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1. Introducción
La pinza de sujeción es un dispositivo mecánico fundamental en el área de la automatización industrial y la robótica [1]. El objetivo de las pinzas de sujeción ha sido sustituir a las manos humanas en tareas complejas. También, están diseñados para trabajos pesados y repetitivos, así como tareas peligrosas y aburridas para el ser humano [2, 3]. Las pinzas de sujeción se pueden clasificar en varias categorías, entre ellas las mecánicas.
Algunas pinzas de sujeción cuentan con múltiples dedos articulados que les permiten manipular objetos de diversas formas y tamaños con mayor destreza y precisión [4, 5]. Por ejemplo, la pinza de sujeción de 3 dedos se adapta a diferentes formas, ofreciendo versatilidad en aplicaciones industriales y de investigación. Las pinzas de sujeción de dedos de vacío o succión incluyen pinzas de vacío y pinzas magnéticas. Las pinzas de sujeción de vacío toman objetos aplicando una diferencia de presión y son especialmente útiles en la industria alimentaria y de empaquetado, donde la delicadeza es clave para evitar daños en productos frágiles o de forma irregular [6-8].
También, las pinzas de sujeción se diferencian entre convencionales rígidas y aquellas que son blandas según la rigidez del material. Las pinzas de sujeción rígidas se diseñan a partir de partes rígidas del cuerpo [9, 10]. Las pinzas sujetan los objetos mediante el principio del mecanismo. A diferencia de las pinzas rígidas tradicionales, las pinzas blandas tienen un cuerpo inherentemente flexible y están compuestas de material extensible o blando [11, 12]. Algunas de las pinzas de sujeción blandas proporcionan mayor flexibilidad, la capacidad de sujetar superficies curvas complicadas y de mover objetos delicados o bien para condiciones operativas, sin embargo, su técnica de preparación es compleja y su fabricación es laboriosa [13, 14].
Actualmente, para satisfacer las crecientes demandas de automatización, las investigaciones abarcan múltiples disciplinas, incluidas la ingeniería mecánica, los sistemas de control, la robótica y la inteligencia artificial [15, 16]. La industria de la automatización es una de las áreas destacadas centradas en el desarrollo y la mejora de los manipuladores robóticos, en particular las pinzas de sujeción que interactúan directamente con los objetos [17].
Dentro de la disciplina de ingeniería mecánica, el uso de análisis por elementos finitos (FEA) proporciona resultados sobre la estructura de la pinza de sujeción [18]. El FEA permite simular y analizar las tensiones, deformaciones y otras propiedades físicas en estructuras complejas con un alto grado de detalle. La precisión conlleva un costo en términos de tiempo y recursos computacionales. El proceso de modelado y simulación puede ser considerablemente más largo que otros métodos analíticos o aproximados [19, 20].
De acuerdo con [21] el FEA se ha utilizado en la industria para evaluar la fuerza de agarre y el perfil de flexión de la pinza de sujeción al interactuar con objetos de diferentes formas. Mediante FEA ha sido posible diseñar la pinza de sujeción que son capaces de adaptarse a diferentes formas. Además, la simulación de elementos finitos permite diseñar piezas con materiales blandos y duros, capaces de hacer la operación deseada [22, 23].
También en las pinzas de sujeción se incluye en el diseño su peso, rigidez del cuerpo, naturaleza del material, geometría, dimensiones, estado, posición, orientación, superficies de contacto y fuerzas que actúan sobre el objeto que sostienen [24-26]. La elección de la cantidad de dedos en las pinzas de sujeción constituye un elemento clave en el análisis y la etapa de diseño [27, 28]. La correcta elección de material y cantidad de dedos es directamente proporcional a la efectividad en el desarrollo de la operación deseada. Por otro lado, de acuerdo con [29] el diseño de las pinzas de sujeción considera solo el peso y fuerza, sin embargo, en este estudio se centró en la distribución de los dedos y el material, así como las cantidades mínimas de material sin perder la función de tomar objetos. En [30] demostró que la cantidad de material es importante sin embargo dentro de la consideración de fabricación existen altas probabilidad de desperfectos con respecto a geometrías complejas. Además, en [19] se establece un estudio detallado del diseño de una pinza de sujeción mediante el desarrollo de un modelo geométrico para determinar la relación de coordenadas de la articulación. El objetivo de este trabajo es analizar estructuralmente una pinza de sujeción variando la cantidad de dedos de 2, 3 y 4 para determinar la estructura final y optimización del material.
2. Metodología
2.1 Modelo físico
En las Figuras 1 a), b) y c) se presentan las geometrías que representan al modelo físico de una pinza de sujeción el cual que fue tomado del diseño hecho por [31] y [32]. El mecanismo es basado en la forma de los dedos humanos. La forma permite asimilar que cada sección de la pinza de sujeción se representa por falanges, los cuales cumplen con el agarre y traslado de objetos. Las variaciones de la pinza de sujeción que se consideraron en los distintos análisis fueron el número de dedos, el cual varió de 2 a 4. En todas las configuraciones de la pinza de sujeción se utilizaron las siguientes medidas: 16.7 cm de altura y 15.63 cm de ancho. El material utilizado para los 3 tipos de la pinza de sujeción fue ácido poli (láctico) (PLC) cuyas propiedades se observan en la Tabla 1.
Tabla 1 Propiedades del material PLA
| Propiedad | Valor |
| Densidad | 1.25 g/cm3 |
| Módulo de Yong | 2.93 GPa |
| Poisson | 0.4 |
| Resistencia a la fluencia | 60 MPa |
2.2 Mallado
El elemento debe tener un tamaño lo suficientemente pequeño para garantizar la precisión de la solución. Sin embargo, el tiempo de solución aumenta con los elementos de menor tamaño [33]. El tamaño del elemento promedio de la pinza de sujeción representado en las Figuras 2 a), b) y c) fue de 0.0274 mm, los componentes tridimensionales se construyeron con elementos hexaédricos [34, 35]. El mallado de la pinza de sujeción de dos, tres y cuatro dedos se generó mediante un parámetro permitido dentro de la limitante de licencia estudiantil del ANSYS 2024 R1. La cantidad de elementos totales para la generación de la malla de 2 dedos fue de 56936, mientras que para la de 3 dedos fue de 55450 elementos y la de 4 dedos fue de 60803 elementos. La forma del mallado se puede apreciar en las Figuras 2a) - c) .
2.3 Condiciones de frontera
Las condiciones de frontera en la pinza de sujeción para dos, tres y cuatro dedos se muestran en las Figuras 3 a), 3 b) y 3 c). La región fija está localizada en la parte superior denominada base de la tapa de la pinza de sujeción, mientras que las fuerzas aplicadas se encuentran a lo largo de los dedos o falanges. Los valores de fuerza de sujeción fueron tomados de [36]. Los valores de fuerza fueron de 18.75, 25 y 37.5 N para la pinza de sujeción de 4, 3 y 2 dedos, respectivamente.
Mientras que los valores de las fuerzas de fricción para 4, 3 y 2 dedos fueron de 3 N, 4 N y 6N, respectivamente. Y los valores para las falanges fueron de 0.125 N para 4 dedos, 0.17 N para 3 dedos y 0.25 N para 2 dedos.
3. Resultados
3.1 Deformación
Se generó el análisis estático estructural considerando solo las fuerzas mencionadas en condiciones de trabajo para la pinza de sujeción de 4, 3 y 2 dedos. El análisis estático reveló los resultados de deformación total y el esfuerzo equivalente. Como se puede observar en la Figura 4 a), para la pinza de sujeción de 2 dedos la deformación máxima se presenta en el extremo de la falange 1 con un valor de 2.4205 mm, mientras que la deformación mínima se presenta en la zona de la tapa de la pinza de sujeción. Los casos de 3 y 4 dedos presentan la pinza de sujeción en las deformaciones mínimas en el mismo lugar. Los valores de deformación máxima fueron de 1.6675 mm para la pinza de sujeción de 3 dedos y 0.34421 mm para el de 4 dedos como se aprecia en las Figuras 4 b) y 4 c) .
Los valores de la deformación elástica se presentan en la falange 2, que presenta la mayor deformación elástica en la pinza de sujeción de 2 y 3 dedos con valores de 0.013 mm y 0.0103 mm como se puede apreciar en las Figuras 5 a) y 5b). Mientras que la pinza de sujeción de 4 dedos presenta la deformación elástica máxima en la falange 3, como se muestra en Figura 5 c). Por otro lado, la deformación elástica mínima se presenta en la falange1 en los tres casos como se aprecia en las Figuras 5 a) - c).
Para el factor de seguridad se tomó el valor de resistencia a la fluencia de 60 MPa establecida en el material PLA. La pinza de sujeción de 2 dos dedos presenta un valor de esfuerzo en la geometría de 29.25 MPa por lo que el valor de factor de seguridad en la geometría es de 2.05 como se observa en la Figura 6 a) . Para la pinza de sujeción de 3 dedos se tiene un valor de esfuerzo de Von-Mises de 20.71 MPa y un factor de seguridad de 2.89 de acuerdo con resultados mostrados en la Figura 6b). La pinza de sujeción de 4 dedos presentó menos valor de esfuerzo de Von-Mises en la geometría de 4.58 MPa y el factor de seguridad 13.07 indicando una mayor resistencia a la falla presentada en la Figura 6 c).
3.2 Optimización Topológica
La optimización topológica consiste en eliminar la mayor cantidad de material y aligerar el mecanismo, dependiendo de las regiones donde se presenten los menores valores de esfuerzo, porque se consideran algunas piezas algo más pesadas o voluminosas [35][36].
Se observa en la Figura 7 a) la pinza de sujeción de dos dedos que sufre una mayor disminución de material en regiones de la base de la tapa y la falange 1. En la Figura 7 b) se presentan los resultados de los porcentajes de la pérdida de material de 12 % equivalente a una pérdida de material de 0.14 kg.
En la Figura 8 (a) la garra mecánica de tres dedos presenta una pérdida de masa de hasta 0.17549567 kg.
Para la garra mecánica de cuatro dedos se determinó que la mayor pérdida de masa corresponde a 0.19644729 kg generando la capacidad máxima de disminución de masa correspondiente a 20%, los valores se pueden apreciar en la Figura 9 b).
La pérdida de material corresponde a un 15%, se puede apreciar las zonas con mayor perdida en la Figura 8 (b) .
Mientras que en la Figura 9 a) las zonas con mayor pérdida se presentan en la base de la tapa.
4. Discusiones
En el estudio se obtuvo el análisis de la estructura de una pinza de sujeción variando la cantidad de dedos para determinar una estructura que sujete objetos sin presentar deformación, esfuerzos totales que comprometan la estructura y manteniendo un factor de seguridad de 2. La pinza de sujeción presentó mayores esfuerzos en la zona de las falanges coincidiendo con el trabajo de [37] donde evalúa la rigidez de la pinza de dos dedos y la optimización de la masa. Sin embargo, el análisis estructural de 3 y 4 dedos y el análisis numérico muestran ventajas significativas como la distribución de esfuerzos entre los dedos y la deformación elástica mínima.
Por otro lado, la cantidad de dedos en las pinzas manipuladoras reduce la manipulabilidad debido a que pueden presentar un gran peso y volumen. Por lo tanto, la evaluación de la reducción de la cantidad de material en cada uno de los diferentes diseños de 2, 3 y 4 dedos presentaron pérdidas de material sin cambiar su forma; donde, la evaluación mostró que la masa se redujo hasta el 20% al igual que en los trabajos [27] y [28]. Además, se debe considerar que la topología de optimización del material no debe sobrepasar más del 25 % de la pérdida de su masa para que la rigidez tienda a ser estable. En cambio, el trabajo presentado por [29] sugiere que al disminuir la cantidad de masa puede presentar una alta probabilidad de defectos en el proceso de manufactura.
5. Conclusiones
En el presente artículo se desarrolló un análisis numérico utilizando el método de elementos finitos para evaluar el comportamiento mecánico y la optimización de material de para la pinza de sujeción de 2, 3 y 4 dedos. De los resultados puede concluir lo siguiente:
Se logró una reducción hasta el 20% de material en zonas de bajo estrés (soporte de base y falange 1), optimizando la distribución sin comprometer la funcionalidad de sujeción de objetos.
Con respecto a la deformación elástica, la pinza de sujeción de 4 dedos presentó la menor deformación con valores de 0.34421 mm localizada en la falange 3. Mientras que en la pinza de sujeción de 2 y 3 dedos mostraron deformación máxima en la falange 2.
De acuerdo con los esfuerzos de Von-Mises, la pinza de sujeción de 2 dedos registró el mayor esfuerzo de 29.25 MPa en la falange 2, mientras que el de 4 dedos tuvo el menor valor de 4.58 MPa en la falange 3, evidenciando mejor distribución de cargas.
