簡易機械手設(shè)計制作完成報告一、項目背景與設(shè)計目標在工業(yè)自動化需求逐步滲透至教學、小型生產(chǎn)場景的背景下，簡易機械手作為低成本自動化執(zhí)行單元，可滿足教學實訓（機械原理、機電控制演示）、實驗室樣品分揀、小型生產(chǎn)線物料搬運等場景的基礎(chǔ)作業(yè)需求。本次設(shè)計以“功能完整、成本可控、易裝配調(diào)試”為核心目標，開發(fā)一款多自由度簡易機械手，實現(xiàn)物體抓取、空間姿態(tài)調(diào)整功能，兼顧手動/自動控制模式，為后續(xù)二次開發(fā)提供開源平臺。二、設(shè)計思路與方案確定（一）功能需求分析結(jié)合應用場景，明確機械手需具備：抓取功能：適應直徑5~80mm的圓柱/不規(guī)則物體，負載能力≥500g；空間運動：3個及以上旋轉(zhuǎn)自由度（底座回轉(zhuǎn)、大臂/小臂俯仰），運動范圍覆蓋半徑250mm的半球面；控制模式：支持手動（電位器調(diào)節(jié)）、自動（預設(shè)軌跡）雙模式，重復定位精度≤2mm，響應時間＜1s。（二）結(jié)構(gòu)與控制方案設(shè)計1.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用串聯(lián)式四自由度結(jié)構(gòu)（底座回轉(zhuǎn)+大臂俯仰+小臂俯仰+夾爪開合），通過舵機驅(qū)動各關(guān)節(jié)，連桿機構(gòu)傳遞動力：材料選型：主體框架選用3mm亞克力板（激光切割，成本低、易加工），受力件（舵機支架、夾爪）采用3D打印ABS塑料（強度適中、輕量化），夾爪接觸面粘貼防滑硅膠墊；關(guān)節(jié)設(shè)計：底座回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（舵機MG996R，扭矩13kg·cm），大臂/小臂俯仰關(guān)節(jié)（同型號舵機），夾爪開合關(guān)節(jié)（舵機SG90，扭矩2.5kg·cm）。2.控制系統(tǒng)設(shè)計硬件選型：以ArduinoUNO為主控，通過I2C舵機擴展板驅(qū)動4路舵機；配置3路電位器（手動調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度）、3個限位開關(guān)（防止舵機過行程），預留藍牙模塊接口；軟件邏輯：基于ArduinoIDE開發(fā)程序，包含手動模式（電位器實時控制關(guān)節(jié)角度）、自動模式（預設(shè)“抓取-提升-移動-釋放”軌跡）、限位保護（觸發(fā)開關(guān)時停止對應關(guān)節(jié)運動）。三、制作實施過程（一）機械結(jié)構(gòu)加工與裝配1.零件加工：使用AutoCAD繪制亞克力板、3D打印件圖紙，激光切割亞克力框架（底座、大臂、小臂連接板），3D打印舵機支架、夾爪組件（打印精度0.1mm）；2.裝配調(diào)試：按“底座→大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)→大臂→小臂關(guān)節(jié)→小臂→夾爪”順序裝配，調(diào)整舵機與連桿同軸度（誤差≤0.5mm），添加尼龍墊片減少摩擦。裝配后手動測試：底座回轉(zhuǎn)±160°，大臂俯仰0°~120°，小臂俯仰0°~90°，夾爪開合0~85mm，運動無卡頓。（二）控制系統(tǒng)搭建與調(diào)試1.硬件連接：ArduinoUNO通過I2C接口連接舵機擴展板，4路舵機分別對應底座、大臂、小臂、夾爪；電位器（A0~A2）、限位開關(guān)（D2~D4）接入對應引腳，電源采用12V/2A適配器（舵機）+5VUSB（主控）；2.程序優(yōu)化：初始舵機響應延遲（＞0.5s），通過改用`millis()`計時（替代`delay()`）、調(diào)整PWM頻率至50Hz，響應時間縮短至0.3s以內(nèi)；小臂抖動問題通過添加20g黃銅配重塊解決。四、性能測試與成果驗證（一）抓取性能測試選取塑料瓶、金屬塊、紙盒等物體測試：圓柱物體（直徑20~70mm）：穩(wěn)定抓取，最大負載650g（超設(shè)計目標）；不規(guī)則物體（帶棱角金屬塊）：調(diào)整夾爪角度后，負載≤550g；柔軟物體（海綿塊）：降低夾爪閉合速度，負載≤300g。（二）定位精度測試在大臂、小臂水平姿態(tài)下，對末端夾爪進行10次重復定位（目標坐標：X=200mm，Y=150mm，Z=100mm），實測：最大偏差1.8mm，平均偏差0.9mm，滿足設(shè)計要求（≤2mm）。（三）運動范圍驗證各關(guān)節(jié)運動范圍與設(shè)計一致，空間可達區(qū)域覆蓋半徑250mm的半球面（底座中心為原點，高度50~200mm），無卡頓。五、成果總結(jié)與改進方向（一）成果總結(jié)本次設(shè)計的簡易機械手實現(xiàn)4自由度運動（3旋轉(zhuǎn)+1抓?。邆涫謩?自動雙模式，最大負載650g，重復定位精度≤1.8mm，響應時間＜0.3s。整體成本≤300元，具有模塊化裝配（關(guān)節(jié)獨立組裝）、開源控制（Arduino程序可擴展）、操作簡單（電位器/藍牙雙控）的特點，可直接應用于教學、小型分揀場景，或作為二次開發(fā)平臺（如接入視覺識別）。（二）改進方向1.負載提升：更換20kg·cm扭矩舵機或步進電機+絲杠驅(qū)動，目標負載≥1kg；2.精度優(yōu)化：加裝AS5600磁編碼器，實現(xiàn)閉環(huán)控制，精度提升至0.5mm以內(nèi)；3.智能化擴展：接入ESP32+OpenCV，實現(xiàn)“物