13岁的小创客自制了一只基于Arduino的机械臂

这个项目出自一个13岁的小创客Wiktor之手。










▲ 机械臂演示夹3粒橡皮到指定位置

作者使用Fusion 360进行3D建模，使用VS Code编程。这个机器人手臂配备了MG90s伺服电机、28BYJ-48步进电机，以及许多3D打印部件。
材料清单


3D打印部件

• 基座舱体 x 1
• 基座盖 x 1
• 左夹爪 x 1
• 右夹爪 x 1
• 下臂 x 1
• 上臂 x 1
• 基座圆盘 x 1
• 肩部伺服支架 x 1
• 夹爪伺服支架 x 1
• 夹爪支架 x 1
  

电子元件

• MG90s伺服电机 x 2
• SG92R伺服电机 x 1（可以用MG90s替代）
• 28BYJ-48步进电机 x 1
• ULN2003驱动器 x 1
• 自定义“伺服驱动”板 x 1（见步骤1）
• Arduino Uno
  

硬件配件

• 伺服轮 x 3（如图所示的类型）
• M4x12mm螺栓 x 2
• M4螺母 x 2
• M3x10mm螺栓 x 2（12mm也可以）
• M2x12mm螺栓 x 4
• M2垫圈 x 8
• M2x7mm螺栓 x 4（将12mm切割至7mm）
• M3x12mm螺栓 x 4
• 固定伺服轮的螺钉 x 3
• M2x7mm螺钉 x 1（来自伺服“套件”）
• M3x5mm热插入件 x 2
  

线

• 20cm公对母跳线 x 9
• 10cm母对母跳线 x 2
• 10cm伺服线延长线 x 1（可以用普通跳线替代）
  

附件下载
STL文件可以在文末下载

步骤1：自定义“伺服驱动”板为什么要制作这个板？
在做这个项目时，我没有找到合适的伺服驱动器，所以决定自己制作一个。这个板子非常简单，基本上就是把所有的阳极和阴极连接在一起。
如何制作这样的板？
要制作这样的板，你需要：

• 一小块穿孔板
• 引脚排
• 一些小电线
• 焊接工具
  

然后，你需要将穿孔板和引脚焊接到位，如图所示。





之后，可以连接所有正负引脚。

你还需要连接信号引脚：

• 信号引脚1（靠近电源轨） - 信号引脚1
• 信号引脚2（靠近电源轨） - 信号引脚2
• 以此类推
  

为什么这样设计？
最让人困惑的部分是信号引脚，我来解释一下。

我希望能够直接将伺服连接器插入到这个板上，这就意味着我们需要将三个引脚并排放置。但如果我就这样放置引脚，就无法将其连接到Arduino上。
步骤2：组装基座
现在让我们开始组装我们的机械臂。
基座
基座的设计比较宽松，这样几乎可以在任何3D打印机上打印出来。

但这也意味着你需要稍微弯曲一下，才能确保它贴合得更紧。
弯曲基座
注意：要弯曲基座，你可能需要一个打火机。请小心使用！



首先，你需要选择一个弯曲的位置。

我建议在USB孔上方稍微弯曲。

由于我们使用的塑料非常坚硬，正常情况下是无法弯曲的，所以你需要加热它，让它稍微软化一点。

在小心加热我们选择的位置后，用某个圆的东西按下去。

如果顺利的话，应该可以把盖子压上去，并且不会滑落。

如果盖子一直滑落，只需重复上述步骤。
安装步进电机
要安装步进电机，我们将使用两个M4x12螺栓和两个M4螺母。

将步进电机放置，使轴通过中间孔，并确保螺孔对齐。



将螺栓穿过孔并用螺母固定好。

确保螺栓头部朝上，如果螺母朝上，它们会与基座圆盘发生碰撞。
安装基座圆盘
现在你可以拿起基座圆盘，添加M3热插入件。

警告：焊接铁非常危险，使用时请务必小心。

轻轻将热插入件放在基座圆盘上的孔上。

然后，取一个加热到约300°C的焊接铁，轻轻按压热插入件，让它们嵌入孔中。

有时候热插入件可能会粘在焊接铁上，这时可以用镊子夹住，确保热插入件保持在正确的位置。


将所有部件组装在一起
现在你可以将基座圆盘放在步进电机上，然后把盖子放在盒子上。

恭喜你！！！你已经组装好了基座。
步骤3：接线
在继续之前，先把所有东西连接好。



步进电机

首先，将步进电机连接到驱动板，具体连接方式请参考图示。

接下来，将引脚连接到Arduino上：

• IN1 - 2（Arduino）
• IN2 - 3（Arduino）
• IN3 - 4（Arduino）
• IN4 - 5（Arduino）
  

这些连接在图中也有显示。

自定义板

将最上面的两个引脚这样连接到Arduino：

• 红色引脚 - +5V
• 黑色引脚 - GND
  

确保步进驱动板的电源引脚连接到这个板上，位置在三引脚宽区段的上方（就在你插入Arduino引脚的下方）。

你还需要将信号引脚连接到Arduino：

• 信号引脚1（最左侧） - 9（Arduino）
• 信号引脚2 - 10（Arduino）
• 信号引脚3 - 11（Arduino）
  

注意：

底部的信号引脚（靠近电源轨）对应于上面信号排的最左侧引脚等。越低的伺服连接器对应越低的关节，例如，底部引脚用于肩关节，下一个用于肘关节。
安装伺服电机
现在，伺服电机的连接非常简单，只需按照上述说明将它们连接到相应的引脚即可。

确保将所有伺服线穿过盖子上的孔。


小贴士
另外一个建议是，将Arduino放置在我在图中放置的位置，这样你可以在不打开盒子的情况下插入它。
步骤4：肩关节组装肩部伺服支架安装
首先，拿起肩部伺服支架和两个M3x10螺栓，将伺服支架固定到位。


安装伺服电机


伺服电机的安装非常简单。

只需将伺服电机放入支架中，并用两个M2x12mm的螺栓和两个垫圈固定好。

螺钉应该能轻松拧入塑料中并牢固固定，如果不牢固，可以使用M2热插入件。
安装下臂




首先，拿一个伺服轮，然后把一个小螺钉放入轮子中以固定它。

接着，将带螺钉的轮子放入下臂。你可以通过检查下臂是否有另一个伺服槽来识别下臂。

然后用一个M2x7mm的螺栓将其固定到手臂上。

在继续之前，我们需要将肩部伺服设置为90度位置。

为此，我们需要上传一个简单的代码到Arduino上。

安装Arduino IDE，插入你的Arduino，选择对应的端口，选择“Arduino Uno”作为开发板，然后上传以下代码：

#include <Servo.h>

Servo myServo; // Create a Servo object

void setup() {
myServo.attach(9); // Attach the servo to pin 9
myServo.write(90); // Set servo to 90 degrees
}

void loop() {
// No action is needed in the loop for this task
}
复制代码

现在可以把带有轮子的下臂放在伺服上并固定，使手臂指向上方。


步骤5：肘关节组装
肘关节也很简单，安装几乎与肩关节相同。固定好伺服后，拿起上臂，将轮子（带着螺钉）放入，并固定好。通过更改以下代码，将肘关节设置为90度：把

myServo.attach(9);
复制代码

改成：

myServo.attach(10);
复制代码

安装手臂就完成了！


步骤6：夹爪组装
现在，夹爪的组装可能是最复杂的一步。

首先，我们需要安装夹爪伺服支架和夹爪支架。

伺服支架要安装在右侧，你可以用两个M3x12mm的螺栓将其固定。



夹爪支架则安装在左侧，使用相同的螺栓。

接下来，把伺服电机安装到支架上，并用两个M2x7mm的螺钉固定好。

然后，将一个带螺钉的伺服轮放入夹爪的右侧，并用小螺钉固定它。

接着，你可以把夹爪安装到伺服电机上。



最后一步是将夹爪的左侧安装到支架上，确保当夹爪伺服（针脚11）设置为180度时，夹爪会闭合。
步骤7：上传代码到Arduino
现在我们需要上传写给Arduino的代码，按照之前的方法进行：

• 将Arduino连接到计算机
• 安装并打开Arduino IDE
• 将以下代码粘贴到IDE中
• 选择正确的端口和板（Arduino Uno）
• 点击上传！
  

这是代码：

// CONFIG //
const int STEPPER_IN1 = 2;
const int STEPPER_IN2 = 3;
const int STEPPER_IN3 = 4;
const int STEPPER_IN4 = 5;
const int STEPS_PER_REVOLUTION = 2048;

const int SHOULDER_IN = 9;
const int ELBOW_IN = 10;
const int GRIPPER_IN = 11;
// INCLUDE //
#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>
#include <Stepper.h>
// VARIABLES //
Servo shoulder;
Servo elbow;
Servo gripper;
Stepper base(STEPS_PER_REVOLUTION, STEPPER_IN1, STEPPER_IN3, STEPPER_IN2, STEPPER_IN4);
int joint;
int amount;
int currentShoulder;
int currentElbow;
int currentGripper;
int currentBase;
// FUNCTIONS //
void moveServos(int shoulderAngle, int elbowAngle, int gripperAngle);
void moveStepper(Stepper stepper, int degrees);
void calibrate();

// MAIN CODE //

void setup(){
//Start Serial
Serial.begin(9600);
//Set up motors
shoulder.attach(SHOULDER_IN);
elbow.attach(ELBOW_IN);
gripper.attach(GRIPPER_IN);
base.setSpeed(10); // lower than 15 is recommended, above 25 will break the motor
currentBase = 0;
//Set servos into Zero position
shoulder.write(97);
currentShoulder = 97;
elbow.write(90);
currentElbow = 90;
gripper.write(160);
currentGripper = 160;

//calibrate();
// delay(1000);
// moveServoSmooth(elbow, 0, 45, 5);
// moveStepper(base, -0.25f);
// delay(1000);
// moveServoSmooth(shoulder, 90, 0, 5);
// moveServoSmooth(elbow, 45, 0, 5);
}

void loop() {
while (Serial.available() > 0) {Serial.read();} // Clear
while (Serial.available() == 0) {} // Wait for data
String consoleInput = Serial.readString(); //Read data
consoleInput.trim(); //Trim, to remove any EOL characters or similiar

if(consoleInput.length() == 12){
int baseInput = consoleInput.substring(0,3).toInt();
int shoulderInput = consoleInput.substring(3,6).toInt();
int elbowInput = consoleInput.substring(6,9).toInt();
int gripperInput = consoleInput.substring(9,12).toInt();

moveStepper(base, baseInput-360);
moveServos(shoulderInput,elbowInput,gripperInput);
Serial.print("recieved: '");
Serial.print(consoleInput);
Serial.println("'");
Serial.println("done");
}
else{
Serial.println("Wrong input!");
}
}

// FUNCTIONS //
void moveServos(int shoulderAngle, int elbowAngle, int gripperAngle) {
//17ms
bool finishedServos[] = {false,false,false};

while(true){
if(currentShoulder != shoulderAngle){
if (currentShoulder < shoulderAngle){
shoulder.write(currentShoulder+1);
currentShoulder++;
delay(17);
}
if (currentShoulder > shoulderAngle){
shoulder.write(currentShoulder-1);
currentShoulder--;
delay(17);
}
}
else{
finishedServos[0] = true;
}


if(currentElbow != elbowAngle){
if (currentElbow < elbowAngle){
elbow.write(currentElbow+1);
currentElbow++;
delay(17);
}
if (currentElbow > elbowAngle){
elbow.write(currentElbow-1);
currentElbow--;
delay(17);
}
}
else{
finishedServos[1] = true;
}


if(currentGripper != gripperAngle){
if (currentGripper < gripperAngle){
gripper.write(currentGripper+1);
currentGripper++;
delay(17);
}
if (currentGripper > gripperAngle){
gripper.write(currentGripper-1);
currentGripper--;
delay(17);
}
}
else{
finishedServos[2] = true;
}

if(finishedServos[0] && finishedServos[1] && finishedServos[2]){
break;
}
}
finishedServos[0] = false;
finishedServos[1] = false;
finishedServos[2] = false;
}

void moveStepper(Stepper stepper, int degrees){
stepper.step((2048/360)*(currentBase-degrees));
currentBase = degrees;
digitalWrite(STEPPER_IN1, LOW);
digitalWrite(STEPPER_IN2, LOW);
digitalWrite(STEPPER_IN3, LOW);
digitalWrite(STEPPER_IN4, LOW);
}

void calibrate(){
// Serial.println("The servos in 5s will be set to a pole like position");
// delay(5000);
// moveServoSmooth(shoulder, 0, 90, 5);
// moveServoSmooth(elbow, 0, 90, 5);
// Serial.println("If the servos aren't in a pole like position, please adjust them, you have 10s");
// delay(10000);
// Serial.println("Now please set the stepper motor into such a positon, that the arm is facing toward the hole that the wires go into. You have 10s");
// moveServoSmooth(elbow, 90, 0, 5);
// delay(10000);
// Serial.println("Calibration complete!");
}
复制代码

上传代码后，当你打开串口监视器时，将其设置为9600波特率，并发送例如123， Arduino会在200至300毫秒后响应“输入错误！”这是因为它只接受长度为12个字符的输入。我将在下一步解释原因。

步骤8：通信协议
这段代码是为了让你能够方便地通过串口控制机器人。

首先，所有发送的消息必须是12个字符长，为什么呢？

因为机器人有四个关节，每个关节的位置需要3个字符来表示，所以

那么这些数字具体代表什么呢？

• 前三个数字是用于基座的，记住基座要移动到的位置是你输入的值减去360度。
• 接下来的三个数字是用于肩部的，它会直接移动到你输入的位置。
• 再后面的三个数字是用于肘部，其工作方式与肩部相同。
• 最后三个数字是用于夹爪的，它们的工作方式与肘部相同，但我不建议设置夹爪低于90度。
  

为什么使用这个协议？
这个协议的好处主要有两个：首先，它非常简单；其次，这种方式让你可以添加自己的功能，比如你可以加一个ESP32模块，让机器人支持Wi-Fi控制。

步骤9：PC程序
仅仅发送12个数字的字符串并不是很直观，对吧？所以我决定开发一个PC程序来全面控制机器人。


下载和（可选）编译
首先，你需要确认你的Arduino使用的是哪个端口，也就是你上传代码时用的那个端口。

接下来，下载Robo Control.rar文件，解压后，进入bin文件夹，运行程序并选择你的端口。（这些文件可以在文末打包下载）

如果没有为你的端口提供预编译的.exe文件，你需要自己进行编译。我提供了一个CMake文件。

如果你不知道如何使用CMake进行编译，可以参考这个网站：https://hsf-training.github.io/hsf-training-cmake-webpage/02-building/index.html。


步骤10：如何使用？

• 将机器人设置为类似极点的位置。
• 将所有电机的设置归零。
• 向机器人发送11、12、13、14的值。
• 播放当前加载的程序。
• 保存当前的程序。
• 在顶部栏输入程序名称以加载程序，这也可以用来创建新文件。
• 输入你的程序名称。
• 从加载的文件中删除最后一个位置。
• 将当前的11、12、13、14值添加到当前文件中。
• 大致显示你即将发送到手臂的数据。
• 输入夹爪的值，并显示出来。
• 输入肘部的值。
• 输入肩部的值。
• 输入基座的值。
• 大致显示基座的方向。
  

步骤11：结束语
感谢你陪我完成这个项目，特别感谢我的妈妈对我的鼓励和提供的小零食。

请在评论中告诉我你对此项目的看法，这是我第一个真正的大型项目。如果你需要帮助，可以在Discord上给我发消息：@xtagz_69

原文地址：https://www.instructables.com/A- ... vos-and-28BYJ-48-S/

项目作者：tagvian

译文首发于：DF创客社区

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