Construyendo un brazo de código abierto. La pinza

Quiero compartir algunos detalles sobre cómo avanza el desarrollo de nuestro manipulador asequible. Ahora mismo, nos estamos preparando activamente para la fase de montaje del primer prototipo del brazo robótico.

Nos hemos fijado un objetivo bastante ambicioso: alcanzar especificaciones comparables a las de los principales manipuladores de nivel de investigación: 650 mm de longitud, 7 grados de libertad, capacidad de carga de hasta 3 kg y precisión de posicionamiento dentro de 1 mm. Todos los archivos fuente y desarrollos se publicarán de forma abierta —o casi todos, según el nivel de apoyo que recibamos de la comunidad de robótica—.

Qué es una pinza

Lo primero que estamos listos para compartir es la pinza.

Descripción: Una pinza es un dispositivo mecánico o robótico diseñado para agarrar, sujetar, manipular o transportar objetos. Actúa como la «mano» o efector final de un brazo robótico o sistema de automatización, permitiendo que el robot interactúe con el mundo físico al sujetar y soltar objetos.

La pinza está disponible como código abierto en GitHub.

Consideramos muchas opciones de diseño para la pinza y finalmente elegimos un mecanismo de mordazas paralelas. Los criterios que usamos para seleccionar el diseño fueron:

• Sencillez de construcción
• Capacidad de agarrar objetos redondos
• Capacidad de recoger objetos planos de una mesa
• Uso mínimo de servos
• Coste y fiabilidad del diseño

Pinza giratoria de una sola mordaza

Probablemente uno de los diseños de pinza más sencillos que encontramos —la pinza giratoria de una sola mordaza— es una configuración en la que una mordaza es fija y la otra se monta directamente en el eje de un servomotor.

Pinza giratoria de una sola mordaza (vista 3D)

1. La desventaja de esta solución es que el borde frontal de la mordaza móvil describe un arco. Por tanto, si necesitamos agarrar un objeto pequeño con las puntas de la pinza, debemos tener en cuenta que el objeto debe situarse a lo largo de esa trayectoria en arco durante el cierre.
2. Un segundo inconveniente es que, como solo se mueve una mordaza, el ancho máximo del objeto que se puede agarrar está limitado por el recorrido de esa única mordaza móvil. Para agarrar el mismo volumen que una pinza paralela, las mordazas deben ser bastante más largas.
   

   Comparación de la longitud de las mordazas. Pinza giratoria de una sola mordaza frente a pinza paralela

3. El tercer inconveniente es que este tipo de pinza es asimétrico, lo que significa que el centro de masa siempre está desplazado hacia el lado móvil.

Teniendo en cuenta todos estos inconvenientes de la pinza giratoria de una sola mordaza, decidimos explorar en su lugar diseños de pinza paralela simétrica.

Pinza paralela de cuadrilátero articulado frente a pinza paralela

La imagen anterior muestra dos versiones de una pinza de mordazas paralelas con un solo servomotor. La pinza paralela de cuadrilátero articulado, en la que las mordazas se abren en ángulo, resulta notablemente más compleja en cuanto al número de piezas y al tamaño total.

Podríamos haber seguido optimizando ese diseño, pero decidimos que una pinza paralela es más sencilla de montar y, por tanto, también más barata de fabricar.

Mecanismo de manivela-balancín

La siguiente cuestión importante fue la elección del mecanismo de deslizamiento. La primera opción propuesta por el ingeniero fue el mecanismo de manivela-balancín. Un inconveniente importante de este diseño de pinza es su altura. Si las mordazas son más cortas que la altura del mecanismo de deslizamiento, la parte inferior obstruirá la recogida de objetos de superficies planas, limitando la capacidad de agarrar objetos especialmente planos. Si hacemos las mordazas más altas para compensar, la pinza se vuelve bastante voluminosa.

Por eso pasamos a considerar el mecanismo de pinza de piñón y cremallera.

Mecanismo de pinza de piñón y cremallera

En esta imagen, sustituimos el balancín por un mecanismo de cremallera. También se ve cuánto espacio libre se ganó en comparación con la versión anterior.

En la siguiente fase, el ingeniero añadió topes y redujo la altura del conjunto.

Uno de los inconvenientes que quedan del diseño actual son las llamadas «orejas»: cuando el brazo necesita acceder a espacios relativamente estrechos, estas prolongaciones pueden limitar notablemente la maniobrabilidad. Esto también puede ser un problema al trabajar cerca de superficies planas si la pinza necesita girar sobre su eje.

Cámara de profundidad

La pinza se usa en combinación con una cámara de profundidad y, en la siguiente fase, se añadió una placa de montaje para fijar la cámara.

La cámara se coloca en un ángulo de 45 grados para lograr el campo de visión de trabajo más amplio posible. La utiliza un modelo de control basado en aprendizaje automático para determinar con precisión las dimensiones del objeto que se va a agarrar, la fuerza de agarre necesaria y la apertura de mordazas requerida. Es el único sensor instalado en la pinza.

En este punto, hemos pausado el trabajo de diseño y pasamos a montar el prototipo para detectar cualquier problema práctico del diseño actual. Algunos de los componentes se pidieron en AliExpress.

Lista de materiales

Componentes electrónicos

Artículo	Descripción	Cant.	Enlace del proveedor	Precio	Notas
ST3215 Servo	Waveshare Servo Motor STS3215	1	Amazon – Waveshare STS3215 Servo	$28.99	Servo de bus de alta precisión con retroalimentación
Bus Servo Adapter	Waveshare Bus Servo Adapter Board	1	Amazon – Bus Servo Adapter A	$10.99	Interfaz de comunicación TTL/RS485

Componentes mecánicos

Artículo	Descripción	Cant.	Enlace del proveedor	Precio	Notas
MR106ZZ	Rodamiento de bolas 10×6×3 mm	2	Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs)	$5.49 (10pcs)	Blindado, prelubricado
LM6UU	Rodamiento lineal 6×12×19 mm	4	Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs)	$8.99 (4pcs)	Para un movimiento lineal suave

Rods

Artículo	Descripción	Cant.	Enlace del proveedor	Precio	Notas
Steel Rod	Varilla de acero inoxidable 6 mm × 150 mm	2	Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs)	$8.39 (5pcs)	Alta precisión, resistente a la corrosión

3D-Printed Parts

Part Number	Descripción	Cant.	Material	Ajustes de impresión
RB9.01.060.010	Bastidor principal	1	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.020	Abrazadera	2	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.030	Cremallera	2	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill
RB9.01.060.040	Piñón motriz	1	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill

Notas de impresión 3D

• Material: PLA recomendado para prototipos, PETG para uso de producción
• Altura de capa: 0,15-0,2 mm para un acabado superficial óptimo
• Relleno: se recomienda un relleno mayor (30 %) para los engranajes a fin de garantizar la resistencia
• Soportes: pueden ser necesarios según la orientación de impresión
• Posprocesado: puede ser necesario un lijado ligero para los ajustes de los rodamientos

Tornillos

Artículo	Descripción	Cant.	Estándar	Precio	Notas
M3×10	Tornillo de cabeza avellanada	4	Amazon – M3×10 Tornillo de cabeza avellanadas	$6.39 (100pcs)	Para fijar la cremallera
M3×20	Tornillo de cabeza avellanada	4	Amazon – M3×20 Tornillo de cabeza avellanadas	$6.99 (100pcs)	Para fijar la abrazadera a la varilla
M4×8	Tornillo de cabeza avellanada	2	Amazon – M4×8 Tornillo de cabeza avellanadas	$9.99 (100pcs)	Para retener el rodamiento del bastidor principal

Tuercas

Artículo	Descripción	Cant.	Estándar	Precio	Notas
M3	Tuerca hexagonal	4	Amazon – M3 Tuerca hexagonals	$5.99 (100pcs)	Para el montaje de la abrazadera

Herrajes del servo

Artículo	Descripción	Cant.	Fuente	Precio	Notas
Tornillos autorroscantes	Tornillos de montaje del servo	4	Kit del servo	Incluido	Incluido con el STS3215
Disco del servo	Adaptador del eje de salida	1	Kit del servo	Incluido	Incluido con el STS3215
Tornillo de montaje	Tornillo de retención del disco	1	Kit del servo	Incluido	Incluido con el STS3215

Estimación de costes

Category	Coste estimado (USD)
Componentes electrónicos	$39.98
Componentes mecánicos	$22.87
Materiales de impresión 3D	$5-10
Elementos de fijación	$1.60 (approximate)
Total	$69.45-74.45

Costes basados en los precios de Amazon a la fecha actual — 6 de junio de 2025. Las cantidades al por mayor suponen un ahorro significativo en los elementos de fijación.

Montaje

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

Durante el montaje de la primera versión hubo un problema al imprimir una de las mordazas de la pinza, por lo que la primera prueba se realizó con una sola mordaza.

Unos días después llegó la segunda mordaza y pudimos realizar pruebas completas.

El ingeniero añadió almohadillas de silicona para un mejor agarre de los objetos. Esta misma primera versión se ha publicado como código abierto en nuestro GitHub:
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms

Comentarios de la comunidad

Hadassah Freedman:
«Me preguntaba si habéis considerado cómo se comporta el diseño con cargas más pesadas, especialmente en la base de la cremallera y en los pivotes de las mordazas. Quizá añadir radios de acuerdo en esas zonas para reducir las concentraciones de tensión y evitar la separación de capas en las impresiones FDM ayudaría a que el diseño soporte cargas más pesadas durante más tiempo y con mayor frecuencia. Veo que la base de la cremallera tiene un grosor decente pero no presenta radios claros en la transición hacia los dientes verticales, lo que puede ser un concentrador de tensiones; los pivotes de las mordazas tampoco tienen radios visibles que suavicen las trayectorias de carga desde los pasadores hacia las paredes laterales. Me encantaría saber más sobre sus capacidades.»

Joy Kariya:
«Revisé el repositorio y tengo una sugerencia: ¿por qué no integráis finales de carrera a ambos lados de la pinza para que, en lugar de un retardo temporal, se detenga cuando el objeto quede agarrado? Así también podría agarrar objetos pequeños.»