如何打造一只软体机械手

在软体机器人领域，工程师们使用柔软的材料来制造耐用、灵活且在人类周围操作更安全的机器人。现在，勇敢的 DIY 爱好者也可以让柔软的机器焕发活力：去年 9 月，哈佛大学在线发布了一款开放式软体机器人工具包。

哈佛推荐的一些材料和技能可能超出了普通车库机器人专家的能力范围。但只要稍加巧思，你就可以替换更便宜的零件和更简单的技术。这个项目用便宜的脚踏泵的肋状软管、细长的气球（可以扭曲和折叠成动物的那种）和其他基本物品制作了驱动的“手指”。通过将五根手指连接到肢体上（在本例中是一套玩具盔甲上的塑料手套），你可以形成一只机器人手。

组装好肢体后，就到了项目的第二阶段：构建流体控制板。Arduino 大脑控制和协调空气阀，使手部闪烁和平手势、悬垂，甚至竖起中指。

统计资料

时间： 8小时

成本： 70 美元（手）、400 美元（控制板）

难度： 5/5

材料

• 7/16 英寸内径肋条软管

• 5/16 英寸木钉

• 1/4 英寸外径乙烯基管

• 小软管夹

• 五个 1/4 英寸软管接头 x 1/4 英寸外螺纹适配器

• 五个 1/4 英寸软管接头 x 1/4 英寸内螺纹适配器

• 电工胶带

• 黄色特氟龙螺纹胶带

• 若干长气球（350Q型）

• 1 英寸 x 6 英寸木板或其他支撑物

• 射流控制板

机械手使用说明

1. 将 5/16 英寸的木钉插入带肋的软管，使其保持笔直。使用中心冲头小心地沿着软管接缝线在每根肋条之间打孔。将软管翻转，并沿着另一条接缝重复此操作。

2. 使用钻床在软管肋条之间的每个中心打孔位置钻孔，将销钉留在原处以提供支撑。最好分别在软管的每一侧钻孔，而不是直接钻孔。完成后，肋条软管的每一侧应该都有一排整齐的孔。这些孔将起到应力释放的作用，并防止软管在弯曲时分裂。

3. 取出木钉，用美工刀将软管切成 5 个 3 英寸长的手指。对于每个手指，用美工刀小心地从一侧的孔到另一侧的孔之间切割每根肋条。不要切割两端的前两根肋条。只切开软管的一侧。切勿划伤应力释放孔的远端，否则将大大降低手指的可靠性。现在，软管在一个方向上的弯曲程度大于在相反方向上的弯曲程度。

4. 将另一根木钉插入其中一个长气球。用它轻轻地将气球塞入一根手指，直到气球末端伸出足够长以抓住它。取出木钉，将气球尖端折叠约 1/4 英寸，盖在软管边缘上。用一块电工胶带将指尖完全包住，将其固定。

5. 现在将木钉从没有胶带的一端塞回手指内部，但要位于气球的外侧。将其插入，直到刚好到达指尖的两根肋骨内。将热胶涂满指尖，待其冷却，然后小心地取出木钉。

6. 用电工胶带缠住手指末端，覆盖住热胶末端。再缠上一圈电工胶带，将手指末端密封起来。

7. 剪掉气球开口端，留出大约一英寸的空间，使其超出手指末端。将气球开口端拉长，覆盖在手指末端上。

8. 对每根手指重复步骤 4 至 7。

9. 使用黄色特氟隆胶带缠绕每个公软管接头上的螺纹。将每个公软管接头穿到每个母软管接头上，并用月牙扳手拧紧。然后用更多的黄色特氟隆胶带缠绕每个母软管接头几圈。这些软管接头的末端应紧密贴合每个手指的开口端。

10. 使用小型软管夹将每个手指固定在五个软管接头的聚四氟乙烯包裹末端。

11. 现在用热胶将每根手指牢固地粘在 1×6 英寸木板（或其他支撑物）的末端，形成一只手。最后，将一段 1/4 英寸外径乙烯基软管连接到每根手指上的开口软管倒钩上。

12. 现在手已经完成了——但它仍然需要一个控制系统。查看哈佛的软机器人工具包以获得灵感，或者按照下面的说明操作。

构建流体控制板

这是一个复杂的项目。由于控制板需要投入大量的时间和金钱，因此在规划构建时请考虑未来的扩展。例如，您可能希望购买 8 端口歧管和适当的阀门和配件，这样您就可以扩展控制板来控制机器人手项目所需的五个以上的执行器。对项目有疑问吗？请联系 Andrew Terranova。

控制板材料

• 带调节器的空气压缩机

• 1/4 英寸 Sintra PVC 板（12 英寸 x 24 英寸）

• 24V 15A直流电源

• 12V 1A 直流电源，带“M”型 2.1 毫米 x 5.5 毫米同轴连接器

• 面板安装同轴电源插孔，尺寸“M”2.1 毫米 x 5.5 毫米

• 同轴电源插头，尺寸“M”2.1 毫米 x 5.5 毫米

• Arduino Mega 2560 或兼容

• Arduino Mega V2 传感器扩展板（带电缆）

• 两个 YourDuino Power FET 开关板

• 五个 SMC VQ110U-5M-M5 气阀（或类似产品：24VDC，带导线的连接器）

• 一个 SMC VV3Q11-05 5 端口歧管（或类似产品）

• 六个SMC KQ2L07-M5弯头配件

• 1/4 英寸外径乙烯基管

• 六个 50 千欧姆电位器（“电位器”）

• 七个 6 毫米轴电位器旋钮

• 22 号绞合线或预粘合线（黑色、红色和黄色）

• 24 号多芯电缆或带状电缆（需要 13 根导线）

• 6 组接线端子

• 三个单刀双掷拨动开关

• 两个 5 毫米黄色 LED

• 两个 5 毫米 LED 底座

• 560欧姆电阻

• 1.2千欧姆电阻

• 十二个 M 3 毫米 x 6 毫米十字塑料 PCB 板紧固件

• 十二个 21 毫米 x 6 毫米 PC 板垫片

• 五个 1/4 英寸 2 英寸六角螺栓

• 十个 1/4 英寸六角螺母

• 两个 10-32 1 英寸螺栓

• 双面泡棉胶带

• 热缩套管

• 电线扎带（用于电缆管理）

控制板工具

• 台锯

• 铅笔

• 中心冲

• 钻头和钻头（13/64″、17/64″，其他尺寸取决于组件尺寸）

• 公制丝锥 M 3 毫米 x 0.5 毫米，标准 10-32 英寸丝锥（其他尺寸取决于组件尺寸）

• 烙铁和焊料

• 剥线钳

• 平头螺丝刀和十字螺丝刀

• 可调扳手

• 打火机（用于热缩管）

控制板说明

1. 布置控制板。您可以根据照片进行设计，但要根据自己的需要进行调整。将电源和控制器放在您可以触及的边缘附近会很方便。将 Arduino Mega/Sensor Shield 放在控制器和 MOSFET 电源开关之间也很方便。MOSFET 模块应靠近气阀/歧管。电源可以放在您喜欢的任何地方，但要考虑如何在电路板周围布线。

2. 使用台锯将 Sintra 板切割成适合您布局的尺寸。12 英寸 x 16 英寸就够了。这将是控制板的底座。

3. 从剩余的 Sintra 板上切下一块用于安装控制器（约 12 英寸 x 2¼ 英寸）。切下另一块用于安装电源开关和指示灯（约 2 英寸 x 6 英寸）。在这些部件的一侧切出一条曲线，这样您就可以将它们更紧凑地安装在底座上，并增添一丝时尚感。

4. 使用铅笔和中心冲头在两个安装板上标记孔，用于安装 50 千欧姆电位器、开关、LED、电源插孔，以及将板安装到底座的六角螺栓。

5. 在安装板上钻孔。如果您想将电位器直接拧入板中，而不是使用螺母固定它们，可以在 Sintra 板上攻出螺纹。如果您没有合适尺寸的丝锥来切割螺纹，请使用一个“牺牲”电位器作为丝锥（这可能会损坏电位器）。

6. 使用六角螺栓和螺母将两个安装板抬高到底座上方。在安装板上安装任何组件之前，先将它们排列在底座顶部所需的位置。使用为六角安装螺栓钻出的孔作为参考，标记底座。然后在底座上钻 13/64 英寸的孔，并使用 1/4 英寸乘 20 丝锥制作螺纹。

7. Arduino Mega 和 MOSFET 开关应使用 M 3 毫米 x 6 毫米十字塑料 PCB 板紧固件安装。标记、钻孔并攻丝以安装它们和其他组件。24V 电源可以使用双面泡沫胶带安装。空气歧管可以使用两个 10-32 英寸螺栓或泡沫胶带安装。

8. 将 24V 电源、空气歧管、MOSFET 开关、Arduino Mega 和传感器屏蔽以及 6 组接线板安装到底座上。接线板可以用小型自攻螺钉或泡沫胶带安装。

9. 将所有电位器、开关、LED 和电源插孔安装到两个安装板上，但不要将板安装到底座上。您需要先进行一些焊接。

10. 按照随附的示意图将六个电位器、12 位开关和控制安装板上的 SPDT 开关接线。按照图示将电线连接到 Arduino Mega 传感器护罩。

11. 按照随附的示意图为电源安装板连接 12V 电源插孔、电源开关和 LED。按照图示将电线连接到 6 组接线板。按照图示连接 24V 电源，然后连接 12V 电源插孔。暂时不要将电源从交流壁式插座上拔下。

12. 使用 1/4 英寸六角螺栓和螺母将控制板和电源板安装到基板上。对于每个螺栓，将一个螺母与基板齐平，将另一个螺母从下方与安装板齐平。这样可以牢固地固定安装板。

13. 将电源从 6 组接线端子连接到 Arduino Mega 和 MOFSET 开关。查看原理图了解详细信息。

14. 将 Arduino Mega Sensor Shield 的数字输出引脚连接到 MOSFET 开关的输入通道，如示意图所示。然后将 MOSFET 开关的通道输出连接到五个 SMC 气阀。

15. 将 1/4 英寸外径的乙烯基管从五个气阀连接到机械手。将更多 1/4 英寸的管从空气歧管的输入端连接到空气压缩机。您应该将压缩机的输出设置为每平方英寸约 20 磅。您可能需要将空气压缩机的压力调整得稍微大一些或稍微小一些，但这是一个很好的起点。

16. 插入 12V 和 24V 电源。暂时只打开 12V 电源开关。

17. 下载随附的软件草图示例。设置 Arduino 编程软件，连接到 Arduino Mega，然后编译草图并将其下载到 Mega。

18. 现在打开 24V 电源开关。将功能选择开关置于一个位置，您应该能够使用五个电位器之一来控制每个手指。尝试将占空比电位器调整到不同的位置，看看它是如何工作的。将功能选择开关置于另一个位置，12 位开关将控制手的位置或运动。

19. 看看你的创作多么辉煌！以下是我们的软机械手在工作：

本文最初发表于 2015 年 5 月的《大众科学》杂志，标题为“向软体机器人手挥手问好”。