内容介绍

四自由度机械臂控制系统项目总结报告

参赛方向：工业控制（电机控制 / 工业控制器）
核心：ESP32-S3 驱动 4 个 MG995 舵机，双摇杆控制带吸盘的桌面机械臂

一、项目介绍 & 创意介绍

项目介绍

本项目基于 ESP32-S3 单片机，设计一款四自由度桌面机械臂控制系统。系统搭载 4 个 MG995 金属齿轮舵机，分别控制底座旋转、大臂抬降、小臂抬降及末端关节动作，末端配备真空吸盘，可实现小型物品的抓取与搬运。系统通过双摇杆电位器实现手动控制，1.69 寸彩屏实时显示舵机状态与控制参数，是工业搬运机械臂的小型验证平台。

创意介绍

采用四自由度舵机驱动，还原工业机械臂基础运动逻辑；
双摇杆控制方案，操作直观，可精准控制每个关节的运动；
末端真空吸盘实现抓取功能，具备实际搬运应用价值；
彩屏实时反馈系统状态，提升人机交互体验。

二、使用到的硬件介绍

主控：ESP32-S3 开发板
动力单元：4 个 MG995 金属齿轮舵机（底座旋转、大臂、小臂、末端关节）
控制单元：双摇杆电位器（X/Y 轴模拟量输入）
执行单元：真空吸盘组件
显示单元：1.69 寸 24 位彩色 TFT 屏幕
供电与结构：舵机电源模块、机械臂支架

三、方案框图和项目设计思路介绍

方案框图

设计思路

硬件：ESP32-S3 读取双摇杆电位器的模拟量，输出 PWM 信号控制舵机角度；
控制逻辑：左摇杆控制底座旋转 + 大臂抬降，右摇杆控制小臂抬降 + 末端关节动作；
反馈：彩屏实时显示各舵机角度、控制指令与系统状态；
功能：通过摇杆控制机械臂运动，配合吸盘实现物品抓取与放置。

四、原理图和 PCB 介绍

本项目基于 ESP32-S3 主控平台，采用了完整的原理图设计与模块化 PCB 实现，电路设计如下：

主控与电源部分
- 采用 ESP32-S3 单片机作为控制核心，集成 USB 供电与外部 5V 双路供电接口，保证系统稳定运行。
- 板载多路电源滤波电容，分别为 3.3V 与 5V 电源网络进行去耦处理，抑制纹波，提升系统抗干扰能力。
- 外设接口预留了完整的电源网络，为舵机、屏幕、按键等模块提供稳定供电。
信号采集部分
- 为双摇杆电位器设计了 ADC 信号调理电路，通过 RC 滤波网络对四路模拟输入进行滤波处理，减少干扰，保证摇杆控制的稳定性。
- 预留了多路 ADC 通道接口，可直接连接电位器信号，实现模拟量采集。
驱动与接口部分
- 引出了 四路 PWM 舵机控制接口，可同时驱动 4 路 MG995 舵机，为机械臂四自由度控制提供信号输出。
- 预留了 TFT 彩屏、蓝牙模块、I2C 传感器等外设接口，通过排针形式引出，方便模块化扩展与调试。
- 板载独立按键电路，可直接连接按键模块，实现吸盘控制、模式切换等功能。
结构与布局
- PCB 采用分区域布局，将主控、电源、信号接口分区布置，走线清晰规范，避免信号串扰。
- 所有外设均通过标准排针引出，既支持模块化接线，也便于后期功能扩展与故障检修。

五、软件流程图和关键代码介绍

1. 软件整体流程图

关键代码说明

（1）主程序入口 app_main ()

主程序先调用 my_app_main_init() 完成所有外设初始化，然后进入死循环。
循环内依次执行：

按键处理（吸盘开关、屏幕切换）
摇杆读取与舵机控制
短延时保证系统稳定

plaintext

void app_main(void) 
{
    my_app_main_init();   
    while (1) 
    {
        key_xp();       
        motor_test();   
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

（2）系统初始化 my_app_main_init ()

完成以下硬件初始化：

TFTLCD 彩屏初始化并清屏
ADC 四路摇杆初始化
MG995 四路舵机初始化
吸盘 GPIO 初始化
按键及定时器初始化
舵机复位到初始姿态

这是系统正常运行的基础。

void my_app_main_init(void)
{
    TFTLCD_Init();
    TFTLCD_Fill(0,0,TFTLCD_W,TFTLCD_H,WHITE);
    TFTLCD_Fill(0,0,TFTLCD_W,TFTLCD_H,WHITE);
    
    if (adc_init() != 0) 
    {
        printf("ADC initialization failed!\n");
        return;
    }
    mg995_init_all();
    absorb_gpio_init();
    key_gpio_init();
    key_timer_init();
    motor_rest();


    TFTLCD_ShowString(50,50,GREEN,WHITE,"jnkcsdazc");
}

（3）ADC 读取模块 my_adc.c

通过 ESP32-S3 的 ADC1 读取四路摇杆电位器值：

GPIO2、GPIO4、GPIO5、GPIO6 对应四路摇杆
使用 12 位精度、11dB 衰减，支持 0~3.6V 输入
支持软件校准，提高读取稳定性
提供 adc_print_all() 统一读取四通道值并保存到全局变量

代码通过 raw_adc0 ~ raw_adc3 传递摇杆值给控制函数。

int adc_read_raw(int gpio_num, int *raw_value) {
    if (adc_handle == NULL) {
        printf("ADC not initialized, call adc_init first\n");
        return -1;
    }
    adc_channel_t ch;
    if (!get_adc_channel(gpio_num, &ch)) {
        printf("Invalid GPIO %d (supported: 1,2,4,5)\n", gpio_num);
        return -1;
    }
    int raw = 0;
    esp_err_t ret = adc_oneshot_read(adc_handle, ch, &raw);
    if (ret != ESP_OK) {
        printf("ADC read failed on GPIO%d: %s\n", gpio_num, esp_err_to_name(ret));
        return -1;
    }
    *raw_value = raw;
    return 0;
}


// 读取并打印所有通道的ADC数值
void adc_print_all(void) {
    int raw = 0;
    
    adc_read_raw(2, &raw);
    //printf("GPIO 2: raw = %4d\n", raw);
    raw_adc0=raw;
    adc_read_raw(4, &raw);
    //printf("GPIO 4: raw = %4d\n", raw);
    raw_adc1=raw;
    adc_read_raw(5, &raw);
    //printf("GPIO 5: raw = %4d\n", raw);
    raw_adc2=raw;
    adc_read_raw(6, &raw);
    //printf("GPIO 6: raw = %4d\n", raw);
    raw_adc3=raw;
    //printf("--------------------\n");
}

（4）舵机控制核心 motor_test ()

这是机械臂的核心控制函数：

读取四路 ADC 值
减去中位偏移量，实现摇杆回中归零
设置 ±10 死区，防止摇杆漂移导致舵机抖动
根据摇杆方向，递增 / 递减舵机角度
加入角度限幅保护，防止舵机过载
调用 mg995_single() 驱动对应舵机
在 TFTLCD 上实时显示角度信息

控制逻辑：

raw_adc0 → 底座旋转舵机（通道 3）
raw_adc1 → 大臂舵机（通道 0）
raw_adc2 → 小臂舵机（通道 1）
raw_adc3 → 末端关节舵机（通道 2）

void motor_test(void)
{
    int16_t xxxx=0;
    adc_print_all();                                         //读取电位器的adc值
    raw_adc0-=1946;
    raw_adc1-=1963;
    raw_adc2-=1879;
    raw_adc3-=1930;
    if(raw_adc0>10||raw_adc0<-10)
    {
        xxxx=x0;
        x0+=raw_adc0/50;
        if(x0>240&&x0<950)
        {
            mg995_single(3,x0);
            if(!tp_xs)
            {
            sprintf(shuzhu,"x:%d,a:%d   ",x0,raw_adc0);
            TFTLCD_ShowString(50,130,GREEN,WHITE,shuzhu);
            }
        }
        else
        {
            x0=xxxx;
        }
    }
    if(raw_adc1>10||raw_adc1<-10)
    {
        xxxx=x1;
        x1-=raw_adc1/50;
        if(x1>200&&x1<1020)
        {
            mg995_single(0,x1);
            if(!tp_xs)
            {
            sprintf(shuzhu,"x:%d,a:%d   ",x1,raw_adc1);
            TFTLCD_ShowString(50,70,GREEN,WHITE,shuzhu);
            }
        }
        else
        {
            x1=xxxx;
        }
    }
    if(raw_adc2>10||raw_adc2<-10)
    {
        xxxx=x2;
        x2+=raw_adc2/50;
        if(x2>230&&x2<800)
        {
            mg995_single(1,x2);
            if(!tp_xs)
            {
            sprintf(shuzhu,"x:%d,a:%d   ",x2,raw_adc2);
            TFTLCD_ShowString(50,90,GREEN,WHITE,shuzhu);   
            }
        }
        else
        {
            x2=xxxx;
        }
    }
    if(raw_adc3>10||raw_adc3<-10)
    {
        xxxx=x3;
        x3+=raw_adc3/50;
        if(x3>200&&x3<1011)
        {
            mg995_single(2,x3);
            if(!tp_xs)
            {
            sprintf(shuzhu,"x:%d,a:%d   ",x3,raw_adc3);
            TFTLCD_ShowString(50,110,GREEN,WHITE,shuzhu);
            }  
        }
        else
        {
            x3=xxxx;
        }
    }
}

（5）按键控制 key_xp ()

实现两个功能按键：

KEY4：切换吸盘吸合 / 断开
KEY3：切换 TFTLCD 显示模式（数据界面 / 图片界面）

通过标志位控制吸盘使能，并切换屏幕显示内容。

（6）TFTLCD 实时显示

屏幕实时刷新：

各关节舵机占空比
摇杆原始 ADC 值
系统运行状态

让操作者直观看到机械臂当前姿态。

六、功能展示及实物说明

双摇杆控制：左侧摇杆控制底座旋转与大臂运动，右侧摇杆控制小臂与末端关节运动。
四路 MG995 舵机：分别控制旋转、大臂、小臂、末端执行器，实现四自由度运动。
末端吸盘：按键控制吸合与释放，可完成小型物品抓取与搬运。
舵机角度保护：软件设置角度范围，防止机械臂超程损坏。
摇杆死区与滤波：避免漂移，控制更稳定、精准。

七、设计中遇到的难题和解决方法

问题：舵机抖动、角度控制不稳定
解决：优化 PWM 输出时序，增加软件滤波处理 ADC 数据，避免摇杆信号波动导致的舵机抖动。
问题：机械臂运动卡顿、关节动作不协调
解决：调整控制逻辑的角度变化步长，优化舵机运动速度，使动作更平滑。
问题：吸盘吸力不足，无法稳定抓取物品
解决：优化吸盘安装角度，调整机械臂末端姿态，确保吸盘与物品贴合紧密。

八、对本次竞赛的心得体会

通过本次竞赛，我掌握了 ESP32-S3 的 ADC 读取、PWM 舵机控制、多自由度机械臂控制逻辑及人机交互设计。项目从硬件搭建到软件调试，完整还原了工业搬运机械臂的基础功能，让我理解了工业控制中多轴协同控制的核心逻辑。感谢大赛提供实践平台，后续可拓展电控吸盘、自动轨迹规划、蓝牙远程控制等功能，进一步提升项目的实用性与创新性。

四自由度机械臂控制系统 项目总结报告