Robotics - Mech Design
但如果是从零设计机械臂，正确顺序不是“先挑一个舵机”，而是：
任务需求
↓
机械臂尺寸与负载
↓
计算各关节扭矩、速度、行程
↓
选择执行器
↓
设计电源、通信与机械结构
↓
制作原型并实测1. 先定义机器人要做什么
首先确定：
- 几个自由度；
- 臂长；
- 末端负载；
- 运动速度；
- 定位精度；
- 连续工作时间；
- 成本和重量；
- 是否需要手动拖动 Leader。
例如：
- 6 自由度
- 臂长 50 cm
- 末端负载 500 g
- 5 秒内完成一次抓取
- 连续工作 20 分钟
2. 计算每个关节需要的扭矩
最危险的通常是肩关节，因为它要承担后面所有结构和负载。
静态扭矩的基本关系是：
重力负载时：
例如 0.5 kg 负载距离肩关节 0.4 m：
换算为常见舵机单位：
而且这还没有算机械臂本身的重量、加速扭矩、摩擦和安全余量。
完整一些是：
不能直接拿舵机的“堵转扭矩”作为可长期工作的扭矩。堵转扭矩只是极限状态，持续堵转可能过流、发热或损坏。
3. 再决定用哪类执行器
根据需求选择：
| 执行器 | 适合场景 |
|---|---|
| 智能总线舵机 | 小型机械臂、快速原型、低成本 |
| 步进电机 | 开环定位、低速、高保持力 |
| BLDC 伺服关节 | 高性能机械臂、高效率、高动态 |
| 直流电机＋编码器 | 自定义传动和控制系统 |
| 力矩电机 | 高端协作机器人、直接驱动 |
SO-101 使用 STS3215，是因为它已经集成：
- 直流电机
- 减速齿轮
- 磁编码器
- MCU
- PID 控制
- H 桥驱动
- 总线通信
这会大幅降低开发难度。
4. 选择具体舵机型号
需要逐项检查：
- 工作电压；
- 实际可持续扭矩；
- 堵转扭矩；
- 转速；
- 减速比；
- 角度范围；
- 编码器分辨率；
- 回差；
- 通信协议；
- 重量和尺寸；
- 舵盘与安装孔；
- 温升和过流保护；
- 单价。
舵机一旦确定，会约束很多后续设计：
| 选型参数 | 后续约束 |
|---|---|
| 舵机尺寸 | 机械结构 |
| 舵盘尺寸 | 连接件 |
| 工作电压 | 电源 |
| 峰值电流 | 线缆和连接器 |
| 通信协议 | Bus Servo Adapter |
| 舵机 ID | 软件配置 |
5. 做整体功率预算
不能只看一个舵机的额定电流，需要考虑多个关节同时运动：
需要检查完整电流路径：
电源
↓
插头
↓
转接板铜箔
↓
连接器
↓
线缆
↓
各个舵机任何一处电流能力不足，都可能出现：
- 电压下降；
- 舵机复位；
- USB 断连；
- 动作抖动；
- 接头发热；
- 转接板损坏。
6. 再选择通信板和计算平台
如果选了 STS3215，通常接下来选择：
STS3215
↓
兼容 Feetech 协议的 Bus Servo Adapter
↓
USB
↓
Mac / Orin / 树莓派通信板必须与舵机的电气层、协议、电压和针脚兼容。
7. 机械 CAD 与电子设计并行
确定舵机后才能准确设计：
- 舵机安装座；
- 舵盘连接件；
- 关节轴线；
- 线缆通道；
- 限位结构；
- 散热空间；
- 控制板安装位置。
然后制作第一版原型。
8. 实测，而不是只信数据表
至少测试：
- 空载运动；
- 额定负载；
- 最不利水平姿态；
- 多关节同时动作；
- 保持姿态时的电流；
- 堵转瞬间电流；
- 10～30 分钟温升；
- 重复定位；
- 回差；
- 总线丢包和电压跌落。
因此可以这样理解：
复刻 SO-101：先按 BOM 选 STS3215。
自己设计机械臂：先定任务和计算关节需求，再选 STS3215 是否合适。