a utilizar siendo la ventada de Anaconda. La librería de CF se centra en la manipulación de robots por lo que incluye códigos que permiten realizar transformadas, definiciones de puntos y marcos de referencia, concatenaciones e incluso calcular la cinemática directa e inversa. El paquete completo se asemeja al Robotic Toolbox para MATLAB que hemos utilizado en varias ocasiones. De esta manera somos capaces de realizar algunos de los cálculos y simulaciones que se facilitan en el toolbox de MATLAB, pero desde otros entornos, como uno CAD en nuestro caso, ya que este paquete es compatible con diferentes softwares. En estos ejemplos se muestra como posicionar un punto respecto un marco o sistema de referencia y como se pueden realizar las típicas transformaciones de Rotación, Traslación y Escalado directamente igual que en el toolbox, por ejemplo, con el comando trot(). En el tercer ejemplo se muestra la opción de crear nuestro propio robot, con el comando LINK, ajustando el tipo de articulación para cada eslabón. Cuando tengamos definido un robot podemos obtener directamente la cinemática directa para una configuración de articulaciones dada y la cinemática inversa para una posición deseada. Desarrollo Software 56 Figura 3.10 Ejemplo de COMPAS FAB. Definición de un punto. Figura 3.11 Ejemplo de COMPAS FAB. Transformaciones. Figura 3.12 Ejemplo COMPAS FAB. Creación de robot con LINK. 57 57 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 3.13 Ejemplo COMPAS FAB. Cinemática directa e inversa. 3.2.2. Docker Como hemos explicado antes, Docker es una plataforma de virtualización basada en contenedores que permite desarrollar, implementar y ejecutar aplicaciones en diferentes entornos informáticos. La principal diferencia con un software de virtualización tradicional es que en Docker no existe la necesidad de virtualizar un sistema operativo completo sino únicamente entornos aislados que contienen los componentes necesarios para que la aplicación a ejecutar funcione correcta e independientemente. Esto libera una gran carga computacional al equipo, teniendo potencia libre para el resto de tareas (el sistema completo del proyecto es relativamente pesado y para que funcione con fluidez necesitará igualmente un equipo potente con bastante RAM). Dependiendo de la versión de Windows en la que se ejecute Docker o el proyecto concreto la virtualización se realizará de dos maneras, con Hyper-V o WSL, en nuestro caso usaremos el WSL 2 (subsistema de Windows para Linux). WSL es una característica de Windows 10 en adelante que permite a los usuarios ejecutar un sistema operativo Linux en paralelo con Windows. Para utilizar WSL, primero debemos habilitarlo desde la configuración de Windows en el panel de control, después debemos descargar e instalar una distribución de Linux, lo más sencillo es utilizar la que nos proporciona Microsoft desde la Microsoft Store. Cabe destacar que WSL ejecutará las distribuciones “en segundo plano” es decir sin interfaz de usuario gráfica o de texto a la que podamos acceder ya que sirve únicamente de motor para otras aplicaciones como Docker. Al estar la máquina virtual dentro de Windows este puede gestionar los recursos una mejor manera que utilizando un software separado. En el caso de que queramos limitar la potencia consumida, ya sea en núcleos del procesador o memoria RAM podemos hacerlo como se explica en este enlace: Limitar WSL2 (para nuestro proyecto se ha limitado la memoria RAM disponible a 6GB para WSL, de 16GB totales en el equipo). En cuando al uso de Docker en nuestro proyecto, será a través de Visual Studio, necesitando instalar la extensión Docker. Desde Visual abriremos los archivos yml que contienen la versión de ROS, MoveIt y ABB que vamos a ejecutar. Sobre el archivo abierto en Visual podemos hacer clic derecho y seleccionar Compose Up, esto ejecutará el código en Docker creando los contenedores necesarios. Los archivos .yaml o .yml se utilizan para definir la configuración de los contenedores que se ejecutarán en un entorno de ROS incluyendo información como la imagen a utilizar, los puertos que se deben exponer, los volúmenes de datos que se deben montat o las variables de entorno necesarias. Desarrollo Software 64 Figura 3.19. IRB4600 en Rhino 65 65 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 3.4.2. Procesado de modelos 3D Figura 3.20 Grasshopper. Procesado de modelos 3D En esta sección trabajaremos con modelos 3D realizados o importado a Rhino, concretamente modelos con paredes y bases lisas (sin curvatura, estos objetos se tratarán más adelante). Para explicar cómo descomponemos un objeto tridimensional en una lista de puntos vamos a utilizar de ejemplo un cilindro. En Rhino existen diferentes tipos de sólidos: sólido, malla y brep; el primero es el más genérico y no incluye una representación con polígonos de las caras del objeto, una malla añade esta información. El brep (Boundary Representation) permite representar objetos más complejos combinando superficies y bordes. Estos tres tipos pueden ser transformados entre ellos y nosotros usaremos únicamente solidos para este ejemplo. Figura 3.21 Cilindro de ejemplo en Rhino Desarrollo Software 66 Figura 3.22 Grasshopper. Procesado de modelos 3D. Zoom 1 Para comenzar el tratamiento debemos seleccionar el objeto en Rhino y añadirlo al primer bloque con la opción “Set one Brep” en el clic derecho. El bloque Wireframe extrae los contornos del objeto, esto contornos son las circunferencias superiores en inferiores del cilindro y la recta vertical que entrega la altura, tal y como se observe en la Figura 3.23 marcados con la línea verde. En el bloque Curva se descomponen las circunferencias obteniendo un punto para cada una, la capa superior en Start y la capa inferior en End. Los bloques de listas seleccionan únicamente un punto en cada caso, arriba el punto de inicio de la capa superior y abajo la inferior. Finalmente se descomponen esos puntos en sus componentes X, Y, Z. Figura 3.24 Grasshopper. Procesado de modelos 3D. Zoom 2 Ahora necesitamos crear las capas de puntos intermedias del modelo, para hacer esto calcularemos la altura del objeto a imprimir restando a la componente z de la capa superior la de la capa inferior (que no tiene por qué estar situada en el suelo a z=0). Una vez sabemos la altura dividimos la altura entre el número de capas para obtener la distancia intermedia. Figura 3.23. Modelo 3D. Cilindro con Wireframe en verde 67 67 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 En el caso de la capa superior si seleccionamos la altura exacta del objeto (z de la capa superior) esa capa no se representará ya que Rhino la interpreta como fuera del sólido, por esto introducimos un valor de altura infinitesimalmente inferior que sí estará dentro del volumen. El bloque pequeño superior, conectado por la izquierda al bloque inicial del objeto sirve para guardar como Malla nuestro solido ya que ahora vamos a crear los contornos que definirán las curvas de las capas intermedias. Figura 3.25 Grasshopper. Procesado de modelos 3D. Zoom 3 Para finalizar esta sección creamos los contornos con el bloque de Contornos, que tiene como entradas el sólido en formato Malla, el punto donde iniciará los contornos (siendo el punto donde comienza cada círculo, en el plano horizontal, se ha usado un punto de la capa superior pero no implica que la impresión vaya a comenzar por esta capa), la dirección de creación del contorno (horario o antihorario, en nuestro caso es irrelevante) y la distancia a crear los contornos. Estos contornos se descomponen en una secuencia de puntos con el último bloque que separa los puntos una distancia fija, si queremos más precisión en la figura final podemos disminuir este valor (el robot viajará en línea recta de punto a punto). En la Figura 3.26, a la derecha, se pueden ver estos puntos. El panel amarillo a la derecha de la sección se ha puesto de manera indicativa para mostrar cómo se obtienen los puntos, en el caso de querer imprimirlos deben ser conectados a la última sección del programa, que se detalla más adelante. Estos puntos se crean en orden creciente, las capas con una altura inferior se procesan primero (como es lógico en el caso de impresiones 3D) y dentro de cada capa siempre comenzando y finalizando en el punto indicado en la entrada Point de forma que se evitan movimientos de desplazamiento del cabezal extrusor permitiendo una impresión continúa. Figura 3.26 Modelo 3D. Cilindro con puntos de capas en verde Desarrollo Software 68 3.4.3. Procesado de modelos 3D. Método para esferas Figura 3.27 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos En el apartado anterior hemos visto que es necesario obtener la altura del objeto en Grasshopper de manera numérica pese que estemos utilizando un sólido completo y acotado de Rhino, esto se debe que la información sobre la altura y otras características no queda almacenada en el propio objeto y, por tanto, Grasshopper la desconoce. Ahora vamos a emplear un método diferente para crear las capas intermedias de una esfera, y será necesario utilizar esta sección para cualquier solido que no tenga unas paredes lisas, más concretamente, para solidos cuya altura en el eje z difiera de la longitud de la curva que une el punto superior con el punto inferior en cualquier lugar de su revolución. Uno de los hitos que se marcaron al inicio del proyecto fue poder crear una Vasija de arcilla con la estación de impresión, este sólido presenta una forma cilíndrica, pero con una pared irregular y que puede variar según el diseño concreto. De manera histórica este tipo de objetos junto a Ánforas, Botijos y multitud de otros recipientes se han fabricado de manera artesanal con arcilla en el barrio de Triana, estando presentes en la mayor parte de la historia andaluza. Más allá del significado histórico y artístico de este tipo de objetos, se trata de superficies de revolución con cierta complejidad al estar sostenidos por una base menor que el diámetro máximo que se alcanza en la superficie. Para poder imprimirlo de manera correcta requiere que el software de procesado de modelos 3D sea capaz de analizar los objetos en base a sus superficies de revolución y no a sus características paramétricas como en el primer caso. Figura 3.28 Ejemplo de modelo con jarrón en Rhino 69 69 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 3.29 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos. Zoom 1 La sección comienza obteniendo el modelo desde Rhino en formato Brep, esto es importante ya que nos permite extraer información de los bordes y superficies que lo conforman por separado, esto lo realizamos con el bloque Deconstruct Brep, a la derecha, obteniendo las Caras (o superficies), Bordes y Vértices que forman el modelo. En nuestro modelo solo existe una superficie que crea al objeto ya que se trata de un sólido de revolución, esto implica que es simétrico respecto al eje de revolución (el eje Z en nuestro diseño). Si se tratase de modelos más complejos con varias superficies aparecerían aquí y con el bloque de lista y el Slider podríamos seleccionar la que deseemos. Una vez hemos obtenido la superficie por separado utilizaremos el bloque Brep Edges para obtener los bordes de la superficie, marcados en verde en la Figura 3.30 a la derecha. Los bordes de la superficie están compuestos por 3 curvas, los anillos superior e inferior y la curva que se revolucionó. Los bloques a la izquierda de la Figura 3.29 permiten seleccionar que curva de las extraídas queremos utilizar. Necesitamos una curva que recorra la figura completa por lo que seleccionamos la curva de revolución Figura 3.31 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos. Zoom 2 Figura 3.30 Modelo 3D. Superficie de revolución Desarrollo Software 70 Se obtienen 4 curvas del bloque Brep Edges, 2 curvas tipo arco (Grasshopper nombre así a las curvas circulares) y 2 curvas planas (ya que sus puntos inicial y final no están conectados). Las dos curvas arco viene de los bordes superiores e inferiores de la pieza y la doble curva plana es en realidad la misma, pero debido a que se ha generado la superficie con una curva de revolución existe técnicamente un inicio y un final. La curva de revolución se conecta al bloque Curve Length para obtener su longitud y así poder calcular la distancia a la que se encontrarán las capa. En nuestra sección podemos elegir el número de capas que deseamos tener en el objeto, pero podría modificarse para introducir la distancia entre capa de manera numérica. De igual forma que en la sección anterior debemos modificar ligeramente el punto final de la curva para que pertenezca al sólido, esto lo hacemos primero extrayendo los puntos inicial y final, y modificando la componente Z del punto final de la curva (parte superior). Figura 3.32 Grasshopper. Procesado de modelos esféricos. Zoom 3 Ahora, para mostrar el modelo laminado, se ha establecido una altura de capa de 0.02 metros o 20 milímetros. El valor de esta altura depende del diámetro del extrusor utilizado. En nuestra instalación, el extrusor ofrece opciones de diámetro de 4, 6 y 8 milímetros. Sin embargo, hemos seleccionado un valor de 20 milímetros para garantizar una visualización clara de las capas creadas. El bloque Contorno es responsable de laminar la pieza, utilizando como punto de inicio el punto de la capa superior modificado y la distancia deseada. Las capas resultantes se pueden apreciar en la Figura 3.33. Estas capas deben convertirse en secuencias de puntos para que el control RRC del brazo pueda procesarlas, y los puntos resultantes se presentan en la Figura 3.34. 71 71 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 3.33 Procesado de modelos esféricos. Desplazamientos del cabezal de impresión Figura 3.34 Procesado de modelos esféricos. Secuencia de puntos de cada capa 3.4.4. Procesado de puntos y envío a RobotStudio Figura 3.35 Grasshopper. Envío a RobotStudio La última sección del programa tiene como objetivo enviar los puntos a controlador IRC5 o a la simulación de RobotStudio. Los puntos obtenidos desde las secciones anterior necesitan ser adaptados al sistema de referencia que utilizar RobotStudio y que varía del utilizado por Rhino y Grasshopper. Para solucionar esto se ha desarrollado una transformada de manera que los puntos que ubiquemos en el espacio de trabajo de Rhino aparezcan en la misma posición relativa al brazo robótico en la estación de RobotStudio, pese a que se ha tratado de minimizar la necesidad de implementar una transformación debido a que puede generar imprecisiones en la impresión y es constituye una variable extra a la hora de realizar modificaciones a la estación, es fundamental en nuestro caso ya que los puntos originales de Grasshopper al ser enviados a RobotStudio tenían una gran desviación. También se contactó con los desarrolladores de COMPAS FAB y el CONTROL RRC para obtener más información al respecto y lo único que pudieron indicar es que se trata de problema conocido y en desarrollo ya que se desconoce la causa exacta de este cambio de coordenadas. Desarrollo Software 72 Figura 3.36 Grasshopper. Envío de puntos. Zoom 1 La transformada consiste, primero, en un cambio de escala para las tres componentes ya que Grasshopper opera en m y RobotStudio en mm y, segundo, un offset para cada una de las componentes. Quedando la siguiente expresión: FX = - 430 + 1000 * x FY = 500 + 1000 * y FZ = - 500 + 170 + 1000 * z Los offset necesarios han sido calculados de manera experimental para nuestra estación, en la componente Z se ha añadido un offset extra (170mm) para establecer el nivel Z=0 de Rhino justo a la altura de la mesa de impresión sobre la que trabajará el robot real siendo más cómodo para trabajar con Rhino ya que se puede utilizar el plano XY como base de los sólidos. Figura 3.37 Grasshopper. Envío de puntos. Zoom 2 Después de ajustar las coordenadas de los puntos a enviar debemos crear los marcos de referencia que definan completamente como se debe aproximar el cabezal de impresión. Los marcos de referencia o “frame” definen la orientación de los elementos en el entorno de trabajo del robot. Estos marcos se pueden definir únicamente con un vector adicional a las tres coordenadas del punto ya que utiliza la convención de orientación de la “regla de la mano derecha”. La orientación con la que queremos que el cabezal alcance la mesa de impresión puede variar en función de la configuración particular, pero de manera general se situará el área de trabajo en la misma dirección que el brazo superior del robot (“enfrente” o con la articulación 5 en su posición inicial) como se muestra en la Figura 3.38. En cambio, en la Figura 3.39 se puede observar una aproximación posible pero no deseada ya que disminuye en gran medida el rango de movilidad del brazo. El marco necesario para alcanzar la posición con la orientación anterior varía en función de la ubicación de la mesa de impresión, en nuestro caso de sitúa en sentido positivo del eje y, se puede observar en la Figura 3.39 siguiendo el sistema de referencia global de RobotStudio en la esquina inferior izquierda de la imagen. 73 73 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 Figura 3.38. Orientación correcta de la herramienta en RobotStudio Figura 3.39 Orientación errónea de la herramienta en RobotStudio 5. CONCLUSIONES Finalizando este proyecto de investigación y desarrollo, es el momento para reflexionar sobre los logros alcanzados y las contribuciones significativas que se han realizado para el desarrollo de una Estación de Prototipado con Arcilla en el FabLab de la Universidad de Sevilla. A lo largo de este trabajo, hemos explorado en detalle los componentes necesarios para poder realizar la Estación, la adaptación de equipos y su interconexión y el desarrollo software realizado. Ahora vamos a discutir los avances más significativos, las aplicaciones de nuestra investigación y delinearemos las posibles direcciones para la continuidad del proyecto. Como se explica en la Introducción, este proyecto nace de la necesidad de ampliar las capacidades de fabricación del FabLab al introducir un Robot capaz de imprimir en 3D con Arcilla. El punto de partida fue un Robot ABB IRB4600 prácticamente en blanco, únicamente con la configuración mínima para su funcionamiento; y las piezas que conforman el extrusor y tanque de arcilla de WASP3D. Así, el objetivo superior del trabajo es desarrollar la plataforma capaz de permitir la impresión 3D con Arcilla y la investigación de técnicas constructivas. Esto engloba la configuración del robot, investigación y solicitud de los componentes, elecciones de software aplicable, ajuste del hardware y programación necesaria para convertir a un equipo de ABB en un sistema capaz de entender y ejecutar las ordenes de impresión. Detallando objetivos más concretos tenemos: ▪ Integración del extrusor al sistema del ABB IRB4600. Gracias a la investigación realizada sobre el conexionado del brazo y su controlador se ha sido capaz de desarrollar un cable personalizado para esta configuración e implementar un Arduino que actúa de puente entre con IRC5 y el extrusor controlando su funcionamiento. Esto permite el control del extrusor desde el mismo entorno que el robot ABB. ▪ Comunicación mediante ROS entre Rhino y el robot. En la documentación a la que tuvimos acceso se describía el desarrollo de una librería por parte de ETH Zúrich diseñada para establecer la comunicación entre equipos ABB y PC a través de ROS. Sin embargo, esta documentación se enfocaba exclusivamente en la implementación en un entorno de simulación, lo que nos llevó a la necesidad de personalizar y adaptar este proceso para su ejecución en el entorno del robot real. ▪ Diseño del programa de procesado de modelos 3D. Además de realizar la configuración e instalación del hardware necesario para que la estación fuera utilizable, se necesita desarrollar el programa que permita procesar las piezas CAD. Este programa ha sido desarrollado específicamente para esta aplicación siendo una de las pocas ocasiones que se ha controlado desde Grasshopper un robot real con éxito. ▪ Como último objetivo se tiene en cuenta la necesidad de recopilar todo el trabajo realizado en el proyecto y como reproducir parte de estos avances para facilitar la continuidad de la investigación en las sucesivas mejoras que se acometerán, facilitando todo lo posible a las personas que tengan este objetivo su inicio en el proyecto. Ahora mismo el entorno de impresión está listo para su puesta en marcha habiendo superado las pruebas de movimiento y comunicación realizadas. Se completado el desarrollo de software necesario teniendo la aplicación de Grasshopper en funcionamiento, la adaptación del extrusor a la anilla del robot, su cableado con el controlador y control con Arduino. Cabe destacar algunas de las limitaciones existentes en la plataforma actual que pueden marcar el camino para la continuación del proyecto: ─ Control del extrusor. Pese a tener el extrusor conectado y respondiendo a las señales del control IRC5 el software de impresión en Grasshopper es bastante simple en este caso, no permitiendo retracciones, cambios de velocidad o desplazamientos fuera del área de impresión como sí se permiten en las impresoras convencionales. La solución a este problema puede estar dentro de Grasshopper, creando 81 81 Desarrollo de Estación de Impresión 3D con Arcilla para un Robot ABB IRB 4600 una capa más de información que permita distinguir los movimientos que se van a ejecutar. ─ Control RRC. Pese a haber mostrado buenos resultados tiene limitaciones por la forma en la que está diseñado, el cliente de RRC en el IRC5 recibe los puntos desde ROS en el PC y ejecuta las órdenes de RAPID necesarias para alcanzarlos. Este proceso lo realiza de manera independiente a cada punto en lugar de generar trayectorias o “Path” que permitan un movimiento más fluido al robot. Este problema es intrínseco a la arquitectura de su diseño y sería necesario una programación adicional en RAPID para modificarlo además del permiso de COMPAS FAB ya que su uso está sujeto a licencia. El equipo del FabLab de la US tiene a su disposición la herramienta necesaria para comenzar su investigación de impresión con Arcilla. Esta investigación requerirá de un proceso previo de ensayo y error para conocer los ajustes necesarios que introducir a la hora de imprimir con el material como puede ser la velocidad de impresión, la altura de capa requerida o la presión del sistema neumático. Como punto clave del proyecto se remarca la integración, desarrollar un sistema de estas capacidades requiere de un trabajo multidisciplinar en el que se enfoca el Grado de Electrónica, Robótica y Mecatrónica de la ETSI, pese a no ser los primeros en España en realizar una estación capaz de imprimir con Arcilla a través de un brazo robótico, se han investigado los caminos a seguir desde cero en un campo todavía en desarrollo y se han utilizado únicamente los recursos y estudios disponibles en el FabLab y en la US, haciéndola ser una de las pocas universidades españolas y europeas con esta herramienta disponible para la investigación y, gracias a FabLab, accesible a los estudiantes. 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