Сборка беспроводного манипулятора Arduino, управляемого со смартфона

Обзор проекта

Роботизированная рука 5 степеней свободы, управляется через Bluetooth (HC-05) с Android-приложения (MIT App Inventor). Режимы: ручное (слайдеры) и автоматическое (запись/воспроизведение последовательности поз).

Сборка беспроводного манипулятора Arduino, управляемого со смартфона

3D-модель и печать

Конструировано в SolidWorks. 5 осей: основание (яв), плечо, локоть, запястье (ролл/питч), захват.
Оси 1-3: MG996R (металлические шестерни, высокий момент); оси 4-5 и захват: SG90.
STL-файлы и сборка доступны на Thangs (ссылки в исходнике).

Печаталось на Creality CR-10 (90% предсборка). Качество отличное за цену.

Механическая сборка

База: серво MG996R → круглый рог → верхняя часть (2 болта).
Плечо: серво → рог → следующее звено. Важно: на оси плеча резинка/пружина для компенсации веса.
Локоть: аналогично.
Запястье ролл/питч и захват: SG90, мелкая сборка на болтах M4.

Электрическая схема

6 сервоприводов → Arduino D5–D10 (сигнальные);
HC-05: VCC→5V, GND→GND, TX→D3 (RX Arduino), RX→D4 (TX Arduino через делитель 1:2!);
Питание серв: внешний 5V ≥2A (общий GND с Arduino). Arduino не тянет 6 серв.

Компоненты

3× MG996R, 3× SG90;
HC-05 Bluetooth модуль;
Arduino Uno/Nano;
БП 5V 2A;
Перемычки, макетка.

Прошивка Arduino

Библиотеки: SoftwareSerial (Bluetooth), Servo.h. Массивы для хранения до 50 поз.

#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>

Servo servo01, servo02, servo03, servo04, servo05, servo06;
SoftwareSerial Bluetooth(3, 4); // RX, TX (Arduino←HC05_TX, Arduino→HC05_RX через делитель!)

int servo1Pos, servo2Pos, servo3Pos, servo4Pos, servo5Pos, servo6Pos;
int servo1PPos, servo2PPos, servo3PPos, servo4PPos, servo5PPos, servo6PPos;
int servo01SP[50], servo02SP[50], servo03SP[50], servo04SP[50], servo05SP[50], servo06SP[50];
int speedDelay = 20, index = 0;
String dataIn = "";

void setup() {
  servo01.attach(5); servo02.attach(6); servo03.attach(7);
  servo04.attach(8); servo05.attach(9); servo06.attach(10);
  Bluetooth.begin(38400); Bluetooth.setTimeout(1); delay(20);

  // Начальная поза
  servo1PPos=90;  servo01.write(servo1PPos);
  servo2PPos=150; servo02.write(servo2PPos);
  servo3PPos=35;  servo03.write(servo3PPos);
  servo4PPos=140; servo04.write(servo4PPos);
  servo5PPos=85;  servo05.write(servo5PPos);
  servo6PPos=80;  servo06.write(servo6PPos);
}

Основной цикл: парсинг команд от приложения

void loop() {
  if (Bluetooth.available() > 0) {
    dataIn = Bluetooth.readString(); // Читаем строку

    // Серво 1 (основа) - префикс "s1"
    if (dataIn.startsWith("s1")) {
      int pos = dataIn.substring(2).toInt();
      moveServoSlow(servo01, servo1PPos, pos, 20);
      servo1PPos = pos;
    }
    // Серво 2 (плечо) - "s2"
    if (dataIn.startsWith("s2")) {
      int pos = dataIn.substring(2).toInt();
      moveServoSlow(servo02, servo2PPos, pos, 50);
      servo2PPos = pos;
    }
    // Серво 3 (локоть) - "s3"
    if (dataIn.startsWith("s3")) {
      int pos = dataIn.substring(2).toInt();
      moveServoSlow(servo03, servo3PPos, pos, 30);
      servo3PPos = pos;
    }
    // Серво 4 (запястье ролл) - "s4"
    if (dataIn.startsWith("s4")) {
      int pos = dataIn.substring(2).toInt();
      moveServoSlow(servo04, servo4PPos, pos, 30);
      servo4PPos = pos;
    }
    // Серво 5 (запястье питч) - "s5"
    if (dataIn.startsWith("s5")) {
      int pos = dataIn.substring(2).toInt();
      moveServoSlow(servo05, servo5PPos, pos, 30);
      servo5PPos = pos;
    }
    // Серво 6 (захват) - "s6"
    if (dataIn.startsWith("s6")) {
      int pos = dataIn.substring(2).toInt();
      moveServoSlow(servo06, servo6PPos, pos, 30);
      servo6PPos = pos;
    }

    // Кнопка SAVE - запомнить текущую позу
    if (dataIn.startsWith("SAVE")) {
      servo01SP[index] = servo1PPos;
      servo02SP[index] = servo2PPos;
      servo03SP[index] = servo3PPos;
      servo04SP[index] = servo4PPos;
      servo05SP[index] = servo5PPos;
      servo06SP[index] = servo6PPos;
      index++;
    }

    // Кнопка RUN - автоматический режим
    if (dataIn.startsWith("RUN")) {
      runServoSequence();
    }

    // Кнопка RESET - очистить запись
    if (dataIn == "RESET") {
      memset(servo01SP, 0, sizeof(servo01SP));
      memset(servo02SP, 0, sizeof(servo02SP));
      memset(servo03SP, 0, sizeof(servo03SP));
      memset(servo04SP, 0, sizeof(servo04SP));
      memset(servo05SP, 0, sizeof(servo05SP));
      memset(servo06SP, 0, sizeof(servo06SP));
      index = 0;
    }

    // Скорость - префикс "ss"
    if (dataIn.startsWith("ss")) {
      speedDelay = dataIn.substring(2).toInt();
    }
  }
}

Функция плавного движения сервы

void moveServoSlow(Servo &s, int from, int to, int stepDelay) {
  if (from > to) {
    for (int j = from; j >= to; j--) { s.write(j); delay(stepDelay); }
  } else if (from < to) {
    for (int j = from; j <= to; j++) { s.write(j); delay(stepDelay); }
  }
}

Автоматическое воспроизведение последовательности

void runServoSequence() {
  while (dataIn != "RESET") {
    for (int i = 0; i <= index - 2; i++) {
      // Проверка команд во время движения
      if (Bluetooth.available() > 0) {
        dataIn = Bluetooth.readString();
        if (dataIn == "PAUSE") {
          while (dataIn != "RUN") {
            if (Bluetooth.available() > 0) {
              dataIn = Bluetooth.readString();
              if (dataIn == "RESET") break;
            }
          }
        }
        if (dataIn.startsWith("ss")) {
          speedDelay = dataIn.substring(2).toInt();
        }
      }

      // Движение каждой сервы к следующей сохранённой позиции
      moveServoSlow(servo01, servo01SP[i], servo01SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo02, servo02SP[i], servo02SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo03, servo03SP[i], servo03SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo04, servo04SP[i], servo04SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo05, servo05SP[i], servo05SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo06, servo06SP[i], servo06SP[i+1], speedDelay);
    }
  }
}

Android-приложение (MIT App Inventor)

Верх: кнопки Connect/Disconnect Bluetooth;
Лево: изображение руки; Право: 6 слайдеров (по осям) + слайдер скорости;
Слайдеры шлют префиксы s1..s6 + значение (0-180); Скорость — ss + задержка;
Кнопки: SAVE, RUN/PAUSE, RESET шлют соответствующие строки.

Файлы для скачивания: .aia (проект App Inventor) и .apk (готовое приложение).

Полный код Arduino (для копирования)

/* DIY Arduino Robot Arm Smartphone Control by Dejan, www.HowToMechatronics.com */
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>

Servo servo01, servo02, servo03, servo04, servo05, servo06;
SoftwareSerial Bluetooth(3, 4); // Arduino RX=3, TX=4 → HC-05 TX, RX

int servo1Pos, servo2Pos, servo3Pos, servo4Pos, servo5Pos, servo6Pos;
int servo1PPos, servo2PPos, servo3PPos, servo4PPos, servo5PPos, servo6PPos;
int servo01SP[50], servo02SP[50], servo03SP[50], servo04SP[50], servo05SP[50], servo06SP[50];
int speedDelay = 20, index = 0;
String dataIn = "";

void setup() {
  servo01.attach(5); servo02.attach(6); servo03.attach(7);
  servo04.attach(8); servo05.attach(9); servo06.attach(10);
  Bluetooth.begin(38400); Bluetooth.setTimeout(1); delay(20);
  servo1PPos=90;  servo01.write(servo1PPos);
  servo2PPos=150; servo02.write(servo2PPos);
  servo3PPos=35;  servo03.write(servo3PPos);
  servo4PPos=140; servo04.write(servo4PPos);
  servo5PPos=85;  servo05.write(servo5PPos);
  servo6PPos=80;  servo06.write(servo6PPos);
}

void loop() {
  if (Bluetooth.available() > 0) {
    dataIn = Bluetooth.readString();

    if (dataIn.startsWith("s1")) { int pos=dataIn.substring(2).toInt(); moveServoSlow(servo01, servo1PPos, pos, 20); servo1PPos=pos; }
    if (dataIn.startsWith("s2")) { int pos=dataIn.substring(2).toInt(); moveServoSlow(servo02, servo2PPos, pos, 50); servo2PPos=pos; }
    if (dataIn.startsWith("s3")) { int pos=dataIn.substring(2).toInt(); moveServoSlow(servo03, servo3PPos, pos, 30); servo3PPos=pos; }
    if (dataIn.startsWith("s4")) { int pos=dataIn.substring(2).toInt(); moveServoSlow(servo04, servo4PPos, pos, 30); servo4PPos=pos; }
    if (dataIn.startsWith("s5")) { int pos=dataIn.substring(2).toInt(); moveServoSlow(servo05, servo5PPos, pos, 30); servo5PPos=pos; }
    if (dataIn.startsWith("s6")) { int pos=dataIn.substring(2).toInt(); moveServoSlow(servo06, servo6PPos, pos, 30); servo6PPos=pos; }

    if (dataIn.startsWith("SAVE")) { servo01SP[index]=servo1PPos; servo02SP[index]=servo2PPos; servo03SP[index]=servo3PPos; servo04SP[index]=servo4PPos; servo05SP[index]=servo5PPos; servo06SP[index]=servo6PPos; index++; }
    if (dataIn.startsWith("RUN")) { runServoSequence(); }
    if (dataIn == "RESET") { memset(servo01SP,0,sizeof(servo01SP)); memset(servo02SP,0,sizeof(servo02SP)); memset(servo03SP,0,sizeof(servo03SP)); memset(servo04SP,0,sizeof(servo04SP)); memset(servo05SP,0,sizeof(servo05SP)); memset(servo06SP,0,sizeof(servo06SP)); index=0; }
    if (dataIn.startsWith("ss")) { speedDelay = dataIn.substring(2).toInt(); }
  }
}

void moveServoSlow(Servo &s, int from, int to, int stepDelay) {
  if (from > to) for (int j=from; j>=to; j--) { s.write(j); delay(stepDelay); }
  else if (from < to) for (int j=from; j<=to; j++) { s.write(j); delay(stepDelay); }
}

void runServoSequence() {
  while (dataIn != "RESET") {
    for (int i=0; i<=index-2; i++) {
      if (Bluetooth.available() > 0) {
        dataIn = Bluetooth.readString();
        if (dataIn == "PAUSE") {
          while (dataIn != "RUN") {
            if (Bluetooth.available() > 0) { dataIn = Bluetooth.readString(); if (dataIn == "RESET") break; }
          }
        }
        if (dataIn.startsWith("ss")) speedDelay = dataIn.substring(2).toInt();
      }
      moveServoSlow(servo01, servo01SP[i], servo01SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo02, servo02SP[i], servo02SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo03, servo03SP[i], servo03SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo04, servo04SP[i], servo04SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo05, servo05SP[i], servo05SP[i+1], speedDelay);
      moveServoSlow(servo06, servo06SP[i], servo06SP[i+1], speedDelay);
    }
  }
}

Заключение

Полный цикл: 3D-печать, механика, электроника, прошивка, Android-приложение. Проект демонстрирует интеграцию механики, встраиваемых систем и мобильной разработки. Можно расширить: добавить датчики силы, обратную связь по положению, запись траекторий по обучению (teaching pendant).

Управление бесколлекторным двигателем (BLDC) через ESC и Arduino Создание надежной беспроводной Mesh-сети на Arduino с модулями NRF24L01

Производственный процесс

3D печать

Система управления автоматикой

Промышленные технологии