打造一只开源机械臂。夹爪
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我想分享一些关于我们这款经济型机械臂研发进展的细节。目前，我们正在积极为第一台机械臂原型的组装阶段做准备。
7 自由度机械臂
我们为自己设定了一个相当宏大的目标：达到可与顶尖科研级机械臂相媲美的规格——长度 650 mm、7 个自由度、最高 3 kg 的负载能力，以及 1 mm 以内的定位精度。所有源文件和研发成果都将公开发布——或者说几乎全部，这取决于我们从机器人社区获得的支持力度。
什么是夹爪
我们准备分享的第一件东西就是夹爪。
说明：夹爪是一种用于抓取、握持、操作或搬运物体的机械或机器人装置。它充当机械臂或自动化系统的“手”或末端执行器，使机器人能够通过抓取和释放物体与物理世界交互。
我们考虑了多种夹爪设计方案，最终选择了平行夹爪机构。我们在选择设计时所依据的标准如下：
- 结构简单
- 能够抓取圆形物体
- 能够从桌面上拾取扁平物体
- 尽量少用舵机
- 设计的成本与可靠性
单爪旋转夹爪
我们遇到过的最简单的夹爪设计之一，大概要数单爪旋转夹爪——这种结构中一只夹爪固定不动，另一只则直接装在舵机的轴上。
- 这种方案的缺点在于，活动夹爪的前缘是沿着圆弧运动的。因此，如果要用夹爪的尖端抓取小物体，就必须考虑到在闭合过程中物体必须位于该圆弧轨迹上。
- 第二个缺点在于，由于只有一只夹爪运动，可抓取物体的最大宽度受限于这只活动夹爪的行程。要想抓取与平行夹爪相同的体积，夹爪就必须做得长得多。
夹爪长度对比。单爪旋转夹爪与平行夹爪
- 第三个缺点在于，这类夹爪是非对称的，也就是说重心始终偏向活动的一侧。
考虑到单爪旋转夹爪的所有这些缺点，我们决定改为研究对称的平行夹爪设计。
四连杆平行夹爪与普通平行夹爪
四连杆平行夹爪与普通平行夹爪
上图展示了使用单个舵机的两种平行夹爪方案。四连杆平行夹爪的夹爪呈一定角度张开，结果在零件数量和整体尺寸上都明显更为复杂。
我们本可以继续优化那个设计，但我们认为平行夹爪更易于组装，因此制造成本也会更低。
曲柄摇杆连杆机构
曲柄摇杆连杆机构
接下来一个重要的问题是滑动机构的选择。工程师提出的第一个方案是曲柄摇杆连杆机构。这种夹爪设计的一个显著缺点是它的高度。如果夹爪比滑动机构的高度还短，底部就会妨碍从平面上拾取物体，限制了抓取尤其扁平物品的能力。如果为了弥补而把夹爪做得更高，夹爪又会变得相当笨重。
正因如此，我们转而考虑齿轮齿条夹爪机构。
齿轮齿条夹爪机构
齿轮齿条夹爪机构。版本 1
在这张图中，我们用齿条机构取代了摇杆。你还可以看到与上一版本相比腾出了多少空间。
在下一阶段，工程师增加了限位块并降低了整个组件的高度。
齿轮齿条夹爪机构。版本 2
当前设计尚存的缺点之一是所谓的“耳朵”——当机械臂需要伸入相对狭窄的空间时，这些凸出部分会大大限制其活动能力。如果夹爪需要绕自身轴线旋转，那么在靠近平面工作时这也会成为一个问题。
夹爪的“耳朵”
深度相机
夹爪要与深度相机配合使用，因此在下一阶段增加了一块用于安装相机的安装板。
深度相机安装座
相机以 45 度角安装，以获得尽可能宽的工作视野。机器学习控制模型借助它来精确确定待抓取物体的尺寸、所需的抓取力以及所需的夹爪张开宽度。它是安装在夹爪上的唯一传感器。
深度相机视角
到这一步，我们暂停了进一步的设计工作，转而开始组装原型，以发现当前设计中存在的实际问题。部分元件是从 AliExpress 订购的。
物料清单
电子元件
| 项目 | 说明 | 数量 | 供应商链接 | 价格 | 备注 |
| ST3215 Servo | Waveshare Servo Motor STS3215 | 1 | Amazon – Waveshare STS3215 Servo | $28.99 | 带反馈的高精度总线舵机 |
| Bus Servo Adapter | Waveshare Bus Servo Adapter Board | 1 | Amazon – Bus Servo Adapter A | $10.99 | TTL/RS485 通信接口 |
机械零件
| 项目 | 说明 | 数量 | 供应商链接 | 价格 | 备注 |
| MR106ZZ | 滚珠轴承 10×6×3 mm | 2 | Amazon – ACROPIX MR106ZZ Bearings (10pcs) | $5.49 (10pcs) | 密封式，预润滑 |
| LM6UU | 直线轴承 6×12×19 mm | 4 | Amazon – uxcell LM6UU Bearings (4pcs) | $8.99 (4pcs) | 用于平稳的直线运动 |
钢导轨与直线轴承
Rods
| 项目 | 说明 | 数量 | 供应商链接 | 价格 | 备注 |
| Steel Rod | 不锈钢轴 6mm × 150mm | 2 | Amazon – uxcell Stainless Steel Rod 6mm×150mm (5pcs) | $8.39 (5pcs) | 高精度，耐腐蚀 |
3D-Printed Parts
| Part Number | 说明 | 数量 | 材料 | 打印设置 |
| RB9.01.060.010 | 主框架 | 1 | PLA/PETG | 0.2mm layer, 20% infill |
| RB9.01.060.020 | 夹持件 | 2 | PLA/PETG | 0.2mm layer, 20% infill |
| RB9.01.060.030 | 齿条 | 2 | PLA/PETG | 0.15mm layer, 30% infill |
| RB9.01.060.040 | 驱动齿轮 | 1 | PLA/PETG | 0.15mm layer, 30% infill |
3D 打印说明
- 材料：原型制作推荐使用 PLA，量产使用推荐 PETG
- 层高：0.15-0.2mm 以获得最佳表面质量
- 填充率：齿轮建议使用更高的填充率（30%）以确保强度
- 支撑：是否需要取决于打印时的摆放方向
- 后处理：轴承配合处可能需要轻微打磨
螺钉
| 项目 | 说明 | 数量 | 标准 | 价格 | 备注 |
| M3×10 | 沉头螺钉 | 4 | Amazon – M3×10 沉头螺钉s | $6.39 (100pcs) | 用于固定齿条 |
| M3×20 | 沉头螺钉 | 4 | Amazon – M3×20 沉头螺钉s | $6.99 (100pcs) | 用于将夹持件固定到导轨上 |
| M4×8 | 沉头螺钉 | 2 | Amazon – M4×8 沉头螺钉s | $9.99 (100pcs) | 用于固定主框架轴承 |
螺母
| 项目 | 说明 | 数量 | 标准 | 价格 | 备注 |
| M3 | 六角螺母 | 4 | Amazon – M3 六角螺母s | $5.99 (100pcs) | 用于夹持件组装 |
舵机紧固件
| 项目 | 说明 | 数量 | 来源 | 价格 | 备注 |
| 自攻螺钉 | 舵机安装螺钉 | 4 | 舵机套件 | 已包含 | STS3215 随附 |
| 舵盘 | 输出轴适配器 | 1 | 舵机套件 | 已包含 | STS3215 随附 |
| 安装螺钉 | 舵盘固定螺钉 | 1 | 舵机套件 | 已包含 | STS3215 随附 |
成本估算
| Category | 估算成本（USD） |
| 电子元件 | $39.98 |
| 机械零件 | $22.87 |
| 3D 打印材料 | $5-10 |
| 紧固件 | $1.60 (approximate) |
| 合计 | $69.45-74.45 |
成本依据 Amazon 在当前日期——2025 年 6 月 6 日的价格计算。大批量采购可在紧固件上节省可观的成本。
组装
在组装第一个版本时，其中一只夹爪的打印出了问题，因此第一次测试只用了一只夹爪进行。
几天后，第二只夹爪到货，我们得以进行完整测试。
工程师加上了硅胶垫，以便更好地抓握物体。同样是这个第一版，已作为开源项目发布在我们的 GitHub 上：
https://github.com/roboninecom/3D-Printed-Parallel-Gripper-for-Robotics-Arms
社区反馈
Hadassah Freedman:
“我想知道你们是否考虑过这套设计如何应对更重的负载，尤其是在齿条根部和夹爪转轴附近。或许在这些部位加上圆角，有助于降低应力集中、避免 FDM 打印件分层，从而让该设计能够更长时间、更频繁地承受更重的负载。我看到齿条底座有不错的厚度，但在向竖直齿牙过渡处没有明显的圆角，这可能成为应力集中点；夹爪转轴处也看不到用来平滑从转轴销到侧壁载荷路径的圆角。我很想进一步了解它的能力。”
Joy Kariya:
“我看了一遍仓库，有个建议：你们为什么不在夹爪两侧都加上限位开关，这样就不再依赖延时，而是在物体被夹住时立即停止。这样它也能抓取小物体了。”
集成限位开关的夹爪
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