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手把手教您製作機械手

翻攝自instructables網站,特此致謝!

(感謝作者 TanmayBenjwal開放授權,使我們得以摘譯這篇文章,特此致謝。原文網址:https://www.instructables.com/Robotic-cum-Prosthetic-Hand/?fbclid=IwAR3tEo0X1vaOMyWoe030LhJ7cqf6mDo3kaE78enSZGg0jLwrYIcpjTVP-PM,如果讀者想要下載相關檔案及程式碼,請至點及原文網址,並至相關步驟進行下載,謝謝。)

若您想按照這篇教學文製作「機械手」,您將需要以下設備及材料:

  1. 3D列印機
  2. CAD軟體(TinkerCad/Fusion360)
  3. PLA和TPU
  4. MG995伺服馬達
  5. Arduino開發板
  6. 電線和麵包板
  7. 橡皮筋
  8. 繩/線(最好是尼龍材質)

步驟一:製作緣起

每次看完有機器人出現的電影時,我總是感覺激動且受啟發。我也非常熱衷於機器人,並且相信在機器人協助下,人類可改善自己的生活,並能像賽博格(編按:半機械人)一般,輕易進行一些沉重或複雜的工作。

我也是一位工程學的學生,所以我想到打造一個兼有義手功能的機械手,可在僅有一些或無修改情況下被使用。

我由兩項不同的開源專案擷取靈感設計了這隻機械手,並且加入了我的想法與設計,以符合兼有義手功能的機械手。這隻機械手完全是由3D列印製成,它是在ThinkerCAD 和Fusion360 中設計,而用於3D列印的材料是PLA(聚乳酸),它是一種生物塑料,可進行生物分解。為進行手指打開、閉合,以及手腕旋轉等運動,總共使用5顆伺服馬達(MG995),這些馬達由Arduino 開發板控制。此外,還可使用電位計、EMG 傳感器、AR-VR 手套或直接撰寫程式碼以控制機械手。繩子張力機制使用滑輪驅動手指,而一顆伺服馬達直接連接至底板以旋轉手腕。3D列印的鉸鍊和橡皮筋,作用在於釋放繩子張力後將手指向後推。

步驟二:運用CAD進行設計

機械手的設計是最重要的步驟。請記住,最終機械手的強度應能承受自身重量,以及一些外部重量和扭矩(來自於它所舉起的物體)。

所以,在了解我期待機械手進行的基本手部動作後,我決定盡可能採用最簡單的形狀和設計。此外我因根據觀看且閱讀的大量影片和開源專案,對應如何設計與製造機械手有了想法。我開啟我的Thinker Cad帳號且載入一些檔案,然後根據我的需求及專案範疇,開始融合這些檔案。也就是說許多元件完全由我設計,例如腕關節、主臂體……等等。我是在ThinkerCad這個程式內,完成大部分工作,但我也將例如腕關節等一些檔案,傳送至Fusion360,進行一些更細部的設計。

設計一個用於在拿起任何物體時,複製自然手部位置的機械手使用的MG995伺服馬達,在4.8伏特電壓下的扭矩為2.8公斤/公分,在此特定應用中,我向所有伺服馬達提供5伏特的恆定功率。當伺服馬達旋轉時,扭矩通過滑輪傳遞至細線,因細線會產生張力,且張力將迫使手指閉合。四個舵機用於驅動手指(拇指、食指、中指,以及一個用於無名指及小指)。 每根手指皆有指骨,我在每個指骨上添加一個45°的角度,這樣共可驅動90°,從而實現人類手指的完全自然運動。

至於手指部位,四顆伺服馬達各產生2公斤力量,所以當五根手指同時擠壓時,腕部會經歷共約8公斤的力量。然而,由於關節強度,也就是力(拾取物體的重量)於肘關節與腕關節處施加的合成扭矩,這隻機械手只能拿起1.5至2公斤的重量。

步驟三:3D列印

在您下載前一步驟所包含的.stl檔案,並且在您日常使用的3D slicer軟體中開啟他們後,這個步驟十分簡單。我使用標準版的Cura與Creality軟體,因為它們都是開放原始碼的軟體,並且與我升級過後的3D列印機「Ender3」有絕佳搭配。

3D列印機的設定幾乎大同小異,我使用便宜的PLA和TPU進行列印,而列印出來的成果相當好。以下是我針對3D列印機的設定:

  • 噴嘴溫度:200(PLA)、210(TPU)
  • 床溫:60(PLA)、80(TPU)
  • 速度:80毫米/秒(PLA)、60毫米/秒(TPU)
  • 層高:0.2毫米
  • 填充:20%

步驟四:組裝和電路圖

 在清理3D列印部件後,接下來便要展開好玩的組裝了。請依以下步驟和指引進行組裝:

  1. 請將下載的伺服機片(3D列印滑輪),以強力膠黏於伺服機片上(伺服馬達 MG995 附帶的圓形黑色聯軸器)。
  2. 伺服馬達的位置要彼此相對,而鎖緊伺服馬達的孔,也將指引您如何安裝伺服馬達。
  3. 將您的尼龍線拉伸,並抹上蠟燭蠟,然後在上面塗抹一層薄薄的強力膠。接下來把尼龍線切分為許多段,每一段的長度為30公分(這將增加強度並防止尼龍線自行解開)。
  4. 現在請您拿取尼龍線,將線由每個3D列印手指的孔中穿過,然後引導3D列印手掌中的孔,以製作您的機械手。
  5. 現在請將每個零件組裝起來,並運用在手臂體上的螺絲孔,將伺服馬達鎖至其應在的位置。
  6. 請將每根手指分配一顆伺服馬達,但確保無名指與小指共用一顆伺服馬達。
  7. 請仔細測量手指張開位置所需尼龍線的距離,並將其餘的尼龍線裁切。
  8. 請拿著尼龍線的尾端,在伺服機片(3D列印滑輪)部位打結,並在其上滴一滴強力膠,以確保有好的連接,這樣在負重的情況下才不至鬆動。
  9. 現在請在3D列印手臂體的背面,鎖上伺服機片。
  10. 請使用螺絲起子,將處理手腕旋轉動作的伺服馬達與伺服馬達支撐器鎖緊。
  11. 請謹慎運用臂體中的孔洞,將電線從伺服馬達中取出,並使用尼龍線將它們綁緊(只是讓每個部件整齊)。
  12. 請再次檢查所有打結部位,並且手動查看是否所有需移動的部件都以指定方式移動。

步驟五:撰寫程式與問題檢查

這也是一個直接的步驟,務必確保接線符合所提供的電路圖。

針對這個專案,我使用Arduino Uno,因為它的價格便宜,而且非常容易處理這隻機械手的工作量。

針對這個步驟所拍攝的影片,主要是進行程式碼測試。而在下方給大家使用的程式碼已經過升級,並且是專門撰寫,為了執行如同人手部的動作。

我已上傳測試的程式碼,好複製人類手指和手部的運動,您可以嘗試看看。此外也可以隨著您的需要與喜愛,改變程式碼,您可以下載下方的.ino檔案。(如欲下載這個檔案,請至原文的「Step 5: Coding and Trouble Shooting」最下方下載,網址:https://www.instructables.com/Robotic-cum-Prosthetic-Hand/?fbclid=IwAR0pG4RqlTZLJMhDkGbwxbnA_DqcM3czc59kG8DrDyWaZi1OqnxJlPK8UwU

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