基于 Arduino Nano 与 Tower Pro MG996R 舵机的精准 PC 控制机械臂

所需组件与物料

所需应用与在线服务

• Microsoft Visual Studio 2015（C# Windows 应用）
• Arduino IDE

项目简介

我一直钦佩现代制造技术中机械臂在搬运、装配、焊接、仓储等领域的关键作用。本项目基于 fortzeroas 2016 年设计的简易机械臂，改用 C# 开发自动化控制应用，替代手动控制，实现类工业自动化的运动监控、任务录制与回放。

步骤 1：材料准备

主体材料为 MDF 木板：结构件 2mm，底座 4mm。蓝图文件见最后步骤下载，打印后粘贴在木板上按轮廓切割钻孔。我使用旋转工具切割钻孔，底座无蓝图可自行发挥。

步骤 2：喷漆与造型

利用蓝图在 Photoshop 设计贴纸与几何图案，白胶粘贴上色，提升外观质感。

步骤 3：框架组装

舵机用螺丝固定，左右侧板用木棒加强力胶连接（减轻重量）。组装过程按计划顺利，仅微调细节。

步骤 4：夹爪（捏合机构）

用钳子弯折两根金属杆，在 3mm 木块上钻孔并强力胶固定，形成夹爪机构。

步骤 5：底座制作

底座用 4mm MDF 切割约 17×10cm，钻孔安装 9g 底座舵机。为减少摩擦，使用强力纸筒（高 2.5cm、直径 10cm）做垫圈，同轴安装舵机输出轴。

步骤 6：电子电路

多舵机驱动必须外接电源。本项目使用三个 9g 微型舵机 + 一个大舵机。先在 Tinkercad 仿真验证电路，后用 4 节 AA 电池（6V）供电，制作简单的 Arduino Nano 扩展底板。

步骤 7：Arduino 代码

1. 安装最新 Arduino IDE（官网下载）
2. 连接 Arduino Nano 至 USB
3. 工具 → 板卡 → 选择 Arduino Nano
4. 复制代码到编辑器，点击验证（✔）再上传（➤）

步骤 8：自动化控制应用（C# Windows Forms）

这是我最喜欢的部分：用 PC 自动化控制 Arduino。初期用 Processing 3 模拟舵机键盘微调至目标位置，记录四轴角度（底座、大臂、小臂、夹爪）建立角度限位数组，后移植到 C# 应用作为界面滑块范围与回放依据。

功能模块：

1. 运动控制（手动/键盘）

• 夹爪：点击开/合按钮
• 底座：拖动滑块或 ←/→ 键左右旋转
• 大臂：拖动滑块或 ↑/↓ 键上下摆动
• 小臂：拖动滑块或 W/S 键上下摆动

2. 运动录制

点击“Rec. Position”或按 R 键记录当前四轴角度至列表。点击“Start Auto mood”按序列发送指令自动执行。

3. 运动监控

图形化绘制每步角度变化曲线，右侧数据表显示精确角度与时间戳，便于发现异常。可像工业自动化一样编排任务序列下发执行。

步骤 9：后续更新（2018 年 8 月）

改用 3mm MDF 激光切割，新增自制摇杆控制器，体验更佳。

代码

Task.ino（任务函数：定点抓取/放置/回放）

int delayT = 350;
void Home() { // 归位
  MyServo0.write(valGripper); delay(15);
  MyServo.write(valBase); delay(30);
  MyServo2.write(valShoulder); delay(30);
  MyServo3.write(valElbow); delay(delayT);
}
void Pick() { // 固定抓取点
  MyServo.write(4); delay(delayT);
  MyServo3.write(125); MyServo2.write(95); delay(delayT);
  MyServo0.write(50); delay(delayT); MyServo0.write(2); delay(delayT);
  MyServo2.write(60); MyServo3.write(80); delay(delayT);
  Serial.println("Object Picked");
}
void Drop() { // 固定放置点
  MyServo.write(145); delay(delayT);
  MyServo2.write(80); delay(15); MyServo3.write(115); delay(delayT);
  MyServo0.write(40); delay(delayT); MyServo3.write(90); delay(delayT);
  Serial.println("Object Dropped");
}
void Playback() { // 解析串口指令串 "1:90&2:80&3:180"
  char* command = strtok(ByteReceived, "&");
  while (command != 0) {
    char* separator = strchr(command, ':');
    if (separator != 0) {
      *separator = 0;
      int servoId = atoi(command);
      int angle = atoi(++separator);
      if (servoId == 1) { MyServo.write(angle); delay(delayT); }
      else if (servoId == 2) { MyServo2.write(angle); delay(delayT); }
      else if (servoId == 3) { MyServo3.write(angle); delay(delayT); }
    }
    command = strtok(0, "&");
  }
}

RobotArm.ino（主循环：串口指令解析与舵机驱动）

#include 
Servo MyServo, MyServo2, MyServo3, MyServo0;
char ByteReceived;
int valGripper = 30, valBase = 70, valShoulder = 25, valElbow = 150;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(A5, OUTPUT);
  MyServo0.attach(12); MyServo.attach(11); MyServo2.attach(13); MyServo3.attach(10);
  Home(); delay(300);
}

void loop() {
  // 串口打印当前角度
  while (Serial.available() > 0) {
    ByteReceived = Serial.read();
    switch (ByteReceived) {
      case 'n': digitalWrite(A5, HIGH); break; // LED 开
      case 'f': digitalWrite(A5, LOW); break;  // LED 关
      case 'l': MyServo.write(MyServo.read()+2); break; // 底座左
      case 'r': MyServo.write(MyServo.read()-2); break; // 底座右
      case 'u': MyServo2.write(MyServo2.read()+2); break; // 小臂上
      case 'd': MyServo2.write(MyServo2.read()-2); break; // 小臂下
      case 'w': MyServo3.write(MyServo3.read()+2); break; // 大臂下
      case 's': MyServo3.write(MyServo3.read()-2); break; // 大臂上
      case 'o': MyServo0.write(30); break; // 夹爪开
      case 'c': MyServo0.write(1); break;  // 夹爪合
      case 'q': Pick(); Drop(); Home(); break; // 快速演示
      case 'h': Home(); break;             // 强制归位
      default: Pick(); Playback(); Home(); break; // 自动回放
    }
  }
}

3D 模型文件

f98t2axin238k2n_khGWAEIqdl.skp (SketchUp 格式)

原理图