DIY機械手臂(Part 1):以CAD軟體設計手臂

七月 15, 2015
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此專題是機器手臂教學的第一部分。在第二部分,我們會設計底座 ,而第三部分是設計支架。第四部分則是以Arduino進行操控。
機器人最棒的地方是你可以把它們做成任何想要的形態。從小小的Roomba到大型的製造工業用機器手臂,幾乎沒有形態的限制。

但是,其中有些機器人的難度還是比較高。那些用來生產汽車的機器人不但極度昂貴也極度複雜。但有數以千計的人們能夠生產或改組這些機器人,並發現不可思議的應用方法。舉例來說,你有看過《地心引力》這部電影嗎?所有珊卓‧布拉克在太空中飛行的場景都是用工業機器手臂製造的效果。

我想讓你思考的是,如果你能接觸到這些機器手臂、能隨心所欲來塑造它們、了解如何使用它們的話,你會怎麼做?

讓我們來思考這個問題。讓我們探索如何設計、建造、編寫程式,接著使用我們自己的3D列印機器手臂。在接下來的幾篇文章中,我們將進行使用電腦輔助製圖(CAD)的3D零件模型化、探索需要哪些材料來以低廉的成本製做這種機器手臂,以及如何確保它們能配合我們的設計。

在所有CAD工作都完成之後,我們會3D列印我們的零件,並且組裝。接著,我們要學習如何編寫程式和操控機器人。再來,就是發揮想像力的時候了。雖然我會用我想應用機器手臂的方式來教你,我更期待看到你的創造。

但我們可別操之過急。首先要做的是設計所有零件。任何專題的第一步都是取得材料。


材料

工具

  • 游標卡尺
  • 3D 印表機,我們在這裡使用的是Dremel Idea Builder
  • CAD軟體的電腦

第一步:訂購馬達

訂購小型馬達是重要的步驟,因為在機器手臂上增加越多重量,就會越難移動。

我的是從Adafruit買的。

第二步:選擇CAD

  • 尋找合適的CAD可能會很困難、多數學習曲線很陡,而且最好用的大多不是免費的。我使用的程式名為Rhinoceros,所有螢幕畫面也都來自它。它是一款專業的CAD工具,有很多建築師、工業設計師和部分的機械工程師會使用。
  • 我選擇它是因為它速度很快,而且極度精確。它目前在Mac有免費Beta版,但PC版不是免費的。如果無法使用Rhinoceros,或覺得它太複雜,別擔心;還有其他優秀的工具可以用來產生3D列印檔案。 Autodesk有一款程式名為Fusion 360,免費供學生使用。另外還有長期由Google開發的SketchUp。這些都是很適合的選項,你也可以自己尋找用起來最順手的。

第三步:測量驅動軸 

图片

我從測量驅動軸開始,也就是步進馬達驅動時會旋轉的那部分,接著以CAD軟體盡可能進行最精確的模型化。我用卡尺來測量驅動軸的長、寬和高,這麼做是因為我想要整合虛擬模型和馬達的真實尺寸。

第四步:模型化真實世界零件(馬達模型化)

 我用卡尺測量馬達的整體來進行模型化。雖然這不是必要步驟,我透過這麼做來取得比例參考,幫助我視覺化製作手臂元件的方法。

第五步:驅動軸頭的偏位

  • 現在我們要確實進行傳動軸頭的偏位。這麼做是因為設計手臂的時後,我們需要在手臂上加入孔洞,讓驅動軸可以放入。我們必須每次都用這個方式來偏位表面,因為3D製造的運作方式中,列印程序不是完美的,故無法依照我們的設計精確列印。我的表面偏位是.02″。
  • 註:依照此步驟進行至關重要,因為如果沒有以偏位來容許不完美,零件便通通無法接合。

第六步:定義形狀 

取得驅動軸的精確尺寸後,就可以開始設計手臂了。我先在二維空間畫出形狀,用兩個圓圈連接起來,成為手臂的形狀。

第七步:擠出形狀

這時擠出畫出的形狀約.375″,如此便形成實心形式。

第八步:修邊

 接著用修邊指令進行修邊。對於修邊的程度,可能要做些嘗試來找到合適的。

第九步:從手臂減去驅動軸

 最後使用布林指令,它會令軟體把一個物件從另一個物件減去。在這裡它會把驅動軸的形狀從手臂物件減去。

第十步:開始列印!

  • 現在把它放進你的切片軟體中,進入列印階段!
  • 馬達將能夠裝入模型中的插槽。

結論

下一篇文章中,我會更詳細說明如何設計和組裝相互接觸的各個元件。一步一步地,我們會一起朝更具功能性的機器手臂邁進。如果有任何問題,歡迎寄電子郵件給我,或在下面留言。如果想探索什麼樣的新玩意,或希望我深入探討這個持續性專題的哪個部分,也在下面留言告訴我吧!

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ADAM LUKASIK
小型機器人和太空船模型的Maker。

(譯:屠建明)
[原文]


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