Pince robotique

La pince robotique est l’organe qui manque à un robot pour agir sur ce qui l’entoure : deux mâchoires se rapprochent pour saisir un objet, s’écartent pour le relâcher. C’est un effecteur terminal — la main — que l’on fixe à l’extrémité d’un bras, à l’avant d’un châssis roulant, ou directement sur l’axe d’un servomoteur.

Elle est actionnée par un micro-servomoteur SG90, le servo de 9 g qui équipe la quasi-totalité des robots d’initiation. Le mouvement du palonnier est transformé par un engrenage et deux biellettes en un déplacement symétrique des deux mâchoires : l’objet reste centré entre elles, quelle que soit son épaisseur, et une seule sortie de la carte suffit à commander l’ensemble. Une fois la position atteinte, le servo la tient sans que le programme ait à s’en occuper.

Caractéristiques techniques

Comment une rotation devient une préhension

Le servo ne pousse pas les mâchoires : il les fait pivoter. Son palonnier entraîne un engrenage, qui entraîne à son tour deux biellettes fixées chacune sur une mâchoire. Comme les deux mâchoires sont solidaires du même engrenage, elles se rapprochent et s’écartent exactement de la même distance, de part et d’autre de l’axe de la pince.

Cette symétrie a une conséquence pratique : l’objet saisi reste centré, sans qu’il faille le présenter au millimètre. Elle explique aussi pourquoi 60° suffisent. Sur un servo, l’angle ne sert qu’à déplacer un bras court ; l’engrenage et la géométrie des biellettes amplifient le déplacement, si bien qu’un débattement de 60° sur l’axe produit un écartement utile entre les mâchoires. Une course plus longue n’apporterait rien : au-delà, les mâchoires buteraient l’une contre l’autre ou contre la structure.

Enfin, le mécanisme est réversible : un objet trop gros ou trop dur ne casse rien, il empêche simplement les mâchoires de finir leur course. Le servo, lui, corrige sans arrêt l’écart entre la position demandée et la position réelle — c’est précisément ce qu’il faut éviter de prolonger, comme l’explique la section suivante.

Régler l’ouverture : deux angles à trouver, une seule fois

Le SG90 possède une course de 180°, la pince n’en utilise qu’une soixantaine de degrés. Il faut donc fixer deux positions dans le programme : celle des mâchoires fermées et celle des mâchoires ouvertes. On ne les devine pas, on les trouve en observant la pince, et on les inscrit ensuite dans les deux constantes du programme.

La règle à ne pas perdre de vue : un servo ne doit jamais rester à pousser contre une butée mécanique. Si l’angle écrit dans le programme ferme les mâchoires plus loin que ce que le mécanisme permet, le moteur force, consomme, chauffe et use ses engrenages pour rien. Un frottement continu ou un léger sifflement après la fermeture est le signe que l’angle de fermeture est trop grand : il faut le réduire de quelques degrés jusqu’à ce que le bruit s’arrête. Le même raisonnement vaut à l’ouverture.

Si la pince est déjà montée sur son servo et que les mâchoires ne sont pas complètement fermées lorsque le programme demande l’angle bas, inutile de démonter : décaler l’angle de fermeture jusqu’à obtenir la position voulue, le résultat est identique.

Mini-projet : mettre la pince au point et lui faire faire un cycle

Le programme ci-dessous sert à la fois à régler la pince et à la voir travailler. Depuis le moniteur série de l’IDE Arduino, on ouvre, on ferme, on avance par petits pas de 5° pour trouver les deux positions limites, puis on lance le cycle de saisie et de relâchement. C’est le montage d’essai à faire avant de fixer la pince sur un robot : une fois les deux angles notés, ils rendent le comportement reproductible partout ailleurs.

Ce qu’il faut

Le câblage

Ce connecteur à trois broches ne peut pas s’inverser : le fil d’alimentation est celui du milieu. Il est en revanche femelle et ne rentre pas dans les trous d’une plaque d’essai, qui attendent des broches mâles.

Le programme

À copier dans l’IDE Arduino, à téléverser, puis à ouvrir le moniteur série réglé sur 9600 bauds :

/*
 * Mise au point d une pince robotique pilotee par un micro-servo
 * Carte : Arduino Uno R3 - signal du servo sur la broche D9
 * Moniteur serie 9600 bauds : o = ouvrir, f = fermer, + et - = pas de 5 degres, c = cycle
 *
 * Composants, brochage et fiche complete : www.marocproduits.com
 */

#include "Servo.h"

Servo machoire;

const byte PIN_SERVO = 9;
const int ANGLE_FERME = 0;     // machoires fermees : a ajuster en ecoutant le servo
const int ANGLE_OUVERT = 60;   // machoires ouvertes : a ajuster en observant la pince
const int PAS = 5;             // avance fine pendant la mise au point

int angle = ANGLE_FERME;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  machoire.attach(PIN_SERVO);
  machoire.write(angle);       // on demarre machoires fermees
  Serial.println("Pince fermee. o = ouvrir, f = fermer, + et - : pas de 5 degres, c : cycle");
}

void loop() {
  if (Serial.available() == 0) {
    return;                    // rien a faire tant qu aucune touche n est envoyee
  }

  char ordre = Serial.read();

  if (ordre == 'o') {
    angle = ANGLE_OUVERT;
  } else if (ordre == 'f') {
    angle = ANGLE_FERME;
  } else if (ordre == '+') {
    angle = angle + PAS;
  } else if (ordre == '-') {
    angle = angle - PAS;
  } else if (ordre == 'c') {
    for (byte i = 0; i != 3; i++) {
      machoire.write(ANGLE_OUVERT);
      delay(800);
      machoire.write(ANGLE_FERME);
      delay(800);
    }
    angle = ANGLE_FERME;
  }

  angle = max(angle, ANGLE_FERME);   // on ne sort jamais des deux butees logicielles
  angle = min(angle, ANGLE_OUVERT);

  machoire.write(angle);
  Serial.print("Position : ");
  Serial.print(angle);
  Serial.println(" degres");
}

Comment ça marche

• machoire.attach(9) réserve la broche et confie à la bibliothèque l’envoi régulier des impulsions de commande : la position du servo ne dépend pas de ce que fait la boucle principale.
• Le programme n’écrit la position que lorsqu’une touche arrive : le servo tient sa consigne sans être réécrit, et rien ne bouge tant que l’on n’a pas appuyé sur une touche.
• Les deux lignes max et min sont les butées logicielles : elles empêchent la suite de pas de 5° d’aller au-delà des deux positions utiles. C’est ce qui protège le mécanisme et l’électronique du servo.
• Seules les deux constantes ANGLE_FERME et ANGLE_OUVERT sont à retoucher : commencez à 0 et 60, puis avancez par pas de 5° jusqu’à ce que les mâchoires se ferment complètement d’un côté et s’écartent au maximum de l’autre.
• La commande c exécute trois cycles ouverts-fermés à environ une seconde et demie par cycle. Pour un rythme plus rapide, réduisez les deux temporisations ; en dessous de quelques centaines de millisecondes, le servo n’a pas le temps de finir son mouvement et la pince ne saisit plus rien.
• Le programme n’affiche que des angles. Un mouvement saccadé, un bourdonnement continu ou une carte qui redémarre au moment de la fermeture sont des symptômes d’alimentation, pas de programme.

L’alimentation : le point qui décide du montage

Un servo au repos consomme une dizaine de milliampères, mais une pince n’est jamais au repos : elle ferme sur un objet, donc elle travaille contre la mécanique. Dans ces instants-là, la consommation du SG90 se rapproche de son courant de décrochage, jusqu’à environ 650 mA. La broche 5V de la carte n’apporte pas d’énergie : elle donne accès à ce que la carte reçoit, soit de l’ordre de 500 mA partagés avec le microcontrôleur et tout ce qui est branché dessus.

Pour l’essai à vide, la broche suffit et le montage du mini-projet fonctionne. Pour une pince qui doit réellement saisir, la réserve manque, et on le voit tout de suite : le servo saccade, la carte redémarre à chaque fermeture ou l’axe cale alors qu’il porte un objet léger. La solution est une alimentation dédiée comme l’alimentation 5 V 2 A, dont la sortie se ramène sur le cordon du servo. Dans tous les cas, la masse doit être commune : le fil brun du servo rejoint le GND de l’Arduino, sans quoi le signal de commande n’a plus de référence.

Variante : une pince qui travaille souvent

Une pince n’est pas un servo de direction : elle passe sa vie à forcer. Si votre robot doit saisir à chaque cycle, l’engrenage qui fatigue en premier est celui du servo, et le SG90 est équipé d’un train en nylon. Son remplaçant direct est le MG90S : mêmes dimensions, mêmes fixations, même commande, mais un train d’engrenages métallique, un peu plus de couple et un peu plus de bruit. Il se monte sur la même pince et se programme à l’identique, les deux angles de réglage étant simplement à retrouver.

Sur un robot qui porte aussi deux ou trois servomoteurs de marche, l’alimentation dédiée devient indispensable et le câblage encombrant. Le driver I2C PCA9685 regroupe alors seize sorties derrière deux fils de données et reçoit sa propre alimentation moteur : la pince ne tire plus sur la carte, et le nombre de fils à faire passer dans le châssis se réduit à trois.

Questions fréquentes

Quel poids la pince peut-elle réellement soulever ?

Peu, et c’est le servo qui décide. Le SG90 donne environ 1,8 kg·cm à 4,8 V, à l’arrêt ; au bout d’un bras de quelques centimètres, il ne reste que quelques centaines de grammes, et il faut encore compter le frottement du mécanisme et le poids de la pince elle-même. Une pince de cette taille sert à déplacer des objets légers — un stylo, une balle de ping-pong, un cube de mousse, une vis — jamais un objet dense. Augmenter le couple par la tension n’est pas une solution : 6 V est la limite haute du servo.

Faut-il deux servomoteurs pour deux mâchoires ?

Non. Un seul servo entraîne un engrenage sur lequel les deux mâchoires sont solidaires : elles se déplacent ensemble et symétriquement. Le second servomoteur n’apporterait que du poids, un fil de plus et un problème d’alignement.

Le servo chauffe ou siffle quand la pince est fermée

C’est le cas classique de l’angle de fermeture trop avancé : les mâchoires sont en butée et le moteur continue de vouloir fermer. Réduisez ANGLE_FERME de quelques degrés jusqu’à ce que le bruit cesse, sans rien perdre de la préhension : une fois les mâchoires jointives, fermer davantage ne serre pas plus fort, cela force simplement. Vérifiez au passage que la carte tient la charge — un sifflement accompagné d’un redémarrage de la carte est un problème d’alimentation.

Peut-on monter la pince sur un servomoteur à rotation continue ?

Non, cela n’aurait aucun sens : un servo à rotation continue ne connaît pas de position, sa commande devient une vitesse, et il ne peut donc pas tenir un angle de mâchoire. Il fait tourner sa sortie sans fin, ce qui casserait le mécanisme contre sa butée. La pince a besoin d’un servomoteur de position, SG90 ou équivalent.

Comment la fixer sur un châssis ou au bout d’un bras ?

Le plus simple est de partir du servo lui-même, dont les deux pattes percées acceptent deux vis M2. Pour un montage propre et démontable, le support prévu pour ce format de servo reçoit le boîtier sur sa platine et se visse ensuite où vous voulez. Attention à l’orientation : la pince doit travailler mâchoires vers le sol ou vers l’avant, pas contre la structure, sinon elles ne s’ouvriront jamais complètement.

À combiner avec

Pour voir la pince en situation, le châssis roulant à quatre roues offre la place de loger la carte et la batterie à l’arrière pendant que la pince travaille à l’avant ; le robot araignée quadrupède est le montage où une pince se justifie le plus, ses six jambes portant déjà la charge. Et pour partir de zéro avec tout le nécessaire au même endroit, le kit Arduino Uno réunit la carte, le câble USB et les composants de base du montage.