三自由度机械臂的三维设计

背景

写本篇文章的时候只是模型设计完成以及部分零件进行了采购，最终是否能实现不能确定，某些图片过于辣眼，请多担待。
继续之前的智能车制作，我的想法是一个多功能的智能小车它至少得有手有眼吧，所以继摄像头云台的制作结束后我又进行了机械臂的设计，最初对于机械臂的了解真的是非常的少，当时的想法是一个关节一个舵机呗，大概是这样：
但是我觉得这样有点丑，而且这样的话用的舵机也不少，不是很物美价廉，所有我又找到了这种结构：

这个看起来就很不错了，之后又查了些其他的机械臂，发现结构都是大同小异的，基本上就分成上边那两种，最后我选择了第二种。
机械臂的材料我准备用切割的2mm不锈钢板和一些标准件（我认为能在淘宝上直接买到的，并且有尺寸的就是标准件。）
最终设计出模型：

底座设计

首先是平面旋转的问题，从图片上根本看不出是个什么样的结构，所以只能是自己找，说到这里不得不说淘宝是一个好东西，最后我找到了这个：

真是踏破特写无觅处，得来全部费功夫，最后选择了一款尺寸差不多的，孔是通孔，可以用来放置螺栓，并且内外环都有孔，妥妥就是为平台设计的。

这样我们的底座问题就解决了，只需要固定一下，然后加上舵机就好了，模型并没有渲染或者上材质，看懂就好了，这里用了一个舵机，产生一个自由度。

机械臂设计

这里用到一些机械原理的知识，我画了一个结构简图帮助分析，
其中紫色圆圈是与底座相连接的固定点，红色和黑色的线表示主动的杆，绿色线表示从动，我们先看绿色线，这里有两个三角形，三角形我们都知道形状是稳定的，同时还能看出有两个四边形，现在我把它单独画出来

角2角3都是三角形的角，所以固定不变，而角1的两条边也是固定在底座上的，所以角1也不变，再通过平行四边形定理，我们很容易的就能将三个角放到一起，最后通过我们的设计将这三个角的总和设为180°，这样设计有什么好处呢，好处就是角3的下边永远是与水平线保持180°，也就是永远平行于平面。当然，如果有特殊的需求，比如要与平面保持45°角，可以相加成135°或者225°，原理都是一样的。
看懂了从动部分，主动杆部分就很简单了，红色部分就是一个平行四边形，黑色部分就是一个杆，最后我们做出了成品，现在看这个图是不是就感觉很熟悉了，完全符合前边的结构简图。

关节连接方式

说实话这里也把我难住了，本来我是想用卧式轴承座和法兰座进行连接的，事实证明可以是可以，不过会显得很臃肿，很累赘，而且会大大的增加机械臂的重量，查了查百度发现没有，最后只能寄托于淘宝了，看看别人怎么弄的

真就只用一个轴承呗，转是肯定能转的，但是怎么防止零件轴向移动我是一点也没看出来，能看出这是一个挡边轴承，自己也试验了一下，发现无论怎么安装，零件的另一端都是都是活动的，因为看不到细节，所以我也就放弃了，最后想到了一个老赖的方法，卡簧，这样灵魂就有了，请原谅我及其不严谨的画风，要问原因就是懒。

这样就能保证两个关节的灵活转动，而且没有轴向移动了。

底座与机械臂的连接方式

这里因为要承受竖直方向上的力，而且如果机械臂抓取东西后这里收到的力会更大，所以我没有选择让舵机直接承受所有的力，而是选择了一个立式轴承座+光轴法兰座的方式

大概就是这个样子，也没有什么原理可以讲的样子

效果

众所周知，solidworks做动画强的一匹，所以我并没有做动画，只进行了鼠标的拖拽