从零到一：Lerobot机械臂搭建全流程指南

一、项目背景与目标

Lerobot机械臂作为一款开源教育级机械臂，凭借其模块化设计、高性价比及扩展性，成为机器人入门学习的理想平台。本文旨在通过”从零开始”的视角，详细拆解机械臂的硬件组装、软件配置及基础运动控制实现，帮助开发者掌握机械臂开发的核心技能。

二、硬件准备与工具清单

1. Lerobot机械臂核心组件

• 结构件：6轴机械臂金属框架（含底座、大臂、小臂、末端执行器）
• 驱动系统：6个MG996R舵机（180°旋转，扭矩1.5kg·cm）
• 主控板：Arduino Uno R3（兼容Lerobot扩展板）
• 电源模块：7.4V 2200mAh锂电池+降压模块（输出5V/3A）
• 通信模块：HC-05蓝牙模块（可选WiFi模块）
• 传感器：超声波测距模块（用于避障）

2. 必备工具

• 工具套装：十字螺丝刀、内六角扳手（2.5mm）、斜口钳
• 测试设备：万用表、USB转TTL模块（用于串口调试）
• 耗材：杜邦线（公对公/母对母各10根）、热熔胶枪

三、机械结构组装全流程

1. 底座安装

• 步骤1：将底座固定板与舵机支架通过M3螺丝连接，确保舵机输出轴朝上
• 关键点：使用水平仪校准底座平面度，误差需控制在±0.5°以内
• 代码示例（舵机初始角度设置）：

  #include <Servo.h>
  Servo baseServo;
  void setup() {
  baseServo.attach(9);  // 底座舵机连接D9引脚
  baseServo.write(90);  // 初始角度设为90°（垂直向上）
  }

2. 关节连接

• 大臂组装：将第二个舵机嵌入大臂支架，通过M2螺丝固定，注意舵机方向标识
• 传动优化：在舵机输出轴与连接件间涂抹润滑脂，降低机械摩擦
• 误差补偿：组装完成后，使用量角器测量各关节活动范围，记录实际可达角度

3. 末端执行器配置

• 夹爪安装：采用双指平行夹爪设计，通过舵机驱动连杆机构实现开合
• 力矩测试：使用弹簧秤测量夹爪最大夹持力，建议控制在0.5-1kg范围内
• 安全设计：在夹爪内侧粘贴硅胶软垫，防止损伤被夹物体

四、电子系统集成

1. 主控板连接

• 引脚分配：
  | 舵机编号 | 对应引脚 | 功能说明 |
  |—————|—————|—————|
  | 底座 | D9 | 旋转控制 |
  | 大臂 | D10 | 俯仰控制 |
  | 小臂 | D11 | 伸缩控制 |
• 电源管理：锂电池通过降压模块输出5V，需并联1000μF电容滤波

2. 通信模块配置

• 蓝牙配对：
  1. 使用AT指令设置HC-05模块：

     AT+NAME=Lerobot
     AT+PSWD=1234
     AT+UART=9600,0,0

  2. 通过手机APP（如BlueTerm）发送控制指令

3. 传感器集成

• 超声波避障：

  #define TRIG_PIN 12
  #define ECHO_PIN 13
  void setup() {
    pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
    pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  }
  float getDistance() {
    digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
    return pulseIn(ECHO_PIN, HIGH) * 0.034 / 2;
  }

五、软件系统开发

1. 运动学建模

• DH参数法：建立各关节坐标系，推导正运动学方程

  T01 = RotZ(θ1) * TransZ(d1)
  T12 = RotX(α1) * TransX(a1) * RotZ(θ2)

• 逆运动学求解：采用几何法简化计算，优先满足末端位置约束

2. 控制算法实现

• PID位置控制：

  float PID_Control(float setpoint, float current) {
    static float integral = 0;
    static float prev_error = 0;
    float error = setpoint - current;
    integral += error * 0.01;  // 积分时间10ms
    float derivative = (error - prev_error) / 0.01;
    prev_error = error;
    return 0.8*error + 0.2*integral + 0.1*derivative;  // 调试后的PID参数
  }

3. 上位机开发

• Python控制界面：

  import serial
  import tkinter as tk
  ser = serial.Serial('COM3', 9600)
  def move_joint(joint, angle):
      cmd = f"J{joint}{angle}\r\n".encode()
      ser.write(cmd)
  root = tk.Tk()
  tk.Scale(root, from_=0, to=180, command=lambda x: move_joint(1, x)).pack()
  root.mainloop()

六、调试与优化

1. 机械校准

• 舵机零位校准：使用示波器监测PWM信号，确保中性点对应1.5ms脉冲
• 传动间隙补偿：在代码中添加5°的预偏移量，消除连杆机构间隙

2. 性能测试

• 重复定位精度：记录10次相同指令下的末端位置偏差，标准差需<2mm
• 负载测试：逐步增加末端负载，监测舵机温度变化（建议<65℃）

3. 安全机制

• 急停按钮：通过中断引脚（D2）实现硬件级急停
• 碰撞检测：监测舵机电流突变（>1.5A时触发保护）

七、扩展应用

1. 视觉引导

• OpenCV集成：通过摄像头识别目标物体，计算空间坐标

  import cv2
  def get_object_position(img):
      gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
      circles = cv2.HoughCircles(gray, cv2.HOUGH_GRADIENT, 1, 20)
      if circles is not None:
          return circles[0][0][:2]  # 返回圆心坐标

2. 路径规划

• A*算法实现：在二维网格中规划无碰撞路径

  def heuristic(a, b):
      return abs(a[0]-b[0]) + abs(a[1]-b[1])
  def a_star(grid, start, goal):
      # 实现A*搜索算法
      pass

八、常见问题解决方案

1. 舵机抖动：检查电源稳定性，增加滤波电容；调整PID参数
2. 通信中断：确认波特率匹配，检查天线连接；增加重连机制
3. 机械卡滞：拆卸检查连杆是否变形，润滑传动部件

九、总结与展望

通过本文的完整流程，开发者可系统掌握Lerobot机械臂从硬件组装到软件控制的全链条技术。后续可探索机器学习、力控等高级功能，建议参考《机器人学导论》（John J. Craig著）深化理论基础。实际项目中需特别注意安全规范，建议配备急停装置和防护围栏。