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[项目] 【Arduino 动手做】3D 打印 6+1 自由度的开源桌面机械臂

说明
RR1 拥有 6 个（6 个关节 + 1 个用于夹持器）自由度，由步进电机驱动。它是完全闭环的，也就是说，每个关节都配有独立的编码器，并且我们随时都能知道所有关节的当前角度。RR1 与其他类似项目的重要区别在于，每个关节都配备了定制的 3D 打印开环行星齿轮减速器。该机器人由两部分组成：(i) RR1 机械臂本身；(ii) 一台名为 Real Box One（简称 RB1）的控制计算机。这使得许多电子设备与机械臂分离，并支持模块化设计。

第一个原型，称为“修订版 1”，已经投入运行。第二个原型“修订版 2”正在开发中（您可以猜猜它的颜色）。由于我在“修订版 1”的组装过程中积累了丰富的经验，第二个原型“修订版 2”（橙色版本）将在很多方面得到显著改进。

【Arduino 动手做】3D 打印 6+1 自由度的开源桌面机械臂图1

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精彩评论(4)

驴友花雕 中级技神
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发表于 6 小时前

【Arduino 动手做】3D 打印 6+1 自由度的开源桌面机械臂

细节
RR1是一款 DIY 桌面机械臂，也是我在机器人领域的一个大项目。其整体设计理念是能够生产更多这样的机器人，从而实现桌面上的多机器人协作。我认为，在桌面上放置一个小规模的工业 4.0 机器人，对于研究和测试来说，将会非常有帮助。

机器人本身比玩具更大、功能更强大，但它不像工业机器人那样大，而且价格也不贵，所以如果您想要 10 个这样的机器人，您不需要有建造工厂的预算。

由于体积小巧，RR1 不像工业机器人那样需要封闭在难以接近的区域，因此非常适用于协作机器人。

与其他类似尺寸的机器人项目不同，RR1 不使用任何皮带传递扭矩。RR1 中的所有扭矩传递均通过齿轮完成。所有减速器均基于 3D 打印的开口环行星齿轮箱定制。每个关节都有各自的行星齿轮箱，因此整个机器人共有六个不同尺寸的类似齿轮箱。此外，还有三个锥齿轮箱用于从电机轴以 90 °角传递扭矩，这些锥齿轮箱也大部分采用 3D 打印制造。

该机器人由步进电机驱动，包括4个大型（NEMA 23）和3个小型（NEMA 17）。下部主关节由目前最大的NEMA 23步进电机（长度112毫米）驱动，产生3Nm的扭矩，连接到1:40的减速器，理论上可在主关节产生120Nm的扭矩，足以驱动机器人。

下图显示了主下关节的减速器。它是一个开口环行星齿轮箱，由三个行星齿轮（人字形齿轮）和一个连接到电机轴的中间太阳齿轮组成。减速器有两个齿圈，一个固定（橙色），一个旋转（灰色）。驱动手臂的旋转齿圈通过轴承滚珠固定在橙色前部凹槽中（图中未显示滚珠和螺栓）。

注：我经常用“行星齿轮箱”来指代开环行星齿轮箱。RR1 rev. 1 和 RR1 rev. 2 中只有开环行星齿轮箱。开环行星齿轮箱的优势在于可以实现更高的减速比。

【Arduino 动手做】3D 打印 6+1 自由度的开源桌面机械臂图2

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驴友花雕 中级技神
楼主|

发表于 6 小时前

【Arduino 动手做】3D 打印 6+1 自由度的开源桌面机械臂

以下视频展示了如何用3D打印零件组装开口环行星齿轮箱。组装过程注重平稳旋转和消除齿隙，是一项极具挑战性的任务。

该机器人目前以首个原型的形式存在，称为“修订版 1”（revision 1），简称“rev. 1”。“rev. 1”的关节仍然存在一些间隙，我希望在“rev. 2”中消除这些间隙（在上面的视频中，我们确实实现了几乎为零的间隙）。重复性仍在改进中。

更新：以下视频展示了主肩关节行星齿轮箱断裂的手术和分析。此次损坏发生在2023年布拉格创客博览会期间。此次损坏为未来的设计提供了重要的借鉴，并将在“rev.2”中体现。

对第一个原型“rev. 1”进行的测试和发现发布如下。第一个测试名为“可口可乐测试”，重点考察机器人的灵活性，该测试使用了机器人的所有六个关节以及一个夹持器。RR1 正在举起 330 毫升可口可乐并模拟倒酒。罐子是满的，对于机器人的夹持器来说，罐子有点滑。夹持器上的蓝色橡皮筋具有防滑效果，可以缓解这种情况。看来我应该在夹持器的下一个版本（Rev.2）中添加更多防滑组件，这样就可以不用再使用橡皮筋了。

接下来是另一个展示机器人关节运动的视频。该测试还将重点检查所有电缆是否足够长，以允许手臂旋转。

我还做了一些初步的举重测试，其中 RR1 举起了一根水杠铃。我想知道这个机器人能否举起 1 公斤的杠铃——理论上应该可以。以下视频展示了测试过程。下一个视频展示了运动测试……

下一个视频是完整的1公斤杠铃测试（刺猬索尼克也被机器人抓住了）。正如视频所示，RR1能够用其抓手举起1公斤的重物，也就是用手腕。看来我们能够达到预计的2公斤有效载荷。测试还发现了一些需要在Rev.2中修复的缺陷：抓手的抓力相对较弱，杠铃可能会滑出。我们用蓝色橡皮筋增加了抓力。

这里有一个较短的视频，展示了如何举起 1 公斤的重物，但没有“拯救刺猬索尼克”的场景（以防你不喜欢看到索尼克被机器人伤害）：

我已经在组装“Rev. 2”了，它将包含许多改进，其中最显著的改进是行星齿轮减速器，几乎没有齿隙。Rev. 2 还将采用不同的底座，其机械臂将像工业机器人一样偏心前移，使机器人的工作空间更加自然。

【Arduino 动手做】3D 打印 6+1 自由度的开源桌面机械臂图3