从零手搓SCARA机械臂：Arduino UNO驱动，Processing图形界面含正/逆运动学

机器人概况

4自由度SCARA：双臂旋转+Z轴升降+末端夹爪。4×NEMA 17步进电机+1×MG996R舵机。主控：Arduino UNO + CNC Shield + 4×A4988驱动。Processing开发GUI，同屏集成**正运动学（给关节角算末端位）**与**逆运动学（给末端位算关节角）**，支持手动/自动（示教回放）模式，可调速度/加速度。

3D模型与打印

SolidWorks 3DEXPERIENCE设计（云协作、xDesign浏览器建模）。全件可打印（含GT2同步轮，参数化只改齿数自动更新）。减速比：一轴20:1（两级）、二轴16:1、三轴4:1。关节：双向推力轴承+单向向心轴承。中空过线。皮带张紧槽配惰轮。Z轴8mm丝杠+4根10mm光轴+直线轴承，高度400mm。STL文件Thangs下载。横向扩展-0.1mm补偿公差。PLA+材质，约120h打印（底座32h）。

机械组装关键点

基座与一轴

底座装向心轴承(35×47)+推力轴承(40×60)，上下夹持联轴器+同步轮，4×M4×55自锁螺母预紧（要转动自如又无晃动）。中间轮双608轴承+M8螺栓固定，配300mm闭环带。步进电机装底座，配200mm带，装前张紧皮带。皮带松则加惰轮（M5螺栓+螺母做张紧轮）双侧张紧。限位开关焊线后装（空间紧用单螺栓+胶水辅助）。

Z轴与一臂

联轴器上装Z轴底板→四夹头夹10mm光轴（全插底）→导丝杠轴承座→装饰盖遮盖。一臂两半体对接（4×M5×25），装4×直线轴承(10mm)滑光轴（配合紧难装，靠横向扩展调整）。二轴步进电机装一臂（参数化20齿轮），锁紧丝杠螺母。二轴皮带同一轴法（400mm+300mm），轴承规格缩小（向心30×42、推力35×52）。联轴器预埋6×M4×20螺栓接二臂。限位开关装妥。

二臂与末端

三轴用短身NEMA 17（24cm）减重。单级4:1减速（400mm带）。接线穿二轴中空（电机/限位/末端4芯线）。二臂上半体预埋M4螺母，合盖前整理走线避开运动件，加线夹防螺母勾线。装饰盖卡扣固定。整臂组件滑入Z轴光轴。顶板装Z限位+夹头，装饰盖遮盖后锁紧。丝杠锯短至380mm，5→8mm联轴器接四轴电机。理线套管+扎带整理，标记防错接。

夹爪末端

MG996R驱动，双6mm光轴滑动，舵盘+连杆+M3螺栓连动两爪。夹爪头可换装适配不同工件。M4螺栓锁装臂端，接舵机三线。

电子电路

Arduino UNO + CNC Shield + 4×A4988（1/4细分跳帽）。3D打印盒装UNO固定底座。限位开关接端止引脚。电源：12V/4A（建议6A），驱动器流流设最低。整理进盒，散热片外露。

底座12孔锁木板（沉头螺栓+嵌入M4螺母），再夹具固定桌面。

运动学数学与代码实现

正运动学

// θ1, θ2 为两臂关节角，L1, L2 为臂长
x = L1*cos(θ1) + L2*cos(θ1+θ2)
y = L1*sin(θ1) + L2*sin(θ1+θ2)

逆运动学

// 给定 x, y 求 θ1, θ2
θ2 = acos((x²+y²-L1²-L2²)/(2*L1*L2))
θ1 = atan2(x,y) - atan2(L2*sin(θ2), L1+L2*cos(θ2))
// 象限修正 θ1，φ = 90+θ1+θ2 使夹爪平行X轴

Processing用controlP5库构建GUI：左侧滑块控关节角，右侧输入框设目标XY，同步显示对应值。串口发送字符串：`SAVE,RUN,J1,J2,J3,Z,Gripper,Speed,Accel`。Arduino端解析存入数组（示教），RUN时AccelStepper库多电机同步插补（库不支持多电机加减速，作者变通实现但非完美平滑）。

实测与不足

上电回零后可手动/自动运行。可换装3D打印喷头或激光头扩展功能。**缺陷**：整机刚性不足，重量与惯性力集中一轴塑料件易微变形；同步带有回差。但作为教学级SCARA，完整演示了设计、制造、运动学、GUI开发全链路，代码开源可移植改进。