手把手教您可3D打印装配的全尺寸人形机械臂

整套方案在机械结构与电控系统两方面均贯彻极简设计理念。该机械臂是火神一号（VulcanV1）整台人形机器人的组成部件，依托 Arduino 主控板，搭配专属控制代码即可独立管控每一处关节与自由度。各主动自由度由舵机驱动，可在各个转动轴上实现较精准角度定位。

这套机械臂可应用于全尺寸人形机器人、协作机器人以及各类智能机械臂开发场景。全套结构均由作者原创定制设计，只需配齐所需元器件与配套软件，就能直接 3D 打印零件、完成组装并投入运行。图 1 为作者制作的样机实物，可见可活动关节布局与完整布线方案。

图1：作者制作的实物机械臂

该机械臂由肩部、肘部、腕部和手指四个部分组成，各部位均由伺服电机驱动，可实现精准的角度控制。电线布设于机械臂内部，将所有执行机构与主控单元相连。设备通电后， Arduino 主控会按照预设程序，向各个伺服电机发送控制信号。各个关节可单独运转，配合完成类似人类手臂的联动动作。图中高亮区域为可旋转、活动的关节位置。通过伺服电机同步运作，手指能够完成抓取与松放物体的动作。整套装置可将程序指令转化为机械运动，实现精准定位与物件操作，适用于人形机器人、辅助设备以及协作机器人等场景。

整套系统除 3D 打印结构件外，还需配套舵机控制电子元器件。主控可选用 Arduino Mega 或 Arduino Uno 外加专用舵机驱动拓展板；根据机械臂负载大小与运动需求，搭配三款不同规格舵机，保障输出扭矩充足、运转顺滑。

调试与运行供电方案：舵机可采用 12 伏或 24 伏直流电源供电，既可以使用交流转直流适配器，也能选配适配锂电池；Arduino 主控板需单独接入稳定 5 伏稳压电源，可通过 USB 接口外接供电或独立 5V 电源适配器供电，保障主控稳定工作。

表 1 为整套机械臂电子元器件物料清单，表 2 罗列机械结构件、耗材与所需工具。

表1 机械臂电子元器件物料清单

表2 机械结构件、耗材及工具清单

电路原理图

图 2 为本款全尺寸人形机械臂完整电路原理图。整套控制系统以 Arduino Uno（模块 1）、PCA9685 舵机驱动拓展板（模块 2）为核心，搭配 25kg・cm 大扭矩舵机、DH03-X 重载舵机、SG90 微型舵机等多规格伺服电机，辅以各类基础电气元器件搭建而成。

图2：人形机械臂电路原理图

原理图清晰展示了如何借助 PCA9685 模块多路并行控制多台舵机。Arduino 主控通过 I²C 通信总线，利用 SDA、SCL 引脚与 PCA9685 驱动板交互，大幅节省主控通用 IO 引脚占用量。

PCA9685 模块最多可输出 16 路独立 PWM 控制信号，原理图中标注 S1–S11 共 11 路通道分别对接对应舵机；所有舵机的信号线由 PCA9685 统一驱动，全部舵机共用一组正极电源与公共地线。舵机回路独立外接稳压 12V 电源，保障大扭矩工况下电流供给充足。Arduino 主控、PCA9685 驱动板、动力电源三者必须共地连接，控制系统才能稳定运行。

本方案采用 Arduino Uno 搭配 PCA9685 驱动板架构，按照腕部、肘部、肩部、手指的不同动作功能，将每一路舵机接入驱动板对应通道。若改用 Arduino Mega 主控，舵机也可直接接至主板 PWM 引脚驱动；但多路舵机同步控制场景下，依然推荐搭配 PCA9685 拓展板，稳定性更佳。

软件程序部分

本设计采用通用标准伺服舵机，程序编写难度较低；也可根据使用者自身技术水平与实际功能需求，拓展开发复杂控制逻辑。

若选用 PWM 引脚数量大于 8 路的 Arduino 主控，可直接调用官方标准 Servo 库（Servo.h）编程；外接 PCA9685 拓展板时，本文代码推荐使用 HCPCA9685 库。

编程第一步：给每一路舵机设定初始零位，同时标定单台舵机转动角度上下极限值。参数标定完成后，即可编写动作程序控制机械臂完成预设运动。出于调试安全与动作精度考量，建议先对每一个舵机单独烧录程序、单独调试，确认单关节动作无误后，再把全部动作逻辑整合进一套总程序。

本系统搭载 PCA9685 拓展板，配套代码可实现五根手指同步张开、握紧；肘部动作采用循环语句控制舵机从 60°（完全下摆）匀速转动至 200°（完全抬起），再自动复位；修改循环内延时参数，即可自由调节肘部运动速度。图 3 为舵机引脚分配、各关节行程限位配置代码片段。

图3：舵机引脚定义与各关节运动限位配置代码片段

结构设计与 3D 打印

图 4 展示了机械臂全部 3D 打印零件，并标注各零件名称与使用数量。手指分段件、手掌壳体、小臂外壳、肘部关节座、肩部基座等所有零部件均清晰标注，方便分拣装配；连接器、转轴、卡扣等小型结构件保障关节顺畅转动，尤其满足手指弯曲抓取动作。小臂与上臂壳体预留舵机安装位与内部走线通道，肘部、肩部总成承担结构支撑与旋转运动功能。全部零件造型均做适配优化，可直接 3D 打印成型，使用标准紧固件即可完成拼装。

图4：带零件名称及数量标注的机械臂 3D 打印件

图 5 为分类整理后的全套打印部件，分为肩部、肘部、小臂、手掌、手指五大模块。整套结构采用模块化设计，每个模块各司其职：双自由度肩部可实现多方向摆动，肘部完成屈伸动作，小臂内置全部电控元器件，手掌与手指依靠舵机联动实现抓取操作。模块化设计大幅降低装配、分段调试和后期维护难度。

图5：分模块整理后的全套 3D 打印机械臂部件（肩部、肘部、小臂、手掌、手指）

机械臂所有零件先通过 CAD 软件三维建模，导出 STL 打印文件，切片软件分层处理后即可上机打印（如图 4）。零件可按照表 3 推荐打印参数自行打印，也可外发至 3D 打印服务商代加工。

表3 3D 打印工艺参数参考

尼龙耗材（选配高应力件）打印参数

• 喷嘴温度：255–300 摄氏度

• 热床温度：65–70 摄氏度

机械臂整机装配流程

装配分为两大阶段：第一阶段装配手指与手掌总成，第二阶段装配上臂与小臂主体结构。

1. 手指与手掌装配

3D 打印零件成型后，优先组装手指结构。使用 M3 螺丝固定每一节指骨段，形成可活动铰接关节，装配时对齐安装孔位（见图 6）。截取约 30 厘米尼龙钓鱼线，一端打结限位，依次穿入各节手指预留走线孔，该尼龙线充当肌腱牵引手指弯曲。拉扯牵引线测试手指弯折是否顺滑，按需微调；松开牵引线后，手指应能在回弹结构或低摩擦铰接设计配合下复位；装配时需要检查各关节是否卡滞。五根手指全部重复上述装配步骤。

图6：机械手指装配示意图

装配完成后得到带活动关节的 3D 打印机械手，动作形态高度复刻人手。分段铰接结构保证手指柔性，指尖造型优化抓取摩擦力；肌腱牵引结构可精准控制手指蜷缩、张开。全部手指统一固定在手掌基座内部，手掌壳体可内置舵机等执行元件，该机械手既可用作机器人手部、义肢，也能完成物料拾取、放置自动化作业。

2. 机械臂主体装配

接下来组装手臂主体：取用两根长连接件、四颗 M3×8mm 螺丝，将手掌中段与小臂前段对接固定，根据安装孔间距选配适配连接件。用长转轴穿入四根手指根部，搭配 M3 螺丝锁紧固定；拇指单独套入拇指转轴，加装轴卡限位防脱落。全部尼龙牵引线统一从手掌根部预留孔穿出，后续可统一调节牵引松紧度。

小臂前段与中段壳体用螺丝拼接固定，分别使用 M3×12mm、M3×18mm 螺丝锁紧舵机安装底座。将 25kg 大扭矩舵机装入配套支架，舵机摇臂固定在肘部转动关节上；随后把舵机信号线接入 Arduino 主控，标定舵机转角最大、最小限位，校准完整运动行程（见图 7）。

图7：小臂腕部与机械手装配示意图

再次将 25kg 舵机固定至安装基座内，舵机摇臂锁紧在小臂肘部左侧壳体，螺丝加固；舵机接线接入 Arduino，重新标定转角极限，确认肘部可达完整转动范围。剩余壳体零件参照图纸依次螺丝拼接。

最后装入第二台 180kg 重载大扭矩舵机，装配时可用台虎钳夹紧臂体固定操作。每台舵机锁紧安装前，务必预先转动至目标初始角度，完整确认转角行程，否则后续程序无法精准标定动作点位。图 8 为舵机装配过程，以及所有零件集成完毕后的完整机械臂成品。

图8：舵机装配过程与全部零件组装完成后的整机机械臂

整机调试测试

将完整源代码正确烧录至 Arduino Uno 主控，全部机械结构装配完毕后，即可开展整机功能测试。

调试供电方案：Arduino 主控单独接 5V 适配器供电；大扭矩舵机外接 12V 电源，电源额定输出电流不低于 20 安培；微型小舵机工作电压更低，无需高压供电。运行控制程序，机械臂各关节会自动转动至预设角度（90°、180° 等标定位置），手指按照程序设定时序自动开合抓取。

动作验证无误后，该机械臂可继续迭代开发：新增自定义控制逻辑，或是接入机器人操作系统（ROS）等上位控制系统，完成更多定制化作业任务。图 9 为加载示例代码后的机械臂运动实测场景。

图9：加载示例代码进行机械臂运动测试

补充提示

Arduino 主控板、PCA9685 驱动板、舵机外部动力电源三者的地线必须可靠连通、共地连接。

（本文编译自：electronicsforu，原文作者：Kelvin Gonzalez Amador）