Создание манипулятора с открытым исходным кодом. Захват

Хочу поделиться деталями того, как продвигается разработка нашего доступного манипулятора. Сейчас мы активно готовимся к этапу сборки первого прототипа роборуки.

Мы поставили довольно амбициозную цель: достичь характеристик, сопоставимых с ведущими исследовательскими манипуляторами — длина 650 мм, 7 степеней свободы, грузоподъёмность до 3 кг и точность позиционирования в пределах 1 мм. Все исходные файлы и наработки будут опубликованы открыто — или почти все, в зависимости от уровня поддержки со стороны сообщества робототехников.

Что такое захват

Первое, чем мы готовы поделиться, — это захват.

Описание: Захват — это механическое или роботизированное устройство, предназначенное для захватывания, удержания, манипуляции или транспортировки объектов. Он служит «кистью», или рабочим органом, манипулятора или системы автоматизации, позволяя роботу взаимодействовать с физическим миром, захватывая и отпуская объекты.

Захват доступен как открытый исходный код на GitHub.

Мы рассмотрели множество вариантов конструкции захвата и в итоге выбрали механизм с параллельными губками. Критерии выбора конструкции были такими:

• Простота конструкции
• Способность захватывать круглые объекты
• Способность поднимать плоские объекты со стола
• Минимальное использование сервоприводов
• Стоимость и надёжность конструкции

Захват с одной поворотной губкой

Пожалуй, одна из самых простых конструкций захвата, что нам встретились, — захват с одной поворотной губкой — это схема, где одна губка неподвижна, а другая закреплена прямо на валу сервомотора.

Захват с одной поворотной губкой (3D-вид)

1. Недостаток этого решения в том, что передняя кромка подвижной губки движется по дуге. Поэтому, чтобы захватить мелкий объект кончиками захвата, нужно учитывать, что при закрытии объект должен располагаться вдоль этой дуговой траектории.
2. Второй недостаток в том, что, поскольку движется только одна губка, максимальная ширина захватываемого объекта ограничена ходом этой единственной подвижной губки. Чтобы захватывать тот же объём, что и параллельный захват, губки должны быть значительно длиннее.
   

   Сравнение длины губок. Захват с одной поворотной губкой против параллельного захвата

3. Третий недостаток в том, что такой захват асимметричен, то есть центр масс всегда смещён в сторону подвижной части.

Учитывая все эти недостатки захвата с одной поворотной губкой, мы решили вместо него изучить симметричные конструкции параллельного захвата.

Параллельный захват на четырёхзвеннике против обычного параллельного захвата

На изображении выше показаны две версии захвата с параллельными губками на одном сервомоторе. Параллельный захват на четырёхзвеннике, где губки раскрываются под углом, оказывается заметно сложнее по числу деталей и общим габаритам.

Мы могли бы продолжить оптимизировать эту конструкцию, но решили, что параллельный захват проще в сборке и, следовательно, дешевле в производстве.

Кривошипно-коромысловый механизм

Следующим важным вопросом был выбор механизма перемещения. Первым вариантом, предложенным инженером, был кривошипно-коромысловый механизм. Существенный недостаток этой конструкции захвата — её высота. Если губки захвата короче высоты механизма перемещения, нижняя часть будет мешать поднимать объекты с плоских поверхностей, ограничивая захват особенно плоских предметов. Если сделать губки выше для компенсации, захват становится довольно громоздким.

Поэтому мы перешли к рассмотрению реечно-шестерёнчатого механизма захвата.

Реечно-шестерёнчатый механизм захвата

На этом изображении мы заменили коромысло реечным механизмом. Также видно, насколько больше свободного места появилось по сравнению с предыдущей версией.

На следующем этапе инженер добавил упоры и уменьшил высоту узла.

Один из оставшихся недостатков текущей конструкции — так называемые «уши»: когда руке нужно проникнуть в относительно узкие пространства, эти выступы могут существенно ограничивать манёвренность. Это также может стать проблемой при работе вблизи плоских поверхностей, если захвату нужно повернуться вокруг своей оси.

Камера глубины

Захват используется в сочетании с камерой глубины, и на следующем этапе была добавлена монтажная пластина для её крепления.

Камера расположена под углом 45 градусов для максимально широкого рабочего поля зрения. Её использует модель управления на машинном обучении, чтобы точно определять размеры захватываемого объекта, необходимое усилие захвата и нужную ширину раскрытия губок. Это единственный датчик, установленный на захвате.

На этом этапе мы приостановили дальнейшую конструкторскую работу и перешли к сборке прототипа, чтобы выявить практические проблемы текущей конструкции. Часть компонентов была заказана на AliExpress.

Спецификация материалов

Электронные компоненты

Позиция	Описание	Кол-во	Ссылка поставщика	Цена	Примечания
ST3215 Servo	Waveshare Servo Motor STS3215	1	Amazon – Waveshare STS3215 Servo	$28.99	Высокоточный шинный сервопривод с обратной связью
Bus Servo Adapter	Waveshare Bus Servo Adapter Board	1	Amazon – Bus Servo Adapter A	$10.99	Интерфейс связи TTL/RS485

Механические компоненты

Позиция	Описание	Кол-во	Ссылка поставщика	Цена	Примечания
MR106ZZ	Шарикоподшипник 10×6×3 мм	2	Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs)	$5.49 (10pcs)	Закрытый, предварительно смазанный
LM6UU	Линейный подшипник 6×12×19 мм	4	Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs)	$8.99 (4pcs)	Для плавного линейного движения

Rods

Позиция	Описание	Кол-во	Ссылка поставщика	Цена	Примечания
Steel Rod	Стержень из нержавеющей стали 6 мм × 150 мм	2	Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs)	$8.39 (5pcs)	Высокая точность, коррозионная стойкость

3D-Printed Parts

Part Number	Описание	Кол-во	Материал	Настройки печати
RB9.01.060.010	Основная рама	1	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.020	Зажим	2	PLA/PETG	0.2mm layer, 20% infill
RB9.01.060.030	Зубчатая рейка	2	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill
RB9.01.060.040	Ведущая шестерня	1	PLA/PETG	0.15mm layer, 30% infill

Примечания по 3D-печати

• Материал: PLA рекомендуется для прототипирования, PETG — для серийного использования
• Высота слоя: 0,15–0,2 мм для оптимального качества поверхности
• Заполнение: для шестерён рекомендуется более высокое заполнение (30%) для прочности
• Поддержки: могут потребоваться в зависимости от ориентации при печати
• Постобработка: для посадок подшипников может потребоваться лёгкая шлифовка

Винты

Позиция	Описание	Кол-во	Стандарт	Цена	Примечания
M3×10	Винт с потайной головкой	4	Amazon – M3×10 Винт с потайной головкойs	$6.39 (100pcs)	Для крепления зубчатой рейки
M3×20	Винт с потайной головкой	4	Amazon – M3×20 Винт с потайной головкойs	$6.99 (100pcs)	Для крепления зажима к стержню
M4×8	Винт с потайной головкой	2	Amazon – M4×8 Винт с потайной головкойs	$9.99 (100pcs)	Для фиксации подшипника основной рамы

Гайки

Позиция	Описание	Кол-во	Стандарт	Цена	Примечания
M3	Шестигранная гайка	4	Amazon – M3 Шестигранная гайкаs	$5.99 (100pcs)	Для сборки зажима

Крепёж сервопривода

Позиция	Описание	Кол-во	Источник	Цена	Примечания
Саморезы	Винты крепления сервопривода	4	Комплект сервопривода	В комплекте	Входит в комплект STS3215
Диск сервопривода	Адаптер выходного вала	1	Комплект сервопривода	В комплекте	Входит в комплект STS3215
Крепёжный винт	Винт фиксации диска	1	Комплект сервопривода	В комплекте	Входит в комплект STS3215

Оценка стоимости

Category	Оценочная стоимость (USD)
Электронные компоненты	$39.98
Механические компоненты	$22.87
Материалы для 3D-печати	$5-10
Крепёж	$1.60 (approximate)
Итого	$69.45-74.45

Стоимость рассчитана по ценам Amazon на текущую дату — 6 июня 2025 года. Оптовые партии дают значительную экономию на крепеже.

Сборка

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

При сборке первой версии возникла проблема с печатью одной из губок захвата, поэтому первый тест проводился только с одной губкой.

Через несколько дней пришла вторая губка, и мы смогли провести полное тестирование.

Инженер добавил силиконовые накладки для лучшего сцепления с объектами. Эта же первая версия опубликована как открытый исходный код на нашем GitHub:
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms

Отзывы сообщества

Hadassah Freedman:
«Мне было интересно, рассматривали ли вы, как конструкция справляется с большими нагрузками, особенно у основания зубчатой рейки и осей губок. Возможно, добавление скруглений в этих местах помогло бы снизить концентрацию напряжений и избежать расслаивания FDM-печати, что позволило бы конструкции дольше и чаще нести более тяжёлые грузы. Я вижу, что у основания зубчатой рейки приличная толщина, но нет явных скруглений на переходе к вертикальным зубьям, что может быть концентратором напряжений; у осей губок также не видно скруглений, сглаживающих пути нагрузки от осевых штифтов в боковые стенки. Было бы любопытно узнать больше о её возможностях.»

Joy Kariya:
«Я просмотрел репозиторий, и у меня есть предложение: почему бы не встроить концевые выключатели с обеих сторон захвата, чтобы вместо временной задержки он отключался, когда объект захвачен. Тогда он сможет захватывать и мелкие объекты.»