树莓派5 + PS5 手柄实战：搭建六自由度机械臂蓝牙遥控系统

项目概述

本教程将教你如何使用 PS5 DualSense 手柄、树莓派 5 和 Arduino Nano 搭建一套六自由度机械臂控制系统。PS5 手柄通过蓝牙与树莓派 5 配对；树莓派运行 Python 程序读取摇杆、按键输入值，再通过 USB 串口向 Arduino Nano 发送数字指令；Arduino Nano 接收指令后驱动机械臂对应舵机运转。

完整控制链路：

PS5 Controller → Raspberry Pi 5 → Arduino Nano → Servo Robotic Arm

如果你想学习机器人领域的游戏手柄远程操控原理，本项目是绝佳入门案例。不同于手机 APP 控制、Arduino 板载按键控制，本方案使用专业游戏手柄，复刻小型机械抓取设备的操控逻辑。

当前版本仅实现机械臂单独控制；后续可基于这套硬件框架扩展搭配 L298N 电机驱动小车，实现单支 PS5 手柄同时控制机械臂与移动底盘。

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物料清单

开工前备齐全部核心硬件与工具：

硬件

  • 树莓派 5
  • Arduino Nano 主控板
  • PS5 DualSense 手柄
  • 六自由度铝合金舵机机械臂
  • Arduino Nano 舵机扩展板 / 舵机驱动盾板
  • 6 个伺服舵机
  • 舵机独立外接电源
  • Arduino Nano 配套 USB 数据线
  • 树莓派 5 专用供电电源
  • 预装树莓派系统的 Micro SD 存储卡
  • 若干杜邦跳线

软件工具

  • 树莓派系统
  • Python 3
  • Pygame（手柄读取库）
  • PySerial（串口通信库）
  • Arduino IDE
  • Arduino 官方 Servo 舵机库
  • Visual Studio Code
  • VS Code 远程 SSH 连接插件
  • GitHub（代码托管）

可选升级配件

如需将机械臂搭载在机器人小车上，额外准备：

  • Arduino Uno 主控
  • L298N 直流电机驱动模块
  • 机器人小车底盘
  • 直流减速电机
  • 电机专用锂电池
  • 备用 USB 线 / 串口连接线

项目开发历程

我开发这个项目，是希望找到更实用、趣味性更强的机械臂操控方案。

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这套机械臂原本搭载舵机、金属支架、夹爪与 Arduino Nano 舵机扩展板，虽能完成基础动作，但原生操控方式过于简陋。我希望复刻工业机器人的操控逻辑：使用摇杆 / 游戏手柄实现灵活控制。

手头恰好有 PS5 手柄与树莓派 5，于是定下整体方案：PS5 手柄作为输入设备，树莓派读取手柄信号、转发运动指令至 Arduino Nano，最终由 Arduino 驱动舵机。

我参考了大量 Xbox 手柄搭配树莓派 + Arduino 的开源项目，理解基础通信逻辑，但硬件组合存在差异（本项目为 PS5 手柄 + 树莓派 5+Nano），因此没有直接复制代码，而是从零分步搭建整套流程：

  • 无显示器模式配置树莓派 5，通过 VS Code 远程 SSH 插件远程连接树莓派，可在本地电脑直接编辑树莓派内 Python 代码，大幅简化开发流程；
  • 通过蓝牙完成 PS5 手柄与树莓派配对；
  • USB 线连接树莓派与 Arduino Nano，设备识别端口为 /dev/ttyUSB0，确认通信链路正常；
  • 原版机械臂 Arduino 程序通过 HC-05 蓝牙模块接收指令，本项目中蓝牙通信交由树莓派完成，因此修改 Arduino 代码，改为 USB 串口接收指令；
  • 向 Arduino 发送第一条测试指令，舵机成功动作，证明整套控制通路通畅；
  • 完成 PS5 手柄按键、摇杆映射，匹配 Arduino 数字指令，逐个调试每个舵机动作，最终编写稳定可运行的 Python 主控脚本。

系统整体架构

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整套系统分为四大核心单元：

  1. PS5 DualSense 手柄
  2. 树莓派 5
  3. Arduino Nano
  4. 六自由度机械臂

PS5 控制器不直接连接到 Arduino，而是通过蓝牙连接到树莓派。

树莓派运行 Python 脚本，读取 PS5 控制器输入，决定应发送的命令，并通过 USB 串行将命令发送到 Arduino Nano。

Arduino Nano 接收命令并移动对应的伺服系统。

系统流程：

PS5 DualSense Controller
        ↓ Bluetooth
Raspberry Pi 5
        ↓ USB Serial
Arduino Nano
        ↓ Servo Signals
6DOF Robotic Arm

这种设置优势明显：树莓派更适合读取蓝牙控制器输入和运行 Python 逻辑，而 Arduino Nano 更适合生成稳定的伺服控制信号。

简单来说：树莓派 = 大脑和控制器读取器，Arduino Nano = 舵机驱动器，PS5 控制器 = 人工输入设备，机械臂 = 输出系统。

硬件架构

硬件分为两大线路：信号/控制连接与电源连接。信号负责发送命令，电源负责向舵机提供足够的电流。

树莓派 5 通过其 USB-C 电源供电。Arduino Nano 通过 USB 电缆连接到树莓派，此 USB 电缆用于串行通信，也为 Arduino Nano 的逻辑端供电。

但切勿从树莓派或 Nano USB 线给舵机供电。舵机会消耗大量电流，尤其是多个关节移动或手臂负载时。如果从错误的来源取电，手臂可能会抖动、复位或表现异常。

标准供电逻辑：

树莓派 5 电源 → 仅给树莓派 5
树莓派 USB 端口 → Arduino Nano 逻辑与串行通信
外部舵机电源 → 舵机扩展板与舵机马达

硬件接线链路：

树莓派 5 USB 端口
        ↓
Arduino Nano USB 端口
        ↓
舵机扩展板
        ↓
6 个舵机

外接电源需接入舵机扩展板的供电端子，电源电压、电流规格需匹配所用舵机参数。

机械臂组装调试教程

从仔细组装机械臂开始。本项目使用六自由度铝制舵机机械臂，包含多个舵机关节和一个两指手爪。每个舵机控制一个关节或手臂的一部分。

组装注意事项：

  • 切勿急躁装配机械结构，舵机盘安装错位会导致动作卡顿、提前撞机械限位；
  • 牢固锁紧舵机摆盘；
  • 禁止手动强行掰动关节；
  • 上电调试前将所有关节回中置中立位；
  • 避免线材挤压卡在金属支架缝隙；
  • 旋转关节螺丝不要锁死过紧；
  • 保证夹爪开合无卡顿；
  • 上电前手动轻推每个关节测试活动顺畅度。

组装完成后，需熟记每条数字指令对应的舵机动作（Arduino 依靠数字指令区分动作）。机械臂正对本人时，本项目指令映射如下：

18 = Servo 5 right
19 = Servo 5 left
20 = Servo 3 up
21 = Servo 3 down
22 = Servo 6 gripper close
23 = Servo 6 gripper open
24 = Servo 2 up
25 = Servo 2 down
26 = Servo 1 base left
27 = Servo 1 base right
16 = Servo 4 up
17 = Servo 4 down

不同组装方式会改变舵机转向，建议逐条指令单独测试确认动作。

Arduino Nano 程序配置

Arduino Nano 负责驱动全部舵机。原版机械臂程序通过软件串口 SoftwareSerial 读取 HC‑05 蓝牙模块数据；本项目无需蓝牙模块，手柄蓝牙连接交由树莓派处理，指令改为 USB 串口传输，因此需要修改代码输入源。

原蓝牙通信代码片段：

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial Bluetooth(3, 2);
Bluetooth.begin(9600);
dataIn = Bluetooth.read();

修改为 USB 串口读取：

Serial.begin(9600);
dataIn = Serial.read();

所有使用 Bluetooth.available() 和 Bluetooth.read() 的地方，全部替换为 Serial.available() 和 Serial.read()。这允许 Arduino Nano 通过 USB 直接从树莓派接收命令字节。编辑代码后，使用 Arduino IDE 将其上传到 Arduino Nano。

如果使用 Arduino Nano 克隆板，可能需要选择 Board: Arduino Nano，Processor: ATmega328P (Old Bootloader)。

程序上传完成后，断开 Nano 与电脑的连接，改接到树莓派 5。

VS Code 远程连接树莓派 5 配置

本项目全程以 VS Code 作为开发环境，无需切换多个终端窗口：通过 SSH 远程直连树莓派，在同一软件内完成代码编辑、终端调试、程序运行。

安装 VS Code 与远程插件

本地电脑安装 Visual Studio Code，打开扩展商店搜索并安装「Remote – SSH」插件。

树莓派无显示器前置配置

树莓派 5 采用无头无屏运行模式，日常无需显示器、键鼠。使用 Raspberry Pi Imager 烧录 microSD 卡时，启用 SSH 并配置 Wi‑Fi。重要设置：Hostname: raspberrypi，Username: pi，SSH 启用，密码认证，Wi‑Fi 已配置。SD 卡插入树莓派上电，等待数分钟完成开机启动。

VS Code 远程连接树莓派

在 VS Code 输入 Ctrl + Shift + P，搜索 Remote-SSH: Connect to Host，输入 pi@raspberrypi.local，平台选择 Linux，输入树莓派登录密码。连接成功后，VS Code 会打开一个新窗口连接到树莓派。打开终端，确认显示 pi@raspberrypi:~ $。

创建项目文件夹

在连接到 Pi 的 VS Code 终端中，创建并打开项目文件夹：

mkdir -p ~/ps5_arm
cd ~/ps5_arm

更新树莓派并安装依赖

sudo apt update
sudo apt full-upgrade -y
sudo apt install -y python3-pip python3-venv python3-serial python3-pygame joystick evtest bluetooth bluez git

这些软件包的作用：

  • python3-serial：允许 Python 通过串口与 Arduino 通信
  • python3-pygame：读取 PS5 控制器输入
  • joystick：提供 jstest 控制器测试工具
  • bluetooth/bluez：处理蓝牙配对

从现在起，所有项目命令都应在连接到树莓派的 VS Code 终端中运行。

PS5 手柄蓝牙配对树莓派

在 VS Code 终端中检查蓝牙状态：

sudo systemctl status bluetooth

确认处于活动状态后，打开蓝牙控制工具：

bluetoothctl

在 bluetoothctl 中执行：

power on
agent on
default-agent
scan on

将 PS5 控制器置于配对模式：按住 PS 键 + Create 键，直到控制器灯开始闪烁。当控制器出现在蓝牙扫描中时，配对并连接：

pair XX:XX:XX:XX:XX:XX
trust XX:XX:XX:XX:XX:XX
connect XX:XX:XX:XX:XX:XX
quit

用屏幕上显示的 MAC 地址替换 XX:XX:XX:XX:XX:XX。

配对后，检查操纵杆设备：

ls /dev/input/js*

本项目 PS5 控制器表现为 /dev/input/js0。运行 jstest /dev/input/js0 测试，移动摇杆或按下按钮，若数值变化则表示工作正常。

映射 PS5 游戏手柄控件

不要凭猜测编写 PS5 按钮编号，需通过映射脚本实测。在 /home/pi/ps5_arm 中创建 map_ps5.py，运行该脚本以标识所有轴和按钮编号。本项目的确认映射如下：

摇杆轴：

  • 左摇杆 X = 轴 0，左摇杆 Y = 轴 1
  • 右摇杆 X = 轴 3，右摇杆 Y = 轴 4

方向值：

  • 左摇杆左推 = 轴 0 负值，右推 = 轴 0 正值
  • 左摇杆上推 = 轴 1 负值，下推 = 轴 1 正值
  • 右摇杆左推 = 轴 3 负值，右推 = 轴 3 正值
  • 右摇杆上推 = 轴 4 负值，下推 = 轴 4 正值

按钮映射：

  • X / Cross = 按钮 0
  • Circle = 按钮 1
  • Triangle = 按钮 2
  • Square = 按钮 3
  • L1 = 按钮 4
  • R1 = 按钮 5
  • L2 = 按钮 6 同时关联轴 2
  • R2 = 按钮 7 同时关联轴 5
  • PS 键 = 按钮 10
  • 左摇杆按下 / L3 = 按钮 11
  • 右摇杆按下 / R3 = 按钮 12
  • 触摸板点击 = 无输入检测

D‑pad 映射为 HAT 0：

  • 上 = (0, 1)
  • 下 = (0, -1)
  • 左 = (-1, 0)
  • 右 = (1, 0)
  • 释放 = (0, 0)

该映射确保最终控制脚本准确无误。

测试树莓派到 Arduino 串行通信

在将 PS5 控制器与机械臂结合之前，先验证树莓派能否与 Arduino Nano 正常通信。

用 USB 将 Arduino Nano 连接到树莓派。在 VS Code 终端运行：

python3 -m serial.tools.list_ports

输出中应显示 /dev/ttyUSB0，即 Arduino Nano。

创建一个名为 arduino_test.py 的测试脚本：

import serial
import time

PORT = "/dev/ttyUSB0"
BAUD = 9600
ser = serial.Serial(PORT, BAUD, timeout=1)
time.sleep(2)
ser.write(bytes([19]))
time.sleep(0.5)
ser.write(bytes([0]))
ser.close()

关键点：发送命令需使用 ser.write(bytes([19]))，而不是 ser.write(b"19")。前者发送命令编号 19，后者发送字符 ‘1’ 和 ‘9’，会导致 Arduino 无法识别。

测试时若舵机动作，则证明树莓派到 Arduino Nano 通信正常。

最终主控脚本：PS5 控制机械臂

现在，将控制器读取与串行通信整合起来。树莓派 Python 脚本将：

  1. 读取 PS5 控制器输入
  2. 检测哪个按钮或摇杆处于活动状态
  3. 将该输入转换为 Arduino 命令编号
  4. 通过 USB 串行将命令发送到 Arduino Nano
  5. 无命令时停止手臂运动

在 VS Code 中创建最终文件 ps5_to_arm_final.py。为了消除信号抖动与不稳定问题，最终脚本引入了以下机制：

  • 死区阈值：过滤摇杆微小漂移噪声
  • 按键消抖：屏蔽按键快速连击杂讯
  • 指令保持：保证单次动作指令稳定输出
  • 发送限速：限制串口指令下发频率
  • 急停功能：发送指令 0 停止所有舵机

优化后操控顺滑、运行安全稳定。

最终操控布局方案

经过多版调试，底座旋转舵机分配至 L1/R1 肩键操控最顺手，便于接近机械限位时精细调整。完整操控布局：

L1 / R1                = 底座左/右（舵机 1）
左摇杆左/右            = 舵机 4 上/下
左摇杆上/下            = 舵机 2 上/下
右摇杆左/右            = 舵机 5 左/右
右摇杆上/下            = 舵机 3 上/下
X / Circle             = 夹爪开/关
Triangle               = 急停
CTRL + C               = 安全停止程序

对应命令映射：

L1  → 底座左  → 命令 26
R1  → 底座右  → 命令 27
左摇杆左/右 → 舵机 4  → 命令 16 / 17
左摇杆上/下 → 舵机 2  → 命令 24 / 25
右摇杆左/右 → 舵机 5  → 命令 19 / 18
右摇杆上/下 → 舵机 3  → 命令 20 / 21
X      → 夹爪开   → 命令 23
Circle → 夹爪关   → 命令 22
Triangle → 停止 → 命令 0

这一布局并非强制，可根据个人习惯调整。

底层控制逻辑细节

Python 脚本单次仅下发一条动作指令，这是刻意设计：若同时下发多关节运动指令，会大幅提升舵机瞬时功耗，操控难度上升。初代方案单指令输出更安全、方便故障排查。

核心参数设定：

  • 死区 DEADZONE = 0.45：摇杆必须移动超过 ±0.45 才视为有效移动
  • 消抖时间 DEBOUNCE_TIME = 0.10：输入必须保持稳定约 100 毫秒才接受命令
  • 发送间隔 SEND_INTERVAL = 0.10：树莓派每 100 毫秒发送一次命令，避免淹没 Arduino Nano

Arduino 命令系统简洁：命令编号由树莓派发送，Arduino 读取后移动对应的舵机。这种设计便于扩展，例如后续增加汽车底盘时可为小车创建另一组命令编号。

故障排除和经验教训

  • VS Code 远程 SSH 验证：确认终端提示为 pi@raspberrypi:~ $，确保命令在 Pi 上执行。
  • 树莓派 SSH 登录失败：必须在 Raspberry Pi Imager 中启用 SSH，并正确设置用户名和密码。
  • 确认 Arduino Nano 端口：固定使用 /dev/ttyUSB0，在 Python 脚本中明确指定。
  • 手柄映射异常：禁止凭经验写死按键编号，必须运行映射脚本逐个实测轴和按钮。
  • 按键抖动导致机械臂乱晃：通过死区、消抖、指令限速三重机制解决信号波动问题。
  • 底座舵机限位异常：底座旋转至 180° 左右偶尔失控；后续可在 Arduino 代码内限制舵机角度区间，杜绝超出安全行程。
  • 舵机抖动、主控重启：舵机必须使用独立外接电源供电，禁止从树莓派或 Arduino USB 取电。

后续升级方案：机械臂搭载 L298N 机器人小车

下一次升级是将机械臂安装在机器人汽车底盘上。可通过 Arduino Uno、L298N 电机驱动模块、直流电机、电机电池和底盘实现。同一个 PS5 控制器可控制机械臂和汽车。

未来系统构想：

PS5 Controller
        ↓ Bluetooth
Raspberry Pi 5
        ↓ USB Serial 1
Arduino Nano → 机械臂
Raspberry Pi 5
        ↓ USB Serial 2
Arduino Uno → L298N → 小车

树莓派将充当主控制器，读取 PS5 控制器，决定命令应发送给机械臂还是汽车。简单的控制设想：摇杆控制机械臂，D‑pad 控制小车移动，L2/R2 调速，Triangle 急停，Square 切换模式。也可采用模式切换，使控制更整洁并防止命令冲突。

参考资料

  • Raspberry Pi 官方文档
  • VS Code 远程 SSH 文档
  • Pygame 操纵杆文档
  • Python PySerial 文档
  • Arduino Servo 库文档
  • Linux 操纵杆输入工具
  • GitHub 项目仓库

旧 Xbox 控制器机械臂项目曾为本项目提供了灵感：使用树莓派作为游戏手柄和 Arduino 之间的桥梁。本项目基于这一理念并做如下适配：PS5 控制器、树莓派 5、Arduino Nano、USB 串行通信、六自由度铝制机械臂以及 VS Code 远程 SSH 工作流。

系统框图

主系统信号框图

PS5 DualSense Controller
        ↓ Bluetooth
Raspberry Pi 5
        ↓ USB Serial
Arduino Nano
        ↓ Servo signals
Servo Expansion Board
        ↓
6DOF Robotic Arm

供电框图

树莓派 5 电源
        ↓
树莓派 5
树莓派 USB 端口
        ↓
Arduino Nano 逻辑与串行通信
外部舵机电源
        ↓
舵机扩展板
        ↓
舵机马达

VS Code 开发流程框图

笔记本电脑运行 VS Code
        ↓ Remote - SSH
树莓派 5
        ↓ Python 脚本
Arduino Nano
        ↓ 舵机命令
机械臂

小车拓展框图

PS5 控制器
        ↓ Bluetooth
树莓派 5
        ↓ USB Serial
Arduino Nano → 机械臂
树莓派 5
        ↓ USB Serial
Arduino Uno → L298N → 直流电机

代码

代码分为两大主体：

树莓派 Python 程序

文件：raspberry-pi/ps5_to_arm_final.py

该脚本读取 PS5 控制器，应用死区和消抖，然后通过 /dev/ttyUSB0 向 Arduino Nano 发送命令编号。它处理 PS5 摇杆输入、按钮输入、紧急停止、串行通信及命令稳定性。

Arduino Nano 固件

文件：arduino/24G6_fixed_USB_SERIAL.ino

该草图通过 USB 串行接收命令编号，并移动对应的伺服系统，完全用 USB 串行输入替换了旧的 HC‑05 蓝牙输入。

测试脚本

  • ps5_test.py：确认 Python 能读取控制器
  • map_ps5.py：查找真实的按钮和轴编号
  • arduino_test.py：确认树莓派能向 Arduino Nano 发送串行命令
  • map_arm.py：测试每个 Arduino 命令并观察哪个舵机动作

所有 Python 文件均可在通过 Remote – SSH 连接到树莓派后，直接在 VS Code 中创建、编辑和运行。

总结评述

本项目验证了 PS5 手柄 + 树莓派 5 + Arduino Nano 方案可稳定远程操控六自由度机械臂，整套控制链路闭环可用：

PS5 Controller → Raspberry Pi 5 → Arduino Nano → Robotic Arm

VS Code 远程 SSH 不仅让树莓派摆脱显示器，也让代码开发如同普通项目一样便利。本项目还有改进空间：下一个升级是将手臂安装在移动小车上并用同一手柄控制；另一个改进是修改 Arduino 舵机代码，将每个舵机角度安全限制在其行程范围内，使手臂在极限附近更加可预测和安全。当前版本为 PS5 控制的机械臂遥操作提供了坚实的工作基础。

代码下载地址：GitHub 仓库