模型原创设计来自：DDWMAKER 机器人C（18个可动关节，一体打印）

今天我们要做什么？

有没有觉得3D打印小机器人很酷，但一想到那些关节怎么设计就头大了？今天我就来分享一个超实用的技巧——如何制作一个全身关节都能自由活动的机器人，而且最厉害的是，它是一次性3D打印出来的，完全不需要组装！这就是我们今天要设计的"一体打印铰链关节机器人"，通过它我们将掌握3D打印中最精妙的公差控制技术和铰链结构设计！

准备工作

在开始设计前，我们需要了解一些重要的概念和工具！

下载文件

可动关节机器人（一体打印，铰链关节）-素材下载包

魔法工具箱

精确测量魔法棒

• 下载并打印“公差测量尺-铰链关节设计.3mf”文件
• 可以精确测量铰链间隙（精确到0.1毫米）
• 可以设置不同的铰链活动角度
• 能帮助我们创建既不卡住又不松动的完美铰链！

镜像复制魔法棒

• 可以快速复制对称的身体部件
• 确保左右肢体完全对称
• 大大节省设计时间！

有趣的小实验：理解铰链关节活动原理

拿一个有铰链的物品试试：

• 找一扇门或者一个铰链折叠盒子，观察它的盖子是如何开合的
• 感受这些铰链关节的活动方式和特点
• 注意铰链轴与孔的配合方式
• 感受铰链的单向旋转特性和活动范围限制

一体打印铰链关节的奥秘

什么是一体打印铰链关节？

• 一体打印铰链关节的神奇之处在于，它是一次性打印出来的，打印完就能动！
• 不需要组装，打印完成后只需轻轻活动，关节就能自由转动
• 这需要极其精确的公差控制和合适的摩擦力，是3D打印技术的一项挑战

为什么铰链公差控制很重要？

• 公差太小：铰链会粘连在一起，摩擦力过大导致无法活动
• 公差太大：铰链之间摩擦力太小会松动，无法保持姿势
• 恰到好处的公差能产生适中的摩擦力，让关节既能自由活动又不会太松
• 这就是为什么我们前面要做公差测试，找到这个完美平衡点的原因

铰链关节结构设计详解

单向铰链关节（两种结构）：

• 由轴和套筒两部分组成
• 允许单一方向的旋转运动
• 适合膝盖、肘部等需要单向弯曲的部位
• 适合头部、腰部、手腕需要单向转动的部位

双向铰链关节（垂直铰链组合）：

• 由两个垂直排列的铰链组成
• 允许在两个垂直平面内的旋转
• 适合肩部、髋部等需要多方向活动的部位
• 设计难度较高，需要精确的空间布局

铰链关节的设计要点：

• 轴与孔的间隙值要控制在0.2-0.4mm，这是最关键的
• 轴的长度要比套筒稍短0.5-1mm，防止摩擦
• 要设计限位结构，防止轴向移动
• 活动角度也要有限制，防止过度转动
• 注意双向铰链交叉点的结构稳定性
• 铰链轴的直径≥3mm，防止PLA打印的关节断裂

开始建模

第一步：设计机器人的基本结构

• 首先，我们需要设计机器人的整体框架：
• 确定机器人的大小和比例（我建议高度在5-8厘米左右，这个大小既方便打印，又便于观察细节）
• 在课程文件中提供了“积木机器人尺寸图.jpg”，供参考
• 用各种立方体创建躯干主体结构

• 规划所有铰链关节的位置和类型（单向铰链和双向）
• 创建四肢连接结构

第二步：设计单向活动关节

• 首先设计第一种单向铰链结构的关节：
• 创建头部铰链（允许头部转动）
• 设计腰部铰链（允许躯干转动）
• 设计手腕的铰链结构（允许手腕转动）
• 确保每个铰链有限位结构
• 注意：铰链的轴直径必须≥3mm，否则PLA材料打印的关节在后期激活时容易断裂

接着设计第二种单向铰链结构的关节：

• 创建肘部铰链（允许手臂弯曲）
• 设计膝部铰链（允许腿部弯曲）
• 设计脚踝的铰链结构（允许脚部可以勾脚和踮脚）
• 为每个关节添加合适的活动角度限制
• 同样要确保所有铰链轴直径不小于3mm，保证结构强度

第三步：设计双向活动关节

这是最具挑战性的步骤，但别担心，我们一步步来：

• 设计第一个铰链允许前后摆动
• 垂直设计第二个铰链允许上下摆动
• 确保两个铰链的交叉点结构稳定
• 为每个铰链设置0.2-0.4mm的间隙
• 从美观和功能角度考虑，添加限制结构，防止过度转动

第四步：添加细节和优化

完善模型的最后步骤：

• 添加面部特征和表情
• 为边角添加倒角和圆角处理
• 增加装饰性细节元素
• 检查并优化所有关节转动结构，避免碰撞或受阻

第五步：添加手动支撑结构

将模型导入切片软件，生成支撑，确定需要手动添加支撑的位置。

手动添加支撑，这是确保打印成功的关键步骤：

• 注意：当两个层之间的上下间距是0.2mm时，通常不需要添加支撑，这个间距既能保证打印质量，又便于后期分离（激活关节）
• 对于需要支撑的结构，在悬空部分下方添加细柱状支撑（这些支撑柱直径通常设计为0.8-1.2mm，既能提供足够的支撑，又容易断开清理）
• 小技巧：1、支撑柱的连接处可以设计成锥形，这样断开时更容易，不会留下明显的痕迹；2、可以把几个支撑柱底部连起来，增加其与打印床的接触面，确保第一层打印的附着力
• 确保支撑结构足够坚固但又容易拆除

第六步：优化打印方向和设置

为了获得最佳打印效果：

• 选择最佳的打印方向，尽量减少悬空结构
• 调整打印速度，铰链部分建议降低速度至20-30mm/s（可选）
• 设置适当的层高（建议0.1-0.16mm），确保铰链精度（可选）
• 在切片软件中禁用自动支撑或仅在特定区域添加

打印后处理和使用方法

如何移除手动支撑结构

1. 打印完成后，先不要活动任何关节
2. 使用尖嘴钳或小刀小心地移除手动设计的支撑结构
3. 从最容易接触的支撑开始，逐步清理到难以接触的部分
4. 注意不要用力过猛，避免损坏铰链结构
5. 确保所有支撑都已清理干净，没有残留物影响活动

如何激活铰链关节

1. 支撑清理完成后，轻轻活动每个铰链，先小角度来回转动
2. 先激活单向铰链，再激活双向铰链
3. 逐渐增加活动角度，直到达到设计的活动范围
4. 如果铰链太紧，可以多转动几次
5. 避免过度用力，防止铰链断裂

铰链关节的维护保养

1. 定期检查铰链是否有磨损或松动
2. 保持铰链清洁，避免灰尘进入缝隙
3. 如果铰链活动不顺畅，可以使用少量食用油润滑

优化模型

根据打印结果查看模型缺陷位置的设计图，可以用截面分析工具查看细节问题

创新挑战

为可动关节机器人添加更多功能：

• 设计不同体型的机器人（比如高、矮、胖、瘦）
• 设计可更换的手部工具（比如武器）
• 为机器人设计各种道具（比如家具、交通工具）

实际应用案例

铰链结构在日常用品中的应用

• 可折叠手机支架的铰链设计
• 眼镜框的铰链结构分析（2025新年派对眼镜 L2）
• 可转动的“福”字钥匙扣（“福”字钥匙扣挂件 L1）

总结与反思

我们学到了什么

• 掌握了单向和双向铰链关节的设计原理和技巧
• 理解了公差控制在3D打印中的重要性
• 学会了设计和添加手动支撑结构的方法
• 掌握了一体化打印可动铰链的技术
• 探索了铰链结构在不同领域的应用

思考问题

• 如何进一步提高了铰链的耐用性？
• 能否设计更高效的手动支撑结构？
• 如何优化双向铰链的交叉点设计，使其更稳定？
• 3D打印铰链与传统制造的铰链相比有哪些优势和局限性？

记得分享你的铰链关节机器人照片和视频！看看谁的机器人动作最流畅，姿势最酷炫！下节课我们将探索更多精彩的3D打印技术！