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做六轴机械臂项目做到中期以后，大家问得最多的往往不是“怎么让舵机转起来”，而是“怎样让它按照我想要的轨迹动起来”。如果要靠运动学逆解去编写一段手腕翻转、抓取、回位的组合动作，对数学和代码能力的要求都不低；但如果采用示教+轨迹复现的方式，整个过程就变成“人拖动小机械臂做一遍，单片机记下来，再让执行臂重放”，工程门槛会一下子低很多。

这一期教程围绕六自由度机械臂的示教操作与轨迹复现展开，控制核心使用 STM32F103 单片机。文章会先讲清楚整体架构和硬件接线，再给出可落地的 PWM 舵机驱动、ADC 角度采集、轨迹记录和回放状态机设计思路，最后补充常见故障排查和工程注意事项。无论你是在做课程设计、毕业设计，还是自己组一套六轴机械臂玩，这套思路都可以直接迁移。

1. 为什么六轴机械臂要做“示教操作 + 轨迹复现”

很多刚开始接触六轴机械臂的同学，第一反应是让机械臂完成“从 A 点抓取，放到 B 点”这样的任务。

要做到这一点，常规思路是：

1. 给机械臂建立 DH 参数模型。
2. 标定六个关节的零位和运动范围。
3. 写出正运动学，把关节角度换算成末端位姿。
4. 再写逆运动学，把目标位姿换算成六个关节角。
5. 规划轨迹，生成每个时刻的关节位置。
6. 最后让控制器逐点执行。

这套流程当然是最接近工业机器人开发的，但放在 DIY 六轴机械臂上，问题也很明显：结构件加工误差、舵机安装偏差、减速箱回差都会让理论模型和实际运动对不上。如果每一段动作都想靠代码去“算”出来，调试周期会非常长。

示教操作则绕开了复杂的运动学推导。它的核心思想是：

由人直接拖动一套与执行机械臂结构相似的小机械臂，各关节的角度传感器实时检测关节位置；主控把传感器数据转换为舵机 PWM 信号，驱动另一条机械臂同步跟随。

“拖动小机械臂”是人工示教比较常用的一种做法。好处有三个：

1. 不需要逆解：操作人员无需关心关节角度，只要用手把教臂摆成目标姿态即可。
2. 动作直观：教臂转多少，执行臂就按预设比例转多少，效果所见即所得。
3. 可以快速产生轨迹：把示教过程中每个时刻的六个关节角度按固定时间间隔保存下来，就能形成一条完整轨迹；需要复现时，单片机按同样的时间间隔把角度点回放出来即可。

因此，本文要做的事情并不复杂：读取教臂角度、实时驱动执行臂、定时保存轨迹点、按记录顺序回放。这正好是 STM32F103 这类资源不多、但控制能力足够的 MCU 所擅长的任务。

2. 整体方案与工作流程

2.1 系统由哪几部分组成

整套系统可以划分为四个部分：

这里要说明一下：很多同学会问，为什么不让执行臂直接被手拖动？

对于普通舵机驱动的机械臂，舵机内部有减速齿轮组，通电后反向拖动很容易导致舵机堵转、发热甚至烧毁。因此更安全的 DIY 示教方案是采用“主从式”结构：人拖动的是无动力或轻负载的教臂，执行臂只在复现阶段承担运动任务。如果想让执行臂本身支持直接拖动示教，需要特殊设计的电机抱闸释放机构和绝对值角度反馈，复杂度会高很多。

2.2 数据流向

用一句话概括系统流程：

人手拖动教臂 -> 六个关节电位器产生模拟电压 -> STM32F103 的 ADC 采样 -> 转换为舵机脉宽 -> 输出 PWM 驱动执行臂 -> 同时按时间间隔保存当前角度 -> 按键切换后按保存顺序回放

在实时跟随模式下，STM32F103 每 20ms 左右读取一次六路 ADC 值，并把这组值映射成 PWM 脉宽输出。这个循环不断重复，看起来就是执行臂跟随教臂同步运动。

在记录模式下，单片机除了实时跟随，还会把每一次的 PWM 脉宽保存到轨迹数组中。停止记录后，数组里保存的就是这段时间的完整动作序列。

在回放模式下，单片机从轨迹数组第一个点开始，每隔固定时间间隔输出一组 PWM 脉宽，直到全部回放结束。

3. 本期硬件组装与接线要点

3.1 材料清单

第二期既然要接入示教与复现功能，硬件上需要增加“教臂”部分。由于材料包的螺丝、铝件尺寸不一样，下面只给出通用清单：

如果你手里的执行臂是“总线舵机”版本，则舵机接口不再是普通 PWM，通信协议不同，本文示例代码需要对应替换；以下内容以最适合入门学习的 PWM 舵机为例。

3.2 示教臂角度传感器装配

对于 DIY 主从示教，旋转电位器是最容易获取的角度传感器。装配时有几点需要注意：

1. 电位器要和关节旋转轴同心，否则转动时会憋住。
2. 每个关节最好有机械限位，避免电位器超过有效电气转角。
3. 电位器两端分别接 3.3V 和 GND，中间抽头接 STM32 的 ADC 引脚。
4. 如果某个关节方向反了，可以在软件里做反向映射，不一定要重新改结构。

在功能上，教臂并不需要很大的力矩，关节转动越顺滑越好。如果结构件转动不顺畅，首先检查轴承或轴套的安装同轴度。

3.3 执行臂舵机与供电

六自由度机械臂的六个舵机在启动和换向瞬间电流较大，最忌讳的是用 STM32 最小系统板的 USB 口直接给舵机供电。更合理的供电方式是：

电池或电源适配器 -> 稳压/降压模块 -> 舵机电源正负极 -> 舵机信号线接 STM32 PWM 引脚

还需要特别注意：舵机电源地、STM32 系统板地必须共地。很多“舵机不转、舵机乱抖、单片机复位”的问题，本质都是没有共地。

舵机的信号线是高电平脉冲信号，STM32 的 PWM 引脚输出就可以驱动。接线时不需要把所有舵机电源并到主控板上，正确的电源走线是直接从电源模块分出来，再让主控板单独取电。

3.4 引脚规划与避免 IO 冲突

STM32F103C8T6 的引脚资源有限。如果六个舵机 PWM 和六路 ADC 都要占用引脚，直接随便接很容易冲突。

一个比较直观的分配方案如下：

这样安排后，PWM 引脚和 ADC 引脚不重叠，六个舵机和六路电位器都能接入。如果你手里的 PCB 已经定义好其他引脚，以你手上的原理图为准，重点是把引脚配置集中到宏定义或配置文件中，方便后续调整。

4. STM32F103 核心驱动代码解析

4.1 舵机 PWM 控制原理

常见的模拟或数字舵机，控制信号是周期约 20ms 的脉冲。脉冲宽度不同，舵机输出的角度不同：

不同厂家舵机的脉宽范围有差异，有的实际范围是 0.5ms~2.5ms，有的只有 1ms~2ms。建议先查舵机数据手册，然后在代码里把范围定义成宏，方便标定。

在 STM32CubeMX 中，将定时器时钟配置成 72MHz，预分频器设为 71，则计数器频率为：

72MHz / 72 = 1MHz

也就是计数器每计数一次为 1 微秒。如果把自动重载值 ARR 设为 19999，则 PWM 周期为：

(19999 + 1) * 1us = 20000us = 20ms

这正好符合舵机的 20ms 周期要求。此时设置 CCR 比较值：

因此，代码里不需要写很复杂的数学公式，直接“往 CCR 寄存器写入微秒值”即可。

4.2 六路舵机 PWM 输出代码

假设你在 STM32CubeMX 中已经生成了工程，定时器句柄分别是htim1和htim2。可以写一个统一的舵机设置接口：

// servo.c #include "main.h" #include "servo.h" #define PULSE_MIN_US 500 #define PULSE_MAX_US 2500 void Servo_SetPulse(uint8_t idx, uint16_t pulse_us) { if (pulse_us < PULSE_MIN_US) pulse_us = PULSE_MIN_US; if (pulse_us > PULSE_MAX_US) pulse_us = PULSE_MAX_US; switch (idx) { case 0: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pulse_us); break; case 1: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, pulse_us); break; case 2: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_3, pulse_us); break; case 3: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_4, pulse_us); break; case 4: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pulse_us); break; case 5: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, pulse_us); break; default: break; } } void Servo_InitAll(void) { HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2); HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_3); HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_4); /* TIM1 是高级定时器，需要使能主输出 */ __HAL_TIM_MOE_ENABLE(&htim1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); for (uint8_t i = 0; i < 6; i++) { Servo_SetPulse(i, 1500); } }

代码里的“1500”表示舵机先回到 1.5ms 脉宽中位。实际项目中，如果机械臂结构安装时零位并不在舵机中位，这里需要按你的机械零位修改。

4.3 六路 ADC 角度读取

如果教臂使用电位器，ST 的 ADC1 可以依次扫描多个通道。为了减少抖动，我习惯对每个通道连续读几次然后取平均。下面是一个轻量实现：

// teach_adc.c #include "main.h" #include "teach_adc.h" static uint16_t adc_channel_map[6] = { ADC_CHANNEL_4, // PA4 ADC_CHANNEL_5, // PA5 ADC_CHANNEL_6, // PA6 ADC_CHANNEL_7, // PA7 ADC_CHANNEL_8, // PB0 ADC_CHANNEL_9 // PB1 }; uint16_t ReadOneChannel(uint16_t channel) { ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0}; uint16_t value = 0; sConfig.Channel = channel; sConfig.Rank = 1; sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); HAL_ADC_Start(&hadc1); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10); value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); HAL_ADC_Stop(&hadc1); return value; } void TeachArm_ReadAll(uint16_t *raw) { uint32_t sum = 0; for (uint8_t ch = 0; ch < 6; ch++) { sum = 0; for (uint8_t sample = 0; sample < 5; sample++) { sum += ReadOneChannel(adc_channel_map[ch]); } raw[ch] = sum / 5; } }

这里之所以每读一个通道都执行HAL_ADC_Stop()，是为了让下一次切换通道时不要沿用上一次的配置。在 6 个电位器、采样率要求不高的场景下，这种写法简单可靠。

5. 示教、记录与回放软件设计

5.1 状态机设计

机械臂示教不只是一个“循环读角度”的过程，还需要考虑“什么时候开始记录”“什么时候停止”“什么时候回到轨迹首点”“什么时候开始回放”。使用状态机会清晰很多。

可以定义这样几种模式：

按钮的功能可以这样设计：

• 按键 1：进入记录。如果已经在记录，则停止记录，并进入“待机”或“跟随”模式。
• 按键 2：开始回放。如果采集到的轨迹点数为 0，则按下无效。
• 按键 3：急停或复位，所有舵机输出中位脉宽。

采用这种划分后，主循环的逻辑会很清楚。

5.2 轨迹数据结构

使用 STM32F103C8T6 时，RAM 只有约 20KB。如果六个关节都保存为uint16_t，每个轨迹点需要：

6 * 2 = 12 字节

如果保存 800 个点，总容量为 9600 字节，约占 RAM 的一半。示例中先按这个规模设计：

// trajectory.h #define SERVO_NUM 6 #define MAX_TRAJ_POINT 800 typedef struct { uint16_t pulse[SERVO_NUM]; } TrajPoint; extern TrajPoint g_traj[MAX_TRAJ_POINT]; extern volatile uint16_t g_traj_len;

当然，800 个点通常不够保存几分钟的长轨迹。如果希望断电保存或保存更长时间，可以外接 SPI Flash、SD 卡，或者用串口把数据发送到上位机保存。这里先把 RAM 方案跑通，再考虑扩展存储。

5.3 实时跟随与轨迹记录

下面这段代码是核心循环逻辑：

// main.c 中的循环片段 void MainLoop_Tick(void) { static uint32_t last_record_tick = 0; static uint32_t last_follow_tick = 0; uint32_t now = HAL_GetTick(); if (g_mode == MODE_FOLLOW || g_mode == MODE_RECORD) { if (now - last_follow_tick >= 20) { uint16_t raw[6]; TeachArm_ReadAll(raw); for (uint8_t i = 0; i < 6; i++) { g_current_pulse[i] = MapRawToPulse(i, raw[i]); Servo_SetPulse(i, g_current_pulse[i]); } last_follow_tick = now; } } if (g_mode == MODE_RECORD) { if (now - last_record_tick >=