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1、-基于STM32的机械臂驱动系统设计摘 要由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。本课题主要对四自由度机械臂控制系统进展了研究与设计。作为运动控制系统的一种，该控制系统主要面向底层，力争开发出一套稳定性高，可靠性强并且定位准确的工业机械臂系统。首先根据机械臂系统的控制要求，整体上设计出单 CPU 的系统控制方案，即通过控制主控制器输出的 PWM 波的占空比实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。在硬件方面，主要论述了如何以
2、 ARM 微处理器STM32F103ZET6、MG995舵机、MG945舵机、超声波传感器和电源模块为主要器件，通过搭建硬件平台和设计软件控制程序构建关节运动控制系统。然后按照构造化设计的思想，依次对以上各局部的原理和设计方法进展了分析和探讨，给出了实际的原理图和电路图。在软件设计方面，按照模块化的设计思想将控制程序分为初始化模块和运行模块，并分别对各个模块的程序进展设计。实验说明，该机械臂控制系统不仅具有很好的控制精度，还具有很好的稳定性、准确性，而且在很大程度上改善了定位精度。关键词：四自由度机械臂，STM32，Corte*-M3，脉冲宽度调制the Design of Manipulat
3、or Drive System Based on STM32 Author：* Tutor：*AbstractIn recent years, robot arm is widely used in industry control, special robot, medical device and home service robots. Research of robot arm control system is a focus in robot area. It is meaningful to increase the performance in accuracy, stabil
4、ity and feasibility.This paper is the research and design about a control system based on a four degrees freedoms design. And, we strive to develop a high stability, reliability and accurate control system.Firstly, according to the control requirements of the robotic system, the overall design of th
5、e system control program is based on a single CPU. Turn the steering control to achieve the control of the duty cycle of the PWM wave output by the main controller, so as to realize the position control of each joint. In terms of hardware, the paper mainly discusses how to use the ARM microprocessor
6、 STM32F103ZET6, MG995 Servo, MG945 servos, ultrasonic sensors and power supply module as the main components, build a joint motion control system by building hardware platforms and software control program. Then follow the structured design ideas, principles and design methods sequentially over each
7、 part is analyzed and discussed, and then give the actual schematic or circuit diagram. In software design, the control program is divided into the run modules and the initialization module and design program of each module separately.Control system e*periments show that the system can significantly
8、 improve the precision of control, and improve system stability, accuracy, so that the positioning accuracy of the robot arm has been greatly improved and enhanced. Key Words: Four Degrees Freedom Robot, STM32, Corte*-M3,Pulse Width Modulation. z.-目 录1绪论1机械臂概述1机械臂研究的意义1国内外机械臂的研究现状及开展趋势1机械臂的分类2机械臂控制的
9、研究内容4机械臂的驱动方式4机械臂的机械构造4机械臂的控制器4机械臂的控制算法5嵌入式系统简介5本文的主要工作62机械臂控制系统的总体方案设计7机械臂的机械构造设计7臂部构造设计原则7机械臂自由度确实定7工作对象简介7机械臂关节控制的总体方案8机械臂控制器类型确实定8机械臂控制系统构造9关节控制系统的控制策略9本章小结93机械臂控制系统硬件设计11机械臂控制系统概述11微处理器选型11主控制模块设计13电源电路13复位电路14时钟电路153.3.4 JTAG调试电路15驱动模块设计16电源模块设计17传感器模块设计19本章小结194机械臂控制系统软件设计20初始化模块设计20系统时钟控制204
10、.1.2 SysTick定时器224.1.3 TIM定时器23通用输入输出接口GPIO24超声波传感器模块24运行模块设计25本章小结265 系统的整机调试27硬件调试27软件调试28故障原因及解决方法31本章小结32结论33致34参考文献35附录37附录A37附录B46附录C47. z.-1绪论早在几千年前，人类就开场了机器人的制造，以解决人类繁重的劳动。例如，古希腊诗人荷马在其长篇叙事诗伊利亚特中，描述了火和锻冶之神赫菲斯托斯用黄金锻造出一个侍女1。一直以来，人们也一直致力于将这些美丽的神话变为现实。1958年世界上的第一台机器人被创造以来，与工业机器人相关的技术得到了迅猛的开展，并且己经
11、愈来愈广泛的应用在机械、电子、汽车等行业2。如今，机器人技术已成为衡量一个国家科技水平的标志之一3。作为近几十年来开展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅具有人和机器各自的很多优点，而且特别具有人的智能性和适应性。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的开展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作4。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用5。机器人的研究始于二战后的美国。1958年第一台数控工业机器人诞生后，机器人在工
12、业上的应用不断增加，日本、德国等国家也相继开场机器人的研制。中国对现代机器人的研制始于上世纪70年代后期，80年代进入到飞速开展时期。尤其在国家成立了863方案后，机器人技术得到特别的重视，由此中国在机器人领域取得了飞速开展，相继研制出示教再现型的搬运、焊接、喷漆、装配等各种工业机器人，以及水下作业、军事和特种机器人。机械臂开展状况概括如下：第一代机械臂，即示教再现方式的机械臂。目前这种机械臂仍广泛应用于各种场合。这种工作方式只能按照事先设置的位置进展重复的动作，但是不能感知周围环境，其应用范围因此受到一定的限制。这类机械臂主要工作于原料搬运、喷漆、焊接等工作场合。第二代机械臂，即具有视觉、触
13、觉等外部感觉功能的机械臂。这类机械臂可以根据周围环境的变化进展自适应，故可以完成较为复杂的工作。图1.1 一汽红旗轿车机器人焊接生产线第三代机械臂，这类机械臂不仅具有第二代机械臂的感觉功能，而且还具有规划和决策的功能。从而在环境发生变化时进展自主的工作。但是目前这类机械臂依然处于研究阶段，还需要一段时间才能得到实际应用6。图1.2 演奏机器人从机械臂几十年来的成长进程来看，高精度，多功能，集成化，系统化以及智能化是机械臂在以后多年中的开展方向。机械臂一般从运动坐标形式分为直角坐标式机械臂、圆柱坐标式机械臂、极坐标式机械臂和多关节式机械臂。直角坐标式机械臂：由三个线性关节来确定手爪的位置，通常还
14、带有附加的旋转关节用来确定末端执行器的姿势。这类机械臂虽然控制位置精度高、简单，但构造繁杂，占地面积大。圆柱坐标式机械臂：由两个滑动关节以及一个旋转关节来确定手爪的位置，也可以再附加一个旋转关节来确定部件的位置。其位置精度仅次于直角坐标式机械臂，控制简单，但构造庞大，移动轴的设计复杂。极坐标式机械臂：它由一个滑动关节以及两个旋转关节来确定手爪的位置，也可以附加一个旋转关节来确定部件的姿势。这类机械臂占地面积小，构造紧凑，但有平衡问题，位置误差与臂长有关。多关节式机械臂：其关节都是旋转的，类似于人的手臂，是工业机械臂中最常见的构型。该类机械臂构造紧凑，占地面积小，工作空间大，但是位置精度较差，控
15、制存在耦合，比拟复杂。图1.31.6分别对应以上四种机械臂。图1.3 直角坐标式机械臂 图1.4 圆柱坐标式机械臂图1.5 极坐标式机械臂 图1.6 多关节式机械臂作为驱动方式，通常采用液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。液压式：液压驱动机械臂通常由液动机各种油缸、油马达伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械臂的执行机构进展工作7。气压式：其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成。电动式：电力驱动的机械臂是目前应用最广泛的一种类型。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机，其中交流伺服电机为目前主要的驱动形式。由于电机速度高，通常还需要减速机构8。传统的机械臂系统由于占地面积较大，所以在
