37、基于 3D 打印部件的机械臂设计

基于 3D 打印部件的机械臂设计

1. 引言

在大学的机器人学教育过程中，对软硬件都有一定要求。像 Lego MINDSTORMS 这类工具通常只在小学阶段使用较为普遍。而 KUKA YouBot 虽为高等机器人教育而开发，但机械部件无法修改，且价格高昂。因此，寻找更便宜且具有工业级特性的解决方案成为研究方向。

大学学生需要更灵活的工具，不仅用于控制算法设计，还能在机械部件方面进行改进。随着 3D 打印机的普及，硬件限制有所减少，许多部件可在家或大学实验室打印。分析作为教育工具的机器人操作器的需求，对提高教育效果至关重要。

目前有很多使用 3D 打印部件的机器人项目，但只有少数能在一定程度上与科学或工业解决方案相关。工业解决方案与 DIY 项目的主要区别在于可靠性和耐用性，市场上的解决方案大多只适用于短期演示，功能部件易磨损。

“Thor”开源项目对 3D 打印部件的机器人解决方案发展贡献巨大，此后许多受其启发的操作器被开发出来。MOVEO 是 Thor 项目的优秀版本，但用于教育仍需教师付出较多精力。还有一些适用于教学的机器人，存在运动学限制，且多数缺乏控制系统，开发通用控制系统耗时较长，模拟教学也无法提供操作真实电机的技能。

基于对现有解决方案的分析，提出以下要求：
- 空间六自由度运动学
- 各方向尺寸 0.5 m
- 低成本步进电机
- 低成本且可靠的齿轮减速装置
- 低成本连杆
- 重复精度 ±2 mm
- 工作空间半径 0.3 m
- 提供关节低级别控制的通用控制系统
- 驱动部件长时间提供精度和可靠性

2. 机械臂设