Componente · Attuatore
Pinza con servomotore
Servomotore, biella e due dita: l'organo terminale funzionante più economico. Scopri cosa sostiene, perché schiaccia gli oggetti delicati e cosa cambiare prima.
Che cos’è
Una pinza con servomotore è il più piccolo organo terminale completo: un servomotore hobbistico, una biella che trasforma la rotazione della leva in due dita che si muovono insieme e due dita con le relative guarnizioni. La maggior parte è stampata; il telaio è un unico componente, la biella è formata da una coppia di ingranaggi sui due punti di rotazione delle dita oppure da un meccanismo a forbice e l’insieme pesa 30–60 g, servomotore incluso.
Esiste perché è l’oggetto più economico della robotica che trasforma un sistema di posizionamento in una macchina che compie un’azione. Ha anche un insieme molto preciso di limiti, tutti riconducibili a un solo fatto: un servomotore hobbistico comanda un angolo, mentre il tuo oggetto dipende da una forza.
L’unico dato che nessuno pubblica
Quasi tutti gli annunci citano la coppia di stallo del servomotore. Quasi nessuno indica il braccio di leva, ossia la distanza dal centro della leva del servomotore al punto in cui la guarnizione tocca davvero l’oggetto, ed è metà dell’equazione che determina ciò che la pinza può fare:
F_jaw = τ_stall / L| Braccio di leva | Forza in stallo (SG90) | Continua (~70%) | Corsa delle dita per passo del servomotore | Apertura con escursione di 120° |
|---|---|---|---|---|
| 12 mm | 14.67 N | 10.27 N | 0.209 mm | 25 mm |
| 20 mm | 8.80 N | 6.16 N | 0.349 mm | 42 mm |
| 30 mm | 5.87 N | 4.11 N | 0.524 mm | 63 mm |
| 45 mm | 3.91 N | 2.74 N | 0.785 mm | 94 mm |
| 60 mm | 2.93 N | 2.05 N | 1.047 mm | 126 mm |
Un braccio corto è migliore sia per la forza sia per la risoluzione. Ciò che costa è la portata, determinata dall’oggetto più largo che devi afferrare. L’ordine di progettazione è quindi: misura l’oggetto più grande, scegli il braccio di leva che offre un’apertura sufficiente e accetta la forza che ne risulta. Se la forza non basta, è il momento di cercare un servomotore più grande o una biella diversa, non prima.
Misura L sulla pinza che possiedi davvero. Su una pinza angolare cambia con la larghezza dell’oggetto,
motivo per cui la stessa pinza sembra forte con un componente da 20 mm e debole con uno da 50 mm.
Che cosa può e che cosa non può sostenere
Con un SG90 su un braccio di 30 mm (4.11 N in continuo), guarnizioni simili a gomma con μ 0.4, fattore di sicurezza 2 e sollevamento rapido:
| Oggetto | Lo sostiene? | Perché |
|---|---|---|
| Bullone M6, 12 g | sì, facilmente | Leggero, μ elevato, indistruttibile |
| Blocco di legno, 40 g | sì | Margine ampio |
| Uovo di gallina, 58 g | sì — ma in stallo | Richiede 1.9 N; il servomotore satura a 4.1 N, sotto il limite di schiacciamento di 30 N dell’uovo |
| Bottiglia PET vuota, 20 g | sì, al limite | Superficie liscia, μ basso e si deforma |
| Tazza di carta, 8 g | no | Si schiaccia a circa 4 N, valore a cui satura il servomotore |
| Fragola, 15 g | no | Si schiaccia a circa 3 N |
| Componente da 200 g in movimento rapido | no | Richiede 6.6 N; accorcia il braccio a 18 mm o rallenta il movimento |
Nota il modello degli errori: gli oggetti leggeri e delicati falliscono, mentre quelli pesanti e resistenti no. È il contrario dell’intuizione ed è il problema principale di questo componente.
Perché schiaccia gli oggetti delicati
La manopola della pinza regola una posizione. I limiti dell’oggetto sono forze. Il fattore di conversione tra le due è la rigidità in serie della dita, della guarnizione, della biella e dell’oggetto e, con componenti stampati rigidi, è brutale:
usable window (mm) = ( min(F_crush, F_servo) − F_slip ) / k| Dita | k | Intervallo su una fragola | Posizioni del servomotore funzionanti |
|---|---|---|---|
| Stampata rigida | 25 N/mm | 0.108 mm | 0 |
| Inserto in schiuma | 4 N/mm | 0.677 mm | 1 |
| Molla in serie | 0.8 N/mm | 3.386 mm | 7 |
| Elemento cedevole stampato | 0.35 N/mm | 7.739 mm | 15 |
Una pinza rigida non cade mai dentro il proprio intervallo. Supera il limite e resta satura al massimo di forza del servomotore, il che funziona soltanto perché tale limite si trova per caso sotto la soglia di schiacciamento della maggior parte degli oggetti resistenti: il servomotore agisce come un innesto che non hai progettato. Monta un servomotore più potente e anche l’innesto sale, e adesso rompe le uova.
Il simulatore di pinze permette di confrontare tutti questi parametri e la guida su forza, stallo e cedevolezza della pinza con servomotore spiega la soluzione.
Costruzione o acquisto
Stampala. I tre valori che contano — braccio di leva, apertura delle dita e rigidità delle dita — sono proprio quelli che un kit acquistato fissa su valori scelti per la foto di un prodotto. Una pinza stampata permette di impostare il braccio di leva in base al componente e di sostituire una dita cedevole in dieci minuti.
Che cosa deve essere corretto:
| Decisione | Cosa fare |
|---|---|
| Braccio di leva | Determinato dall’oggetto più largo; accetta poi la forza risultante |
| Biella | Una coppia di ingranaggi sui due punti di rotazione mantiene le dita simmetriche e autocentranti. Una progettazione a singolo dito spinge il componente di lato mentre si chiude |
| Materiale delle dita | PETG o nylon per gli elementi cedevoli. Il PLA flette sotto carico costante e assume una deformazione permanente in poche settimane |
| Guarnizioni | TPU o schiuma EVA autoadesiva. Raddoppia circa μ rispetto al PLA nudo e aggiunge cedevolezza gratuitamente |
| Cedevolezza | Una molla di trazione tra leva e dita è il componente da 40p con il maggior valore dell’intera realizzazione |
| Finecorsa meccanico | Per impedire che un comando incontrollato faccia comprimere la molla e trasferisca l’intera coppia di stallo alla biella |
| Retroazione | Un microinterruttore a leva su una dita, per circa 50p. È ciò che trasforma una demo in una macchina |
| Cablaggio | Alimentazione del servomotore su una linea separata, terra comune e qualche centinaio di µF vicino al servomotore |
Che cosa non fa
Vale la pena esserne espliciti, perché sono le ragioni per cui conviene scegliere altro:
- Nessun controllo di forza. Comandi la posizione e deduci la forza. Se l’attività richiede una forza specificata, servono una cella di carico o un driver con rilevamento della corrente, non questo componente.
- Nessun rilevamento autonomo della presa. Un semplice servomotore hobbistico non comunica nulla. Aggiungi un interruttore.
- Scarso su oggetti tondi, conici o irregolari. Si tratta di chiusura delle forze, non di un problema di forza; stringere di più peggiora la situazione.
- Impossibile mantenere la presa indefinitamente. Corrente di stallo, calore e servomotore morto. Progetta il ciclo di lavoro.
- Due punti di contatto permettono al componente di ruotare. Gli oggetti lunghi escono dalle dita durante il movimento. Tre punti di contatto o una dita avvolgente risolvono il problema.
Dove si inserisce
È l’organo terminale del kit braccio robotico a 4 DOF e del robot di raccolta e posizionamento. Viene pilotato esattamente come qualsiasi altro servomotore: un canale PWM, oppure uno dei sedici di un PCA9685 quando il braccio ha più giunti dei timer disponibili sulla scheda.
Se devi afferrare oggetti piatti e lisci dall’alto, fermati e valuta prima una ventosa e una piccola pompa. Costerà meno, sarà più veloce e più delicato di qualunque cosa tu possa stampare.
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Usato in queste costruzioni
Progetti, percorsi di apprendimento e simulatori che includono Pinza con servomotore.
Domande
FAQ su Pinza con servomotore
Che cos'è una pinza con servomotore?
Un organo terminale a due dita pilotato da un solo servomotore hobbistico, di solito tramite una coppia di ingranaggi o una biella a forbice in modo che entrambe le dita si muovano insieme. È la soluzione più economica in grado di afferrare un oggetto, si fissa al polso di qualsiasi braccio hobbistico ed è ciò che usano quasi tutte le prime macchine di raccolta e posizionamento. L'insieme è normalmente formato da un telaio stampato e un SG90 e costa pochi sterline.
Quanto può sollevare una pinza con servomotore?
La forza delle dita è la coppia di stallo divisa per il braccio di leva, quindi un SG90 con 0.176 N·m e un braccio di 30 mm fornisce 5.87 N in stallo e circa 4.11 N in continuo. Quanto solleva dipende dall'attrito: con la formula standard F = m(g + a)·SF/(μ·n), 4.11 N di forza delle dita con μ 0.4, fattore di sicurezza 2 e sollevamento rapido sostengono circa 100–120 g. Dimezzando il braccio di leva raddoppi la forza, ma anche l'apertura delle dita si dimezza.
Perché la mia pinza con servomotore schiaccia gli oggetti?
Perché comandi una posizione, mentre all'oggetto importa una forza, e dita stampate rigide effettuano il passaggio tra le due in modo troppo brusco. Con dita rigide, l'intervallo utilizzabile tra far cadere una fragola e distruggerla è di circa 0.1 mm di corsa delle dita, mentre un passo del servomotore le sposta di circa 0.5 mm. Nessun comando cade in quell'intervallo. Metti in serie un inserto in schiuma, una molla o un elemento cedevole stampato e l'intervallo si amplia in proporzione a 1/k.
La pinza con servomotore richiede una retroazione?
Non per afferrare, ma sì per sapere se la presa ha avuto successo. Un semplice servomotore hobbistico è ad anello aperto rispetto a te: mantiene un angolo e non comunica nulla. La soluzione utile più economica è un microinterruttore a leva all'interno di una dita, per circa 50p, che fornisce un segnale digitale di presenza. Anche il rilevamento della corrente funziona e rileva inoltre uno schiacciamento, al costo di una soglia da calibrare.
Tenere un oggetto può danneggiare il servomotore?
Sì, se la presa dura a lungo. Una pinza chiusa su un oggetto è un servomotore in stallo che assorbe circa 0.5 A senza flusso d'aria; un SG90 si scalda in poche decine di secondi e muore dopo pochi minuti in quelle condizioni. Apri le dita appena il componente è stato posizionato, riduci il comando di uno o due passi dopo la presa, alimenta il servomotore con un alimentatore separato e per le prese prolungate usa una biella oltre il centro morto o un fermo meccanico che non consuma corrente.
Devo comprare un kit o stamparne uno?
Stampane uno. La geometria che conta — braccio di leva, apertura delle dita e rigidità delle dita — è esattamente ciò che un kit acquistato fissa su valori scelti per la foto, non per il tuo componente. Una pinza stampata permette di impostare il braccio di leva in base all'oggetto più largo da afferrare e di sostituire una dita cedevole in dieci minuti. Compra un kit soltanto se desideri un telaio metallico per qualcosa di pesante.
Per approfondire