如何在 2025 年打造机械臂 1

您可以在 2025 年通过简单的步骤学习如何制作机械臂。许多初学者会为学校、编程和趣味项目制作机械臂。首先，您可以使用 LEGO Mindstorms、Raspberry Pi 机器人或 EZ-Robot 等套件进行学习和实验。热门零件品牌包括 FANUC、KUKA 和 Standard Bots。

筹划

图片来源： pexels

定义目的

在开始之前，先决定你为什么要 搭建机械臂许多人使用机械臂进行学习、拾取物体或用手机控制它们。你应该考虑机械臂的尺寸、所需的关节数量以及它能执行哪些任务。

底座为手臂提供稳定性并帮助其平稳移动。

关节决定手臂如何弯曲和转动。

关节越多意味着手臂可以以更多方式运动。

手臂的末端称为末端执行器，用于抓取或移动物体。

手腕可以让手臂扭转和转动，以便更好地控制。

提示：如果您想了解如何构建用于蓝牙控制或物体拾取的机械臂，请规划足够的关节和夹持器。

选择材料

机械臂可以使用不同的材料。每种材料都有其优点和缺点。

课程教材

优点

缺点

Acrylic

轻便、易切割、外观整洁

受压时可能会断裂

木材

便宜、易塑形

不如金属坚固

3D印刷

定制形状，轻便

需要一台 3D 打印机

纸板

非常便宜，很容易找到

不耐用，脆弱

选择适合您项目和预算的材料。较轻的材料有助于手臂移动得更快，但坚固的材料使用寿命更长。

收集组件

你需要几个部件来构建你的机械臂。大多数项目使用伺服电机驱动，并使用像 Arduino 这样的微控制器进行控制。

电机或执行器（伺服电机效果很好）

微控制器（Arduino 很流行）

电位器、电阻器、按钮

电线和电源

您可以从 EVst、Elephant Robotics 或 Standard Bots 等品牌找到优质零件。EVst 为初学者和业余爱好者提供套件和单个零件。如果您想了解如何打造一个运转良好的机械臂，请务必使用可靠的组件。

如何打造机械臂

如何在 2025 年打造机械臂 2

设计与组装

首先，你需要 规划你的机械臂 看起来会很像。把你的想法画在纸上，或者使用像 Tinkercad 这样的免费工具。确定你想要的关节数量。想想每个部件的连接位置。很多人用 3D 打印来制作手臂的特殊部件。你也可以用简单的工具切割亚克力或木材。

要将手臂组装在一起，请按照以下步骤操作：

将每块布片剪至合适的尺寸。可以使用尺子和记号笔。

用螺钉、螺栓和支架固定接头。

在每个关节处安装尼龙垫片、垫圈和螺母。这有助于手臂顺畅移动，并防止摩擦。

使用安装支架和螺丝将伺服电机固定到位。确保螺母与平台孔位匹配，以保证强度。

使用相同的硬件连接主臂、枢轴连杆、倾斜臂和夹具。

在固定部件和旋转部件之间放置较大的凸缘。这样可以提供空间，使手臂能够轻松转动。

如果无法使用工具，请用手拧紧螺母。这可以防止手臂晃动。

在夹持器螺丝上使用锁紧螺母。这些螺母可以让夹持器移动，但不会松动。

搭建一个坚固的底座，或者将扶手固定在桌子上。这样可以防止扶手翻倒。

许多初学者会制作简单的机械臂，用夹爪来抓取小物件。有些人会添加 AI 视觉系统来实时查找物体。选择一种符合你的目标和知识的风格。

安装电机和接线

你需要在每个关节上安装电机。大多数人使用 伺服马达 因为它们使用方便。用支架和螺丝固定每个电机。将伺服线穿过机械臂上的孔。这样可以确保线材安全，避免缠绕。

请按照以下步骤进行接线：

检查电池的正负极。红线接正极，黑线接负极。

将红色电源线穿过主断路器至配电板 (PDP)。

将每个电机控制器的电源输入连接到 PDP 上的高电流输出。

使用剥线钳准备好电线。将它们插入端子。

使用 Wago 221 接线端子将电机控制器输出连接到电机。红线接红色，黑线接黑色。

对于长电线，请使用 12 AWG 延长线。安全地沿着手臂走线。

务必通过查看并轻轻拉动电线来检查连接情况。确保它们紧固牢固。

接线和测试时，将机械臂放在垫块上。这可以防止其突然移动。

电机控制器位于微控制器和电机之间，用于提供适当的功率。将控制器的电源输入连接到微控制器的 5V 和接地引脚。控制信号使用 PWM 或 UART。对于无刷电机，您必须设置 ESC。Arduino 伺服库可帮助您发送 PWM 信号来控制速度。

编程与测试

你可以使用像 Arduino 这样的微控制器来控制机械臂。编写代码来移动每个关节。许多人使用 Python 来完成简单的项目，因为它简单易用且拥有丰富的库。C++ 适用于快速控制和硬件开发。Java 适用于多种计算机，而 MATLAB 则适合测试和建模。

程式语言

优势和典型用例

限制

Python

简单的词语，众多的库，快速尝试的想法

不适合快速工作

C + +中

快速、实时控制，与硬件配合使用

对于新用户来说很难

爪哇岛

易于使用，适用于多种计算机

不适合快速控制

MATLAB

适合测试和建模

不用于最终控制

你需要规划关节的运动方式。Denavit-Hartenberg 约定可以帮助你做到这一点。你需要使用四条规则为每个关节指定一个坐标系。这些规则使用四个数字：θ (theta)、α (alpha)、r 和 d。你将这些数字存入一个表格，并创建变换矩阵。将这些矩阵相乘，就能得到末端执行器的位置和方向。这样，你就能根据关节角度和连杆长度知道手臂的运动方向。

测试和校准是构建机械臂的重要步骤。请遵循以下步骤：

规划机器人的运动数值。

使用反馈或其他设备测量姿势错误。

用数学方法查找几何误差。

修复运动模型，使其更加准确。

使用激光跟踪仪或 CMM 等 3D 测量工具进行开环校准。

触摸已知距离的球体，并将测量的姿势与您的预期进行比较。

以不同的方式将手臂移动到同一位置，以查找并修复关节偏移。

关注几何误差，因为它们是大多数错误的原因。

如果您没有外部设备，请使用带有反馈的快速重新校准。

检查校准，看看准确度是否提高。

成本考虑因素

您可能想知道制造一个机械臂的成本是多少。简单的协作臂仅机械臂的成本就在25,000万到75,000万美元之间。安装成本在40,000万到150,000万美元之间。这些机械臂安全可靠，易于安装，非常适合初学者。先进的工业机械臂的成本在50,000万到200,000万美元之间。安装成本最高可达500,000万美元。这些机械臂的举重能力更强，精度更高，但需要安全笼和专业的安装。

机械臂类型

价格范围（基本单位）

安装成本范围

主要特性和用例

简单（协作）

$ 25,000 - $ 75,000

$ 40,000 - $ 150,000

安全、轻便、易于安装、无需围栏、可举起约 18-20 公斤、无需代码编程、使用灵活

高级（工业）

$ 50,000 - $ 200,000

$ 150,000 - $ 500,000

举升更多，非常准确，需要安全笼，用于焊接、数控、堆垛、重型工作

不含软件和安全部件的组装成本约为 20,000 万至 30,000 万美元。维护成本每年约占总成本的 5% 至 12%。电费每年约为 500 至 1,000 美元。

提示：如果您是机器人新手，请先从简单的手臂开始。随着您学习更多有关机械臂的制作知识，您可以逐步升级。

故障排除和安全

常见问题

当你建造机械臂时，你可能会面临一些 常见问题。了解这些问题有助于您快速修复它们并确保项目顺利运行。

机械不稳定性会导致手臂抖动或失去精度。您可以使用更坚固的轴承和轴来解决这个问题。

关节僵硬和齿轮磨损通常会减慢运动速度。润滑关节或更换磨损的部件，以恢复顺畅的运动。

断电可能导致机械臂突然停止，并可能损坏零件。再生制动电路可帮助机械臂在断电期间安全减速。

灰尘和湿气会损坏电子元件。请遮盖所有电子设备，以保护其免受环境影响。

线缆过多会使设置和维修变得困难。尽量使用单根线缆连接机器人和控制器。

电压不稳定或接线错误可能会导致机械臂停止工作。请务必检查电源和接线连接。

磁体安全使用说明

你必须遵循 安全守则 在使用机械臂时保护自己和他人。

经常检查线路和零件。检查是否有损坏或松动的连接。

设置安全屏障，如栅栏或光幕，以防止人们靠近运动部件。

将紧急停止按钮放置在容易触及的地方。确保每个人都知道如何使用它们。

使用传感器检测手臂附近的人员或物体。这有助于机器人在事故发生前停止运行。

保持工作区域明亮整洁。良好的照明有助于您发现危险区域。

了解 ISO 10218 和 ANSI/RIA R15.06 等安全标准。这些标准为安全设计和操作提供指导。

对所有操作机器人的人员进行培训。进行安全演习并经常更新培训内容。