Component · Actuator
Servogrijper
Een servo, een koppeling en twee vingers — de goedkoopste werkende eindeffector. Wat hij vasthoudt, waarom hij kwetsbare dingen pletst en wat je eerst aanpast.
Wat het is
Een servogrijper is de kleinste complete eindeffector: één hobbyservo, een mechanisme dat de rotatie van de hoorn omzet in de gelijktijdige beweging van twee vingers, en twee vingers met pads. De meeste zijn geprint; het frame is één onderdeel, het mechanisme is een tandwielpaar op de twee vingerassen of een schaar, en het geheel heeft een massa van 30–60 g inclusief servo.
Hij bestaat omdat hij het goedkoopste object in robotica is dat een positioneersysteem verandert in een machine die iets doet. Hij heeft ook een zeer specifieke reeks grenzen, en elke grens komt terug op één feit: een hobbyservo geeft een hoek op, terwijl een object vooral tegen een te grote kracht beschermd moet worden.
Het ene getal dat niemand publiceert
Elke productpagina noemt het vastloopkoppel van de servo. Vrijwel niemand noemt de hefboom — de afstand van het midden van de servohoren tot waar hij het object daadwerkelijk raakt — en dat is de helft van de formule die bepaalt wat de grijper kan doen:
F_jaw = τ_stall / L| Hefboom | Kracht bij vastlopen (SG90) | Aanhoudende grijpkracht (~70%) | Grijpbeweging per servostap | Grijperopening bij een slag van 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 |
Een korte arm is beter voor zowel kracht als resolutie. Wat je daarvoor opgeeft is bereik, en dat bereik wordt bepaald door het grootste voorwerp dat je moet oppakken. De volgorde van het ontwerp is dus: meet je grootste voorwerp, kies de hefboom die de vingers ver genoeg laat openen en accepteer de kracht die overblijft. Is de kracht onvoldoende, dan zoek je pas naar een grotere servo of een ander mechanisme — niet eerder.
Meet L op de grijper die je werkelijk hebt. Bij een hoekige grijper verandert die afstand met de breedte van het object, en daarom heeft dezelfde grijper bij een onderdeel van 20 mm een sterkere greep dan bij een onderdeel van 50 mm.
Wat hij wel en niet vasthoudt
Met een SG90 op een arm van 30 mm (4,11 N aanhoudende grijpkracht), rubberachtige pads met μ 0,4, een veiligheidsfactor van 2 en bij snel optillen:
| Object | Vasthouden? | Waarom |
|---|---|---|
| M6-bout, 12 g | ja, gemakkelijk | Licht, hoge μ, onverwoestbaar |
| Houten blok, 40 g | ja | Ruime marge |
| Kippenei, 58 g | ja — maar doordat de servo vastloopt | Nodig: 1,9 N; de servo loopt bij 4,1 N vast, onder de grens van 30 N waarbij het ei kapgaat |
| Lege PET-fles, 20 g | ja, net | Glad oppervlak, lage μ en de fles wordt deuk |
| Papieren beker, 8 g | nee | Het object wordt bij ongeveer 4 N verpletterd, precies op het punt waar de servo vastloopt |
| Aardbei, 15 g | nee | Het object wordt bij ongeveer 3 N verpletterd |
| Onderdeel van 200 g tijdens een snelle beweging | nee | Nodig: 6,6 N; verkort de arm naar 18 mm of vertraag de beweging |
Let op het patroon in de mislukkingen: de lichte, kwetsbare dingen falen en de zware, stevige dingen niet. Dat is omgekeerd aan wat je intuïtie verwacht, en het is het kernprobleem van dit onderdeel.
Waarom hij kwetsbare dingen pletst
De stand van de grijper is een positie. De grenzen van het object zijn krachten. De omzetting tussen positie en kracht wordt bepaald door de serieschakelingstijfheid van de vinger, de pad, het mechanisme en het object; met stijve geprinte onderdelen verandert de kracht daardoor heel sterk bij een kleine positieverandering:
usable window (mm) = ( min(F_crush, F_servo) − F_slip ) / k| Vinger | k | Venster voor een aardbei | Servoposities die werken |
|---|---|---|---|
| Stijf geprint | 25 N/mm | 0,108 mm | 0 |
| Schuimpad | 4 N/mm | 0,677 mm | 1 |
| Veer in serie | 0,8 N/mm | 3,386 mm | 7 |
| Geprint veerelement | 0,35 N/mm | 7,739 mm | 15 |
Een stijve grijper komt nooit binnen zijn eigen venster terecht. Hij schiet door en blokkeert op de krachtgrens van de servo, wat alleen werkt omdat die grens toevallig onder de verpletteringsgrens van de meeste stevige objecten ligt — de servo werkt als een koppeling die je niet hebt ontworpen. Gebruik je dezelfde grijper met een sterkere servo, dan verschuift de grens omhoog en breken ook eieren.
De grijpersimulator laat je al deze waarden tegen elkaar afwegen, en kracht, vastlopen en meegaandheid van een servogrijper legt de oplossing uit.
Zelf bouwen of kopen
Print hem. De drie getallen die ertoe doen — hefboom, grijperopening en vingerstijfheid — zijn precies de getallen die een gekochte kit vastlegt op waarden voor een productfoto. Een geprinte grijper laat je de hefboom afstemmen op jouw onderdeel en in tien minuten een veerende vinger wisselen.
Zorg dat je het volgende goed regelt:
| Beslissing | Doe dit |
|---|---|
| Hefboom | Bepaal door het grootste object en accepteer daarna de kracht |
| Mechanisme | Een tandwielpaar op de twee scharnieren houdt de vingers symmetrisch en houdt het geheel gecentreerd. Een ontwerp met één vinger duwt het onderdeel tijdens het sluiten opzij |
| Vingermateriaal | PETG of nylon voor veerelementen. PLA kruipt onder langdurige belasting en neemt binnen enkele weken een blijvende vormverandering aan; die verandering blijft ook aanwezig nadat de belasting verdwijnt |
| Pads | TPU of zelfklevend EVA-schuim. Verhoogt μ ruwweg tweemaal ten opzichte van kaal PLA en voegt meegaandheid toe |
| Meegaandheid | Een rekveer tussen hoorn en vinger is het meest waardevolle onderdeel van de build en kost 40 pence |
| Eindstop | Zodat een ontspoord commando de veer niet in een vastgehouden stand kan dwingen en zo het volledige vastloopkoppel door het mechanisme stuurt |
| Terugkoppeling | Een hefboommicroschakelaar aan één vinger, voor ongeveer 50p. Zo wordt van een demo een machine |
| Bedrading | Servovoeding op een eigen rail, gezamenlijke ground en enkele honderden µF dicht bij de servo |
Wat hij niet doet
Het is de moeite waard dit expliciet te maken, want dit zijn de redenen om iets anders te kiezen:
- Geen krachtregeling. Je geeft een positie op en leidt de kracht af. Als je taak een opgegeven kracht vereist, heb je een krachtmeetcel of een motordriver met stroommeting nodig, niet dit.
- Geen zelfstandige grijpdetectie. Een gewone hobbyservo vertelt je niets. Voeg een schakelaar toe.
- Slecht voor ronde, taps toelopende of onregelmatige objecten. Dat is krachtsluiting, geen krachtprobleem, en harder knijpen maakt het erger.
- Kan niet voor onbeperkte tijd vasthouden. Vastloopstroom, warmte en een dode servo. Ontwerp de bedrijfscyclus.
- Twee contactpunten laten het onderdeel kantelen. Lange objecten draaien tijdens de beweging uit de vingers. Drie contactpunten of een omwikkelende vinger lost dat op.
Waar hij past
Hij is de eindeffector voor de 4-DOF-armkit en voor de pick-and-place-robot. Hij wordt precies bestuurd als elke andere servo — via één PWM-kanaal, of via een van de zestien kanalen op een PCA9685 zodra de arm meer gewrichten heeft dan de microcontroller met zijn timers kan aansturen.
Als je van bovenaf platte, gladde voorwerpen oppakt, stop dan en bekijk eerst een zuignap en een kleine pomp. Dat is goedkoper, sneller en zachter dan alles wat je zelf kunt printen.
Verken de graaf
Gebruikt in deze bouwprojecten
Projecten, leerroutes en simulators waarin de Servogrijper voorkomt.
Vragen
FAQ over de Servogrijper
Wat is een servogrijper?
Een tweevingerige eindeffector die door één hobbyservo wordt aangedreven, meestal via een tandwielpaar of een schaarmechanisme zodat beide vingers gelijktijdig bewegen. Het is het goedkoopste dat een object kan oppakken, het schroef je op de pols van elke hobbyarm en het is wat vrijwel elke eerste pick-and-place-ontwerp gebruikt. De hele constructie bestaat doorgaans uit een geprint frame plus één SG90 en kost een paar pond.
Hoeveel kan een servogrijper tillen?
De kracht bij vastlopen is het vastloopkoppel gedeeld door de hefboom, dus een SG90 met 0,176 N·m en een arm van 30 mm levert 5,87 N bij vastlopen en ongeveer 4,11 N aanhoudende grijpkracht. Wat daarmee opgetild kan worden hangt van de wrijving af: met de standaardformule F = m(g + a)·SF/(μ·n) houdt 4,11 N aanhoudende grijpkracht bij μ 0,4 en een veiligheidsfactor van 2 bij snel optillen ongeveer 100–120 g vast. Halveer de hefboom en je verdubbelt de kracht — en halveert de opening van de vingers.
Waarom pletst mijn servogrijper dingen?
Omdat je een positie opgeeft terwijl een kwetsbaar object vooral tegen een te grote kracht moet worden beschermd, en stijve geprinte vingers de kracht daardoor te plotseling laten oplopen. Met rigide vingers is het bruikbare venster tussen een aardbeie laten vallen en die vernielen ongeveer 0,1 mm grijpbeweging, terwijl één servostap de vingers ongeveer 0,5 mm beweegt. Er is geen commando dat in dat venster terechtkomt. Zet een schuimstukje, een veer of een geprint veerelement (een buigbaar vingerdeel) in serie en het venster wordt evenredig met 1/k breder.
Heb ik terugkoppeling nodig op een servogrijper?
Niet om vast te grijpen, maar wel om te weten of het grijpen werkte. Een gewone hobbyservo is voor jou een open lus — hij houdt een hoek vast en zegt niets. Het goedkoopste bruikbare antwoord is een hefboommicroschakelaar aan de binnenkant van één vinger, voor ongeveer 50p, met een digitaal signaal dat aangeeft of er iets aanwezig is. Met stroommeting kun je ook detecteren wanneer het object wordt verpletterd, maar daarvoor moet je een drempel kalibreren.
Beschadigt het vasthouden van een object de servo?
Ja, als je lang vasthoudt. Als de grijper op een object gesloten blijft, loopt de servo vast en trekt hij ongeveer 0,5 A zonder luchtstroom. Een SG90 wordt warm binnen tientallen seconden en gaat er binnen minuten aan kapot. Open de vingers zodra het onderdeel is geplaatst, neem na het grijpen één of twee stappen in het commando terug, voed de servo vanaf een eigen voeding en gebruik voor langdurig vasthouden een hefboommechanisme dat voorbij de dode stand werkt of een mechanische vergrendeling die geen stroom trekt.
Moet ik een kit kopen of er zelf één printen?
Print er zelf één. De geometrie die ertoe doet — de hefboom, de grijperopening en de vingerstijfheid — is precies wat een gekochte kit voor je vastlegt op waarden die voor een foto zijn gekozen in plaats van voor jouw onderdeel. Een geprinte grijper laat je de hefboom afstemmen op het grootste object dat je nodig hebt en in tien minuten een veerende vinger wisselen. Koop alleen een kit als je een metalen frame wilt voor iets zwaars.
Verder lezen