机器人课程：EV3机械臂制作教程

机器人课程：EV3机械臂制作教程大家好，今天我们将一同走进EV3机器人的奇妙世界，亲手打造一个属于自己的机械臂。这不仅仅是一次动手实践，更是对机械结构、动力传输和编程逻辑的综合运用。请准备好你的EV3套装，让我们开始这段充满挑战与乐趣的制作之旅。一、项目概述与目标我们将要制作的EV3机械臂，旨在通过EV3主机作为控制核心，配合电机提供动力，实现机械臂的多自由度运动以及末端执行器（通常是夹爪）的开合动作。通过本教程，你将能够：1.理解机械臂的基本构成和各部分功能。2.掌握使用EV3零件进行结构搭建的基本技巧。3.学会为机械臂连接电机并进行初步的电气调试。4.编写简单的程序来控制机械臂完成指定动作。二、准备工作：所需零件与工具在开始搭建前，请确保你已准备好以下EV3零件（具体数量根据设计可能略有调整）：*EV3主机x1*EV3大电机x2(或根据设计调整，例如1个大电机用于肩部，1个中电机用于肘部)*EV3中电机x1(通常用于控制夹爪开合)*大型EV3伺服电机（如需更精确控制，可选）*EV3触碰传感器（可选，用于限位或触发动作）*结构件：各种长度的梁（如1x5,1x7,1x9等）、销（长、短、摩擦销）、轴（各种长度）、轴套、连接器（直角、T型、十字等）、齿轮（不同齿数，如8齿、12齿、24齿、40齿）、蜗杆与涡轮（如需减速增力和单向锁定）、连接块、薄片等。*末端执行器（夹爪）组件：可以使用套装内的专用夹爪零件，或用梁和销自行搭建简易夹爪。*EV3电池盒及电池，或外接电源*USB数据线（用于连接电脑与EV3主机传输程序）工具：*十字螺丝刀（套装自带）提示：在搭建过程中，养成随时整理零件的习惯，将暂时不用的零件分类放回零件盒，这样可以提高搭建效率，避免丢失。三、机械臂结构设计与搭建机械臂的搭建是整个项目的基础，一个稳定、灵活的机械结构是保证其后续功能实现的关键。我们将机械臂分解为几个主要部分进行搭建：底座与旋转关节、大臂（肩部关节）、小臂（肘部关节）、腕部关节（可选）以及末端执行器（夹爪）。3.1底座与旋转关节底座是机械臂的基础，需要稳定地支撑整个机械臂的重量。旋转关节则负责机械臂在水平方向上的转动。1.搭建底座：*选取一块较大的方形板或用多根长梁拼接成一个稳定的平台作为底座。*将EV3主机固定在底座的适当位置，注意重心平衡，以及后续电机线缆的连接方便。*在底座中央或指定旋转中心位置，安装一个旋转支撑结构。可以使用带孔的圆形板配合轴和轴套来实现。2.安装旋转电机与传动：*选择一个大电机作为旋转关节的驱动力。将电机固定在底座上，使其输出轴朝向旋转中心。*设计齿轮传动机构，将电机的动力传递给旋转平台。为了获得较大的扭矩和较慢的旋转速度（便于精确控制），可以采用小齿轮带动大齿轮的减速组合。例如，电机轴上安装8齿或12齿小齿轮，旋转平台的轴上安装40齿大齿轮。*确保旋转平台能够围绕中心轴平稳转动，无明显卡顿或晃动。3.2大臂（肩部关节）搭建大臂连接底座旋转关节和小臂，其主要功能是实现机械臂在垂直平面内的抬起和落下。1.构建大臂主体：*使用长梁和销拼接出大臂的骨架，长度根据设计需求确定。*在大臂的一端设计与肩部关节连接的接口。2.安装肩部驱动电机与关节：*将另一个大电机（或中电机，视负载和设计而定）安装在旋转平台上，作为肩部关节的驱动。电机输出轴应与大臂的旋转轴平行。*同样，这里通常也需要齿轮减速机构。可以将电机的动力通过齿轮或连杆传递给大臂，驱动其上下摆动。*关键在于确保大臂与旋转平台的连接牢固，并且关节转动顺畅。可以使用带孔的厚梁和长轴作为关节的旋转轴。3.3小臂（肘部关节）搭建小臂连接大臂和腕部/夹爪，进一步延伸机械臂的工作范围。1.构建小臂主体：*类似大臂，使用梁和销搭建小臂结构，长度略短于大臂。2.安装肘部驱动电机与关节：*在大臂的末端安装一个中电机（或大电机，如果需要更大扭矩）作为肘部关节的驱动。*通过齿轮或连杆机构将电机动力传递给小臂，实现小臂的弯曲和伸展。*注意肘部关节与肩部关节的协调性，以及整体结构的刚性，避免“软塌塌”的感觉。3.4腕部关节（可选）腕部关节可以增加机械臂末端的灵活性，实现末端执行器的旋转或俯仰。如果追求简单，可以暂时省略此关节，将夹爪直接安装在小臂末端。1.设计腕部结构：*腕部结构通常较为小巧，可使用小型电机或纯机械结构实现有限的转动。*例如，可以使用一个小型齿轮组，配合中电机实现旋转。3.5末端执行器（夹爪）搭建与安装夹爪是机械臂与物体交互的关键部件，负责抓取和释放物体。1.搭建夹爪：*方法一（使用专用夹爪）：如果EV3套装中包含专用的夹爪零件，按照说明书或设计图纸进行组装。*方法二（自制简易夹爪）：*使用两根长薄片或带孔的梁作为夹爪的“手指”。*在手指的中部或根部通过销和梁连接，形成一个类似剪刀的结构。*使用一个中电机，配合齿轮齿条机构或曲柄滑块机构，将电机的旋转运动转化为夹爪的开合运动。例如，电机带动蜗杆旋转，蜗杆驱动涡轮，涡轮上连接一个偏心销，偏心销再带动夹爪的一根手指，从而实现开合。*确保夹爪有足够的开合角度和夹持力。2.安装夹爪：*将制作好的夹爪安装在小臂（或腕部关节，如果有的话）的末端。*连接驱动夹爪开合的电机（通常是中电机），确保电机的运动能够准确转化为夹爪的开合动作。3.6整体组装与检查将以上各部分组装在一起，并进行初步检查：*各关节运动是否顺畅，有无卡顿、干涉？*结构是否牢固，有无明显晃动或薄弱环节？*电机线缆是否预留足够长度，避免运动时拉扯？*整体重心是否稳定，是否容易倾倒？（如果重心不稳，可以考虑加重底座或调整各臂长度比例）重要：在连接电机线缆之前，确保EV3主机处于关闭状态。四、电气连接现在，我们将各个电机连接到EV3主机上。1.确定电机端口：EV3主机有四个电机/传感器端口（通常标记为A、B、C、D）。2.连接电机：*将底座旋转电机连接到一个端口（例如：端口A）。*将肩部关节电机连接到一个端口（例如：端口B）。*将肘部关节电机连接到一个端口（例如：端口C）。*将夹爪开合电机连接到一个端口（例如：端口D）。*记录下每个电机所连接的端口，这在后续编程中至关重要。3.连接传感器（可选）：如果你在设计中加入了触碰传感器用于限位，可以将其连接到剩余的传感器端口（例如：端口1）。4.连接电源：将电池盒连接到EV3主机，或使用外接电源适配器。五、编程控制硬件搭建完成后，就需要通过编程来赋予机械臂“生命”了。我们将使用EV3编程软件（EV3Classroom或旧版的EV3Programming）来编写控制程序。这里我们以基本的关节控制和简单动作为例进行说明。5.1软件准备与连接1.打开EV3编程软件，创建一个新项目。2.使用USB数据线将EV3主机与电脑连接，并确保软件成功识别EV3主机（通常在软件右下角会显示连接状态）。3.将EV3主机开机。5.2单个关节控制首先，我们需要测试每个关节电机是否能正常工作，并熟悉其控制方式。1.控制底座旋转：*从“电机”模块库中拖出一个“中型电机”或“大型电机”模块（根据你使用的电机类型选择，EV3软件中的“中型电机”模块通常也适用于控制大型电机的基本转动）。*在模块设置中，选择你连接底座旋转电机的端口（例如：端口A）。*设置旋转方向（正转/反转）和功率（速度，例如50%）。*可以选择“开启”（持续转动，直到收到停止命令）或“转动指定度数”/“转动指定秒数”。对于精确控制，“转动指定度数”更常用。*再拖出一个“停止电机”模块，选择相同端口，设置停止方式（刹车或coast）。2.控制肩部、肘部、夹爪：*重复上述步骤，分别为肩部（端口B）、肘部（端口C）、夹爪（端口D）编写简单的测试程序，测试其单独运动。*提示：夹爪的开合角度通常不需要很大，注意调整“转动指定度数”或“转动指定秒数”，避免电机过载或夹爪结构受损。可以先从小度数/短时间开始测试。5.3组合动作编程当各个关节都能单独控制后，我们可以将它们组合起来，实现更复杂的动作。1.编写一个简单的抓取动作序列：*例如：底座旋转到目标位置->肩部抬起->肘部伸展->夹爪张开->（等待，或通过传感器检测是否接触物体）->夹爪闭合->肩部落下（或肘部收回）->底座旋转回初始位置->夹爪张开释放物体。*使用“电机”模块按顺序排列这些动作。*在每个电机动作之间，可以适当加入“等待”模块，确保一个动作完成后再开始下一个动作。等待模块可以设置等待时间，或等待电机完成转动。*仔细调整每个关节的转动角度、速度和等待时间，使整个动作流程流畅、协调。2.使用传感器（以触碰传感器为例）：*如果你连接了触碰传感器，可以编程实现“按下传感器，夹爪闭合；再次按下，夹爪张开”的逻辑。*从“传感器”模块库中拖出“触碰传感器”模块，选择其连接的端口。*配合“切换”或“循环”模块，实现对传感器信号的检测和响应。5.4程序调试与优化编程是一个不断试错和优化的过程：*如果某个关节转动角度不准确，调整“转动指定度数”的值。*如果动作过快或过慢，调整电机功率。*如果动作之间衔接不顺畅，调整等待时间或使用“电机完成”作为等待条件。*耐心调试，逐步完善你的程序。六、调试与优化机械臂制作完成后，调试是非常关键的一步，它直接影响机械臂的性能和使用体验。1.机械结构调试：*卡顿与异响：检查是否有零件干涉，齿轮啮合是否良好，轴与孔的配合是否过紧或过松。适当添加或更换摩擦销、轴套来调整松紧度。*稳定性：如果机械臂在运动时晃动严重，检查各关节连接是否牢固，梁的长度和数量是否足够提供刚性。可以考虑增加对角支撑或使用更厚的梁。*重心平衡：如果机械臂容易倾倒，尝试将EV3主机安装在底座更低的位置，或在底座增加配重（但要注意不要超过电机负载）。2.程序优化：*运动精度：通过反复测试，微调各关节的转动角度，使机械臂能准确到达目标位置。*动作流畅性：优化动作顺序和等待时间，减少不必要的停顿。*负载能力：如果夹爪抓取物体时力量不足或关节无法带动，可以尝试调整齿轮传动比（增加减速比以获得更大扭矩），或检查电机功率设置。七、总结与拓展恭喜你！通过不懈的努力，你已经成功制作并编程控制了一个EV3机械臂。这个机械臂虽然简单，但包含了机器人技术的基本要素。回顾：在这个项目中，我们学习了机械结构的搭建（梁、销、轴、齿轮传动）、电机的安装与控制、EV3编程的基本方法，以及如何进行调试和优化。拓展思考与挑战：*