15 机械设计 · CAD、3D 打印与结构迭代
为什么学这个（项目关联）
原文说”开发过程中每一个零部件都经历了多轮迭代”，并展示了 4 个早期原型中的 3 个。UMI 夹爪的机械结构直接决定：
- 数据质量（手指是否挡相机视场、回隙大小、刚度）
- 操作体验（人体工学 → 演示数据质量）
- 标定精度（3D 打印公差进入最终误差预算）
知识点清单
1. 本项目的机械架构（对照原文零件清单）
- 传动链：手指 → 带转轴的钳口 → 齿条 → 小齿轮（粘磁铁）→ AS5600 测角 → 换算钳口开合宽度
- 导向：带滑块的直线导轨（保证钳口平行开合）
- 轴承：把原 DK1 的”电机安装座”替换为轴承——减小摩擦与回隙来源
- 预紧/助力：橡皮筋让夹爪默认张开（人只需施力闭合）
- 安装：螺纹嵌件（热熔铜螺母）用于 ESP32、Quest 控制器、钳口的反复拆装
2. CAD 建模
- 工具选型：Fusion 360（个人免费）/ Onshape（浏览器端免费）/ SolidWorks
- 核心技能：参数化建模（改一个尺寸全关联更新）、装配体、爆炸图、螺纹孔/嵌件孔标准
- 本项目需要出图：安装基座、钳口+齿条座、手部支撑座、控制器安装座、相机底座
3. 面向 3D 打印的设计（DFM）
- 公差与配合：孔轴配合留 0.1~0.3mm；打印件实际尺寸 < CAD（收缩）
- 壁厚（≥1.5~2mm 承力）、悬垂角（>45° 需支撑）、层间强度（受拉方向避开层线）
- 材料：PETG/ABS（刚性耐温）vs PLA（易打印）vs 尼龙碳纤（高刚轻量，贵）
- 螺纹嵌件热熔安装工艺
4. 标准件选型
- 齿轮齿条：模数、压力角、回隙（backlash）概念——原文说编码器主要误差来自机械回隙
- 直线导轨 vs 光轴滑块 vs 滑轨：精度/成本/摩擦
- 轴承：深沟球轴承（径向）、法兰轴承（轴向定位）
5. 原文踩过的结构坑（直接吸收）
| 坑 | 原文解法 |
|---|---|
| 橡皮筋后置：全开时拉力⊥运动方向，助力≈0 且干扰编码器 | 改为直线布放；未来换钢制弹簧（防老化） |
| 控制器安装座导致转动惯量过大 | 减小偏距；进一步向手腕（旋转中心）移动 |
| 手握式握持不适 | 改 Generalist AI 式绑带 + 人体工学支撑座 |
| 手指转轴离钳口尖远，控制不够精细 | 转轴向钳口尖靠近（代价：手指可能进相机视场，数据影响待测） |
| 支撑座位置 | 故意偏下偏心 → 引导俯视角操作姿态，贴近机器人作业形态 |
6. 迭代方法论
- 爆炸图 + 关键改动标注（原文的做法）
- 每个版本留档：改了什么、为什么、效果如何（对接 23 实验方法论 - 误差分析与对照实验）
- 原型快速验证：先打非关键件验证布局，再打精装件
学习资源
| 资源 | 用途 |
|---|---|
| Fusion 360 官方入门教程（自带交互课程） | 建模上手 |
| CNC Kitchen / Maker’s Muse（YouTube/B站搬运） | 3D 打印材料与工艺 |
| 机械设计手册（齿轮/轴承章节浏览） | 标准件常识 |
| 原文 + UMI 官方硬件仓库 | 参考模型 |
实践任务
- 💻 Fusion 360 建模：一个带嵌件孔 + 走线槽的简单底座，导出 STL
- 🔨 打印并测量：卡尺量 5 个特征尺寸，记录打印偏差表（进入误差预算）
- 🔧 搭最小传动验证件：齿轮齿条 + 橡皮筋直线预紧，手感对比”后置橡皮筋 vs 直线橡皮筋”
- ✍️ 画自己版本 UMI 夹爪的爆炸图草图，标注每个零件的功能与迭代理由
掌握标准（自测）
- 能独立完成参数化零件 + 装配体 + 出 STL
- 能解释齿轮齿条 + 编码器如何把”直线开合”变成”可测角度”
- 能说出至少 3 个原文结构坑及解法
- 有自己打印件的实测公差记录
关联笔记
- 传感部分：16 嵌入式 - AS5600 编码器与 XIAO ESP32C6
- 误差预算：22 标定系统 - 支点标定、重力姿态与Quest-标记标定（3D 打印公差如何进标定误差）
- 原文对应章节：01 - 原文存档 - Dream-UMI 开发手记 “硬件” + “人体工学设计”
实践记录
（学习时在这里追加：日期 / 做了什么 / 踩坑 / 疑问）