Arduino 外骨骼手臂

为保证耐用性和稍好的耐热性，建议使用 PETG 或强度更高的耗材打印零件。PLA 可用于原型制作，但考虑到负载和温度因素，更推荐强度更高的材料。此外，由于这些零件需承受较大负载和铰链作用力，我采用了更坚固的打印参数：

推荐打印参数（基础参考）

1. 层厚：0.2 毫米
2. 周长 / 外壳层数：3-5 层（最少 3 层；需更高强度则选 4 层及以上）
3. 填充率：45%-70%（主护板承受大部分负载，建议提高填充率）
4. 顶部 / 底部层数：6-8 层
5. 打印方向：所有零件垂直打印，以减少支撑需求
6. 支撑设置：启用所有模型的支撑，我使用的是仅接触打印平台的树形支撑
7. 公差：轴承 / 螺丝安装孔预留 0.2-0.4 毫米间隙，打印整套零件前建议先打印小样本测试适配性

零件功能说明

1. 二头肌护板：容纳舵机，作为上臂固定基座。舵机嵌入专用凹槽并拧紧固定，设有绳索导向孔和两个魔术贴条穿线孔。
2. 前臂护板：安装 Arduino Nano、LM2596 降压模块、电池和电位器，通过铰链与二头肌护板衔接，设有绳索导向孔和绳索固定钩。
3. 牵引杆：可安装圆形舵机底座（通过螺栓固定），绳索穿过杆上孔洞并打结固定。舵机旋转时带动牵引杆转动，实现绳索牵引，圆形舵机底座与舵机相连。
4. 开关筒：筒状小零件，用于包裹开关，设计为便于握在掌心。
5. 电位器 - 轴承环：带中心孔的圆环，孔径与电位器轴紧密贴合，构成关节轴承的一半。
6. 轴承螺丝嵌件：嵌入轴承中心的小圆件，提供螺丝安装孔，便于将轴承固定在打印零件上。

所有零件打印完成后，务必清除支撑残留并打磨光滑，确保零件活动顺畅！

现在可以开始实际组装了！

1. 首先将 TD-8135MG 舵机嵌入二头肌护板的舵机凹槽，用配套的 M2（或 M3，取决于舵机规格）螺丝拧紧固定，确保舵机安装牢固、无松动。
2. 将圆形舵机底座安装到牵引杆上，用 4 个 M2×8 毫米螺丝拧紧固定。
3. 将 5 毫米直径的绳索穿过牵引杆上的孔洞，打一个牢固的结（或使用小型压线端子 / 挡块），防止绳索滑脱。我打了一个单结，但通过拉力测试确保其稳固。
4. 将牵引杆安装到舵机输出轴上，用 1 个 M5×20 毫米螺丝固定。可选：像我一样在牵引杆和二头肌护板之间添加 3 个垫圈，以保持稳定并减少松动。
5. 手动转动牵引杆，确认旋转顺畅，且打结的绳索与二头肌护板打印件之间留有足够间隙。

小贴士：由于使用的是连续旋转舵机，它会持续旋转而非转动到特定角度。

完成上述步骤后，即可将装置的两部分组装在一起：

1. 首先在二头肌护板的轴承侧（带孔洞的一侧），将轴承嵌入对应的凹槽中。可选：在轴承外缘涂抹少量热熔胶固定（注意不要粘住内圈！）。
2. 将轴承螺丝嵌件插入轴承中心，这样前臂护板就能通过螺丝牢牢固定在轴承上。
3. 在另一侧，将电位器 - 轴承环嵌入对应的凹槽，用热熔胶紧密固定，防止松动。该圆环用于安装电位器轴，构成铰链的另一半（确保安装角度正确，避免限制电位器的旋转范围！）。
4. 完成后，将前臂护板套在二头肌护板上，直至卡合到位。电位器 - 轴承环（后续安装电位器）和主轴承分别位于铰链两侧，此时关节应能灵活旋转。
5. 插入长铰链螺丝（M5×20 毫米），从轴承侧穿过两块护板，另一端用 M5 螺母锁紧。拧紧至铰链贴合但仍能灵活旋转即可，必要时使用垫圈防止压坏打印零件。
6. 将电位器安装到前臂护板的专用安装位，其轴应与电位器 - 轴承环内部连接，以便检测肘部 / 铰链的角度变化。
7. 最后，将绳索沿导向孔穿过：从牵引杆出发，穿过二头肌护板的绳索导向孔，再穿过前臂护板的导向孔，最终牢牢系在前臂护板的固定钩上。我打了多个结确保固定牢固。

现在可以开始处理电子元件部分了！首先制作安全开关 —— 它将作为舵机手臂的紧急停止装置，可切断所有部件的电源。我已附上简单的 Fritzing 示意图（含后续将连接的 LM2596 降压模块），制作步骤如下：

1. 将 T 型插头线缆的正极引线焊接到开关的输入端。建议用额外的导线延长线缆，使其能轻松容纳在开关筒内。
2. 从开关的另一个端子焊接一根导线到杜邦线上，如需延长可添加额外导线。
3. 电池的负极线缆作为公共接地，直接焊接到一根杜邦线上。
4. 用热缩管和 / 或电工胶带包裹焊点绝缘，然后将所有部件装入打印的开关筒外壳中，导线从另一端穿出，以便后续连接前臂的电子元件。
5. 在开关筒内部涂抹热熔胶固定导线，防止开关被拉扯脱落。

重要提示：开关仅切断正极供电，负极公共接地需保持连通。

接下来安装仿生手臂的 “大脑” 和 “心脏”—— 电子元件：

1. 将 Arduino Nano 放在小型面包板上，用热熔胶固定在前臂护板的专用位置，旁边预留电池组安装空间。
2. 将 3000 毫安时电池组放在 Nano 旁边，用胶带 / 热熔胶固定边缘。我选择用胶带固定，以便日后拆卸，且避免热熔胶残留附着在电池上。
3. 准备 LM2596 降压模块：在输出侧焊接排针（便于插入面包板），输入侧焊接来自开关筒的导线。将 LM2596 安装在面包板 / 排针上，用热熔胶固定。

现在让设备 “活” 起来！

我已在本步骤附上代码文件，该代码能将肘部动作（通过电位器检测）与舵机联动。电位器相当于 “肌肉传感器”，当你轻微弯曲肘部时，Arduino 检测到角度变化，会控制舵机向正确方向旋转，拉动绳索提供辅助力。

通过 Arduino IDE 上传代码的步骤：

1. 下载代码文件并在 Arduino IDE 中打开。
2. 用 USB 线连接 Arduino Nano，选择正确的开发板型号和端口。
3. 点击 “上传” 按钮。
4. 上传完成后，断开 USB 连接，打开开关，系统将等待约 2 秒完成校准后即可使用。

终于到了仿生手臂项目的最后一步 —— 接线！由于仅涉及两个元件（电位器和舵机）及一个电源（LM2596 降压模块），电路相对简单。我已附上多张实物接线图和 Fritzing 示意图（忽略照片中 Arduino 开发板型号变化，我只是更换了损坏的原开发板）。

首先搭建供电回路：

供电回路

1. 将开关的输出端接入 LM2596 的 VIN+（电源正极输入）。
2. 将电池的负极接入 LM2596 的 VIN-（电源负极输入）。
3. 连接电池测试电路，LM2596 上的 LED 指示灯应亮起。用小螺丝刀调节 LM2596 的输出电压，建议设置在 5-5.1V 之间 —— 既能为舵机和 Nano 供电，又能限制发热。

重要提示：连接 Nano 前，务必用万用表测量 LM2596 的输出电压，确认无误后再操作。

舵机接线

1. 舵机 V+（正极）→ LM2596 输出正极（共用 5V 电源轨）
2. 舵机 GND（接地）→ Arduino GND（共地连接）
3. 舵机信号引脚 → Arduino D4 引脚

电位器接线（3 引脚）

1. 电位器中间引脚（滑动端）→ Arduino A7（模拟输入引脚）
2. 电位器一端引脚 → Arduino 5V 引脚
3. 电位器另一端引脚 → Arduino GND 引脚

Arduino 接线

1. Arduino VIN 引脚 ← LM2596 输出正极
2. Arduino GND 引脚 ← LM2596 输出负极
3. 舵机 GND 与 Arduino GND 共地连接

首次通电前检查清单：

1. 仔细核对所有接线和正负极是否正确。
2. 用万用表测量 LM2596 输出电压，确认符合要求。
3. 确保所有接地端共地。
4. 切勿将舵机的正极引脚连接到 Arduino 的 5V 输出端 —— 否则会因电流过大烧毁开发板的稳压器！
5. 所有检查无误前，保持开关关闭。

最后为仿生手臂添加固定带！

1. 裁剪 4 条毛毡带，每条约 20 厘米长（可根据手臂尺寸调整）。
2. 裁剪 4 条毛面（软面）魔术贴条，每条约 15 厘米长。
3. 裁剪 4 条钩面（刺面）魔术贴条，每条约 5-8 厘米长。
4. 将毛面魔术贴条粘在毛毡带上，预留最后 5-8 厘米空间用于粘贴钩面魔术贴，以便扣合固定。我共制作了 4 条固定带，其中一条（手腕处）略短。
5. 将固定带穿过护板上的魔术贴穿线孔，确保钩面 / 毛面朝向外侧。
6. 用足量热熔胶将固定带固定在护板上，防止滑动。
7. 可选步骤：若有多余毛毡，可裁剪成合适形状，粘贴在两块护板内侧，提升佩戴舒适度。我用热熔胶固定了毛毡衬垫，既能避免皮肤摩擦，又能分散压力。
8. 完成后，将外骨骼佩戴在手臂上，调整固定带松紧度进行试戴！确保肘部能自由活动，直至两块护板的导向结构相互贴合。

至此，你的仿生手臂就制作完成了！

使用方法：

1. 首先将肘部伸直，使牵引绳处于紧绷状态。
2. 打开电源，等待 2 秒，让代码完成连续旋转舵机的校准（设定最大行程）。
3. 校准完成后，轻微弯曲肘部（仅需极轻的动作），电位器会检测到这一变化。
4. Arduino 将指令舵机旋转牵引杆并拉动绳索，为你的动作提供辅助！

若需中途停止动作，只需向相反方向轻微用力，电位器检测到变化后，Arduino 会相应暂停舵机或反向旋转。

我对该外骨骼手臂进行了多种负载测试，验证其辅助效果：

1. 1 千克负载：毫不费力。仿生手臂几乎瞬间接手负载，感觉除了手指握住盒子外，几乎没有承受重量！
2. 2 千克负载：依然非常顺畅。二头肌完全无需发力，仅前臂肌肉因握住螺丝刀和盒子而轻微紧张。舵机轻松应对，辅助效果明显！
3. 10 千克负载：略有不同。需要轻微发力引导，但比无辅助时搬运 10 千克物品轻松得多 —— 不再是费力拉扯，而是感觉在引导一个轻得多的物体。

测试证明，这款设备不仅外观酷炫，还能真正帮助完成需要反复持握或不规则握持的任务。