Mechanical design and construction of a device to harvest ...

Mechanical design and construction of a device to harvest and select

strawberries

Daniel Felipe Herrera-Guillen (1,a)*, Luisa María Medina-Barragán (2,a), Miguel José Delgado-Gutiérrez (3,a),

Jennifer Paola Corredor-Gómez(4,a)

a. Semillero en Agricultura de Precisión. Universidad Piloto de Colombia - Sede Bogotá, Facultad de Ingeniería,

Ingeniería Mecatrónica. Carrera 9 No. 45A - 44, Bogotá.

1. [email protected]

2. [email protected]

3. [email protected]

4. [email protected]

-Resumen- El cultivo de fresas en Colombia se encuentra

localizado en su mayor parte en Cundinamarca,

correspondiente al 53.1 % en comparación con las demás

regiones del país, a partir de esto surge la necesidad de

mejorar la producción con la ayuda de la tecnología. En este

documento se presentará el diseño mecánico de un

dispositivo recolector y clasificador de fresas. Se tuvieron en

cuenta varios parámetros para garantizar su correcto

funcionamiento; se analizó a fatiga mecánica el sistema

propuesto, Además, se realizó una selección de materiales,

por el método de Ashby, acorde a las necesidades de

funcionamiento según las condiciones de uso del prototipo.

Un tercer elemento que se tuvo en cuenta, es la selección del

proceso de fabricación, considerando que el diseño

permitiera el fácil ensamble y desensamble, la idea es tener

piezas que se puedan reemplazar fácilmente en caso de

necesitar un cambio y adicionalmente para facilitar el

mantenimiento del dispositivo. Con esta visión de diseño se

llevó a cabo la implementación del prototipo funcional.

Al realizar la evaluación del dispositivo, de las fresas en la

planta se identificó en el 100% de los casos que cumplían

con las características de madurez, sin embargo, en la fase

de recolección, sólo se cosecharon el 70% de las fresas

identificadas.

Palabras Clave: Agricultura de precisión; fresa; cosecha;

robots autónomos; diseño mecánico

Abstract— The major part of the strawberry farming in

Colombia is found in Cundinamarca, corresponding to a

53.1% in comparison with other regions of the country. For

that reason, this project was thought with the purpose of

improving strawberries production, using technology as a

basis of action. In this document, it will be introduced a

mechanical design of a device to harvest and select

strawberries. In this design, there are several parameters

that were taken into account for the correct performance of

this device. It was analyzed through mechanical

calculations to ensure no failures by fatigue or due to

bending loads. Also, the selection of materials was realized

by the method of Ashby, according to the needs of operation

is performed taking into consideration the prototype use-

time. A third element that was considered, was the selection

of the manufacture process, being thought a design that

would allow the assembly and disassembly. The idea, is to

have parts that can be replaced easily in case for the need of

a modification. With this design vision, it was carried out

the implementation of the functional prototype.

When evaluating the device, the strawberries in the

plant were identified in a 100% of the cases that met the

ripeness characteristics, however, in the gathering phase,

only the 70% of the identified strawberries were harvested.

Keywords— Precision Farming;Strawberry Harvesting

;Autonomous Robots ;Material Selection ;Process Selection.

I. INTRODUCCIÓN

El cultivo de fresas es uno de los más importantes en nuestro

país. Teniendo un alto nivel de productividad, lo cual se ve

reflejado en el aumento de exportaciones en los últimos años.

En 2014, las exportaciones cerraron en US$ 204,8 millones y

193.402 toneladas [16]. Colombia es uno de los países de mayor

producción de fresas junto con países como: Estados Unidos,

Turquía, España y Egipto [1].

A nivel nacional la producción de este cultivo está en su mayor

parte en el departamento de Cundinamarca con un 53,1%

aproximadamente, seguido por Antioquia con 29,6%, Norte de

Santander con 7,9%, Cauca con 6,6%, Boyacá con 1,3% y Valle

del Cauca con 0,6% [1].

El proyecto se enfoca en las necesidades de los cultivos a nivel

local, para procesos más rápidos en la recolección y un aumento

de la productividad. Este artículo se centra en el diseño

mecánico, que tiene como objetivo principal garantizar el buen

funcionamiento y estética del dispositivo; cumpliendo con las

especificaciones de diseño mecánico y de construcción

propuestas. Relacionados a las condiciones del terreno y el

espacio con el que se cuenta entre un surco y otro. Con esto se

busca apoyar el desarrollo de la agricultura de precisión

enfocándose en las necesidades del cultivo de fresa.

La agricultura de precisión está definida como una

‘Consecuencia de la irrupción de las TIC en la agricultura, es

decir, la manifestación de la era digital en la Producción Agraria’ [5]. En la Agricultura se tienen diferentes tecnologías

de aplicación lo cual busca la integración de la tecnología con

el campo. Trayendo grandes beneficios al aumentar el

rendimiento en algún o varios procesos de producción.

II. MATERIALES Y MÉTODOS

En el desarrollo del proyecto se tuvieron en cuenta diferentes

aspectos. En general cuando se aborda un proyecto se debe

realizar una exhaustiva investigación del problema a resolver.

Este dispositivo tiene unos parámetros generales para el diseño,

los cuales son:

- Rango para tomar la fresa.

- Ancho de la fresa

- Espacio entre los surcos del cultivo

- Tiempo de duración, entre otros.

Por tanto, se realizaron los siguientes pasos en el diseño

mecánico, con el fin de garantizar su correcto funcionamiento.

Estos se describen en la tabla 1.

Tabla 1 ‘Método para seleccionar un material.’

A. Selección de Materiales:

En el proceso de selección del material, se analizó cada sección

del dispositivo de acuerdo a su función. Dentro de las cuales se

encuentran:

-Agarre del Fruto

-Agarre al suelo ante la presencia de humedad.

-Soportar el peso generado por el dispositivo.

En cada caso se consideraron el objetivo, restricciones y

variables libres para el diseño, para establecer una función

objetivo:

𝑚 = 2√𝜋

3(𝑘

12⁄ ) (𝑙

52⁄ ) (

𝑝

𝐸1

2⁄) 𝐸𝑐. 1

En este caso cada eslabón del brazo se toma como una viga, por

tanto:

k: Rigidez de la viga

l: Longitud de la viga

p: densidad del material

E: Modulo de Young

m: masa

Partiendo de la función objetivo (Ec.1.) se escoge

adecuadamente el material de acuerdo a sus propiedades. El

índice de desempeño de la ecuación 1 se conforma de las

propiedades que caracterizan el material, que en este caso son

densidad y módulo elástico 𝑝 𝑦 𝐸.

Se requiere minimizar la densidad con el fin de que las piezas

tengan un peso y esfuerzos reducidos ya que esto genera fallas

en la estructura.

De acuerdo a esto se establecieron las siguientes restricciones.

Restricciones:

Densidad: 1 − 2𝑘𝑔

𝑚3

Módulo de Young: 2.5-4 GPa

Sin conductividad eléctrica.

Resistencia a la Corrosión

No poroso

Módulo de Young: 2.5-4 GPa

Costo Moderado 1-3

Se deje moldear al calentarlo.

Para escoger la familia del material se analizó respecto a la

figura 1. De acuerdo a esto los materiales posibles inicialmente

sería algún tipo de madera o polímero. Conforme al diseño, ya

que se diseñó piezas tridimensionales, se requería de un

material que se pudiera moldear para fabricar las únicas piezas

necesarias en el dispositivo, al tener la madera como proceso de

mecanizado más rápido el corte laser bidimensional, se descartó

como posible material a utilizar. Se seleccionó el polímero ya

que al ser utilizando en una impresora 3D, se puede realizar el

proceso aditivo el cual consiste en extruir el polímero y en base

a un modelo digital va generando capas las cuales forman un

sólido. Una vez seleccionado la familia de materiales se pasó a

Pro

ceso

de

Dis

eño

Necesidad Establecer un material que cumpla

con las condiciones de diseño del

dispositivo.

Concepto Bajo las condiciones de diseño se

analizará a profundidad la familia de

los polímeros de acuerdo a la

limitante de presupuesto, y

cumpliendo con los parámetros para

que este no falle.

Detalle -Baja densidad

-Moldeo rápido

-Dieléctrico

-Impermeable

-Fácil limpieza

P

roce

so d

e V

ida

Producción -Se realiza por medio de un

prototipado rápido, el cual permite la

construcción de formas irregulares a

un costo relativamente bajo.

Uso -Diseñado para soportar ambientes

húmedos. El cual debe ser de una

fácil higiene para no dañar el

producto (fresas) al manipularlo.

Desecho -Se busca un material biodegradable

que sea lo suficientemente resistente,

sin generar daños en el ambiente.

escoger el polímero (Figura 2). El material seleccionado es PLA

(Ácido poliláctico), de acuerdo a los cálculos descritos en la

figura 3.

Figura 1 Adaptación del libro de Diseño en Ingeniería

Mecánica [18]

Figura 2 Adaptación del libro de Diseño en Ingeniería

Mecánica [18]

Figura 3 ‘Cálculo del material’

Estableciendo el material. Se presentan los datos base de este

en la Tabla 2.

Familia Polímeros

Tipo Termoplásticos

Clase PLA

Atributos -Permite la deformación

-Biodegradable

-Menor tendencia a la deformación

- Polímero permanente e inodoro

-Es claro y brillante como el poliestireno

-Resistente a la humedad y a la grasa

Tabla 2 ‘Características del PLA’

B. Selección de Procesos:

Después de establecer el material de construcción para la

elaboración de las piezas y conociendo a la familia del material

a la cual pertenece, se procede a determinar el proceso de

fabricación por medio de la tabla 3. Investigando los diferentes

procesos de fabricación se optó por la impresión 3D ya que

ofrecía un mejor resultado de bajo costo en comparación de

otros procesos para piezas de tres dimensiones, al tener un

número reducido de piezas para la producción, ya que existen

más procesos de mecanizado de menor costo, si son aplicados

para fabricar un número elevado de piezas.

Aunque para piezas diseñadas en dos dimensiones, se decidió

fabricarlas por medio del corte laser con material acrílico, ya

que, para estas piezas no es sustentable la relación tamaño costo

de la impresión 3D y por el tiempo necesario para su

elaboración, puesto que, siendo piezas en dos dimensiones el

corte laser es mucho más rápido para su fabricación.

Tabla 3 ‘Adaptación del libro de Diseño en Ingeniería

Mecánica [18]

C. Análisis a fatiga:

Teniendo en cuenta que las fallas en el dispositivo recolector de

fresas son producto de cargas que varían con el tiempo, se

procedió hacer el análisis a fatiga. Se siguió el procedimiento

descrito por el autor Robert L Norton, en el cual para este caso

que se trabajó con un polímero, se buscó el comportamiento del

material ante una carga cíclica. Hay que tener en consideración

que, en los diferentes casos, se analizaron cada eslabón del

brazo mecánico.

Se hizo uso de la página web Switfcalcs para los cálculos a

realizar [15]. El procedimiento a seguir es el siguiente: Se tiene

diferentes coeficientes de corrección para el límite de

resistencia al límite de resistencia a la fatiga, donde cada

eslabón se toma como una viga y se procede a calcular los

factores de seguridad, teniendo en cuenta el comportamiento

del material ante carga cíclica descrito en la Tabla 4, como se

muestra a continuación:

Tabla 4 Adaptación del artículo: ‘The mechanical behavior of

poly (lactic acid) unreinforced and nanocomposite films

subjected to monotonic and fatigue loading conditions’ [3]

Cálculos mecánicos.

Figura 5. ‘Viga’

Figura 7 ‘Cálculos 1 de 3’

Me

tale

s n

o f

err

oso

s

Me

tale

s n

o f

err

oso

s

Ce

rám

ica

s

Vid

rio

s

Ela

stó

me

ros

Te

rmo

plá

stic

os

Te

rmo

est

ab

les

Po

líme

ros

de

esp

um

a

Re

sin

as

Co

mp

ue

sta

s

Moldeo por arena

Fundición a presión

Fundición de

precisión

Fundición a baja

presión

Forja

Extrusión

Conformado de

Chapa

Métodos en polvo

Electro-mecanizadoMecanizado

Convencional

Moldeo por

inyección

Moldeo por Soplado

Moldeo por

compresión

Moldeo rotacional

Termoconformado

Fundición de

polímerosMoldeo de resina

por transferencia

Devanado por

filamentos

Método extendido

Bolsa de vacío

Org

an

iza

ció

n

0

10

20

30

40

50

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

Máx

imo

esf

ue

rzo

[M

Pa]

Numero de ciclos a fatiga

.

Figura 7 ‘Cálculos 2 de 3’

Figura 5 ‘Cálculos 3 de 3’ ‘Cálculos de factor de seguridad

por esfuerzo ultimo a la tensión’

En el momento de establecer los elementos de sujeción, se tuvo

en cuenta los requerimientos en cuanto a las fuerzas ejercidas

sobre este. En el caso del tornillo se asume como una estructura

que recibe toda la fuerza en un solo punto.

El proceso del cálculo es el mostrado en la figura 8 haciendo

uso de la plataforma online Switfcalcs [15].

Figura 6 ‘Cálculo del factor de seguridad para un tornillo.’

En las pinzas del brazo se realizó los cálculos de los engranes

presentes en el mecanismo (Figura 5) De acuerdo a lo descrito

por el autor L. Norton [2]. El proceso se describe a

continuación:

Figura 7 ‘Gripper’

1. Se calcula los valores de los dientes del engranaje y

piñón.

Np Ng mG

14 14 1.21428

2. De acuerdo a lo anterior por medio de una tabla

descrita en el libro del autor L Norton [2] se

encuentran los factores geométricos.

Factor Geométrico Jp Jg

0.33 0.36

3. Factores de seguridad se describen en la siguiente

tabla.

𝐾𝑎 1.25

𝐾𝑣 0.2323

𝑘𝑚 1.6

𝑘𝑠 1

𝑘𝑖 1

𝑘𝑏 1

𝑘𝑡 1

4. Descripción del cálculo de algunos factores de

seguridad en la tabla

Cálculo del factor de seguridad 𝑄𝑣

𝐵 = 0.25(12 − 9) = 0.75 𝐸𝑐. 1

𝐴 = 50 + 56(1 + 0.75) = 1.48 𝐸𝑐. 2

𝑉𝑡 = (𝐴[𝑄𝑣 − 3])2 = 788544

Kv = (𝐴

𝐴 + √𝑉𝑡)

𝐵

= 0.2323

Se supone F < 2pulg: Km= 1.6

Factor de Vida

K𝑙 = 9.4518 ∗ 𝑁−0.148

K𝑙𝑔 = 9.4518(104)−0.148 = 2.4183

K𝑙𝑝 = 9.4518(1.214 ∗ 104)−0.148 = 2.3444

5. Se define el ancho de cara y paso diametral del engrane

F = 1

8𝑝𝑙𝑔

𝑃𝑑 = 96

6. Dado que el torque del Servo-Motor es

𝑇𝑝 = 1.56233 𝑁𝑚

W𝑡 = 2𝑃 ∗ 𝑑 ∗ 𝑇𝑝

𝑁𝑝= 21.42625𝑙𝑏𝑓

σb = 𝑊𝑡 ∗ 𝑃𝑑 ∗ 𝐾𝑎 ∗ 𝐾𝑚

𝐹 ∗ (𝐽𝑝 𝑜 𝐽𝑔) ∗ 𝐾𝑣∗ 𝐾𝑠 ∗ 𝐾𝑏 ∗ 𝐾𝑙

σ𝑏𝑝 = 23612.2256psi

σ𝑏𝑔 = 19676.85psi

𝑆𝑓𝑏𝑔 = 89477.1psi

𝑆𝑓𝑏𝑝 = 86946.3psi

Fs = 𝑆𝑓𝑏𝑔

σbg= 4.5473

Fs = 𝑆𝑓𝑏𝑝

σbp= 3.68225

El Factor de seguridad dio superior al parámetro esperado de 2,

por tanto, no se necesita iterar y cumple con las condiciones.

Figura 8 ‘Ensamble CAD del dispositivo’

El diseño del dispositivo fue pensado para que tenga una buena

movilidad por los surcos, además de tener un tamaño que sea el

adecuado para su aplicación, ya que el arbusto de fresas se

encuentra a una baja altura. La idea central del dispositivo para

realizar la clasificación, es hacerla en el momento en el cual el

brazo recolecta y deposita la fresa en una base la cual por medio

de un sensor de peso realiza una medición.

Después para el almacenamiento, se diseño el sistema de

almacenaje de las fresas, siendo una sección aparte la cual es

guiada por medio del carro principal, de forma tal que facilitara

la clasificación de las fresas en 3 divisiones (pequeño, mediano,

grande). Ya que después de realizar la clasificación por peso,

esta gira por medio de un motor que tiene la base del

contenedor, permitiendo a la fresa caer en la división

correspondiente a su peso.

Por último, gracias a un servo motor ubicado a un costado de la

base sensor, impulsa la fresa para que se deslice por un rodadero

y se almacene.

Cada sección del contenedor es independiente, lo que permite

que se puedan retirar de la base y facilita la obtención de las

fresas clasificadas.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

De acuerdo a los resultados obtenidos a partir del análisis

mecánico, el material adecuado para la construcción del

dispositivo fue PLA; el cual es un polímero biodegradable que

no genera desechos contaminantes al medio ambiente, lo que lo

hace un material adecuado para un prototipo.

Con un factor de seguridad de resistencia a la fatiga mayor a 2,

cumple con el tiempo de uso proyectado a 4 ∗ 104 ciclos.

En el desarrollo del trabajo se hace indispensable una

exhaustiva investigación, planificación para que el desarrollo lo

cual permitió llevar el proyecto hasta su implementación.

Se cumple con el factor de seguridad por medio de los cálculos,

lo cual garantiza que el mecanismo del dispositivo recolector de

fresas no fallara durante su funcionamiento en el tiempo de uso

proyectado.

El dispositivo tiene un gran punto a favor ya que es de un fácil

ensamblaje y desensamble, el cual permite el cambio de piezas

si llegasen a presentar algún fallo.

En las pruebas ejecutadas se obtuvo una eficiencia en la

detección de fresas del 100%, en cuanto al rendimiento en el

agarre alrededor del 70% en fresas obtenidas.

Teniendo en cuenta el espacio limitado en el terreno. Se optó

por dejar el almacenamiento del fruto en una sección aparte del

prototipo funcional, ya que el espacio nos permite ampliar el

dispositivo en cuanto al largo de este, más no en su ancho.

El contenedor clasificador, al ser una sección aparte del

dispositivo, garantiza una mayor facilidad para la higiene y

mayor espacio para el almacenamiento.

Figura 9 ‘Slide-berry’

IV. CONCLUSIONES

- El estudio de falla por fatiga permite asegurar que el

dispositivo no falle antes del tiempo de uso para el cual

fue pensado. Sabiendo que el material escogido fue un

polímero se tuvieron consideraciones especiales.

- Debido a que el desgaste superficial del polímero es

alto en los engranes, debido al contacto de diente

contra diente de cada pieza. Aun sabiendo esto se

trabajó con el material mencionado, porque el tiempo

de vida del prototipo es corto.

- Para el desarrollo del producto final se debe realizar la

selección de materiales de nuevo, ya que el tiempo de

uso del producto debe ser mayor.

- El dispositivo logró los requerimientos de diseño,

correspondientes al espacio y al alcance del fruto. Esto

fue debido que antes de comenzar el diseño se tuvo en

cuenta el espacio que existen en los cultivos y la altura

del fruto.

- El agarre del fruto se debe mejorar, ya que de 10 fresas

reconocidas solo pudo recolectar 7. Lo ideal es que la

eficiencia de este sea del 100%.

- El contenedor se optó de forma circular debido a que

se aprovechaba mejor el espacio y la distribución de

los comportamientos es equitativa.

V. TRABAJO FUTURO

Es un prototipo funcional, que se puede escalar para

implementar en campo abierto, con lo cual se busca potenciar

el rendimiento del cultivo de fresa en la región. Como cualquier

dispositivo se puede seguir mejorando, la idea es hacer el

sistema cada vez más eficiente optimizando los tiempos de

respuesta, en torno al agarre se pensara en adecuar un sistema

de corte, con el fin de no dañar la planta.

Para el desarrollo del producto final se requiere buscar

financiación. Para adecuar el dispositivo a las condiciones de

un terreno a campo abierto, debido a que el terreno puede llegar

a ocasionar problemas de movilidad, ya sea por atasco de las

llantas o por falta de fuerza; en este orden de ideas se debe

pensar en cambiar los motorreductores ubicados en las llantas

del dispositivo, garantizando la movilidad en el terreno.

El dispositivo es parcialmente resistente al agua, sin embargo,

se requiere cambiar el material empleado por uno que sea

resistente al agua, y no presente tanta porosidad, como lo son

los polímeros, debido a que se presta para la proliferación de

microorganismos por su alta degradación.

Se tiene bastante potencial, ya que el proyecto se puede adecuar

a otro tipo de cultivos, que presente condiciones similares al de

fresa, como que sea un tipo de arbusto y que los frutos se den

en una distancia cerca al suelo.

El proyecto se pensó a nivel local, pero esto no impide aplicarlo

en otros contextos para que tengan una alta producción de

diferentes cultivos, en este caso se debe rediseñar el dispositivo

paras las condiciones y requerimientos en cada lugar.

VI. REFERENCIAS

[1] “Manual técnico del cultivo de fresa bajo buenas prácticas agrícolas”, Francisco Vélez (Litografía). Sena, Antioquia la más educada. Gobernación de Antioquia, Secretaria de agricultura y desarrollo rural. Medellín, Colombia, 2014.

[2] Robert L.Norton. “Diseño de Maquinas”, Cuarta Edición, Pearson Educación, México, 2011, ISBN: 978-607-32-0589-4.

[3] Rodney D. Averett1, Mary L. Realff, Karl Jacob, Mukerrem Cakmak and Baris Yalcin. The mechanical behavior of poly(lactic acid) unreinforced and nanocomposite films subjected to monotonic and fatigue loading conditions.2011

[4] The mechanical behavior of poly(lactic acid) unreinforced and nanocomposite films subjected to monotonic and fatigue loading conditions. Rodney D. Averett, Mary L. Realff, Karl Jacob, Mukerrem Cakmak3 and Baris Yalcin. 2011

[5] Consultado el 14 de septiembre del 2016. Disponibe en intertnet en: http://www.revistaambienta.es/WebAmbienta/marm/Dinamicas/secciones/articulos/AP.htm

[6] Polylactic Acid PLA Biopolymer Technology and Applications. First edition 2012. ISBN: 978-1-4377-4459-0

[7] Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plast. Xiuzhi Susan Sun.

[8] Handbook of biopolymers and biodegradable plastics properties, processing, and applications. Sina Ebnesajjad, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UK 225 Wyman Street, Waltham, MA 02451, USA. First published 2013

[9] Peek biomaterials handbook. Steven M. Kurtz. First edition 2012.

[10] E GArcía y F Flego. ‘Agricultura de precisión’Alumnos Universidad de Palermo.

[11] PLA. ‘Fatigue Property and Mechanism of Uniderectional Jute Spun Yarn Reinforced PLA’Hidekai KAtogui, Yashinobu Shimamura, Keiichiro Tohgo and Tomoyuki Fujii. Octubre 6 2010

[12] Zaleha Binti Mustafa. ‘Multiaxial fatigue characterization of self-reinforced polylactic acidcalcium phosphate composite’ Biomedical Engineering Division School of Engineering College of Science and Engineering University of Glasgow Octubre 2012

[13] Evandro Chartuni Mantovani, Carlos Magdalena. Manual de Agricultura de Precisión. IICA.

[14] James C. Gerdeen, PhD, PE y Ronald A. L. Rorrer, PhD, PE Engineering Design with Polymers and Composites. Segunda Edición. 2012.

[15] Consultado 8 de Noviembre del 2015. Dispobible en Internet: https://www.swiftcalcs.com/

[16] Consultado 18 de Noviembre del 2016. Dispobible en Internet: http://www.dinero.com/pais/articulo/exportaciones-colombianas-fruta/209741

[17] Consultado 18 de Noviembre del 2016. Dispobible en Internet:

http://www.materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/stiffness-cost/basic.html

[18] Richar G.Budynas y J. Keith Nisbett. ‘Diseño en Ingeniería mecánica’ Octava Edición . McGraw-Hill . México 2008 ISBN-10: 970-10-6404-6