用 Arduino Uno 做 4 舵机机械手臂：供电、共地与摇杆控制

Arduino Uno 的 5 V 脚撑得住的，大约是一只空载的 SG90 —— 不是四只。四只微型舵机在手臂动起来的时候要吃 0.4–1 A，全部一起弹到位的瞬间可以到 2.8 A，而 USB 那边能给的大约只有 450 mA。给舵机自己一组 4×AA 电池盒，把地接在一起，再用增量的方式驱动每一个关节 —— 手放开，手臂才停得住。

一组属于自己的电源，加上放手也停得住的控制方式：这两件事是四关节手臂逼着你做，而两轴云台永远不会逼你做的。剩下的就是纸皮和耐心。这里全程不超过 6 V，所以没有触电的风险 —— 会受伤的是堵转的舵机（会烧）和尼龙齿轮组（会崩牙）。

Arduino Uno 的 5V 供电，实际撑得住几只 SG90 舵机？

Arduino Uno 可以指挥十二只舵机，却只供得起大约一只。发信号几乎不花成本：Servo 库占用一个 16 位定时器，把它分给最多十二只舵机，每 20 ms 给每只送一个 544–2400 µs 的脉冲。ATmega328P 只有一个 16 位定时器 Timer1 —— 这既是十二这个上限的由来，也是为什么只要挂上一只舵机，pin 9 和 pin 10 上的 analogWrite() 就失效了：定时器被库拿走了。这些都写在库的 Servo.h 里。

真正咬住你的预算是电流。一只 SG90 的电路板本身待机大约 10 mA，但它后面接着一颗有刷直流马达和一组尼龙齿轮，吃多少电，要看它干多重的活：

舵机在做什么	一只 SG90	四只加起来
通电，空手保持姿势	~10 mA	~40 mA
带着一支纸皮手臂在动	100–250 mA	0.4–1 A
堵转 —— 卡住、超载，或者上电瞬间弹到位	350–700 mA	1.4–2.8 A

堵转电流是一个范围，不是数据表上的一个数字：公开的 SG90 数据表给了扭力、速度和脉宽，却完全没给电流值，所以电源要按这个范围的上限来配。Uno 那边能拿出来对付它的，被两个元件卡住：

Uno 的供电方式	5V 供电被什么限制	5V 实际给得出多少
USB 2.0 端口	USB 输入端 500 mA 的自恢复保险丝	约 500 mA，扣掉板子自己吃的，剩大约 450 mA
电源座输入 9 V	SOT-223 封装线性稳压器的散热	约 270 mA
电源座输入 12 V	同一颗稳压器，压差更大	约 155 mA

电源座那两个数字，是你可以自己算一遍的算术。Uno 的 5 V 来自一颗 SOT-223 封装的 1117 系列线性稳压器，而线性稳压器不会把多余的电压转换掉 —— 它是烧掉，烧掉 (V_in − 5) × 电流 瓦。一个封装在热保护动作之前散得掉 (T_J(max) − 环境温度) ÷ θ_JA 瓦：以 125 °C 的结温上限、SOT-223 的 88 °C/W 和 30 °C 的工作台环境温度来算，大约是 1.08 W。9 V 输入时压差 4 V，所以 1.08 W ÷ 4 V ≈ 270 mA；12 V 输入时压差 7 V，同样这一瓦只换得到 155 mA。输入电压越高，5 V 那边给得出的电流越少，不是越多。

最先绊倒人的是上电那一刻：attach() 和第一次 write() 会让每一只舵机同时猛地弹到被指定的角度，电流接近堵转值。那颗自恢复保险丝是 PTC 元件 —— 它是发热、电阻跟着爬升，所以供电是往下塌，而不是干脆断掉。塌到低于 ATmega328P 的欠压复位门槛，芯片就复位，setup() 再跑一遍，舵机再弹一次：手臂在复位循环里抽搐，看起来完全像是程序写错了。

怎样给四只舵机一组属于它们自己的电源？

4×AA 电池盒是最简单的正确答案，而且它的电压刚好落在该落的地方：四颗碱性电池标称 6.0 V，四颗镍氢 4.8 V，两者都在 SG90 额定的 4.8–6 V 窗口里，也都拿得出安培级的电流。刚拆封的碱性电池空载每颗接近 1.6 V，所以新电池盒量出来大约 6.4 V —— 这没关系，因为舵机一开始吃电，内阻就把它拉回窗口里；这也正是不要去拿更大电压电池组的理由，因为 7.2 V 的电池组没有可以往下塌的空间。

把电池盒的红线接到面包板的红色电源条，黑线接到蓝色那条 —— 多股软线插进面包板孔里会散开，所以先上锡，或者把它绕在一根公头杜邦针上。一只舵机都还没插进去之前，先量这两条电源条：SG90 上没有防反接二极管，所以正负接反一次，四只会一起报销，而且悄无声息。之后四条舵机红线全部进红色电源条，四条棕线全部进蓝色。

然后把地接在一起。这一步就是最常被跳过的那一步。舵机并不是把你的脉冲当成一个抽象的「脉冲」来读 —— 它读的是橙线上的电压相对于它自己那条棕线的值。如果电池的负极和 Uno 的地不是同一个电气节点，这两个参考点就会各自漂移，舵机看到的是一个它解不出来的信号：手臂发抖、自己爬动，或者干脆不动。从 Uno 的 GND 排针拉一条黑色杜邦线到蓝色电源条，就解决了。

绝对不要把电池盒接到 Uno 的 5V 脚。那只脚在稳压器之后，直接连到一颗 ATmega328P，而这颗芯片的规格是最高工作电压 5.5 V、绝对最大值 6.0 V。一盒新的碱性电池正好压在这个天花板上，而且 USB 还插着的话，你等于把它一路推回电脑的 USB 口里去。VIN 是另一种失败方式：线性稳压器需要大约一伏的压差余量，所以 6 V 进去撑不出 5 V 出来。Uno 就让它吃 USB。想用市电代替电池的话，5 V 3 A 适配器配一条电源座转接线接到电源条上，四只舵机同时堵转也够。

要让手臂脱离笔记本电脑独立跑，就从板子的电源座喂电：7–12 V 的电池组或者一颗 9 V PP3 方形电池在那里很舒服，因为 Uno 加两支摇杆加起来，离那 270 mA 还远得很。禁令是针对舵机那条电源，不是针对板子。

四个关节和两支摇杆要怎么接线？

一支最精简的 Arduino 机械手臂有四个关节：绕垂直轴转的底座、把大臂抬起来的肩关节、把小臂折起来的肘关节，还有一个夹爪。两个摇杆模块刚好给出四个模拟轴 —— 左边那支管底座和肩，右边那支管肘和夹爪。

每只 SG90 的引线末端是一个黑色的三针母座，所以要用公对公杜邦线去接 Uno 的母排针和面包板电源条。摇杆模块正好相反 —— 它是弯针的公头 —— 所以要用公对母杜邦线；我们的杜邦线选用教程把哪一头配哪一头讲得很清楚。

从	接到	备注
舵机橙线（信号）×4	D9 底座、D10 肩、D11 肘、D3 夹爪	任何数字脚都行；不管接哪里，Servo 库都会拿走 9 和 10 的 PWM
舵机红线 ×4	面包板红色电源条	来自电池 —— 绝不来自 Uno
舵机棕线 ×4	面包板蓝色电源条
电池 + / −	红色电源条 / 蓝色电源条	电池盒上的开关就是总断电开关
Uno GND	面包板蓝色电源条	共地 —— 必须接
Uno 5V	面包板另一边的红色电源条	逻辑电源 —— 只给摇杆，绝不给舵机
两条蓝色电源条	用一条杜邦线接起来	电池、Uno 和摇杆同一个地
摇杆 1：+5V、GND、VRx、VRy	逻辑红色电源条、蓝色电源条、A0、A1	底座和肩
摇杆 2：+5V、GND、VRx、VRy	逻辑红色电源条、蓝色电源条、A2、A3	肘和夹爪
摇杆 2：SW	D2	归位按钮，用内部上拉

摇杆的 5 V 可以从 Uno 拿，而且它们是唯一可以这样拿的东西：每一块 HW-504 模块就是两个 10 kΩ 电位器跨在电源上，一个轴大约半毫安。VRx 和 VRy 是那两个模拟轴；SW 是一个对地短路的按压开关，不是第三个轴，所以它需要一个上拉。

这条规则的方向，和规则本身一样重要。摇杆就是一个电位器，所以 VRx 输出的是喂给它那个电压的一个比例，而 analogRead() 是拿 Uno 自己的 5 V 当满量程去量这个比例：改用 6 V 电池组喂摇杆，回中的轴读到的就不是 512 而是大约 614，程序会当成摇杆被一直推着不放 —— 关节自己就漂走了。Uno 只有一只 5 V 脚，而两支摇杆各要一组 5 V 和 GND，所以把面包板另外那条长边交给这件事：一条杜邦线从 Uno 5V 接到那条红色电源条，两支摇杆的 +5V 都插进去，它们的 GND 插旁边那条蓝色，再用一条杜邦线把那条蓝色和电池那条蓝色接起来。两组电源共用地，绝不共用正极。

为什么摇杆要控制速度，而不是角度？

模拟摇杆是弹簧回中的：一放手它就回到中间，那里 analogRead() 报出来大约是 1023 里的 512。把它直接映射成角度 —— 对云台来说这是对的做法，我们的摇杆云台教程就是这样做的 —— 那么中间就等于 90°。于是你一放手，每一个关节都被命令回到 90°，手臂就折下来了。

增量控制把这件事反过来：推的幅度决定速度，不是位置。每 20 ms，程序量一次摇杆离中间有多远，再按比例把零点几度加到一个存起来的目标角度上。推一半，关节慢慢爬；推到底，大约每秒走 60 °；放手回中，什么都不加，手臂就停在原地。

有三个细节让它真的听话。先减掉 512 两侧大约 40 个计数的死区，再去加 —— 因为一支静止的摇杆从来读不出一个干净的 512，电位器的机械中点和 ADC 噪声会飘上好几个计数，没有死区手臂就会自己爬。constrain() 把每个目标夹在各关节自己的上下限之间，这样关节就不会被推进自己的结构里去。目标值用的是 float，所以轻轻的推动累积的是零点几度，而不是四舍五入成零。那 20 ms 的节拍本身就是舵机的一个刷新帧 —— 库每帧给每只舵机发一个脉冲，所以更新得比这更快的目标值，根本到不了马达。

Arduino 机械手臂的程序长什么样？

这份程序只需要 Arduino IDE 自带的 Servo 库，编译出来占 5162 bytes 的 Flash（Uno 的 16%）和 282 bytes 的 RAM。先把限位数组改成你自己手臂的真实行程。AXIS_PIN 决定哪一支摇杆管哪一个关节，INVERT 决定它往哪一边转：某个关节转反了，就翻那一项 INVERT；动的是错的关节，就把两项 AXIS_PIN 对调。

// Arduino Uno 上的 4 舵机机械手臂，由两支模拟摇杆驱动。
// 摇杆控制的是速度，不是角度：推着它，关节就往那边慢慢走，
// 放开手，关节就停在原地。手臂能保持姿势靠的正是这一点：
// 直接把 analogRead 映射成角度的话，摇杆一弹回中间，
// 手臂就会立刻塌下来。
//
// 舵机的电不来自 UNO。四条舵机红线接到另外一组 4xAA 电池盒
//（或者一个 5V 电源）；只有地是共用的。

#include <Servo.h>

Servo joint[4];                                     // 底座、肩、肘、夹爪

const uint8_t  SERVO_PIN[4] = {  9,  10,  11,   3 };  // 信号脚（舵机橙线）
const uint8_t  AXIS_PIN[4]  = { A0,  A1,  A2,  A3 };  // 摇杆 1 VRx/VRy，摇杆 2 VRx/VRy
const bool     INVERT[4]    = { false, true, false, false };
const uint8_t  MIN_DEG[4]   = { 10,  30,  20,  25 };  // 机械限位 - 量你自己那支手臂
const uint8_t  MAX_DEG[4]   = { 170, 150, 160,  90 };
const uint8_t  HOME_DEG[4]  = { 90,  90,  90,  60 };  // 归位姿势

const uint8_t  PARK_BUTTON  = 2;                    // 摇杆 2 的 SW 脚，接到 D2
const int      CENTRE       = 512;                  // 静止时的 analogRead()，0..1023
const int      DEADBAND     = 40;                   // 中间这么多计数的抖动直接忽略
const float    MAX_STEP     = 1.2;                  // 推到底时每个节拍走多少度
const unsigned long TICK_MS = 20;                   // 一个节拍等于舵机的一个刷新帧

float target[4];                                    // 我们正在下达的姿势，单位是度
unsigned long lastTick = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PARK_BUTTON, INPUT_PULLUP);               // 按下时 SW 对 GND 短路

  for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
    target[i] = HOME_DEG[i];
    joint[i].attach(SERVO_PIN[i]);
    joint[i].write(HOME_DEG[i]);
    delay(400);                                     // 一次只归位一个关节：四只舵机
  }                                                 // 同时弹到位，是这支手臂
                                                    // 会遇到的最大一次电流冲击
  Serial.println(F("Arm parked. Servos must run from their own supply."));
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  if (now - lastTick < TICK_MS) return;             // 两帧之间没事可做
  lastTick = now;

  bool parking = (digitalRead(PARK_BUTTON) == LOW);

  for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
    if (parking) {
      // 用推到底同样的速度，慢慢爬回归位姿势。
      if (target[i] < HOME_DEG[i]) target[i] = min(target[i] + MAX_STEP, (float)HOME_DEG[i]);
      else                         target[i] = max(target[i] - MAX_STEP, (float)HOME_DEG[i]);
    } else {
      int offset = analogRead(AXIS_PIN[i]) - CENTRE;
      if (abs(offset) <= DEADBAND) continue;        // 摇杆静止：不写入，关节保持

      // 减掉死区，让关节从零速开始，而不是跳一下。
      offset += (offset > 0) ? -DEADBAND : DEADBAND;

      float step = (float)offset * MAX_STEP / (float)(CENTRE - DEADBAND);
      if (INVERT[i]) step = -step;

      target[i] = constrain(target[i] + step, (float)MIN_DEG[i], (float)MAX_DEG[i]);
    }
    joint[i].write((int)(target[i] + 0.5));         // 四舍五入，再送出这一帧的角度
  }
}

有两行的分量比看起来重：delay(400) 把舵机错开，让它们一只一只回到归位角度，把整个使用过程中最大的一次电流冲击拆成四次小的；而 continue 跳过了 write() —— 一只什么都没收到的舵机会保持它上一次的角度，所以「什么都不做」本身就是保持。

手臂的框架要用什么做？

我们卖的是电子件，不是框架 —— 我们的目录里没有手臂结构件，也没有现成的打印件。这件事没有听起来那么要紧：瓦楞纸皮，用美工刀裁、热熔胶粘，就是第一版最合适的材料，因为这个几何形状你会重画三次。亚克力或者 3 mm 夹板是之后的升级。

决定这个几何形状的是扭力。我们这只 SG90 的额定值是 4.8 V 下 1.3 kg/cm —— 也就是 1.3 kg 挂在离轴心一厘米的地方，所以挂到十厘米就只剩大约 130 g，还要再扣掉手臂自己的重量。每一节控制在 10–12 cm，夹爪做轻，然后可以预期最先撑不住的是肩关节：它要同时抬起小臂、肘关节舵机、夹爪和负载，用的还是整支手臂上最长的那根杠杆。MG90 是直接替换的答案：一样的外形和引线，6 V 下 2.2 kg/cm，齿轮是金属的，不是尼龙的。

每个关节都要在舵机对面那一侧做一个枢轴 —— 一根螺丝，或者一颗螺丝穿过一片纸皮垫圈，位置就在关节的转轴线上。SG90 的输出是尼龙齿轮组上一根小小的尼龙花键轴，它是设计来转动负载的，不是用来承受负载的，所以把小臂单独吊在它身上，等于把所有弯曲的力都灌进那组齿轮里。底板也要压重，不然转起来的是底座，不是手臂。

舵盘最后才装。先让每个关节走到它的归位角度，然后才拧舵盘的螺丝，而且每一片舵盘都要装在行程的中段：在行程的一端把舵盘装上去，你的动作范围就有一半消失在结构里了。我们的180° / 270° / 360° 舵机怎么选把舵盘和角度范围讲清楚了 —— 手臂要的是 180° 的定位型舵机，绝对不是连续旋转型的。这里看着一支四关节框架装起来会有帮助：

什么时候四个直接输出脚就不够用了？

有三件事会把你推向 PCA9685 16 路驱动板：关节数量超过了手上方便用的脚位；想把 pin 9 和 pin 10 拿回来做 analogWrite()；或者用到会长时间关闭中断的库 —— SD 卡、某些显示屏 —— 那会让定时器产生的脉冲抖动，而 PCA9685 是用自己的振荡器发脉冲，不受影响。我们的 PCA9685 教程讲的就是这一步。它做不到的是变出电流来：它的 V+ 螺丝端子照样要接同一组外部电源。

我们常看到的错误

用一只舵机接在 Uno 的 5 V 脚上，证明「这样可以」。一只 SG90 确实跑得动那只脚，所以第一次测试通过了，接线看起来就定案了。两只往往也没事 —— 然后第三只或者第四只关节把供电压垮，全部一起失灵，而背黑锅的是最后改过的那个地方，不是电源。

没有把地接起来。电池接舵机接得完全正确，但电池负极那条和 Uno 的 GND 之间什么都没有：接线看起来是对的，手臂的行为却是随机的。在动手改程序之前，先查这一点。

关节限位靠猜。一只被命令超出框架允许范围的舵机不会认输 —— 它会停在堵转状态，吃着最大电流发热，直到有东西崩掉。这就是 MIN_DEG 和 MAX_DEG 要防的事：每个关节先保守地从 60–120° 开始，一次放宽五度，因为关节开始嗡嗡叫的那个角度，就是它碰到自己限位的角度。夹爪要一样小心，理由却不同：它的闭合限位不是一个机械挡点，而是手指刚好碰到物体的那个角度，再过一度，只要你还夹着这个东西，它就一直堵转。

把嗡嗡声当成故障。定位型舵机是一个闭环：它拿自己内部的电位器和你送进去的脉冲比较，然后驱动马达直到两者一致。带着负载的时候它永远差那么一点，所以它会在目标附近来回微动 —— 那阵轻微的嗡嗡声就是关节在干活。大声到整个框架都在震的嗡嗡声，那是关节到了扭力极限：把这一节缩短、做轻，或者换上 MG90。

拿一颗 9 V 电池去喂舵机。两个地方都错：9 V 高过 SG90 的 6 V 上限，而且 PP3 方形电池那几颗小电芯，在四只舵机要的电流下会塌得很厉害。

常见问题

Arduino Uno 带得动 4 只 SG90 舵机吗？

带不动。四只 SG90 动起来吃 0.4–1 A，堵转时最高 2.8 A；Uno 那条供电用 USB 时大约只给得出 450 mA。四条信号线它驱动得很好 —— 电流要有自己的电池组。

为什么机械手臂一动，我的 Arduino 就复位？

舵机把 5 V 供电拉到了 ATmega328P 的欠压复位门槛之下。芯片复位，舵机弹回归位角度，供电又塌下去。给它们自己的电源，并且把地接在一起。

Arduino 机械手臂该用什么电池？

四颗 AA：碱性 6.0 V 或者镍氢 4.8 V，两者都在 SG90 的 4.8–6 V 窗口里，也都拿得出安培级电流。5 V 3 A 适配器是更整齐的替代方案。9 V PP3 方形电池不要碰舵机那条电源 —— 接在 Uno 自己的电源座上倒是没问题。

为什么我一放开摇杆，机械手臂就掉下来？

因为程序把摇杆读数直接映射成了角度，而放开的摇杆读数大约是 1023 里的 512 —— 换算过去就是每个关节 90°。改成按推的幅度、每个节拍加零点几度，回中时什么都不加。

做一支 4 舵机机械手臂，需要 PCA9685 驱动板吗？

不需要。四只舵机直接接 Uno 的四个数字脚就能跑。PCA9685 是在你需要的通道数超过脚位、想把 pin 9 和 pin 10 拿回来做 analogWrite()，或者用了会干扰定时器脉冲的库时，才有它的价值。它不提供电流。

最后更新：2026 年 8 月。有问题？WhatsApp 联系我们。