Bau eines Open-Source-Arms. Der Greifer

Ich möchte einige Details dazu teilen, wie die Entwicklung unseres erschwinglichen Manipulators voranschreitet. Aktuell bereiten wir uns intensiv auf die Montagephase des ersten Prototyps des Roboterarms vor.

Wir haben uns ein recht ehrgeiziges Ziel gesetzt: Spezifikationen zu erreichen, die mit führenden Forschungsmanipulatoren vergleichbar sind — 650 mm Länge, 7 Freiheitsgrade, bis zu 3 kg Traglast und eine Positioniergenauigkeit innerhalb von 1 mm. Alle Quelldateien und Entwicklungen werden öffentlich zugänglich gemacht — oder fast alle, je nach Umfang der Unterstützung, die wir von der Robotik-Community erhalten.

Was ist ein Greifer

Das Erste, was wir teilen möchten, ist der Greifer.

Beschreibung: Ein Greifer ist ein mechanisches oder robotisches Gerät, das zum Greifen, Halten, Manipulieren oder Transportieren von Objekten dient. Er fungiert als „Hand“ bzw. Endeffektor eines Roboterarms oder Automatisierungssystems und ermöglicht es dem Roboter, durch Greifen und Loslassen mit der physischen Welt zu interagieren.

Der Greifer ist als Open Source auf GitHub verfügbar.

Wir haben viele Konstruktionsvarianten für den Greifer geprüft und uns letztlich für einen Mechanismus mit parallelen Backen entschieden. Die Kriterien, nach denen wir die Konstruktion auswählten, waren:

• Einfachheit der Konstruktion
• Fähigkeit, runde Objekte zu greifen
• Fähigkeit, flache Objekte von einer Tischplatte aufzunehmen
• Minimaler Einsatz von Servos
• Kosten und Zuverlässigkeit der Konstruktion

Greifer mit einer drehbaren Backe

Eine der wohl einfachsten Greiferkonstruktionen, auf die wir gestoßen sind — der Greifer mit einer drehbaren Backe —, ist eine Anordnung, bei der eine Backe feststeht und die andere direkt auf der Welle eines Servomotors montiert ist.

Greifer mit einer drehbaren Backe (3D-Ansicht)

1. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Vorderkante der beweglichen Backe einer Kreisbahn folgt. Wenn wir also ein kleines Objekt mit den Spitzen des Greifers fassen wollen, müssen wir berücksichtigen, dass das Objekt beim Schließen entlang dieser Bogenbahn positioniert sein muss.
2. Ein zweiter Nachteil ist, dass — da sich nur eine Backe bewegt — die maximale Breite des greifbaren Objekts durch den Verfahrweg dieser einzelnen beweglichen Backe begrenzt wird. Um dasselbe Volumen wie ein Parallelgreifer zu fassen, müssen die Backen deutlich länger sein.
   

   Vergleich der Backenlänge. Greifer mit einer drehbaren Backe gegenüber Parallelgreifer

3. Der dritte Nachteil ist, dass diese Art von Greifer asymmetrisch ist, das heißt, der Schwerpunkt ist stets zur beweglichen Seite verschoben.

Unter Berücksichtigung all dieser Nachteile des Greifers mit einer drehbaren Backe haben wir uns entschieden, stattdessen symmetrische Parallelgreifer-Konstruktionen zu untersuchen.

Parallelgreifer mit Viergelenk gegenüber gewöhnlichem Parallelgreifer

Das Bild oben zeigt zwei Varianten eines Greifers mit parallelen Backen, die einen einzigen Servomotor nutzen. Der Parallelgreifer mit Viergelenk, bei dem sich die Backen unter einem Winkel öffnen, erweist sich hinsichtlich der Anzahl der Teile und der Gesamtgröße als deutlich komplexer.

Wir hätten diese Konstruktion weiter optimieren können, entschieden aber, dass ein Parallelgreifer einfacher zu montieren und daher auch günstiger zu fertigen ist.

Kurbelschwingen-Mechanismus

Die nächste wichtige Frage war die Wahl des Verschiebemechanismus. Die erste vom Ingenieur vorgeschlagene Variante war der Kurbelschwingen-Mechanismus. Ein erheblicher Nachteil dieser Greiferkonstruktion ist ihre Bauhöhe. Sind die Greiferbacken kürzer als die Höhe des Verschiebemechanismus, behindert der untere Teil das Aufnehmen von Objekten von flachen Oberflächen und schränkt das Greifen besonders flacher Gegenstände ein. Machen wir die Backen zum Ausgleich höher, wird der Greifer ziemlich sperrig.

Deshalb gingen wir dazu über, den Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus des Greifers zu betrachten.

Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus des Greifers

Auf diesem Bild haben wir die Schwinge durch einen Zahnstangenmechanismus ersetzt. Man sieht auch, wie viel mehr freier Raum im Vergleich zur vorherigen Version gewonnen wurde.

Im nächsten Schritt fügte der Ingenieur Anschläge hinzu und verringerte die Höhe der Baugruppe.

Einer der verbleibenden Nachteile der aktuellen Konstruktion sind die sogenannten „Ohren“: Wenn der Arm in relativ enge Räume hineinreichen muss, können diese Fortsätze die Manövrierfähigkeit erheblich einschränken. Das kann auch beim Arbeiten in der Nähe flacher Oberflächen zum Problem werden, wenn sich der Greifer um seine Achse drehen muss.

Tiefenkamera

Der Greifer wird in Kombination mit einer Tiefenkamera eingesetzt, und im nächsten Schritt wurde eine Montageplatte zur Befestigung der Kamera hinzugefügt.

Die Kamera ist in einem Winkel von 45 Grad angeordnet, um das größtmögliche Arbeitssichtfeld zu erreichen. Sie wird von einem auf maschinellem Lernen basierenden Steuerungsmodell genutzt, um die Abmessungen des zu greifenden Objekts, die erforderliche Greifkraft und die nötige Backenöffnung genau zu bestimmen. Sie ist der einzige am Greifer installierte Sensor.

An diesem Punkt haben wir die weitere Konstruktionsarbeit pausiert und sind zur Montage des Prototyps übergegangen, um praktische Probleme der aktuellen Konstruktion zu erkennen. Ein Teil der Komponenten wurde bei AliExpress bestellt.

Stückliste

Elektronische Komponenten

Position	Beschreibung	Menge	Lieferantenlink	Preis	Anmerkungen
ST3215 Servo	Waveshare Servo Motor STS3215	1	Amazon – Waveshare STS3215 Servo	$28.99	Hochpräziser Bus-Servo mit Rückmeldung
Bus Servo Adapter	Waveshare Bus Servo Adapter Board	1	Amazon – Bus Servo Adapter A	$10.99	Kommunikationsschnittstelle TTL/RS485

Mechanische Komponenten

Position	Beschreibung	Menge	Lieferantenlink	Preis	Anmerkungen
MR106ZZ	Kugellager 10×6×3 mm	2	Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs)	$5.49 (10pcs)	Gekapselt, vorgeschmiert
LM6UU	Linearlager 6×12×19 mm	4	Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs)	$8.99 (4pcs)	Für gleichmäßige Linearbewegung

Rods

Position	Beschreibung	Menge	Lieferantenlink	Preis	Anmerkungen
Steel Rod	Edelstahlstange 6 mm × 150 mm	2	Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs)	$8.39 (5pcs)	Hohe Präzision, korrosionsbeständig

3D-Printed Parts

Part Number	Beschreibung	Menge	Material	Druckeinstellungen
RB9.01.060.010	Hauptrahmen	1	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.020	Klemme	2	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.030	Zahnstange	2	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill
RB9.01.060.040	Antriebszahnrad	1	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill

Hinweise zum 3D-Druck

• Material: PLA für das Prototyping empfohlen, PETG für den Serieneinsatz
• Schichthöhe: 0,15–0,2 mm für optimale Oberflächengüte
• Füllung: Für Zahnräder wird eine höhere Füllung (30 %) empfohlen, um die Festigkeit zu gewährleisten
• Stützstrukturen: Können je nach Druckausrichtung erforderlich sein
• Nachbearbeitung: Für Lagersitze kann leichtes Schleifen erforderlich sein

Schrauben

Position	Beschreibung	Menge	Norm	Preis	Anmerkungen
M3×10	Senkkopfschraube	4	Amazon – M3×10 Senkkopfschraubes	$6.39 (100pcs)	Zur Befestigung der Zahnstange
M3×20	Senkkopfschraube	4	Amazon – M3×20 Senkkopfschraubes	$6.99 (100pcs)	Zur Befestigung der Klemme an der Stange
M4×8	Senkkopfschraube	2	Amazon – M4×8 Senkkopfschraubes	$9.99 (100pcs)	Zur Lagersicherung des Hauptrahmens

Muttern

Position	Beschreibung	Menge	Norm	Preis	Anmerkungen
M3	Sechskantmutter	4	Amazon – M3 Sechskantmutters	$5.99 (100pcs)	Für die Klemmenmontage

Servo-Befestigungsmaterial

Position	Beschreibung	Menge	Quelle	Preis	Anmerkungen
Blechschrauben	Befestigungsschrauben für den Servo	4	Servo-Set	Im Lieferumfang	Im Lieferumfang des STS3215
Servo-Scheibe	Abtriebswellen-Adapter	1	Servo-Set	Im Lieferumfang	Im Lieferumfang des STS3215
Befestigungsschraube	Schraube zur Scheibensicherung	1	Servo-Set	Im Lieferumfang	Im Lieferumfang des STS3215

Kostenschätzung

Category	Geschätzte Kosten (USD)
Elektronische Komponenten	$39.98
Mechanische Komponenten	$22.87
Materialien für den 3D-Druck	$5-10
Befestigungselemente	$1.60 (approximate)
Gesamt	$69.45-74.45

Kosten basieren auf den Amazon-Preisen zum aktuellen Stand — 6. Juni 2025. Großmengen bieten erhebliche Einsparungen bei Befestigungselementen.

Montage

Montage guide:
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms/blob/main/docs/assembly-guide.md

Bei der Montage der ersten Version gab es ein Problem beim Drucken einer der Greiferbacken, daher wurde der erste Test nur mit einer Backe durchgeführt.

Einige Tage später traf die zweite Backe ein, und wir konnten einen vollständigen Test durchführen.

Der Ingenieur fügte Silikonauflagen für besseren Halt an Objekten hinzu. Genau diese erste Version wurde als Open Source auf unserem GitHub veröffentlicht:
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms

Rückmeldungen aus der Community

Hadassah Freedman:
„Mich würde interessieren, ob ihr bedacht habt, wie die Konstruktion mit höheren Lasten umgeht, insbesondere im Bereich des Zahnstangenfußes und der Backendrehpunkte. Möglicherweise würden Rundungen an diesen Stellen helfen, Spannungskonzentrationen zu verringern und ein Delaminieren bei FDM-Drucken zu vermeiden, sodass die Konstruktion über längere Zeiträume und häufiger schwerere Lasten tragen könnte. Ich sehe, dass der Zahnstangenfuß eine ordentliche Wandstärke hat, aber keine klaren Rundungen am Übergang zu den senkrechten Zahnflanken aufweist, was ein Spannungskonzentrator sein kann; auch an den Backendrehpunkten sind keine sichtbaren Rundungen vorhanden, die die Lastpfade von den Drehbolzen in die Seitenwände glätten würden. Ich wäre gespannt, mehr über die Leistungsfähigkeit zu erfahren.“

Joy Kariya:
„Ich habe das Repository durchgesehen und habe einen Vorschlag: Warum integriert ihr nicht auf beiden Seiten des Greifers Endschalter, sodass er statt einer Zeitverzögerung abschaltet, sobald das Objekt gegriffen wurde? So könnte er auch kleine Objekte fassen.“