机械臂小车说明书v1.0

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1、机械臂小车机械臂小车 使 用 说 明 书 使 用 说 明 书 北 京 百 科 融 创 教 学 仪 器 设 备 有 限 公 司 目 录目 录 一、 前言1 1.1 整体介绍.1 1.2 注意事项.1 二、 上电检测4 三、机械臂手动控制器说明6 四、机械臂说明10 4.1 舵机控制.10 4.2 重力加速度传感器.11 4.3 过流保护.11 4.4 机械臂抖动.12 五、 机械臂核心板说明12 5.1 图示说明.12 5.2 静电保护.13 5.3 降压电路.13 5.4 电流检测.14 六、 ARM-STM32 核心板说明.15 七、 程序下载说明15 7.1 STM32 芯片程序下载15

2、7.1.1 JLink 安装.15 7.1.2 硬件连接17 7.1.3 J-Flash ARM 下载程序.18 7.2 CPLD 芯片程序下载26 7.2.1 硬件连接26 7.2.2 程序下载26 第 1 页 一、前言一、前言 1.1 整体介绍整体介绍 机械臂小车主要由机械臂手动控制器、 机械臂、 机械臂核心板、 ARM-STM32 核心板四部分组成。机械臂采用六个舵机和铝合金支架构成，具有六个自由度， 能 灵 活 抓 取 物 体 。 机 械 臂 核 心 板 控 制 芯 片 为 STM32F407VGT6 和 EPM240T100C5N，主要实现串口指令解析、舵机 PWM 控制、电流检测、

3、角度 检测、 CPLD 保护等功能。 ARM-STM32 核心板的主控芯片为 STM32F103VCT6， 主要实现接收主车指令、转发指令等功能，系统的整体框图如下。 图 1.1.1 系统框图 机械臂手动控制器主要用来发送指令，通过按下相关按扭控制机械臂进行相 关动作。电流检测电路将电流值转换成电压值，STM32 通过 ADC 采样来判断是 否需要触发保护模式（蜂鸣器响，机械臂停止工作）。重力加速度计用来检测机 械臂的角度。 1.2 注意事项注意事项 1、跳帽默认说明：机械臂控制板左边位置 BOOT0 默认不接跳帽，如下图 1.2.1 所示。右下位置 J2 默认接跳帽，如下图 1.2.2 所示

4、。 图 1.2.1图 1.2.2 2、接线说明： （1）舵机接口如下图 1.2.3 所示，带有 16 标号的导线与六个接口从左 往右依次连接。 第 2 页 图 1.2.3 （2）重力加速度计与机械臂控制板连接如下图 1.2.4，1、2、3 号接口分 别对应相连。 图 1.2.4 （3）手动控制器与控制板相连如下图 1.2.5。 第 3 页 图 1.2.5 在机械臂工作过程中，如果出现舵机损坏需要更换的情况，需要注意一下舵 机的安装方式。确保机械臂在图 2.4 所示状态时，舵机转轴转动到 90 度的位置。 否则机械臂控制会出现偏差。注意，底座舵机安装过程如下： （1）底板上以 3cm 单通铜柱固

5、定（4 个+4 个防滑螺母）； （2）底座旋转舵机用圆头 Y4 螺丝固定（4 组螺杆+螺母），如图 1.2.3 所示： 图 1.2.3 舵机自带连接器安装到自带底座旋转盘的支杆上（4 个圆头 Y3 螺杆）， 如图 1.2.4 所示： 图 1.2.4 第 4 页 固定底座舵机时应将舵机调至中间位置,再将底座银色内环调至图 1.2.3 所 示，将座旋转盘支杆用双通 6mm（2 个）铜柱固定，中间用 Y3 圆头螺杆固定（1 个），如图 1.2.5 所示： 图 1.2.5 3、不能强制转动舵机，否则会导致舵机损坏。 4、当蜂鸣器警报，机械臂停止工作时，说明因电流过大系统触发了保护机 制，这时重新启动即

6、可。 5、如果系统上电后，某一指示灯不亮，可能是导线接触不良，检查相关导 线重新连接即可。例如电源指示灯不亮，可能是电源线接触不良；手动控制器上 指示灯不亮，可能是串口线接触不良。 二、上电检测二、上电检测 图 2.1 小车整体图 小车整体实物图如上图 2.1 所示，为确定小车能正常工作，需要进行上电检 测： （1）检查各导线是否正确连接，若有松动、断开或错连，请将其正确连接 （注意串口线连接到机械臂手动控制器上标有 “连接机械臂” 字样背面串行接口。 第 5 页 图 2.2 电源开关位置 （2）打开上图 2.2 所示电源开关，按下图 2.3 中所示标号为 4 的开关，使系 统上电。 图 2.

7、3 机械臂核心板 （3）将下图 3.1 手动控制器上档位开关旋至档位I，按下 16 任意按扭，若 机械臂运动至图 2.4 状态，则说明系统工作状况良好。 第 6 页 图 2.4 （4）用机械臂手动控制器控制机械臂运动，测试机械臂运动是否正常。 三、机械臂手动控制器说明三、机械臂手动控制器说明 下图 3.1 为机械臂手动控制器的控制面板。 图 3.1 机械臂手动控制器 手动控制器控制说明（以下动作的初始动作均为图 2.4 所示状态）： 1、底座旋转按扭：控制底座舵机，按上为向右旋转，按下为向左旋转（描 述中涉及到运动方向的默认为在小车前方观察， 为了更清楚的展示机械臂的各运 动状态，图 3.2图

8、 3.11 均为侧面拍摄），向右旋转到极限位置如图 3.2，向左 旋转到极限位置如图 3.3。 第 7 页 图 3.2图 3.3 2、肩关节按扭：控制肩关节舵机，按上为后仰，按下为前倾，后仰到极限 位置如图 3.4，前倾到极限位置如图 3.5。 图 3.4图 3.5 3、肘关节按扭：控制肘关节舵机，按上为后仰，按下为前倾，后仰到极限 位置如图 3.6，前倾到极限位置如图 3.7。 图 3.6图 3.7 4、腕关节按扭：控制腕关节舵机，按上为向上，按下为向下，向上到极限 位置如图 3.8，向下到极限位置如 3.9。 第 8 页 图 3.8图 3.9 5、手腕旋转按扭：控制手腕旋转舵机，按上为逆时

9、针旋转，按下为顺时针旋 转，逆时针旋转到极限位置如图 3.10，顺时针旋转到极限位置如图 3.11。 图 3.10图 3.11 6、手指开合按扭：控制手指开合舵机，按上为手指张开，按下为手指闭合， 张开到极限位置如图 3.12，闭合到极限位置如图 3.13。 图 3.12图 3.13 第 9 页 7、档位开关，从左往右依次是： I 档：机械臂运动至静止状态，即小车运动时机械臂的最省力状态，即图 2.4 所示。 II 档：机械臂抓取物体状态，即机械臂进行抓取物体动作，如下图 3.14。 图 3.14 III档： 机械臂放回物体状态， 即机械臂将物体放回指定位置。 如下图3.15。 图 3.15

10、8、运行控制开关，标定和测试时会用到，下面会讲到。 9、模式切换开关，往左拨为标定，往右拨为到达。当我们测试的时候，如 果机械臂没有完成预定的动作（即I、II、III中某一状态），我们就需要对机械 臂进行标定。比如说步骤（3）中机械臂没有运动至预设状态，即档位I的动作 没有完成， 那么我们首先将模式切换开关拨至标定位置， 然后通过按下 16 按扭 调整机械臂的位置。 当机械臂调整至图 2.4 状态时， 长按运行控制开关不少于 2s， 完成标定。 接下来我们测试一下标定的效果， 首先将模式切换开关拨至到达位置， 按下运行控制开关不少于 0.5s，观察机械臂是否运动至图 2.4 状态。如果没有，

11、则需进行再次标定。档位II、III标定方法同上。 第 10 页 10、机械臂手动控制板指示灯，档位开关转至某一档位，则这一档位指示灯 亮。模式切换至标定，则标定指示灯亮，反之到达指示灯亮。正常情况下状态指 示灯 1s 闪烁一次，长按运行控制按扭时，状态指示灯快速闪烁。下图 3.16 为III 档时标定状态。 图 3.16 手动控制板指示灯 四、机械臂说明四、机械臂说明 4.1 舵机控制舵机控制 舵机的结构如下图 4.1.1 所示。 图 4.1.1 舵机结构 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有 一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为 1.5ms 的基准信号，将

12、获得的直流偏 置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机 驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器 旋转，使得电压差为 0，电机停止转动。 机械臂上用到的舵机型号是 MG996R，舵机的控制一般需要一个 1820ms 第 11 页 的时基脉冲， 该脉冲的高电平部分一般为 1ms2ms 范围内的角度控制脉冲部分。 下图 4.1.2 说明了控制信号的脉宽与脉冲周期范围、脉宽与舵机转动位置的 关系。 图 4.1.2 舵机控制信号 4.2 重力加速度传感器重力加速度传感器 重力传感器采用弹性敏感元件制成悬臂式位移器，与采用弹性敏感元件制成 的储

13、能弹簧来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。 机械臂上安装有两个重力传感器，用来检测机械臂的角度，将角度信号反馈 给主控，从而确定控制策略。 我们选用的传感器型号是 ADXL345，这是一款小而薄的超低功耗 3 轴加速 度计，分辨率高(13 位)，可选择的测量范围有2 g，4 g，8 g 或16 g。既能测 量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得 器件可作为倾斜传感器使用。数字输出数据为 16 位二进制补码格式，可通过 SPI(3 线或 4 线)或 I2C 数字接口访问，这里采用的是 SPI 接口。 在小车车身上有一个预留的重力传感器，用于后续开发。主要是

14、用来当小车 在坡道时确定小车姿态，从而校正机械臂角度。 4.3 过流保护过流保护 在实际应用中，如果对舵机控制不当，很容易导致电流过大，从而损坏舵机 或烧毁电路。所以在控制过程中进行过流保护非常有必要。 我们可以从软件和硬件两方面来避免电流过大。软件上，当我们控制舵机运 动一个较大的角度时，例如从左满舵到右满舵，PWM 控制信号高电平脉宽为 2ms，由于在一个脉冲周期内舵机无法转过 180 度，所以一段时间内，电流会很 大。在系统中，电流增大会导致由电源内阻产生的压降增大，那么加在系统电路 上的电压就会减小，如果减小的电压太大，主控芯片很容易就会复位，从而舵机 无法完成指定动作。所以这个时候我

15、们就得改变控制策略。我们可以采用脉宽均 匀叠加的方法进行控制，即初始给一个小脉宽，然后慢慢均匀叠加，脉宽每次增 加一个很小的固定值，直到舵机转过给定的较大的角度。这样就不会出现电流持 续较大的现象。 还有，当我们控制多个舵机的时候，如果同时控制也会导致电流过大。解决 第 12 页 方法就是依次送出控制信号，确保某一时刻只有一个舵机在转动。 硬件上，可以通过电流检测电路判断舵机是否持续工作在电流较大的状态。 上面讲到过，控制舵机转动的一个脉冲周期为 1820ms，舵机是在脉冲周期的下 降沿之后大约 0.5us 开始工作的，即进入电流较大的状态。比如说，我们取脉冲 周期为 19ms， 高电平时间为

16、 1.5ms， 即电流较高的状态是在一个脉冲周期内低电 平的 17.5ms 内发生的。所以我们就检测这个时间段内电流较大状态所占的百分 比，如果超过某一阈值，比如超过 80%,就会触发蜂鸣器报警，同时机械臂停止 工作,从而达到保护舵机和电路的目的。 *(蜂鸣器报警时请关闭电源重新启动即可)。 4.4 机械臂抖动机械臂抖动 在机械臂工作时，有时会出现机械臂抖动的现象，接下来就分析一下抖动发 生的原因。 通过上述分析我们知道，舵机转动的动作发生在一个脉冲周期的下降沿之 后， 下一个脉冲上升沿之前。 在这段时间内， 除了舵机转动时， 转轴是不受力的， 当外力施加在转轴转动的反方向时，转轴就会往反方向转动，当下一个脉冲周期 来临时，转轴又会按原方向转回去。如此往复，就会发生抖动。机械臂的抖动主 要有两种情况， 一是当机械臂倾斜时， 由于受到重力的作用， 就会出现抖动现象； 二是当机械臂运动受阻时，尤其是小车前方的电路板挡住机械臂运动方向时，由 于实际情况不是严格的刚性系统，所以会发生反弹，也出现抖动现象。 五、机械臂核心板说明五、机械臂核心板说明 5.1 图示说明图示说明