プログラマブル3軸ロボットアームキット：Arduino＋Bluetoothでローカル/リモート制御

部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Mega 2560	1	I/Oポート豊富、メイン制御
SainSmart 3軸パレタイズロボットアーム（Arduino UNO/MEGA対応）	1	3自由度モデル
MeArm DIYロボットアームキット	1	4自由度モデル（爪付き）
HC-06 Bluetoothモジュール	1	Androidアプリと通信
Adafruit RGBバックライトLCD 16x2	1	ステータス表示
Androidデバイス	1	リモート操作用
ロータリーポテンショメータ 10kΩ	4	ローカル操作用（各関節対応）
タクトスイッチ 12mm	3	モード切替、記録、実行等
LED（赤・青・緑・黄）	各1	状態表示用

使用アプリ・オンラインサービス

• Arduino IDE
• MIT App Inventor 2（Androidアプリ開発）

プロジェクト概要

産業用ロボットの基本機能を模倣した、プログラマブルな3/4自由度ロボットアームの制御システムです。ローカル（ポテンショメータ）とリモート（Androidアプリ/Bluetooth）の両制御モードを備え、プログラム（ティーチング）と自動再生（ラン）の2モードで動作します。

仕様・主要機能

項目	内容
対応自由度	3 DOF（ベース/ショルダー/エルボー）または 4 DOF（+グリッパー）
制御モード	LOCAL（ポテンショメータ） / REMOTE（Androidアプリ・Bluetooth）
動作モード	PROGRAM（位置記録）/ RUN（記録再生・ABORTで停止）
モード切替	プログラム中でもLOCAL⇔REMOTE切替可能
ユーザー通知	カラーLED×4、16x2 LCD、ブザー音
リモートアラーム	Androidアプリからブザー鳴動可能

Androidアプリ

MIT App Inventor 2で開発。Google Playストアで「MJRoBot Arduino Robot Arm Control」として無料公開。スライダーで各関節角度を直感操作、PROGRAM/RUNボタン、モード切替、アラームボタンを搭載。

ハードウェア構成

ブロック図

Arduino MEGAを採用した理由はI/Oポート数の余裕確保。UNOでも74HC138デコーダ等でポート拡張すれば可能。

ロボットアームの関節構成

• ベース（腰）：水平回転（180°サーボ使用）
• ショルダー（肩）：垂直上下
• エルボー（肘）：前後伸縮
• グリッパー（爪）：開閉把持（4 DOFモデルのみ）

回路図・配線

サーボ電源はArduinoとは別系統（外部5-6V、サーボ仕様確認）で供給し、470μFコンデンサでノイズ対策。全GNDを共通接地。サーボ信号線をMEGAのPWMピンへ直結。

サーボ選定の注意：安価なMG995等は品質ばらつき大。本プロジェクトでは付属サーボで動作確認済みだが、デジタルサーボ（300Hz）使用時はServo.hライブラリ修正が必要な場合あり。

ソフトウェア設計

定義ファイル（ArmDefine.h）

各アームタイプごとにサーボ角度の最小/最大/初期値を定義。実機でポテンショメータを動かし、シリアルモニタ/LCDで動作範囲を確認して決定します。

// MeArm 4-DOF
#define minGrip 15  #define minBase 0   #define minShou 60  #define minElbw 60
#define maxGrip 45  #define maxBase 170 #define maxShou 180 #define maxElbw 150
#define midGrip 30  #define midBase 87  #define midShou 138 #define midElbw 100

/* SS 3-DOF
#define minGrip 75  #define minBase 5   #define minShou 5   #define minElbw 0
#define maxGrip 125 #define maxBase 150 #define maxShou 155 #define maxElbw 0
#define midGrip 100 #define midBase 90  #define midShou 90  #define midElbw 0 */

位置記録用配列

int gripPosition[100];
int basePosition[100];
int shouPosition[100];
int elbwPosition[100];
int positionIndex = 0;  // 記録ステップ数（最大100ステップ）

※EEPROM保存機能を追加すれば、電源オフ後もプログラム保持可能。

メインループのロジック

void loop() {
  checkBTcmd();           // Bluetoothコマンド受信・解析
  defineLocalRemote();    // LOCAL/REMOTEモード判定、アラームコマンド処理
  execTaskCmd = digitalRead(execTaskPin);
  if (execTaskCmd == HIGH || command == "runon") {
    RunProgram();         // 記録済みシーケンス再生
  } else {
    recArmPosition();     // 位置ティーチング（記録）
  }
  command = "";
}

主要関数の役割

• checkBTcmd()：シリアルバッファから文字を読み取りコマンド文字列組立
• defineLocalRemote()：コマンドでモード切替、アラーム時は強制REMOTE
• RunProgram()：実行準備（LED等）→ ExecuteTask() 呼出
• ExecuteTask()：positionIndexをインクリメントしながら配列から座標読出し、armPosition()でサーボ駆動
• recArmPosition()：ポテンショメータ/スライダー値読取→サーボ即時反映→SAVE/PROGRAMコマンドで配列へ記録
• armPosition(grip, base, shoulder, elbow)：4軸サーボへ角度書込み（マッピング・制限込み）
• readPotenciometers() / readSliders()：ローカル/リモート入力読取
• debounce()：ボタンチャタリング防止（16MHzクロックで高速ポーリングされるため必須）

コード構成（4ファイル）

1. MJRoBot_Arm_Robot_Task_Prgm.ino：setup/loop、上記主要関数
2. General_Functions.ino：checkBTcmd()、beep()、debounce()
3. Arm_Ctrl_and_Display.ino：ポテンショ/スライダー読取、armPosition()、LCD/シリアル表示、アラーム
4. ArmDefine.h：サーボ角度定義定数

完全ソースコード：GitHubリポジトリ

回路図

GitHub上の回路図（PNG）

まとめ

このチュートリアルは、ホビーレベルのロボットアームを「産業用ロボット風のティーチング・プレイバックシステム」へ昇華させる、体系的かつ実践的なガイドです。Arduino MEGAの豊富なI/Oを活かし、ポテンショメータによる直感的なローカルティーチングと、Bluetooth経由のリモート操作を両立。モード切替・アラーム・音声/視覚フィードバックなど、実用的なヒューマンインターフェースも網羅しています。

コードは機能ごとにファイル分割され、定数定義（ArmDefine.h）で異機種アームへの移植容易性を確保。デバウンス処理、サーボマッピング、状態管理など、組み込み開発の基本プラクティスが随所に見られます。MIT App Inventor 2でノーコードに近い形でAndroidアプリを作れる点も、ハードウェアエンジニアにとって心強いアプローチです。

発展アイデア：EEPROM/SDカードへのプログラム永続化、複数プログラム選択実行、逆運動学ソルバ導入（直交座標指示）、力覚センサ追加、ROS連携など。