Construire un bras open source. La pince

Je souhaite partager quelques détails sur l’avancement du développement de notre manipulateur abordable. En ce moment, nous préparons activement l’étape d’assemblage du premier prototype du bras robotique.

Nous nous sommes fixé un objectif assez ambitieux : atteindre des caractéristiques comparables à celles des principaux manipulateurs de recherche — 650 mm de longueur, 7 degrés de liberté, une capacité de charge utile allant jusqu’à 3 kg et une précision de positionnement de l’ordre de 1 mm. Tous les fichiers sources et les développements seront rendus publics — ou presque tous, selon le niveau de soutien que nous recevrons de la communauté de la robotique.

Qu’est-ce qu’une pince

La première chose que nous sommes prêts à partager, c’est la pince.

Description : Une pince est un dispositif mécanique ou robotique conçu pour saisir, tenir, manipuler ou transporter des objets. Elle sert de « main » ou d’effecteur terminal d’un bras robotique ou d’un système d’automatisation, permettant au robot d’interagir avec le monde physique en saisissant et en relâchant des objets.

La pince est disponible en open source sur GitHub.

Nous avons étudié de nombreuses options de conception pour la pince et avons finalement choisi un mécanisme à mors parallèles. Les critères que nous avons utilisés pour sélectionner la conception étaient les suivants :

• Simplicité de construction
• Capacité à saisir des objets ronds
• Capacité à ramasser des objets plats sur une table
• Utilisation minimale de servomoteurs
• Coût et fiabilité de la conception

Pince rotative à un seul mors

L’une des conceptions de pince les plus simples que nous ayons rencontrées — la pince rotative à un seul mors — est une configuration où un mors est fixe et l’autre est monté directement sur l’arbre d’un servomoteur.

Pince rotative à un seul mors (vue 3D)

1. L’inconvénient de cette solution est que le bord avant du mors mobile décrit un arc. Ainsi, si nous devons saisir un petit objet avec l’extrémité de la pince, il faut tenir compte du fait que l’objet doit être positionné le long de cette trajectoire en arc lors de la fermeture.
2. Un deuxième inconvénient est que, puisqu’un seul mors bouge, la largeur maximale de l’objet pouvant être saisi est limitée par la course de ce seul mors mobile. Pour saisir le même volume qu’une pince parallèle, les mors doivent être nettement plus longs.
   

   Comparaison de la longueur des mors. Pince rotative à un seul mors par rapport à la pince parallèle

3. Le troisième inconvénient est que ce type de pince est asymétrique, c’est-à-dire que le centre de masse est toujours décalé vers le côté mobile.

Compte tenu de tous ces inconvénients de la pince rotative à un seul mors, nous avons décidé d’explorer plutôt des conceptions de pince parallèle symétrique.

Pince parallèle à quadrilatère articulé par rapport à la pince parallèle classique

L’image ci-dessus montre deux versions d’une pince à mors parallèles utilisant un seul servomoteur. La pince parallèle à quadrilatère articulé, où les mors s’ouvrent en formant un angle, s’avère nettement plus complexe en termes de nombre de pièces et d’encombrement global.

Nous aurions pu continuer à optimiser cette conception, mais nous avons décidé qu’une pince parallèle est plus simple à assembler et, par conséquent, moins coûteuse à fabriquer.

Mécanisme à bielle-manivelle et balancier

La question importante suivante était le choix du mécanisme de coulissement. La première option proposée par l’ingénieur était le mécanisme à bielle-manivelle et balancier. Un inconvénient majeur de cette conception de pince est sa hauteur. Si les mors de la pince sont plus courts que la hauteur du mécanisme de coulissement, la partie inférieure gênera la préhension d’objets sur des surfaces planes, limitant la capacité à saisir des objets particulièrement plats. Si l’on allonge les mors pour compenser, la pince devient assez encombrante.

C’est pourquoi nous sommes passés à l’examen du mécanisme de pince à crémaillère et pignon.

Mécanisme de pince à crémaillère et pignon

Sur cette image, nous avons remplacé le balancier par un mécanisme à crémaillère. On voit aussi combien d’espace libre a été gagné par rapport à la version précédente.

À l’étape suivante, l’ingénieur a ajouté des butées et réduit la hauteur de l’ensemble.

L’un des inconvénients qui subsistent dans la conception actuelle, ce sont les “oreilles” : lorsque le bras doit pénétrer dans des espaces relativement étroits, ces excroissances peuvent considérablement limiter la capacité de manœuvre. Cela peut aussi devenir un problème lors d’un travail à proximité de surfaces planes si la pince doit pivoter autour de son axe.

Caméra de profondeur

La pince est utilisée en combinaison avec une caméra de profondeur et, à l’étape suivante, une plaque de fixation a été ajoutée pour y fixer la caméra.

La caméra est positionnée à un angle de 45 degrés afin d’obtenir le champ de vision de travail le plus large possible. Elle est utilisée par un modèle de commande par apprentissage automatique pour déterminer avec précision les dimensions de l’objet à saisir, la force de préhension requise et l’écartement nécessaire des mors. C’est le seul capteur installé sur la pince.

À ce stade, nous avons mis en pause la suite du travail de conception et sommes passés à l’assemblage du prototype afin d’identifier les éventuels problèmes pratiques de la conception actuelle. Certains des composants ont été commandés sur AliExpress.

Nomenclature des matériaux

Composants électroniques

Article	Description	Qté	Lien du fournisseur	Prix	Remarques
ST3215 Servo	Waveshare Servo Motor STS3215	1	Amazon – Waveshare STS3215 Servo	$28.99	Servomoteur de bus haute précision avec retour d’information
Bus Servo Adapter	Waveshare Bus Servo Adapter Board	1	Amazon – Bus Servo Adapter A	$10.99	Interface de communication TTL/RS485

Composants mécaniques

Article	Description	Qté	Lien du fournisseur	Prix	Remarques
MR106ZZ	Roulement à billes 10×6×3 mm	2	Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs)	$5.49 (10pcs)	Blindé, prélubrifié
LM6UU	Roulement linéaire 6×12×19 mm	4	Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs)	$8.99 (4pcs)	Pour un mouvement linéaire fluide

Rods

Article	Description	Qté	Lien du fournisseur	Prix	Remarques
Steel Rod	Tige en acier inoxydable 6 mm × 150 mm	2	Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs)	$8.39 (5pcs)	Haute précision, résistant à la corrosion

3D-Printed Parts

Part Number	Description	Qté	Matériau	Paramètres d’impression
RB9.01.060.010	Châssis principal	1	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.020	Pince de serrage	2	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.030	Crémaillère	2	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill
RB9.01.060.040	Pignon d’entraînement	1	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill

Remarques sur l’impression 3D

• Matériau : PLA recommandé pour le prototypage, PETG pour la production
• Hauteur de couche : 0,15-0,2 mm pour un état de surface optimal
• Remplissage : un remplissage plus élevé (30 %) est recommandé pour les pignons afin d’assurer la solidité
• Supports : peuvent être nécessaires selon l’orientation d’impression
• Post-traitement : un léger ponçage peut être nécessaire pour l’ajustement des roulements

Vis

Article	Description	Qté	Standard	Prix	Remarques
M3×10	Vis à tête fraisée	4	Amazon – M3×10 Vis à tête fraisées	$6.39 (100pcs)	Pour la fixation de la crémaillère
M3×20	Vis à tête fraisée	4	Amazon – M3×20 Vis à tête fraisées	$6.99 (100pcs)	Pour la fixation de la pince de serrage à la tige
M4×8	Vis à tête fraisée	2	Amazon – M4×8 Vis à tête fraisées	$9.99 (100pcs)	Pour le maintien du roulement du châssis principal

Écrous

Article	Description	Qté	Standard	Prix	Remarques
M3	Écrou hexagonal	4	Amazon – M3 Écrou hexagonals	$5.99 (100pcs)	Pour l’assemblage de la pince de serrage

Visserie du servomoteur

Article	Description	Qté	Source	Prix	Remarques
Vis autotaraudeuses	Vis de fixation du servomoteur	4	Kit du servomoteur	Inclus	Inclus avec le STS3215
Disque du servomoteur	Adaptateur d’arbre de sortie	1	Kit du servomoteur	Inclus	Inclus avec le STS3215
Vis de fixation	Vis de maintien du disque	1	Kit du servomoteur	Inclus	Inclus avec le STS3215

Estimation des coûts

Category	Coût estimé (USD)
Composants électroniques	$39.98
Composants mécaniques	$22.87
Matériaux d’impression 3D	$5-10
Visserie	$1.60 (approximate)
Total	$69.45-74.45

Coûts basés sur les prix Amazon à la date actuelle — 6 juin 2025. Les achats en grande quantité permettent des économies importantes sur la visserie.

Assemblage

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

Lors de l’assemblage de la première version, un problème est survenu avec l’impression de l’un des mors de la pince ; le premier test a donc été réalisé avec un seul mors.

Quelques jours plus tard, le second mors est arrivé et nous avons pu effectuer des tests complets.

L’ingénieur a ajouté des patins en silicone pour une meilleure adhérence sur les objets. Cette même première version a été publiée en open source sur notre GitHub :
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms

Retours de la communauté

Hadassah Freedman:
“Je me demandais si vous aviez réfléchi à la façon dont la conception se comporte sous des charges plus lourdes, en particulier autour de la base de la crémaillère et des pivots des mors. Ajouter des congés dans ces zones pour aider à réduire les concentrations de contraintes et éviter le délaminage des couches des impressions FDM permettrait à la conception de supporter des charges plus lourdes, plus longtemps et plus souvent. Je vois que la base de la crémaillère a une épaisseur convenable, mais sans congés nets à la transition vers les dents verticales, ce qui peut constituer un concentrateur de contraintes ; les pivots des mors ne présentent pas non plus de congés visibles pour lisser les chemins de charge depuis les axes de pivot jusque dans les parois latérales. Je serais curieux d’en savoir plus sur ses capacités.”

Joy Kariya:
“J’ai parcouru le dépôt et j’ai une suggestion : pourquoi ne pas intégrer des fins de course des deux côtés de la pince afin que, au lieu d’une temporisation, elle s’arrête lorsque l’objet est saisi. Ainsi, elle pourrait aussi attraper de petits objets.”