Arduino机械手掌控制系统技术文档

项目概述

本项目实现了一个基于Arduino的机械手掌控制系统，通过5个伺服电机控制机械手掌的5个手指。系统可以接收0-1范围内的数值，并将其映射到伺服电机的角度范围（0-120度）。

硬件配置

  • 控制器：Arduino开发板
  • 执行器：5个伺服电机（连接到D1-D5引脚）
  • 通信：串口通信（波特率9600）

代码结构

1. 全局变量与对象

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// 伺服电机对象
Servo finger1;  // 拇指
Servo finger2;  // 食指
Servo finger3;  // 中指
Servo finger4;  // 无名指
Servo finger5;  // 小指

// 引脚定义
const int servoPin1 = 1;  // 拇指
const int servoPin2 = 2;  // 食指
const int servoPin3 = 3;  // 中指
const int servoPin4 = 4;  // 无名指
const int servoPin5 = 5;  // 小指

// 角度范围
const int minAngle = 0;    // 最小角度
const int maxAngle = 120;  // 最大角度

// 初始位置
const int homePosition = 0;

// 当前角度值
int currentAngle1, currentAngle2, currentAngle3, currentAngle4, currentAngle5;

2. 主要函数

2.1 setup()

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void setup() {
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(9600);
  
  // 连接伺服电机到对应引脚
  finger1.attach(servoPin1);
  finger2.attach(servoPin2);
  finger3.attach(servoPin3);
  finger4.attach(servoPin4);
  finger5.attach(servoPin5);
  
  // 手掌归位
  resetHand();
  
  // 输出使用说明
  Serial.println("机械手掌控制系统启动");
  Serial.println("手掌已归位，等待控制指令");
  Serial.println("请输入5个0-1之间的值，用逗号分隔，例如：0.5,0.2,0.8,0.3,0.6");
}

2.2 loop()

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void loop() {
  // 检查是否有串口数据可读
  if (Serial.available() > 0) {
    // 读取串口输入
    String input = Serial.readStringUntil('\n');
    
    // 解析输入数据
    parseAndControlFingers(input);
  }
}

2.3 parseAndControlFingers()

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void parseAndControlFingers(String input) {
  // 解析逗号分隔的值
  // 检查值是否在0-1范围内
  // 控制每个手指
}

2.4 controlFinger()

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void controlFinger(int fingerNumber, float value) {
  // 将0-1的值映射到角度范围
  // 根据手指编号控制对应的伺服电机
  // 输出调试信息
}

2.5 resetHand()

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void resetHand() {
  // 将所有手指设置到初始位置
  // 更新当前角度值
  // 等待伺服电机到达位置
}

函数详解

1. setup()

功能：初始化系统，设置串口通信，连接伺服电机，并将手掌归位。

关键操作：

  • Serial.begin(9600)：初始化串口通信，设置波特率为9600
  • finger1.attach(servoPin1)：将伺服电机对象连接到指定引脚
  • resetHand()：调用手掌归位函数

2. loop()

功能：持续监听串口输入，当有数据时读取并处理。

关键操作：

  • Serial.available()：检查串口缓冲区是否有数据
  • Serial.readStringUntil('\n')：读取一行数据，直到遇到换行符
  • parseAndControlFingers(input)：解析输入并控制手指

3. parseAndControlFingers(String input)

功能：解析输入字符串，提取5个控制值，并控制对应的手指。

参数：

  • input：包含5个用逗号分隔的0-1之间的值的字符串

算法流程：

  1. 使用indexOf()和substring()方法解析逗号分隔的值
  2. 使用toFloat()将字符串转换为浮点数
  3. 检查每个值是否在0-1范围内
  4. 调用controlFinger()函数控制每个手指

错误处理：

  • 检查输入格式是否正确（是否有5个值）
  • 检查每个值是否在0-1范围内

4. controlFinger(int fingerNumber, float value)

功能：控制单个手指的角度。

参数：

  • fingerNumber：手指编号（1-5）
  • value：控制值（0-1）

算法流程：

  1. 使用map()函数将0-1的值映射到角度范围（0-120度）
  2. 使用switch语句根据手指编号选择对应的伺服电机
  3. 使用write()方法设置伺服电机角度
  4. 更新当前角度值
  5. 输出调试信息

关键函数：

  • map(value * 100, 0, 100, minAngle, maxAngle)：将0-1的值映射到角度范围
  • finger1.write(angle)：设置伺服电机角度

5. resetHand()

功能：将所有手指设置到初始位置（归位）。

算法流程：

  1. 将所有伺服电机设置到初始角度（homePosition）
  2. 更新当前角度值
  3. 等待伺服电机到达位置（delay(1000)）

使用方法

  1. 将代码上传到Arduino开发板
  2. 打开串口监视器（波特率设为9600）
  3. 系统启动后会自动将手掌归位
  4. 在串口监视器中输入5个0-1之间的值，用逗号分隔，例如：0.5,0.2,0.8,0.3,0.6
  5. 系统会将这些值映射到0-120度的角度范围，并控制对应的伺服电机

注意事项

  1. 代码中使用了D1-D5引脚定义，这通常用于ESP8266/ESP32等开发板。如果使用标准Arduino板（如Uno、Nano等），需要将引脚定义修改为数字引脚（如2-6）。
  2. 伺服电机的角度范围设置为0-120度，可以根据实际使用的伺服电机调整这个范围。
  3. 初始位置设置为0度，可以根据需要调整为其他值。
  4. 如果某个伺服电机的运动方向与其他电机不一致，可以在controlFinger()函数中使用1-value来反转该电机的方向。

扩展与优化建议

  1. 添加平滑运动功能，使手指运动更自然
  2. 添加预设手势功能，如握拳、伸展、指向等
  3. 添加按钮控制或传感器输入，实现更多交互方式
  4. 实现与其他设备的通信，如蓝牙或WiFi控制
  5. 添加反馈机制，如LED指示灯或蜂鸣器提示

常见问题排查

  1. 伺服电机不动作：检查电源供应是否充足，伺服电机是否正确连接到指定引脚
  2. 伺服电机抖动：可能是电源不稳定或伺服电机质量问题，尝试使用更稳定的电源
  3. 角度范围不正确：调整minAngle和maxAngle参数，适应实际使用的伺服电机
  4. 方向相反：在controlFinger()函数中使用1-value来反转电机方向
  5. 编译错误：检查开发板类型是否正确选择，引脚定义是否与开发板兼容