自制 MK2 Plus 机械臂控制器 - 基于 Arduino 与 CNC 扩展板

组件与物料清单

所需工具

• 3D 打印机

软件工具

• Arduino IDE

项目简介

EEZYBOT MK2 机械臂

Thingiverse 上著名的 EEZYBOT MK2（设计者 daghizmo）按 1:7 缩放 ABB IRB460 运动学结构。原版使用舵机驱动，精度与平滑度有限。MK2 Plus 重混版（Thingiverse）改用 3 个步进电机驱动连杆机构，性能大幅提升。

3D 打印耗时数天，建议先打印再阅读后续内容。

原点校准方案

步进电机无位置记忆，上电需回零。利用 3 个限位开关建立原点。连杆机构运动学较复杂，组装后直观理解开关位置。

Z 轴限位开关安装在底座任意位置，热熔胶固定导线防脱落。为配合 CNC 扩展板标签，将两连杆电机分别称为 X、Y 电机，底座旋转电机称为 Z 电机。

接线指南

CNC 扩展板丝印清晰，注意 A4988 驱动模块插入方向。连杆侧电机对应 X/Y 端子，底座旋转电机接 Z 端子，限位开关按标签接线，极性不敏感。需 12V 电源保证电机扭矩。

代码实现

使用 AccelStepper 库 实现多电机同步加减速运动。通过 Arduino IDE 库管理器安装或访问 官网。

引脚定义与对象创建

#define XSTEP 2
#define YSTEP 3
#define ZSTEP 4
#define XDIR 5
#define YDIR 6
#define ZDIR 7
#define ENABLE 8
#define XLIMIT 9
#define YLIMIT 10
#define ZLIMIT 11
#define XMOTORACC 250
#define XMOTORMAXSPEED 1000
#define YMOTORACC 250
#define YMOTORMAXSPEED 1000

#include <AccelStepper.h>
AccelStepper XMOTOR(1, XSTEP, XDIR);
AccelStepper YMOTOR(1, YSTEP, YDIR);
AccelStepper ZMOTOR(1, ZSTEP, ZDIR);

引脚初始化

void pinsetup() {
  pinMode(ENABLE, OUTPUT);
  digitalWrite(ENABLE, LOW);
  pinMode(XLIMIT, INPUT_PULLUP);
  pinMode(YLIMIT, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ZLIMIT, INPUT_PULLUP);
}

回零逻辑详解

回零分两阶段：

1. XY 回零：连杆耦合运动
   • X、Y 反向运动触发 Y 限位
   • 同向运动触发 X 限位
   • 微调脱离限位开关
2. Z 回零：独立旋转触发 Z 限位并微调脱离

首次回零必备手捏电源开关，若电机反向立即断电并翻转电机插头。

主程序框架

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinsetup();
  autohome();  // 仅运行一次
  Serial.println("HOMING OK");
}

void loop() {
  // 示例：简单往复运动
  XMOTOR.runToNewPosition(100); delay(1000);
  YMOTOR.runToNewPosition(50); delay(1000);
  YMOTOR.runToNewPosition(-50); delay(1000);
  YMOTOR.runToNewPosition(0); delay(1000);
  XMOTOR.runToNewPosition(0); delay(1000);
}

扩展建议

• 串口指令控制：加入分隔符解析，如 5,6,7* 控制 XYZ 步数
• 逆运动学：输入末端坐标，Arduino 计算关节角度
• GRBL 固件方案：需上位机发送 G-code，适合复杂轨迹

总结

无需上位机即可让机械臂执行预设动作，代码完全在 Arduino 端运行。感谢 Thingiverse 所有优秀设计师！

代码与资源

• 完整代码：GitHub 仓库
• 3D 模型：MK2 Plus 机械臂 (致敬 ackyltle)