RobotArm OpenMV 机械臂 — 硬件概述

1. 简介

RobotArm（OpenMV 机械臂）是一款面向竞赛、DIY 与教育的机械臂平台，适用于机器人控制、计算机视觉与自动化编程教学。硬件采用模块化设计，包含多个 PCB 板与可替换夹具，便于扩展与维护。

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项目代码库：OpenMV-Robot-Arm-Project

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2. 整体结构

整体主要由三部分组成：ESP32 机械臂主板、OpenMV 机械臂扩展板 与 按键 LCD 扩展板。机械臂主体采用轻量化结构，配合步进电机/舵机实现高精度运动，适合教学，DIY与实验场景。

机械臂整体结构和坐标示意

机械臂遵循空间直角坐标系，坐标原点为三轴的相交点

主要特点

• 模块化 PCB 设计，便于调试与替换
• 多种夹具支持不同抓取需求（常规、加长、电磁）
• 提供视觉识别与本地控制结合的实验平台

3. 硬件组成

1. ESP32 机械臂主板

ESP32 主板基于 ESP32-S3 微控制器，负责解析串口 Gcode 命令、控制各轴电机，并对外提供驱动、电源、串口与继电器接口。

• 主要功能：运动控制、通信解析、驱动与电源管理

端口功能介绍

• 通讯串口接口：和OpenMV 机械臂扩展板连接，主要负责OpenMV和机械臂之间的信息传输；
• 5V舵机接口：用于连接舵机，主要作用是控制舵机，进而控制夹具的开合；
• 外设供电接口：预留的5V和3.3V供电排针，当有其他外设或者传感器需要供电时，无需再加电源模块，可以直接使用主板电源；
• 拨码开关：可以通过此开关调整驱动的细分，控制步进电机的步距；
• TypeC接口（上）：用于机械臂主板的固件烧录和调试（一般用不到）；
• TypeC接口（下）和USB接口：二者配合使用，USB连接OpenMV，TypeC连接PC，即可实现OpenMV的TypeC接口调试，即主板内置一个TpyeC-USB的转换器；也可以不使用，OpenMV主板的usb接口直接连接usb数据线到电脑
• 步进电机：使用常见的四线两相42步进电机。相位为：AXBAXB
• 驱动：使用A4988步进电机驱动；
• 继电器：继电器V_IN可以设置继电器的输入电压，使用跳线帽短接即可（注意：只能一次性短接一个输入电压，短接多个会烧毁主板），当有其余电压需求时，可以通过IN口输入自定义电压，此时不用接跳线帽。

继电器使用方法

1. OpenMV 机械臂扩展板

扩展板用于连接 OpenMV 摄像头与 ESP32 主板，转发视觉模块与主控之间的通信，同时提供舵机与 5V 外设接口，供 OpenMV 控制外设操作。

• 5V外设接口：可以外接激光笔、电磁铁等较高功率器件，并且可以使用OpenMV控制开关；
• LCD按键扩展板接口：用于连接按键 LCD 扩展板，传输按键信号和LCD信号；
• 舵机接口：可以驱动5V供电的舵机，直接由OpenMV控制；
• 通讯串口接口：连接ESP32 机械臂主板，传输串口信号，主要负责OpenMV和机械臂之间的信息传输；

端口功能介绍

1. 按键 LCD 扩展板

按键 LCD 扩展板负责人机交互，包含显示屏与按键，可用于状态显示、模式切换与本地操作（如复位、轴运动、夹具开合等）。

4. 夹具系统

机械臂随附三种常用夹具，以适应不同应用场景：

1. 正常尺寸夹具

用途：基础物体抓取、码垛等常规任务。

1. 加长夹具

用途：适用于细小物体或深孔 / 受限空间的抓取操作。

1. 电磁铁夹具

用途：用于抓取金属类物体

5. LCD 与按键系统

1. LCD 显示屏

显示内容包括机械臂状态、图像预览与操作提示，方便教学演示与调试。

1. 按键系统

按键编号 0-9，功能可自定义（例如：复位、抓取、释放、模式切换等），便于本地快速控制。

6. 其他配件与教学组件

1. 码垛组件

目标圆框：蓝色 ×1、黄色 ×1，作为码垛目标区域。配套的码垛物块示例：

• 蓝色方块 ×3
• 黄色方块 ×3
• 蓝色圆形 ×3

• 黄色圆形 ×3

• 三子棋组件

棋盘：1 个

棋子：白色 ×5、黑色 ×5

1. 垃圾分类组件

• 垃圾桶：可回收、有害、其他、厨余（四类）

• 示例物品：玻璃瓶（可回收）、废旧电池（有害）、烟蒂（其他）、柠檬（厨余），用于演示垃圾分类任务

7. 技术参数

7.1 机械结构

机械臂为 3-DOF（三自由度）关节型机械臂，全部结构件均为 3D 打印件。

         ┌─── 末端执行器（夹爪/吸盘/电磁铁）
         │
    ┌────┴────┐
    │  上 臂   │ — 120mm（小臂）
    └────┬────┘
         │
    ┌────┴────┐
    │  下 臂   │ — 120mm（大臂）
    └────┬────┘
         │
    ┌────┴────┐
    │  旋转底座 │ — 绕 Z 轴 360° 旋转
    └────┬────┘
         │
    ┌────┴────┐
    │ 固定底座 │
    └─────────┘

各部件尺寸

底座结构

底座由固定底座和旋转底座两部分组成：

• 固定底座：安装于桌面，整机支撑基础，内部容纳控制板和电源接口
• 旋转底座：搭载下臂安装座，内置轴承，绕 Z 轴 360° 旋转。旋转底座输出轴为运动学工作原点

坐标系统一以桌面为 Z=0 基准，末端到桌面的绝对高度 = BASE_HEIGHT (170mm) + Z 坐标值。

7.2 传动方式

三个关节均采用 GT2 同步带减速传动：

电机轴 — 20齿小带轮 → GT2 同步带 → 关节轴 — 90齿大带轮
减速比 = 90 / 20 = 4.5 : 1

电机转 4.5 圈 → 关节转 1 圈，扭矩放大 4.5 倍。

7.3 电机系统

步进电机 — NEMA17

三个电机的分工

7.4 末端执行器（可更换）

舵机夹爪参数

7.5 控制板硬件架构

OpenMV H7 / H7 Plus（视觉主控）
         │
         │ UART 串口（GCode 协议）
         ▼
┌──────────────────────────────────┐
│        运动控制主控                │ ← 解析 GCode 指令
│         (ESP32-S3)                │    逆运动学计算
│                                  │    插补与轨迹规划
└──────────────┬───────────────────┘
               │
┌──────────────┴───────────────────┐
│         步进驱动扩展板             │ ← 驱动三个步进电机
│    ┌──────────┬──────────┬──────┐│
│    │  X轴驱动  │  Y轴驱动  │ Z轴驱动││
│    └──────────┴──────────┴──────┘│
└──────────────────────────────────┘
               │
      ┌────────┼─────────┐
      ▼        ▼         ▼
   上臂电机   下臂电机   底座旋转电机
   (NEMA17)  (NEMA17)   (NEMA17)

通信方式

传感器

7.6 供电