Tutorial - Guida per l’assemblaggio del braccio robotico 4 DOF (di Capitan Farloc)

Dalle viti al movimento: il fascino di costruire con le proprie mani

Montare un braccio robotico può sembrare un’impresa da esperti, ma con un po’ di pazienza e il giusto approccio, diventa un’esperienza sorprendentemente accessibile, un progetto perfetto per chi vuole avvicinarsi alla robotica, migliorare la manualità e scoprire come, da una manciata di componenti, può nascere un sistema capace di muoversi e interagire con il mondo.

Il braccio robotico 4DOF che si trova su AliExpress e sui principali store online, è uno dei kit più economici e diffusi per chi vuole iniziare a esplorare la robotica e la meccanica, anche se, purtroppo, le istruzioni fornite per il montaggio sono spesso sommarie o poco chiare.

In questo articolo ti propongo una guida dettagliata, passo dopo passo, per montare correttamente il tuo braccio robotico a 4 Gradi di Libertà, dalla preparazione dei componenti al serraggio finale delle viti, ogni fase è spiegata con attenzione e con immagini esplicative a corredo per aiutarti a evitare errori comuni e ottenere un risultato stabile e funzionale.

Il Braccio Robotico 4 DOF

Il braccio robotico di cui ci occuperemo oggi è un piccolo, semplice meccanismo che consente il movimento di una pinza meccanica per afferrare piccoli oggetti (leggeri) nello spazio circostante.

Premetto che questo è un oggetto che può essere utilizzato solo a scopo didattico, per far pratica con questo tipo di attuatori complessi e come questi possono essere pilotati con una scheda microcontrollore programmabile come può essere un Arduino o un  Raspberry, non è certo un meccanismo di precisione.

Per aiutarci a capire, questa foto mostra il braccio robotico dopo l'assemblaggio completo:

Cosa vuol dire 4 DOF?

D.O.F. è l'acronimo di Degree Of Freedom che in Italiano si traduce in 4 Gradi di Libertà e che a volte viene indicato come 4 Assi. In pratica indica quanti tipi di movimento il braccio robotico è in grado di compiere.

Su ogni asse su cui ci sarà un tipo di movimento, ci dovrà essere montato un piccolo motore che gli consenta di attuare quel movimento, nel nostro caso verranno utilizzati i cosiddetti SERVO RC che sono dei piccoli motori dotati di una notevole riduzione meccanica che sono normalmente utilizzati per il controllo dei movimenti dei modelli di aerei, navi e automobili radiocomandati.

Nel disegno mostrato successivamente vengono mostrati i 4 Gradi Di Libertà del nostro braccio meccanico che sono:

• DOF 1: La rotazione dell'intero braccio meccanico sulla base di appoggio
• DOF 2: La rotazione del primo segmento del braccio che consente un movimento semi-circolare di avanzamento del braccio (avanti e indietro)
• DOF 3: La rotazione del secondo segmento del braccio che consente un movimento semi-circolare di elevazione del braccio (alto e basso)
• DOF 4: La rotazione dello snodo tra i due artigli della pinza che consente un movimento di serraggio della pinza (apertura e chiusura)

Il kit di montaggio del braccio robotico

Ho acquistato questo braccio robotico perché affascinato dalle potenzialità che questo meccanismo può avere e come appassionato programmatore di Arduino ho intravisto una serie di possibilità ma sinceramente senza sapere con certezza se poi la programmazione di questi "cosi" fosse alla mia portata o no.

Quindi questo mi è sembrato il perfetto braccio meccanico didattico, per imparare a programmarlo e capirne i limiti ed i problemi che si incontrano nel pilotare contemporaneamente più motori senza però arrivare a spendere cifre troppo elevate.

Il costo del braccio robotico e dei 4 Servo RC MG90S Acquistati su AliExpress a metà anno 2025 (quando li ho acquistati) si aggirava in totale a poco più di 10 Euro, se invece si volessero acquistare presso altri Store Online come Amazon ad esempio si trova intorno ai 20 Euro ma la consegna in questo caso è davvero più veloce.

Naturalmente a questo va sommato il costo della scheda di controllo (nel mio caso un Arduino Uno R3) e di un Driver PWM per servomotori visto che l'assorbimento dei Servo MG90S comincia ad essere troppo elevato per poterli pilotare direttamente dalla scheda Arduino, ma questi due componenti che in totale mi sono costati (sempre su AliExpress) circa 7 Euro naturalmente possono essere utilizzati anche per altre attività o per bracci meccanici più "seri" e quindi possono essere facilmente riciclati in attività future.

Il KIT così come l'ho acquistato si presenta come delle tavolette incise con un incisore laser da cui quindi andranno staccati manualmente i singoli componenti.

I Componenti del KIT

Premetto che ci sono due versioni dello stesso kit, uno più economico in legno (che è quello che ho acquistato io sempre per risparmiare) ed uno che costa qualche euro in più composto in materiale plastico acrilico.

Con il senno di poi, mi sento di consigliare la versione in materiale acrilico visto che il legno risulta più morbido e quindi le viti, che spesso vanno a mordere direttamente nei fori di fissaggio dei pezzi, nel legno tendono a rimanere troppo lente e a non bloccarsi correttamente.

Questa guida però spiega anche come ho risolto i vari problemi che si incontrano con la versione in legno, quindi se avete già acquistato quest'ultima non vi preoccupate che si può montare e far funzionare correttamente anche questa, io l'ho fatto.

Nella foto che segue mostro tutti i pezzi già staccati dalle loro basette e per facilitare il lavoro successivo li ho numerati in gruppi che coincidono con il numero del paragrafo che ne spiega l'assemblaggio, il numero sarà scritto tra parentesi "(1), (2) ecc." all'inizio del relativo titolo del paragrafo. Spero in questo modo di rendere le fasi di montaggio più semplici.

I Mini Servo RC MG90S

Come ho accennato prima, ogni movimento del braccio meccanico deve essere governato da un motore che nel caso di questo braccio meccanico è costituito da 4 Mini-Servo RC del tipo MG90S.

Questi servomotori sono di dimensioni ridotte rispetto ai Servo classici ma le funzionalità sono identiche, se ne trovano di vari modelli e costi, la caratteristica forse più significativa è se hanno gli ingranaggi in plastica (plastic gear) costano di meno ma sono più delicati e soggetti a rotture, mentre se hanno gli ingranaggi di metallo (metal gear) hanno un costo leggermente più elevato ma sono naturalmente più resistenti.

Tenete conto che questi Mini-Servo non potranno essere riutilizzati per un braccio meccanico un po' più serio (come il Braccio Robotico in metallo 6DOF di cui tratterò in un prossimo articolo) proprio perché di dimensioni (e potenza) ridotti mentre gli altri bracci meccanici di tipo hobbistico utilizzano generalmente Servo di misure standard.

Ogni Servo viene venduto corredato con una bustina contenente le viti di fissaggio e i vari bracci per il fissaggio dei componenti da pilotare.

Centraggio dei Servo

I Servo RC hanno normalmente un escursione dell'albero di rotazione di 180° (o meglio da -90° a +90°) e viene comandato tramite un segnale PWM (Pulse Width Modulation), un segnale ad onda quadra con una frequenza fissa (tipicamente 50 Hz) ed un impulso di lunghezza variabile da 1 a 2 ms dove il segnale di 1ms porterà l'albero nella posizione estrema da un lato, il segnale da 1,5ms porterà l'albero in posizione centrale e quello da 2ms lo porterà invece all'altro estremo con tutte le posizioni intermedie raggiungibili con le lunghezze di segnale intermedie.

Il connettore ha 3 fili colorati:

• NERO: Negativo comune, va collegato a massa
• ROSSO: Positivo dell'alimentazione, deve essere alimentato con una tensione continua di 5 Volt.
• GIALLO: Segnale di controllo, deve ricevere il segnale PWM che gli indicherà la posizione che deve essere raggiunta.

Prima di montare i Servo sul braccio robotico, questi dovranno essere posizionati in posizione centrale e questo si può ottenere in vari modi, i 3 più comuni sono:

1. Posizionare uno dei braccetti di controllo sull'albero di rotazione e girarlo delicatamente tutto da una parte fino a raggiungere il finecorsa. A questo punto posizionare nuovamente il braccetto in posizione perpendicolare al motore e a questo punto ruotarlo di 90 gradi in senso contrario, questa dovrebbe essere la posizione centrale del motore. Attenzione, questa operazione è sconsigliata soprattutto se si hanno i servo con gli ingranaggi di plastica perché l'operazione manuale può far saltare gli ingranaggi rovinandone i denti
2. Collegare il Servo ad una scheda Arduino (o simile) e scrivere (o scaricare da internet) il codice che invii sulla porta collegata sul filo giallo un segnale PWM di ampiezza di 1,5ms
3. Utilizzare un Servo Tester come quello mostrato nella foto successiva, questo strumento consente di provare l'escursione del servo ruotando il potenziometro oppure (premendo il tasto apposito) di mettere il servo nella posizione centrale. 

(1) Montaggio del Servo di controllo rotazione del braccio (DOF 1)

Come prima cosa andranno presi i due pezzi contrassegnati dal numero 1 sulla immagine dei componenti del Kit, due viti M3 di presenti nella bustina e poi uno dei mini-servo 

I componenti andranno assemblati come mostrato nella seguente foto facendo attenzione al pezzo più piccolo che ha una scanalatura per agevolare il passaggio dei fili del servo:

Il tutto verrà poi fissato con le due viti che andranno poste negli appositi fori

Da notare che le viti normalmente dovrebbero andare ad avvitarsi nei fori inferiori che sono più piccoli, questo probabilmente nel KIT in materiale acrilico funziona pure, ma il legno, vista la sua morbidezza, non c'è verso che le viti reggano e quindi nella maggior parte dei casi sulla vite dovranno essere messi dei dadi di bloccaggio come mostrato in foto.

Nel kit, se non ricordo male qualche dado è incluso ma soprattutto se avete il kit in legno vi consiglio di fare una scorta di dadini M3 e di rondelle, vi serviranno.

(2) Montaggio della base fissa del Braccio Robotico

La base, contrassegnata con il numero (2) sulla foto dei componenti del kit,  è quella che sosterrà l'intero meccanismo e che (se volete evitare che il braccio oscilli paurosamente ad ogni piccolo movimento) converrà dopo aver finito il montaggio, fissarlo ad una base più grande e pesante.

Questa base dovrà sostenere la basetta con il servo di rotazione (DOF 1) del braccio robotico che abbiamo assemblato al punto (1) e per farlo utilizza 4 viti che fanno da "colonne" e che io ho ricomprato per averle un po' più lunghe.

Ora si tratta di inserire le viti lunghe nella parte inferiore della base, io consiglio di mettere i dadi e le rondelle esattamente come li vedete nella foto successiva, i dadi inferiori però non li stringete perché le viti dovranno avere la possibilità di poter ruotare per avvitarsi sulla basetta superiore.

Ora si deve montare la base di supporto del servo di rotazione assemblata al punto (1) sull'estremità delle 4 viti montate su questa base fissa nel modo indicato nella figura che segue.

Purtroppo non sarà possibile montare dei dadi di bloccaggio della base superiore perché lo spazio è insufficiente e queste impedirebbero la corretta rotazione del braccio meccanico, ma una volta che la punta delle viti viene avvitata nei fori della base superiore basterà serrare i controdadi sulla base fissa (quelli che prima avevamo lasciati lenti) per far sì che il tutto rimanga correttamente bloccato.

(3) Montaggio della base di rotazione del Braccio Robotico

Una volta fissato il servo dovremo assemblare il pezzo contrassegnato con il numero (3) sulla foto dei componenti del kit con il relativo braccetto e le sue viti compresi nel kit del servo per costruire la base rotante su cui poi si svilupperà il Braccio Robotico.

Il braccetto del servo dovrà essere inserito dietro al pezzo e fermato con le viti montate sulla parte anteriore.

Fate attenzione a come deve essere posizionata la basetta rispetto al braccetto e a non metterla sottosopra, ed il braccetto dovrà avere il foro con il millerighe (quello che va montato sull'albero del servo) inserito nel foro della basetta.

Una volta montato il braccetto, il tutto dovrà essere esattamente come nella foto a seguire:

Montaggio della Base di Rotazione sul Servo di Rotazione del Braccio

Se ora prendiamo il risultato dell'assemblaggio descritto nel paragrafo 3 e lo mettiamo a fianco di ciò che abbiamo assemblato nel paragrafo 2 dovremmo avere questa situazione:

A questo punto si dovrà posizionare la base di rotazione sopra il servo esattamente come è mostrato nella foto che segue e fissare questa tramite la vitina di fissaggio del braccetto in dotazione nel kit del servo.

(4) Montaggio del Servo di controllo Avanzamento del braccio (DOF 2)

Si dovranno prendere ora i pezzi contrassegnati dal numero (4) ed un secondo servo come mostrato nella figura seguente:

Con le viti M3 andremo a fissare il servo sulla sua basetta, attenzione a montare esattamente come mostrato nella foto:

Anche in questo caso è fortemente consigliato (soprattutto nella versione del braccio in legno) di mettere dei dadi di bloccaggio sulla parte sporgente delle viti.

(6) Montaggio della prima parte del primo segmento del braccio robotico

Sul servo montato sulla propria basetta nel paragrafo (4) andrà montata la prima parte del primo segmento del braccio robotico composta dal pezzo identificato dal numero (6), e dal braccetto doppio del servo con le relative viti di fissaggio.

Anche in questo caso il foro del braccetto del servo che ha il millerighe di fissaggio sull'albero del servo dovrà essere messo all'interno del foro del pezzo come mostrato in figura ed il tutto andrà fissato con le viti a corredo.

Utilizzando poi la vitina di fissaggio del braccetto presente nel kit del servo, fisseremo il pezzo al servo assemblato al paragrafo (4) nel modo seguente.

(7) Montaggio della seconda parte del primo segmento del braccio robotico

Per completare il primo segmento del braccio robotico, dovremo ora assemblare alla prima parte i componenti contrassegnati dal numero (7) e le relative viti e dati fornite nel kit del braccio robotico

I due dadi di fissaggio dovranno essere incastrati nelle apposite asole presenti nella parte centrale del segmento del braccio, come si può vedere nella foto seguente

(5) Montaggio del Servo di Controllo Elevazione del braccio (DOF 3)

Per l'assemblaggio del servo che servirà a controllare lo spostamento di elevazione del secondo segmento del braccio robotico si dovranno prendere i componenti identificati dal numero (5) ed un terzo servo 

Il servo andrà montato sulla propria basetta nel modo mostrato nella foto seguente, fate attenzione a rispettare il posizionamento dei singoli pezzi.

Anche in questo caso sarà consigliabile utilizzare dei dadi per bloccare la struttura ed evitare possibili allentamenti dovuti alle vibrazioni.

(8) Montaggio del braccetto di controllo del secondo segmento del braccio robotico

Il servo appena montato dovrà agire sul secondo segmento del braccio robotico, per fare questo c'è un meccanismo composto da due bracci mobili ed un rinvio che servono appunto a portare il movimento al secondo segmento del braccio.

Per montare questa prima parte del meccanismo dovremo prendere il pezzo contrassegnato dal numero (8), il solito braccetto doppio del servo e le solite viti di fissaggio.

Il tutto andrà montato come mostrato nella foto

(9) Montaggio del supporto del primo segmento del braccio sulla base rotante

Ora per montare il primo segmento del braccio robotico sopra la base rotante dovremo assemblare questo supporto utilizzando i pezzi contrassegnati dal numero (9).

Questi tre pezzi dovranno essere incastrati esattamente nel modo indicato nella foto (per ora non ci sono viti di fissaggio)

Il tutto viene poi incastrato sulla base rotante assemblata precedentemente come mostrato in foto.

Anche in questo caso è ancora tutto ad incastro e non ci sono viti da utilizzare.

A questo punto prendiamo la basetta con il servo ed il primo segmento del braccio robotico che abbiamo assemblato al paragrafo (7) e lo andiamo a porre lateralmente al supporto appena montato fissandolo con le viti che andranno a serrarsi con i dadi inseriti nelle apposite asole.

L'altra parte del primo segmento del braccio robotico, quella che non è attaccata al servo, dovrà essere collegata alla basetta centrale tramite una vite con una rondella posta nel centro per favorirne il movimento

Questa giunzione deve essere lasciata piuttosto lenta altrimenti l'attrito dello sfregamento dei due pezzi potrebbe bloccarne il movimento.

Per questa ragione il dadi di fissaggio on deve essere stretto ma deve rimanere circa 1 mm di spazio libero tra i due pezzi.

Per evitare che il dado si possa svitare dovremo mettere un controdado che andando a stringere sul dado lo fisserà nella posizione desiderata.

A questo punto ho collegato il mio tester per i servo per verificare il movimento del primo segmento del braccio ed ho visto che questo nella parte inferiore della sua corsa andava a sbattere sulla parte anteriore del supporto.

Ho quindi segnato con una matita il punto in cui avveniva il contatto e con un mini-trapano (simil-Dremel) con un dischetto abrasivo montato, ho tolto la parte in eccesso che bloccava la completa discesa del braccio.

Montaggio sulla base rotante del servo del movimento del secondo segmento del braccio robotico

Ora monteremo la basetta con il servo relativo al movimento del secondo segmento del braccio robotico (quello assemblato al paragrafo (8)) anche questo sulla base rotante dalla parte opposta al servo già montato.

Anche questo componente andrà fissato con le viti che vanno a serrare sui dadi inseriti nelle apposite asole come mostrato in foro

(10) Assemblaggio del secondo segmento del braccio robotico

Monteremo ora il secondo segmento del braccio robotico, per farlo prenderemo i componenti identificati dal numero (10) mostrati nella figura seguente:

Di questi componenti il primo servirà dopo come snodo di riporto del movimento della pinza mentre gli altri tre andranno posizionati nel modo seguente per costruire il segmento del braccio vero e proprio.

I tre pezzi dovranno essere montati utilizzando i propri incastri nel modo seguente:

Fissaggio del secondo segmento del braccio robotico all'estremità del primo segmento

Ovviamente il secondo segmento del braccio andrà collegato all'estremità del primo segmento che abbiamo montato in precedenza sulla base rotante, per farlo questo dovrà essere posizionato nel modo seguente:

Questo secondo segmento dovrà essere libero di muoversi rispetto al primo e quindi monteremo le viti con i dadi lasciati piuttosto lenti ed una rondella in mezzo ai due pezzi dello snodo (per far si che l'attrito non blocchi il movimento) e metteremo dopo ogni dado un apposito controdado che una volta serrato ne impedisca il possibile allentamento.

Lo snodo (che è il primo dei quattro pezzi mostrati nella foto del paragrafo (10) dovrà essere montato sul lato destro della giunzione tra i due segmenti del braccio robotico nella posizione che è mostrata in foto.

Anche in questo caso converrà mettere una rondella tra i due pezzi prima di mettere la vite e poi bloccarla con dado e controdado.

Montaggio dello snodo di riporto del movimento della pinza

Questo componente (il primo dei quattro visualizzati nella foto all'inizio del paragrafo (10)) fa parte di una serie di leveraggi che ha lo scopo di mantenere la pinza in posizione orizzontale in qualsiasi movimento che venga fatto dai due segmenti del braccio robotico.

In particolare questo snodo andrà montato sulla vite di congiunzione tra il primo ed il secondo segmento del braccio, sul lato destro, quindi dovremo smontare questa vite fissata al passo precedente ed aggiungerci una ulteriore rondella di separazione e a seguire questo snodo. Fatto questo potremo rimettere il dado ed il controdado di bloccaggio.

Nella foto successiva si può notare il dettaglio delle rondelle messe tra i vari componenti in movimento tra loro per diminuirne l'attrito e del bloccaggio dei dadi con i controdadi

(11) Montaggio dei leveraggi di trasporto del movimento

I due componenti identificati dal numero 11 sono identici di forma e dimensione ma hanno due scopi diversi.

Il primo va montato tra il foro presente sulla basetta del servo del movimento del primo segmento del braccio e lo snodo di riporto del movimento della pinza montato nel paragrafo precedente.

Mentre il secondo leveraggio va montato tra il braccetto di controllo del secondo segmento del braccio robotico (la cui descrizione del montaggio si trova al paragrafo (8)) ed il foro presente sul braccetto sporgente del secondo segmento del braccio robotico montato invece al paragrafo (10).

A questo punto il nostro braccio robotico 4DOF dovrebbe trovarsi in questo stato di avanzamento come mostrato nella foto a seguire

(12) Montaggio dell'ultimo componente del leveraggio di trasporto del movimento

L'ultimo componente identificato dal numero (12) è identico ai due precedenti come si può notare dalla foto

Quest'ultimo componente del leveraggio va fissato sul foro rimasto libero dello snodo di riporto del movimento della pinza.

(13) Montaggio del supporto del servo di controllo della pinza (DOF4)

Ora si dovranno prendere i pezzi contrassegnati dal numero (13) che sono quelli destinati a fissare il servo che controlla l'apertura e la chiusure dei becchi della pinza meccanica del nostro braccio robotico

Per il montaggio dei componenti consiglio di seguire attentamente le fasi di montaggio illustrate nelle prossime foto:

1) Montaggio del servo sul primo supporto

2) Montaggio del distanziale con il braccetto di collegamento al leveraggio

3) Montaggio del secondo distanziale

4) Montaggio del secondo supporto del servo e bloccaggio con viti e dadi

(14) Montaggio della leva di controllo del movimento dei becchi della pinza

Per questo componente mostrato in foto ed identificato dal numero (14), il collegamento al servo andrà effettuato utilizzando il braccetto singolo fornito nel kit e non il braccetto doppio come quello utilizzato per gli altri servo

Con il servo posizionato al centro della sua escursione, il braccetto montato dovrà essere posizionato all'incirca nella posizione mostrata nella foto.

(15) Montaggio della pinza meccanica del braccio robotico

Infine dovremo prendere i componenti della pinza meccanica, identificati dal numero (15) e cominciare dai due artigli della pinza a cui andrà inserita una vite e poi a seguire un distanziale tondo e una rondella di metallo per diminuire l'attrito.

I due artigli andranno poi avvitati sui fori del supporto del relativo servo in questo modo:

Le due viti, come di consueto, andranno bloccate con due dadi a cui per evitarne l'allentamento aggiungeremo anche i controdadi.

Ora dovremo collegare il leveraggio di controllo di apertura degli artigli della pinza e la nostra pinza robotica sarà completa.

A questo punto dovremo soltanto fissare la nostra pinza al secondo segmento del braccio robotico ed al leveraggio per completare il montaggio 

E finalmente il montaggio del braccio robotico 4DOF è terminato.

Un ultimo consiglio, essendo il peso della pinza non ben equilibrato rispetto al resto del braccio, il movimento di risalita del braccio (DOF3) risulta difficoltoso, aggiungere un contrappeso che bilanci questo squilibrio migliora molto la fluidità del movimento del braccio, il peso di bilanciamento va trovato facendo delle prove, io mi sono trovato bene utilizzando una vite M10 con due rondelle (che mi sono utili per fissarla al braccio) e tre dadi come si può vedere nella foto.

Bene, ora il mio articolo è finito, spero vi sia stato utile per montare rapidamente e senza errori il vostro braccio robotico 4DOF.

Io vi ringrazio per avermi seguito fin qui e vi auguro un buon divertimento a programmare e a far muovere questo oggetto che per me è stato davvero interessante.

A presto con il prossimo articolo...

Luciano (Capitan Farloc)