オープンソースアームを作る。グリッパー

私たちの手頃な価格のマニピュレーターの開発がどのように進んでいるか、いくつかの詳細を共有したいと思います。現在、私たちはロボットアームの最初のプロトタイプの組み立て段階に向けて積極的に準備を進めています。

私たちはかなり野心的な目標を掲げています。それは、主要な研究用マニピュレーターに匹敵する仕様、すなわち長さ650 mm、7自由度、最大3 kgのペイロード容量、そして1 mm以内の位置決め精度を達成することです。すべてのソースファイルと開発成果は公開されます。あるいは、ロボティクスコミュニティから得られるサポートのレベルに応じて、そのほぼすべてが公開されます。

グリッパーとは

私たちが最初に共有する準備ができたのは、グリッパーです。

説明： グリッパーとは、物体をつかむ・保持する・操作する・運搬するために設計された機械的またはロボット的な装置です。ロボットアームや自動化システムの「手」、すなわちエンドエフェクタとして機能し、物体をつかんで離すことでロボットが物理世界と関わることを可能にします。

グリッパーはGitHub上でオープンソースとして公開されています。

私たちはグリッパーの多くの設計案を検討し、最終的に平行ジョー機構を選びました。設計を選ぶ際に用いた基準は次のとおりです。

• 構造のシンプルさ
• 丸い物体をつかむ能力
• 平らな物体をテーブルから持ち上げる能力
• サーボの使用を最小限に抑えること
• 設計のコストと信頼性

片側回転ジョー式グリッパー

おそらく私たちが出会った中で最もシンプルなグリッパー設計の一つである片側回転ジョー式グリッパーは、一方のジョーが固定され、もう一方がサーボモーターのシャフトに直接取り付けられている構成です。

片側回転ジョー式グリッパー（3Dビュー）

1. この解決策の欠点は、可動ジョーの前縁が円弧を描いて動くことです。そのため、グリッパーの先端で小さな物体をつかむ必要がある場合、閉じる際に物体がその円弧の軌道に沿って配置されていなければならないことを考慮する必要があります。
2. 2つ目の欠点は、片方のジョーしか動かないため、つかめる物体の最大幅がその単一の可動ジョーの可動範囲によって制限されることです。平行グリッパーと同じ容積をつかむには、ジョーを大幅に長くする必要があります。
   

   ジョーの長さの比較。片側回転ジョー式グリッパー対平行グリッパー

3. 3つ目の欠点は、この種のグリッパーが非対称であること、つまり重心が常に可動側に偏っていることです。

片側回転ジョー式グリッパーのこれらの欠点をすべて考慮し、私たちは代わりに対称的な平行グリッパーの設計を検討することにしました。

四節リンク式平行グリッパー対通常の平行グリッパー

上の画像は、単一のサーボモーターを使用した平行ジョー式グリッパーの2つのバージョンを示しています。ジョーが角度をつけて開く四節リンク式平行グリッパーは、部品点数や全体のサイズの点で明らかに複雑であることがわかります。

その設計を最適化し続けることもできましたが、平行グリッパーの方が組み立てが簡単で、したがって製造コストも安くなると判断しました。

クランク・ロッカー式リンク機構

次に重要な問題は、スライド機構の選択でした。エンジニアが最初に提案したのはクランク・ロッカー式リンク機構でした。このグリッパー設計の大きな欠点はその高さです。グリッパーのジョーがスライド機構の高さより短い場合、下部が平らな面からの物体の持ち上げを妨げ、特に平らな物体をつかむ能力を制限します。それを補うためにジョーを高くすると、グリッパーはかなりかさばってしまいます。

そのため、私たちはラック・アンド・ピニオン式グリッパー機構の検討へと移りました。

ラック・アンド・ピニオン式グリッパー機構

この画像では、ロッカーアームをラック機構に置き換えました。また、前のバージョンと比べてどれだけ多くの空きスペースが得られたかもわかります。

次の段階で、エンジニアはストッパーを追加し、組み立て品の高さを低くしました。

現在の設計に残る欠点の一つは、いわゆる「耳」です。アームが比較的狭い空間に入り込む必要がある場合、これらの突起が動きの自由度を大きく制限することがあります。これは、グリッパーが自身の軸に沿って回転する必要がある場合、平らな面の近くで作業する際にも問題になることがあります。

深度カメラ

グリッパーは深度カメラと組み合わせて使用され、次の段階でカメラを取り付けるためのマウントプレートが追加されました。

カメラは、できるだけ広い作業視野を確保するために45度の角度で配置されています。機械学習による制御モデルがこれを使用して、つかむ物体の寸法、必要な把持力、そして必要なジョーの開き幅を正確に判断します。これはグリッパーに取り付けられた唯一のセンサーです。

この時点で、私たちはそれ以上の設計作業を一旦中断し、現在の設計の実用上の問題を洗い出すためにプロトタイプの組み立てに移りました。一部の部品はAliExpressから注文しました。

部品表

電子部品

品目	説明	数量	サプライヤーのリンク	価格	備考
ST3215 Servo	Waveshare Servo Motor STS3215	1	Amazon – Waveshare STS3215 Servo	$28.99	フィードバック付き高精度バスサーボ
Bus Servo Adapter	Waveshare Bus Servo Adapter Board	1	Amazon – Bus Servo Adapter A	$10.99	TTL/RS485通信インターフェース

機械部品

品目	説明	数量	サプライヤーのリンク	価格	備考
MR106ZZ	ボールベアリング 10×6×3 mm	2	Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs)	$5.49 (10pcs)	シールド付き、潤滑済み
LM6UU	リニアベアリング 6×12×19 mm	4	Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs)	$8.99 (4pcs)	スムーズな直線運動のため

Rods

品目	説明	数量	サプライヤーのリンク	価格	備考
Steel Rod	ステンレス鋼ロッド 6mm × 150mm	2	Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs)	$8.39 (5pcs)	高精度、耐腐食性

3D-Printed Parts

Part Number	説明	数量	材料	印刷設定
RB9.01.060.010	メインフレーム	1	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.020	クランプ	2	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.030	ギアラック	2	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill
RB9.01.060.040	駆動ギア	1	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill

3Dプリントに関する備考

• 材料：プロトタイピングにはPLA、量産用途にはPETGを推奨
• レイヤー高さ：最適な表面仕上げには0.15～0.2mm
• インフィル：強度を確保するため、ギアには高めのインフィル（30%）を推奨
• サポート：プリント時の向きによって必要になる場合があります
• 後処理：ベアリングのはめ合いには軽いサンディングが必要になる場合があります

ねじ

品目	説明	数量	規格	価格	備考
M3×10	皿ねじ	4	Amazon – M3×10 皿ねじs	$6.39 (100pcs)	ギアラックの取り付け用
M3×20	皿ねじ	4	Amazon – M3×20 皿ねじs	$6.99 (100pcs)	クランプをロッドに取り付ける用
M4×8	皿ねじ	2	Amazon – M4×8 皿ねじs	$9.99 (100pcs)	メインフレームのベアリング固定用

ナット

品目	説明	数量	規格	価格	備考
M3	六角ナット	4	Amazon – M3 六角ナットs	$5.99 (100pcs)	クランプの組み立て用

サーボ用部品

品目	説明	数量	入手先	価格	備考
タッピングねじ	サーボ取り付けねじ	4	サーボキット	付属	STS3215に付属
サーボディスク	出力シャフトアダプター	1	サーボキット	付属	STS3215に付属
取り付けねじ	ディスク固定ねじ	1	サーボキット	付属	STS3215に付属

コスト見積もり

Category	見積もりコスト（USD）
電子部品	$39.98
機械部品	$22.87
3Dプリント材料	$5-10
締結部品	$1.60 (approximate)
合計	$69.45-74.45

コストは現時点、すなわち2025年6月6日のAmazonの価格に基づいています。締結部品は大量購入により大幅に節約できます。

組み立て

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

最初のバージョンの組み立て中に、グリッパーのジョーの一つの印刷に問題が生じたため、最初のテストはジョー1つだけで行われました。

数日後、2つ目のジョーが届き、完全なテストを実施することができました。

エンジニアは物体をよりしっかりつかめるようにシリコンパッドを追加しました。この最初のバージョンは、私たちのGitHub上でオープンソースとして公開されています。
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms

コミュニティからのフィードバック

Hadassah Freedman:
「この設計が、特にギアラックの付け根とジョーのピボット周りで、より重い荷重をどう扱うかを検討されたかどうか気になっていました。これらの箇所にフィレットを追加すれば、応力集中を減らし、FDMプリントでの層間剥離を防ぐのに役立ち、より重い荷重をより長期間、より頻繁に支えられるようになるかもしれません。ギアラックの付け根はそれなりの厚みがありますが、垂直のギア歯への移行部に明確なフィレットがなく、これは応力集中源になり得ます。また、ジョーのピボットにも、ピボットピンから側壁への荷重経路を滑らかにするためのフィレットが見当たりません。その能力についてもっと聞いてみたいです。」

Joy Kariya:
「リポジトリを見て、一つ提案があります。グリッパーの両側にリミットスイッチを組み込んで、時間遅延ではなく物体がつかまれた時点で停止するようにしてはどうでしょうか。そうすれば小さな物体もつかめるようになります。」