Construindo um braço de código aberto. A garra

Quero compartilhar alguns detalhes sobre como está avançando o desenvolvimento do nosso manipulador acessível. No momento, estamos nos preparando ativamente para a etapa de montagem do primeiro protótipo do braço robótico.

Estabelecemos uma meta bastante ambiciosa: alcançar especificações comparáveis às dos principais manipuladores de nível de pesquisa — 650 mm de comprimento, 7 graus de liberdade, capacidade de carga de até 3 kg e precisão de posicionamento dentro de 1 mm. Todos os arquivos-fonte e desenvolvimentos serão disponibilizados publicamente — ou quase todos, dependendo do nível de apoio que recebermos da comunidade de robótica.

O que é uma garra

A primeira coisa que estamos prontos para compartilhar é a garra.

Descrição: Uma garra é um dispositivo mecânico ou robótico projetado para agarrar, segurar, manipular ou transportar objetos. Funciona como a «mão», ou efetuador final, de um braço robótico ou sistema de automação, permitindo que o robô interaja com o mundo físico ao agarrar e soltar objetos.

A garra está disponível como código aberto no GitHub.

Consideramos muitas opções de projeto para a garra e, no fim, escolhemos um mecanismo de mandíbulas paralelas. Os critérios que usamos na escolha do projeto foram:

• Simplicidade da construção
• Capacidade de agarrar objetos redondos
• Capacidade de pegar objetos planos sobre uma mesa
• Uso mínimo de servos
• Custo e confiabilidade do projeto

Garra giratória de mandíbula única

Provavelmente um dos projetos de garra mais simples que encontramos — a garra giratória de mandíbula única — é uma configuração em que uma mandíbula é fixa e a outra é montada diretamente no eixo de um servomotor.

Garra giratória de mandíbula única (vista 3D)

1. A desvantagem dessa solução é que a borda frontal da mandíbula móvel descreve um arco. Assim, se precisarmos agarrar um objeto pequeno com as pontas da garra, temos que levar em conta que o objeto deve estar posicionado ao longo dessa trajetória em arco durante o fechamento.
2. Uma segunda desvantagem é que, como apenas uma mandíbula se move, a largura máxima do objeto que pode ser agarrado é limitada pelo curso dessa única mandíbula móvel. Para agarrar o mesmo volume que uma garra paralela, as mandíbulas precisam ser bem mais longas.
   

   Comparação do comprimento das mandíbulas. Garra giratória de mandíbula única versus garra paralela

3. A terceira desvantagem é que esse tipo de garra é assimétrico, ou seja, o centro de massa está sempre deslocado para o lado móvel.

Levando em conta todas essas desvantagens da garra giratória de mandíbula única, decidimos explorar, em vez dela, projetos simétricos de garra paralela.

Garra paralela de mecanismo de quatro barras versus garra paralela comum

A imagem acima mostra duas versões de uma garra de mandíbulas paralelas usando um único servomotor. A garra paralela de mecanismo de quatro barras, em que as mandíbulas se abrem em ângulo, acaba sendo nitidamente mais complexa em número de peças e em dimensões gerais.

Poderíamos ter continuado a otimizar esse projeto, mas decidimos que uma garra paralela é mais simples de montar e, portanto, também seria mais barata de fabricar.

Mecanismo de manivela e balancim

A próxima questão importante foi a escolha do mecanismo de deslocamento. A primeira opção proposta pelo engenheiro foi o mecanismo de manivela e balancim. Uma desvantagem significativa desse projeto de garra é a sua altura. Se as mandíbulas da garra forem mais curtas do que a altura do mecanismo de deslocamento, a parte inferior atrapalhará a coleta de objetos de superfícies planas, limitando a capacidade de agarrar itens especialmente achatados. Se aumentarmos a altura das mandíbulas para compensar, a garra fica bastante volumosa.

Por isso passamos a considerar o mecanismo de garra de cremalheira e pinhão.

Mecanismo de garra de cremalheira e pinhão

Nesta imagem, substituímos o balancim por um mecanismo de cremalheira. Também dá para ver quanto espaço livre se ganhou em comparação com a versão anterior.

Na etapa seguinte, o engenheiro acrescentou batentes e reduziu a altura do conjunto.

Uma das desvantagens que ainda restam no projeto atual são as chamadas «orelhas»: quando o braço precisa alcançar espaços relativamente estreitos, essas saliências podem limitar bastante a capacidade de manobra. Isso também pode se tornar um problema ao trabalhar perto de superfícies planas, caso a garra precise girar em torno do próprio eixo.

Câmera de profundidade

A garra é usada em combinação com uma câmera de profundidade e, na etapa seguinte, foi acrescentada uma placa de montagem para fixá-la.

A câmera é posicionada em um ângulo de 45 graus para obter o campo de visão de trabalho mais amplo possível. Ela é usada por um modelo de controle baseado em aprendizado de máquina para determinar com precisão as dimensões do objeto a ser agarrado, a força de preensão necessária e a largura de abertura das mandíbulas adequada. É o único sensor instalado na garra.

Neste ponto, pausamos o trabalho de projeto e passamos à montagem do protótipo para identificar quaisquer problemas práticos do projeto atual. Parte dos componentes foi encomendada na AliExpress.

Lista de materiais

Componentes eletrônicos

Item	Descrição	Qtd.	Link do fornecedor	Preço	Observações
ST3215 Servo	Waveshare Servo Motor STS3215	1	Amazon – Waveshare STS3215 Servo	$28.99	Servo de barramento de alta precisão com realimentação
Bus Servo Adapter	Waveshare Bus Servo Adapter Board	1	Amazon – Bus Servo Adapter A	$10.99	Interface de comunicação TTL/RS485

Componentes mecânicos

Item	Descrição	Qtd.	Link do fornecedor	Preço	Observações
MR106ZZ	Rolamento de esferas 10×6×3 mm	2	Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs)	$5.49 (10pcs)	Blindado, pré-lubrificado
LM6UU	Rolamento linear 6×12×19 mm	4	Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs)	$8.99 (4pcs)	Para movimento linear suave

Rods

Item	Descrição	Qtd.	Link do fornecedor	Preço	Observações
Steel Rod	Haste de aço inoxidável 6 mm × 150 mm	2	Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs)	$8.39 (5pcs)	Alta precisão, resistente à corrosão

3D-Printed Parts

Part Number	Descrição	Qtd.	Material	Configurações de impressão
RB9.01.060.010	Estrutura principal	1	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.020	Grampo	2	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.030	Cremalheira	2	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill
RB9.01.060.040	Engrenagem motriz	1	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill

Observações sobre impressão 3D

• Material: PLA recomendado para prototipagem, PETG para uso em produção
• Altura de camada: 0,15–0,2 mm para um acabamento de superfície ideal
• Preenchimento: recomenda-se preenchimento maior (30%) para as engrenagens, a fim de garantir resistência
• Suportes: podem ser necessários dependendo da orientação na impressora
• Pós-processamento: pode ser necessário um leve lixamento para os encaixes dos rolamentos

Parafusos

Item	Descrição	Qtd.	Padrão	Preço	Observações
M3×10	Parafuso de cabeça escareada	4	Amazon – M3×10 Parafuso de cabeça escareadas	$6.39 (100pcs)	Para fixação da cremalheira
M3×20	Parafuso de cabeça escareada	4	Amazon – M3×20 Parafuso de cabeça escareadas	$6.99 (100pcs)	Para fixação do grampo à haste
M4×8	Parafuso de cabeça escareada	2	Amazon – M4×8 Parafuso de cabeça escareadas	$9.99 (100pcs)	Para retenção do rolamento da estrutura principal

Porcas

Item	Descrição	Qtd.	Padrão	Preço	Observações
M3	Porca sextavada	4	Amazon – M3 Porca sextavadas	$5.99 (100pcs)	Para montagem do grampo

Fixadores do servo

Item	Descrição	Qtd.	Origem	Preço	Observações
Parafusos autoatarraxantes	Parafusos de fixação do servo	4	Kit do servo	Incluído	Incluído com o STS3215
Disco do servo	Adaptador do eixo de saída	1	Kit do servo	Incluído	Incluído com o STS3215
Parafuso de fixação	Parafuso de retenção do disco	1	Kit do servo	Incluído	Incluído com o STS3215

Estimativa de custo

Category	Custo estimado (USD)
Componentes eletrônicos	$39.98
Componentes mecânicos	$22.87
Materiais para impressão 3D	$5-10
Fixadores	$1.60 (approximate)
Total	$69.45-74.45

Custos baseados nos preços da Amazon na data atual — 6 de junho de 2025. Quantidades em grande volume proporcionam economia significativa em fixadores.

Montagem

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

Durante a montagem da primeira versão, houve um problema na impressão de uma das mandíbulas da garra, então o primeiro teste foi feito com apenas uma mandíbula.

Alguns dias depois, a segunda mandíbula chegou e conseguimos realizar o teste completo.

O engenheiro acrescentou almofadas de silicone para melhor aderência aos objetos. Essa mesma primeira versão foi publicada como código aberto em nosso GitHub:
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms

Comentários da comunidade

Hadassah Freedman:
«Eu queria saber se vocês consideraram como o projeto lida com cargas mais pesadas, especialmente na base da cremalheira e nos pivôs das mandíbulas. Talvez acrescentar arredondamentos nessas áreas ajudasse a reduzir as concentrações de tensão e a evitar a separação de camadas em impressões FDM, permitindo que o projeto suporte cargas mais pesadas por períodos mais longos e com mais frequência. Vejo que a base da cremalheira tem uma espessura razoável, mas não há arredondamentos claros na transição para os dentes verticais da engrenagem, o que pode ser um concentrador de tensão; os pivôs das mandíbulas também não têm arredondamentos visíveis para suavizar os caminhos de carga dos pinos de pivô para as paredes laterais. Eu teria curiosidade de saber mais sobre suas capacidades.»

Joy Kariya:
«Dei uma olhada no repositório e tenho uma sugestão: por que vocês não integram chaves de fim de curso nos dois lados da garra, para que, em vez de um atraso de tempo, ela desligue quando o objeto for agarrado? Assim ela também conseguiria pegar objetos pequenos.»