機(jī)械臂本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)范文

1、歡迎下載 基于 STM32 的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要由于機(jī)械臂在各行各業(yè)中得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，機(jī)械臂控制的多樣化、復(fù)雜化的需要也隨之日趨增多。作為當(dāng)今科技領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，提高機(jī)械臂的控制精度、穩(wěn)定性、操作靈活性對(duì)于提高其應(yīng)用水平有著十分重要的意義。本課題主要對(duì)四自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一種，該控制系統(tǒng)主要面向底層，力爭(zhēng)開發(fā)出一套穩(wěn)定性高，可靠性強(qiáng)并且定位準(zhǔn)確的工業(yè)機(jī)械臂系統(tǒng)。首先根據(jù)機(jī)械臂系統(tǒng)的控制要求，整體上設(shè)計(jì)出單 CPU 的系統(tǒng)控制方案，即通過控制主控制器輸出的 PWM 波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的位置控制。在硬件方面，主要

2、論述了如何以 ARM 微處理器STM32F103ZET6、MG995 舵機(jī)、MG945 舵機(jī)、超聲波傳感器和電源模塊為主要器件，通過搭建硬件平臺(tái)和設(shè)計(jì)軟件控制程序構(gòu)建關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。然后按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思想，依次對(duì)以上各部分的原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析和探討，給出了實(shí)際的原理圖和電路圖。在軟件設(shè)計(jì)方面，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想將控制程序分為初始化模塊和運(yùn)行模塊，并分別對(duì)各個(gè)模塊的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)械臂控制系統(tǒng)不僅具有很好的控制精度，還具有很好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，而且在很大程度上改善了定位精度。關(guān)鍵詞：四自由度機(jī)械臂，STM32，Cortex-M3，脈沖寬度調(diào)制歡迎下載the Design

3、of Manipulator Drive System Based on STM32 Author：XXX Tutor：XXXAbstractIn 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

4、accuracy, stability 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 over

5、all design of the 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 AR

6、M microprocessor 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 sequen

7、tially over each 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 experiments show that the system c

8、an significantly 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, Cortex-M3, Pulse Width Modulation歡迎下載目 錄1 緒論.11.1 機(jī)械臂概述.11.1.1 機(jī)械臂研究的意義.1

9、1.1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).11.1.3 機(jī)械臂的分類.21.2 機(jī)械臂控制的研究?jī)?nèi)容.41.2.1 機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式.41.2.2 機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu).41.2.3 機(jī)械臂的控制器.41.2.4 機(jī)械臂的控制算法.51.3 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介.51.4 本文的主要工作.62 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì).72.1 機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).72.1.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則.72.1.2 機(jī)械臂自由度的確定.72.2 工作對(duì)象簡(jiǎn)介.72.3 機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制的總體方案.82.3.1 機(jī)械臂控制器類型的確定.82.3.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).92.3.3 關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制策略.92.4 本

10、章小結(jié).93 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).113.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述.113.2 微處理器選型.113.3 主控制模塊設(shè)計(jì).133.3.1 電源電路.133.3.2 復(fù)位電路.143.3.3 時(shí)鐘電路.153.3.4 JTAG 調(diào)試電路.153.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì).163.5 電源模塊設(shè)計(jì).173.6 傳感器模塊設(shè)計(jì).193.7 本章小結(jié).19歡迎下載4 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).204.1 初始化模塊設(shè)計(jì).204.1.1 系統(tǒng)時(shí)鐘控制.204.1.2 SysTick 定時(shí)器 .224.1.3 TIM 定時(shí)器.234.1.4 通用輸入輸出接口 GPIO.244.1.5 超聲波傳感器模塊.244.2

11、 運(yùn)行模塊設(shè)計(jì).254.3 本章小結(jié).265 系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試.275.1 硬件調(diào)試.275.2 軟件調(diào)試.285.3 故障原因及解決方法.315.4 本章小結(jié).32結(jié) 論.33致 謝.34參考文獻(xiàn).35附 錄.37附錄 A.37附錄 B.46附錄 C.47歡迎下載1 緒論1.1 機(jī)械臂概述1.1.1 機(jī)械臂研究的意義早在幾千年前，人類就開始了機(jī)器人的制造，以解決人類繁重的勞動(dòng)。例如，古希臘詩(shī)人荷馬在其長(zhǎng)篇敘事詩(shī)伊利亞特中，描述了“火和鍛冶之神”赫菲斯托斯用黃金鍛造出一個(gè)侍女1。一直以來(lái)，人們也一直致力于將這些美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。1958 年世界上的第一臺(tái)機(jī)器人被發(fā)明以來(lái)，與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)

12、得到了迅猛的發(fā)展，并且己經(jīng)愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用在機(jī)械、電子、汽車等行業(yè)2。如今，機(jī)器人技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的標(biāo)志之一3。作為近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)設(shè)備，機(jī)械臂可以通過編寫軟件程序來(lái)完成目標(biāo)任務(wù)，它不僅具有人和機(jī)器各自的很多優(yōu)點(diǎn)，而且特別具有人的智能性和適應(yīng)性。在作業(yè)過程中，機(jī)械臂控制的準(zhǔn)確性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，已經(jīng)使其在各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。高級(jí)類型的機(jī)械臂，可以執(zhí)行更復(fù)雜的操作4。將機(jī)器臂運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，除了可以提高生產(chǎn)率之外，還能夠減弱工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此機(jī)械臂在近幾年得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用5。1.1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)機(jī)器人的

13、研究始于二戰(zhàn)后的美國(guó)。1958 年第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人誕生后，機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用不斷增加，日本、德國(guó)等國(guó)家也相繼開始機(jī)器人的研制。中國(guó)對(duì)現(xiàn)代機(jī)器人的研制始于上世紀(jì) 70 年代后期，80 年代進(jìn)入到飛速發(fā)展時(shí)期。尤其在國(guó)家成立了 863 計(jì)劃后，機(jī)器人技術(shù)得到特別的重視，由此中國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域取得了飛速發(fā)展，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、焊接、噴漆、裝配等各種工業(yè)機(jī)器人，以及水下作業(yè)、軍事和特種機(jī)器人。機(jī)械臂發(fā)展?fàn)顩r概括如下：第一代機(jī)械臂，即示教再現(xiàn)方式的機(jī)械臂。目前這種機(jī)械臂仍廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。這種工作方式只能按照事先設(shè)置的位置進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作，但是不能感知周圍環(huán)境，其應(yīng)用范圍因此受到一定的限制

14、。這類機(jī)械臂主要工作于原料搬運(yùn)、噴漆、焊接等工歡迎下載作場(chǎng)合。第二代機(jī)械臂，即具有視覺、觸覺等外部感覺功能的機(jī)械臂。這類機(jī)械臂可以根據(jù)周圍環(huán)境的變化進(jìn)行自適應(yīng)，故可以完成較為復(fù)雜的工作。圖 1.1 一汽“紅旗”轎車機(jī)器人焊接生產(chǎn)線第三代機(jī)械臂，這類機(jī)械臂不僅具有第二代機(jī)械臂的感覺功能，而且還具有規(guī)劃和決策的功能。從而在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行自主的工作。但是目前這類機(jī)械臂依然處于研究階段，還需要一段時(shí)間才能得到實(shí)際應(yīng)用6。圖 1.2 演奏機(jī)器人從機(jī)械臂幾十年來(lái)的成長(zhǎng)進(jìn)程來(lái)看，高精度，多功能，集成化，系統(tǒng)化以及智能化是機(jī)械臂在以后多年中的發(fā)展方向。1.1.3 機(jī)械臂的分類機(jī)械臂一般從運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式分為直

15、角坐標(biāo)式機(jī)械臂、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂、極坐標(biāo)歡迎下載式機(jī)械臂和多關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。直角坐標(biāo)式機(jī)械臂：由三個(gè)線性關(guān)節(jié)來(lái)確定手爪的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來(lái)確定末端執(zhí)行器的姿勢(shì)。這類機(jī)械臂雖然控制位置精度高、簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)繁雜，占地面積大。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂：由兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定手爪的位置，也可以再附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的位置。其位置精度僅次于直角坐標(biāo)式機(jī)械臂，控制簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)龐大，移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)復(fù)雜。極坐標(biāo)式機(jī)械臂：它由一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)以及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定手爪的位置，也可以附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的姿勢(shì)。這類機(jī)械臂占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，但有平衡問題，位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。多關(guān)節(jié)式機(jī)械

16、臂：其關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)的，類似于人的手臂，是工業(yè)機(jī)械臂中最常見的構(gòu)型。該類機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，工作空間大，但是位置精度較差，控制存在耦合，比較復(fù)雜。圖 1.31.6 分別對(duì)應(yīng)以上四種機(jī)械臂。 圖 1.3 直角坐標(biāo)式機(jī)械臂 圖 1.4 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂 圖 1.5 極坐標(biāo)式機(jī)械臂 圖 1.6 多關(guān)節(jié)式機(jī)械臂歡迎下載1.2 機(jī)械臂控制的研究?jī)?nèi)容1.2.1 機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式作為驅(qū)動(dòng)方式，通常采用液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。液壓式：液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂通常由液動(dòng)機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作7。氣壓式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空

17、壓機(jī)組成。電動(dòng)式：電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂是目前應(yīng)用最廣泛的一種類型。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)，其中交流伺服電機(jī)為目前主要的驅(qū)動(dòng)形式。由于電機(jī)速度高，通常還需要減速機(jī)構(gòu)8。1.2.2 機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的機(jī)械臂系統(tǒng)由于占地面積較大，所以在小空間的環(huán)境下不適用。在一些特殊的環(huán)境下，我們需要一種占地面積小而且活動(dòng)靈敏的機(jī)械臂。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的控制，首先要分析機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中動(dòng)力源以及動(dòng)力傳遞方法應(yīng)被予以重視?，F(xiàn)在，電力傳動(dòng)的機(jī)械臂得到了廣泛的應(yīng)用，在動(dòng)力傳動(dòng)方式上，有連桿式、齒輪式、繩索式等。以關(guān)節(jié)型為主流，80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械臂約占總量的

18、1/29。鑒于汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需要，超大型機(jī)械臂應(yīng)運(yùn)而生。1.2.3 機(jī)械臂的控制器選擇一個(gè)性能較好的控制器對(duì)控制功能的實(shí)現(xiàn)來(lái)說是十分必要的。工業(yè)控制技術(shù)、軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)械臂控制器的選擇提供的充分的條件?？删幊炭刂破鳎≒LC）由于抗干擾能力強(qiáng)，故障率較低，設(shè)備易于擴(kuò)展、維護(hù)，開發(fā)周期短等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合10。但是其成本很高。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）采用數(shù)據(jù)和程序分離的哈佛結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，執(zhí)行指令速度更快，它以處理能力強(qiáng)、內(nèi)置較大的存儲(chǔ)器、芯片功耗低及配置資源靈活等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用11。但是其成本較高，高頻干擾很大，功率消耗也很大。FPGA（FieldPr

19、ogrammable Gate Array）靈活，設(shè)計(jì)周期短的特點(diǎn)使其特別適合用于小批量系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和集成度12。但是 FPGA 的功耗非常大，而且跟硬件的的聯(lián)系非常大，使用起來(lái)很有難度13。與上述各種微處理器相比，STM32F103ZET6 處理器是意法半導(dǎo)體公司 STM32 系列芯片的一種，STM32F103ZET6 采用 ARM 最新的 Cortex-M3 內(nèi)核，具有低成本、高歡迎下載集成度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)14。ARM 微處理器資源豐富，具有很好的通用性，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2.4 機(jī)械臂的控制算法應(yīng)用于機(jī)械臂系統(tǒng)控制方法多種多樣，包括傳統(tǒng)的 PID 控制，現(xiàn)代控

20、制的軌跡控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等。PID 控制的實(shí)用性很強(qiáng)。只要三個(gè)參數(shù)配合適當(dāng)，便可實(shí)現(xiàn)速敏捷、平穩(wěn)準(zhǔn)確的控制。工業(yè)生產(chǎn)上的機(jī)械臂經(jīng)常采用示教再現(xiàn)的方式。模糊控制和自適應(yīng)控制精度高，是現(xiàn)代控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的控制方法，尤其體現(xiàn)在軍工領(lǐng)域和航天領(lǐng)域中。機(jī)械臂的研究?jī)?nèi)容除以上主要內(nèi)容外，智能化傳感器的應(yīng)用、機(jī)器人的編程語(yǔ)言以及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)也有非常重要的意義。1.3 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介在一般情況下，嵌入式系統(tǒng)是“執(zhí)行特殊功能并受內(nèi)部控制器控制的設(shè)備或系統(tǒng)”，即“嵌入到對(duì)象體系內(nèi)的特定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”?！扒度胄浴薄ⅰ皩Ｓ眯浴迸c“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。它主要負(fù)責(zé)信號(hào)的控制

21、，體積小，可作為一個(gè)部件嵌入到所控制的裝置中。它提供用戶接口、有關(guān)管理信息的輸入輸出等，使設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有較高的智能和性價(jià)比。進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)代后，科技人員開始了嵌入式系統(tǒng)的研究，之后迅速進(jìn)入到獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代，隨后又迅速進(jìn)入到電子技術(shù)領(lǐng)域中15。嵌入式技術(shù)的發(fā)展不僅使機(jī)器人在微型化、智能化等方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又使機(jī)器人的價(jià)格大幅降低，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在更多領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。1.4 本文的主要工作該設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)四自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)相應(yīng)的軟件、硬件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該設(shè)計(jì)以四自由度機(jī)械臂為控制基礎(chǔ)，以 STM32F103ZET6 為主控芯片，設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)，控制精度較高，穩(wěn)定性較強(qiáng)，

22、具體的內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面：1.對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，具體的電路以及芯片的選擇進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，并對(duì)其可靠性進(jìn)行了深入的分析。2.對(duì)舵機(jī)的控制理論進(jìn)行了深入的研究，分析討論了控制系統(tǒng)所涉及的主控芯片。3.根據(jù)四自由度機(jī)械臂需要完成的工作任務(wù)，編寫了系統(tǒng)的軟件控制程序，對(duì)初始化、運(yùn)行等模塊展開了較為詳細(xì)的介紹，之后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)的調(diào)試，調(diào)試結(jié)歡迎下載果表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較為精確的控制。歡迎下載2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則作為機(jī)械臂的一個(gè)重要組成部分，手臂不僅起到支撐被抓物體、手爪和其他關(guān)節(jié)的作用，而

23、且還可以驅(qū)動(dòng)手爪抓取物體，并根據(jù)事先預(yù)定的位置將物體搬運(yùn)到指定地點(diǎn)16。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式必須基于其運(yùn)動(dòng)形式、動(dòng)作自由度、抓取質(zhì)量、受力情況和其他的因素來(lái)確定，整個(gè)系統(tǒng)的總質(zhì)量比較大，受力也比較復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量直接影響到機(jī)械臂的剛度和強(qiáng)度。所以，進(jìn)行手臂的設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)注意下述要求：（1）剛度要大。為了避免機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生較大的形變，要合理選擇手臂的截面形狀。（2）導(dǎo)向性要好。為了避免機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生不必要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，臂桿最好設(shè)計(jì)成方形或是花鍵等形式。（3）偏重力矩要小。要盡可能減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。該設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械臂的功能及搬運(yùn)工作的任務(wù)的特點(diǎn)以及類型，為了使其在一定程度上

24、具有操作的靈活性和運(yùn)行性能的良好，經(jīng)過多次的比較、討論后，該設(shè)計(jì)選用多關(guān)節(jié)型的機(jī)械臂，它不僅具有動(dòng)作的角度大的優(yōu)點(diǎn)，還可以使機(jī)械臂在更大的空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。2.1.2 機(jī)械臂自由度的確定機(jī)械臂的自由度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，取決于機(jī)械臂的類型及其結(jié)構(gòu)，并且在很大程度上直接決定到機(jī)械臂能否完成預(yù)定的任務(wù)。一般來(lái)說是根據(jù)機(jī)械臂的用途來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械臂的自由度。自由度越多的機(jī)械臂，具有更大的運(yùn)動(dòng)的靈活性，通用性也越強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械臂采用四個(gè)自由度就可以完成設(shè)定的搬運(yùn)任務(wù)。其中機(jī)械臂的手臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)四個(gè)關(guān)節(jié)以及末端手爪的開合。歡迎下載2.2 工作對(duì)象簡(jiǎn)

25、介在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用機(jī)械臂進(jìn)行的工作對(duì)象中袋裝物品和箱裝物品較為是常見的。在一般的情況下，箱裝物品由于具有規(guī)則的外形，多使用吸附式的手爪；而袋裝物品由于具有極易產(chǎn)生形變的特點(diǎn)，多使用夾鉗式或者插板式的手爪。在該設(shè)計(jì)中，由于受機(jī)械臂硬件條件的限制，選擇夾鉗式的手爪搬運(yùn)箱裝物品。模擬的箱裝物品的長(zhǎng)、寬、高分別是 55mm、36mm 和 30mm。在進(jìn)行工作對(duì)象的選擇過程中，共有 3 種型號(hào)可供選擇。其中長(zhǎng)、寬、高分別是40mm、36mm、和 30mm 的工作對(duì)象由于超聲波傳感器的反射面較小，所以當(dāng)其已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到指定搬運(yùn)位置時(shí)，傳感器不能準(zhǔn)確的檢測(cè)到物體，所以控制精度不夠高，放棄采用。而長(zhǎng)、寬、高分別是

26、65mm、36mm 和 30mm 的工作對(duì)象對(duì)于該手爪來(lái)說尺寸較大，在抓取和搬運(yùn)的過程中經(jīng)常出現(xiàn)掉落的現(xiàn)象，所以沒有采用。2.3 機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制的總體方案2.3.1 機(jī)械臂控制器類型的確定作為機(jī)械臂的心臟，機(jī)械臂控制器是根據(jù)程序指令和從傳感器獲得的傳感信息來(lái)控制機(jī)械臂完成事先預(yù)定的動(dòng)作或任務(wù)的裝置，控制器的性能決定了機(jī)械臂控制性能的好壞。從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式方面來(lái)劃分，機(jī)械臂控制器大約可分為 3 種：?jiǎn)蜟PU 集中控制方式、多 CPU 分布式控制方式、二級(jí) CPU 主從式控制方式。（1）單 CPU 集中控制方式：?jiǎn)?CPU 集中控制系統(tǒng)必須是一個(gè)強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，它的全部控制功能是用一臺(tái)功能強(qiáng)

27、大的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。Hero-、Robot- 等這些時(shí)代較早的機(jī)器人采用的就是這種單 CPU 集中控制方式的結(jié)構(gòu)，但由于在控制的過程中需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此這種控制方式的控制速度一般比較慢。（2）多 CPU 分布式控制方式：多 CPU 分布式控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是一個(gè)CPU 負(fù)責(zé)控制一個(gè)關(guān)節(jié)軸，同時(shí)在上位機(jī)與單軸控制的 CPU 之間設(shè)計(jì)了一個(gè)并行接口，其主要負(fù)責(zé)上、下位機(jī)的通信，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。（3）二級(jí)主從式控制方式：該控制方式需要主從兩個(gè) CPU，即上位機(jī)和下位的單片機(jī)兩層結(jié)構(gòu)。上位機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算等任務(wù)，根據(jù)預(yù)定的位置，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量，以指令形式傳送給下

28、位的微處理器。下位的微處理器根據(jù)指令對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂系統(tǒng)基于 STM32 微處理器，利用 STM32 強(qiáng)大的運(yùn)算和處歡迎下載理能力，采用單 CPU 集中控制方式即可滿足要求。2.3.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本課題研究的機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用單 CPU 集中控制方式，系統(tǒng)框圖如下：圖 2.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)用于完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、發(fā)送指令、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。計(jì)算機(jī)通過 J-Link仿真器將程序下載至 STM32 微處理器，向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)出位置指令，STM32 根據(jù)指令輸出 PWM 波，從而使機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過指定的角度，進(jìn)而使其按照預(yù)定的軌跡完成搬運(yùn)任務(wù)。2.3

29、.3 關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制策略本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)以 STM32 微處理器為核心，對(duì)直流伺服電機(jī)（舵機(jī)）進(jìn)行較為精確的運(yùn)動(dòng)控制。關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理是：STM32 微處理器內(nèi)部的 PWM 單元產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)內(nèi)部的齒輪組，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作為位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或者反向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖最終趨于為 0，從而達(dá)到使伺服電機(jī)的精確定位17。該關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：（1）使用以 Contex

30、-M3 為內(nèi)核的 STM32F103ZET6 作為系統(tǒng)的微控制器，與傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)相比起來(lái)，具有功耗小，運(yùn)算能力大大增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。（2）采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，根據(jù) STM32 微控制器輸出的PWM 控制信號(hào)的占空比來(lái)確定直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制起來(lái)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確。2.4 本章小結(jié)計(jì)算機(jī)J-Link仿真器舵機(jī)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)STM32關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)歡迎下載本章介紹了 4 自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)4 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從整體上確定了該機(jī)械臂控制系統(tǒng)的控制方案。首先確定了該關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)采用單 CPU 集中控制方式，然后說明了關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理，

31、最后介紹了本設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的一些主要特點(diǎn)。歡迎下載3 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述機(jī)械臂控制系統(tǒng)通常要滿足如下幾個(gè)基本的要求：（1）控制系統(tǒng)的微型化、輕型化和模塊化。因?yàn)闄C(jī)械臂的控制系統(tǒng)是安裝在機(jī)械臂上的，所以為了安裝的方便和減輕機(jī)械臂的負(fù)載，控制系統(tǒng)應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)微型化和輕型化；另外，為了達(dá)到系統(tǒng)的各單元之間有要求的獨(dú)立性的目的，要盡量實(shí)現(xiàn)模塊化。（2）控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為了滿足機(jī)械臂的輸入輸出信息量大，并且計(jì)算量大，同時(shí)要保證較高的控制精度的要求，機(jī)械臂控制系統(tǒng)必須具有較好的實(shí)時(shí)性。（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性和開放性。穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提和保證，所以機(jī)械臂控制系統(tǒng)必須

32、具有一定的穩(wěn)定性以保證系統(tǒng)的低故障率。此外，為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)以后的改進(jìn)和可以方便的移植到其他的位置，這就要求控制系統(tǒng)具有好的開放性18。該機(jī)械臂控制系統(tǒng)由主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊組成，每個(gè)子模塊的功能如下：主控制模塊：作為該控制系統(tǒng)的核心，包括 ARM Cortex-M3 內(nèi)核和有關(guān)外圍電路，主要負(fù)責(zé)完成 PWM 波（控制信號(hào)）的輸出。驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，由舵機(jī)組成。電源模塊：機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用雙電源供電模式，STM32 單片機(jī)經(jīng)過 AMS1117-3.3V 穩(wěn)壓芯片供電，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 7.2V 可充電電池經(jīng) LM2596 DC-DC 可調(diào)降壓模塊實(shí)現(xiàn)供電。3.2

33、 微處理器選型微控制器作為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，其性能對(duì)控制效果起著至關(guān)重要的作用，因此高性能的 CPU 是必需的。微控制器的選擇對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響很大，所以要在具體分析了該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求后選擇合適的微控制器，應(yīng)基于整個(gè)系統(tǒng)的控制速度及其智能水平兩個(gè)方面，以如下幾個(gè)方面為重點(diǎn)進(jìn)行微控制器的選擇：系統(tǒng)時(shí)鐘速度歡迎下載運(yùn)算速度功能電機(jī)控制方式ROM 及 ROM 的大小控制板的結(jié)構(gòu)尺寸目前，應(yīng)用于機(jī)械臂的微控制器有很多種，最廣泛的有 8/16 位單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器兩種。選擇 8/16 位單片機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開發(fā)周期較短，但數(shù)據(jù)處理能力弱，需要附加很多的外部設(shè)備如 PID

34、調(diào)節(jié)器和 PWM 發(fā)生器等才能完成較為復(fù)雜的控制，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強(qiáng)，開發(fā)板尺寸較大。相比于 8/16 位單片機(jī)，數(shù)字信號(hào)處理器具有處理能力強(qiáng)、速度快、開發(fā)板體積小等特點(diǎn)，但在中斷處理、位處理方面，DSP 不如單片機(jī)的資料多，而且芯片的價(jià)格以及其相應(yīng)的開發(fā)軟件也比較貴，針對(duì)性性比較強(qiáng)，但是通用性一般比較差。具有同等性能的 ARM 微處理器與 DSP 相比，資源更加的豐富，通用性明顯增強(qiáng)，它所具有的處理速度快、性價(jià)比高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。雖然作為32 位的微處理器，但是由于 ARM 內(nèi)部具有 16 位的 Thumb 指令集，這使其能夠作為16 位的單片機(jī)使用，卻擁有了 32 位

35、單片機(jī)的處理速度。所以，用單片機(jī)和 DSP 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM 都可以實(shí)現(xiàn)。在上述分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)比較，本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司的 STM32 處理器，如圖 3.1 所示。STM32F103ZET6 是基于 32 位 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微處理器，不但支持實(shí)時(shí)仿真，而且嵌入了 512KB 的高速閃存。CPU 的最高工作頻率為72MHz，支持 Thumb-2。圖 3.1 STM32STM32 的主要特性如下1922：內(nèi)核為 ARM32 位的 Cortex-M3 CPU：歡迎下載存儲(chǔ)器：512KB 的閃存程序存儲(chǔ)器； 64KB 的 SRAM；帶 4 個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器。支

36、持 CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAND存儲(chǔ)器。時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：低功耗：3 個(gè) 12 位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器：3 倍采樣和保持功能；溫度傳感器。2 通道 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。12 通道 DMA 控制器：調(diào)試模式：串行單線調(diào)試和 JTAG 接口；Cottex-M3 內(nèi)嵌跟蹤模塊。112 個(gè)快速 I/O 端口。11 個(gè)定時(shí)器。13 個(gè)通信接口。CRC 計(jì)算單元，96 位的芯片唯一代碼。3.3 主控制模塊設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的主控制模塊的硬件系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路以及 JTAG 調(diào)試電路四大組成部分。3.3.1 電源電路在硬件電路的設(shè)計(jì)中，電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的，如

37、果不能妥善處理，不但會(huì)使電路不能正常工作，嚴(yán)重的還可能燒毀電路。因此，在設(shè)計(jì)電源時(shí)務(wù)必要注意如下幾點(diǎn)：（1）交流輸入和直流輸出盡可能保持更大的距離；（2）地線要足夠粗，單點(diǎn)和多點(diǎn)相結(jié)合，同時(shí)分離模擬地和數(shù)字地；（3）散熱要好，布局應(yīng)合適；歡迎下載圖 3.2 電源電路圖STM32 開發(fā)板支持的供電方式主要有 3 種，分別是：USB 接口供電，最大為 500mA外部直流 5V 供電JLINK V8 電源，包括兩種方式 5V 和 3.3V 如上圖所示，當(dāng)電源開關(guān)撥到下面時(shí)，開發(fā)板由外部接口供電。板上的電源轉(zhuǎn)換芯片將 USB 接口輸入的 5V 電源轉(zhuǎn)換成 3.3V 的電源，給處理器和相關(guān)外圍電路供電。

38、當(dāng)電源開關(guān)撥到上面時(shí)，開發(fā)板由 USB 接口供電。板上的電源轉(zhuǎn)換芯片將 USB接口輸入的 5V 電源轉(zhuǎn)換成 3.3V 的電源，給處理器和相關(guān)外圍電路供電。3.3.2 復(fù)位電路圖 3.3 復(fù)位電路圖如上圖所示，B1 為整個(gè)板的復(fù)位按鈕，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，STM32 處理器、液晶、以太網(wǎng)和音頻解碼芯片等都將復(fù)位。歡迎下載3.3.3 時(shí)鐘電路STM32 的 VBAT 的供電是由 CR1220 紐扣電池以及外部電源混合完成的，在有外部電源（VCC3.3）的情況下，CR1220 紐扣電池不給 VBAT 供電而由外部電源實(shí)現(xiàn)供電。但是，當(dāng)外部電源斷開的情況下， CR1220 紐扣電池負(fù)責(zé)給 VBAT 供電。

39、這樣，VBAT 總是有電的，以保證 RTC 的走時(shí)以及后備寄存器的內(nèi)容不丟失。相關(guān)電路如下：圖 3.4 時(shí)鐘電路圖3.3.4 JTAG 調(diào)試電路軟件程序的編寫通常是需要多次的修改才適用的，因此一些比較先進(jìn)的調(diào)試手段便應(yīng)運(yùn)而生。JTAG 仿真調(diào)試手段作為其中的一種，是由 ARM 公司提出的。如下圖所示：圖 3.5 JTAG 調(diào)試電路圖通過 JTAG 接口，我們可以燒錄和調(diào)試程序，開發(fā)板的 JTAG 接口的硬件連接如歡迎下載上圖所示，可以與目前主流的 JLINK V8 仿真器配合使用。3.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)該機(jī)械臂控制系統(tǒng)包括四個(gè)旋轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，以及末端手爪的運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的要五個(gè)

40、動(dòng)力源才能完成目標(biāo)作業(yè)。如第一章所述，廣泛使用的驅(qū)動(dòng)方式主要包括液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。三者各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量不應(yīng)太重，效率也應(yīng)較高；（2）響應(yīng)速度快；（3）動(dòng)作靈活，位移偏差以及速度偏差均較??；（4）安全可靠；（5）操作和維護(hù)方便；（6）經(jīng)濟(jì)合理，占地面積要盡可能的小?；谏鲜鲵?qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和該機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)選用直流伺服電機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)型號(hào)為分別 MG995、MG945，如圖 3.2、3.3，其參數(shù)如下：MG995：（1）尺寸：40mm20mm36.5mm （2）重量：62g（3）技

41、術(shù)參數(shù)：無(wú)負(fù)載速度 0.17 秒/60 度(4.8V) 、0.13 秒/60 度(6.0V) （4）扭矩：13KG （5）使用溫度：-30+60 攝氏度 （6）死區(qū)設(shè)定：4 微秒 （7）工作電壓：3.0V-7.2V圖 3.6 MG995 舵機(jī)MG945：（1）尺寸：40mm20mm36.5mm （2）重量：70g歡迎下載（3）技術(shù)參數(shù)：無(wú)負(fù)載速度 0.23 秒/60 度(4.8V) 、0.20 秒/60 度(6.0V) （4）扭矩：13KG （5）使用溫度：-30+60 攝氏度 （6）死區(qū)設(shè)定：5 微秒 （7）工作電壓：4.8V-7.2V圖 3.7 MG945 舵機(jī)一般來(lái)說，舵機(jī)是由舵盤、減速

42、齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等幾個(gè)重要部分組成的。信號(hào)線把來(lái)自于微控制器的控制信號(hào)傳輸?shù)蕉鏅C(jī)的控制電路板，控制電路板根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)帶動(dòng)齒輪組隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速后傳動(dòng)到輸出舵盤。由于舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是連接在一起的，所以在舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)根據(jù)當(dāng)前位置將一個(gè)電壓信號(hào)反饋到控制電路板，然后控制電路板根據(jù)電位計(jì)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)決定電機(jī)后續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而使舵機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定的位置后停止運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確控制。3.5 電源模塊設(shè)計(jì)機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用雙電源供電模式，STM32 單片機(jī)經(jīng)過 AMS1117-3.3V

43、 穩(wěn)壓芯片供電，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 7.2V 可充電電池經(jīng) LM2596 DC-DC 可調(diào)降壓模塊實(shí)現(xiàn)供電。AMS1117 是正向低壓降的穩(wěn)壓器，在 1A 電流下產(chǎn)生 1.2V 的壓降。它的內(nèi)部所集成有過熱保護(hù)和限流電路，因此是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。其特點(diǎn)是：固定的 3.3V 輸出電壓，具有 1的精度；低漏失電壓；限流功能；過熱切斷；溫度范圍-40C 125C。經(jīng)常被應(yīng)用于筆記本電腦，掌上電腦，電池充電器，手機(jī)，電池供電系統(tǒng)，便攜式設(shè)備等。由 AMS1117-3.3V 芯片構(gòu)成的 3.3V 穩(wěn)壓電路如圖 3.8 所示。歡迎下載圖 3.8 3.3V 穩(wěn)壓電路LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器

44、是降壓型電源管理單片集成電路，可以輸出最高達(dá) 3A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)也有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。可調(diào)型的 LM2596 甚至可以輸出低于 37V 的各種電壓。LM2596 的特性如下：輸出電壓可調(diào)，可調(diào)范圍為 1.2V37V，誤差范圍 4%；輸出特性有良好的線性，并且負(fù)載可以調(diào)節(jié)；驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，輸出電流可高達(dá) 3A，輸入電壓可高達(dá) 40V；采用 150kHz 的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器；功耗小、效率高，具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能等。常用于高效率降壓調(diào)節(jié)器，單片開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，正、負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器等。由 LM2596 構(gòu)成的 5V 穩(wěn)壓電路如圖 3.9 所示。圖 3.9 5V 穩(wěn)壓電

45、路3.6 傳感器模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用 HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊，檢測(cè)物體距離超聲波傳感器的距離。當(dāng)物歡迎下載體到達(dá)指定位置時(shí)，控制器發(fā)出指令，使機(jī)械臂完成動(dòng)作。HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器與控制電路等三部分組成。它的基本工作原理如下：首先，采用 TRIG 端口觸發(fā)測(cè)距信號(hào)，產(chǎn)生至少 10s 的高電平信號(hào)；然后，超聲波發(fā)射器自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40KHz 的方波信號(hào)，接收器檢測(cè)是否有反射的信號(hào)返回；如果有信號(hào)返回，超聲波模塊通過 ECHO 端口輸出一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。其時(shí)序圖如下。圖 3.10 超聲波時(shí)序圖3.7 本章小結(jié)本章

46、首先對(duì)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行了說明，然后按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，分別對(duì)以 ARM 微處理器 STM32F103ZET6 為核心的主控制模塊、由直流伺服電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)模塊和采用 7.2V 可充電電池、AMS1117-3.3V 穩(wěn)壓芯片和 LM2596 DC-DC 可調(diào)降壓模塊組成的電源模塊和超聲波傳感器模塊的工作原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行了仔細(xì)的分析和討論，并給出了相應(yīng)模塊的實(shí)際的電路圖或原理圖。歡迎下載4 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如果將硬件比作是機(jī)械臂控制系統(tǒng)的身體，那么就可以把軟件比作是是整個(gè)控制系統(tǒng)的大腦，將連接人的思維與系統(tǒng)硬件連接在一起。軟件系統(tǒng)的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)的正常運(yùn)行、硬件功

47、能的發(fā)揮以及控制性能的優(yōu)劣等23。因此，在進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)之前，必須要先了解整個(gè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的基本要求，主要有以下三點(diǎn)要求：（1）實(shí)時(shí)性：電機(jī)控制一般都是實(shí)時(shí)控制，那么，軟件就必須是實(shí)時(shí)控制軟件。實(shí)時(shí)意味著計(jì)算機(jī)必須在一定的期限內(nèi)，完成一系列的處理過程。（2）可靠性：可靠性是指在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)防止故障發(fā)生，以及故障發(fā)生后排除解決故障的能力。因此，為了提高軟件的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮電機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的不正?，F(xiàn)象。（3）維護(hù)方便：好的控制軟件不是一次設(shè)計(jì)、調(diào)試就可以應(yīng)用的，往往是一邊設(shè)計(jì)一邊調(diào)試，經(jīng)過多次修改才能達(dá)到控制要求。所以在開始整體設(shè)計(jì)時(shí)，就必須有好的結(jié)構(gòu)，以提高軟件調(diào)

48、試的效率，并保證完成的軟件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰的優(yōu)點(diǎn)。為了能夠使系統(tǒng)調(diào)試更加順利以及功能擴(kuò)展更加方便，該機(jī)械臂控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘與 Systick 定時(shí)器模塊，串口通訊模塊，PWM（TIM2）波輸出模塊，超聲波傳感器模塊和計(jì)數(shù)（TIM4，NVIC）模塊。主程序分為初始化和運(yùn)行兩個(gè)模塊，在程序上電后初始化模塊運(yùn)行一次，運(yùn)行模塊主要用于電機(jī)的控制。4.1 初始化模塊設(shè)計(jì)初始化模塊主要負(fù)責(zé)完成如下工作：系統(tǒng)時(shí)鐘控制寄存器 RCC 的配置， SysTick 定時(shí)器，TIM 定時(shí)器，通用輸入輸出接口 GPIO ，嵌套向量中斷控制器 NVIC， PWM 波輸出，超聲波傳感器模塊的

49、初始化。采用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編程。4.1.1 系統(tǒng)時(shí)鐘控制STM32 CPU 的時(shí)鐘源可以來(lái)自內(nèi)部高速振蕩器（HSI）、外部高速振蕩器（HSE）或者內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)需要以 HSI 或 HSE 作為時(shí)鐘來(lái)源，兩者歡迎下載的差別在于內(nèi)部高速震蕩器 HSI 不能產(chǎn)生穩(wěn)定的 8MHz 的時(shí)鐘頻率。為了獲得最大的工作頻率，都會(huì)通過鎖相環(huán)配置出最大的 72MHz 頻率，供給 Cortex-M3 內(nèi)核使用。在復(fù)位操作之后，首先開啟 HSE 并等待其穩(wěn)定，從而作為 PLL 的輸入。其次，確定鎖相環(huán)倍頻數(shù)，使內(nèi)核工作在最大頻率下。該設(shè)計(jì)以 8MHz 的 HSE 作為時(shí)鐘源， PLL 倍頻數(shù)需要設(shè)置為 6

50、才能使 PLL 恰好輸出 48MHz 的頻率。在 PLL 設(shè)置好后，Cortex-M3 內(nèi)核就以 72MHz 的頻率運(yùn)行了，此時(shí)，還需要通過改變總線控制寄存器設(shè)置 AHB 和 APB 總線頻率。 AHB 和 APB2 的最高頻率是72MHZ。APB1 的最高允許頻率是 36MHZ。圖 4.1 STM32 時(shí)鐘樹本部分的程序流程圖如下：歡迎下載圖 4.2 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化流程圖與該流程圖相對(duì)應(yīng)的程序設(shè)計(jì)見附錄 C。4.1.2 SysTick 定時(shí)器SysTick ，即系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘，它作為 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的一個(gè)內(nèi)設(shè)，和 STM32微控制器之間并沒有必然的聯(lián)系。SysTick 的存在

51、既能夠提供必要的系統(tǒng)節(jié)拍，為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度提供一個(gè)有節(jié)奏的“心跳”，進(jìn)而提高可靠性，又方便了程序在不同器件間的移植。系統(tǒng)初始化時(shí)，RCC 通過 AHB 時(shí)鐘(HCLK)8 分頻后作為 Cortex 系統(tǒng)定時(shí)器(SysTick)的外部時(shí)鐘。通過對(duì) SysTick 控制與狀態(tài)寄存器的設(shè)置，可選擇上述時(shí)鐘或開始復(fù)位系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置開啟外部振蕩器 HSE是否成功起振并穩(wěn)定？YN選擇 AHB，APB1，APB2 頻率使能鎖相環(huán) PLL等待 PLL 輸出穩(wěn)定，成為時(shí)鐘源結(jié)束歡迎下載Cortex(HCLK)時(shí)鐘作為 SysTick 時(shí)鐘。系統(tǒng)嘀嗒校準(zhǔn)值固定為 9000，當(dāng)系統(tǒng)嘀嗒時(shí)鐘設(shè)定為 9MHz(H

52、CLK/8 的最大值)，產(chǎn)生 1ms 時(shí)間基準(zhǔn)。本部分的程序流程圖如下：圖 4.3 SysTick 定時(shí)器初始化流程圖與該流程圖相對(duì)應(yīng)的的程序設(shè)計(jì)見附錄 C。4.1.3 TIM 定時(shí)器STM32 微控制器具備高級(jí)定時(shí)器 TIM1 和 TIM8 2 個(gè)，通用定時(shí)器TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5 4 個(gè)以及基本定時(shí)器 TIM6 和 TIM7 2 個(gè)，再加上 RTC 和 Systick 定時(shí)器，總數(shù)量達(dá)到了 10 個(gè)。基本定時(shí)器可以為用戶提供準(zhǔn)確的時(shí)間參考；通用定時(shí)器不僅具備時(shí)間參考功能，還具有輸入捕捉、輸出比較、單脈沖輸出、 PWM 輸出功能和正交編碼器的特點(diǎn)；高級(jí)定時(shí)器更是加入了可以

53、產(chǎn)生帶死區(qū)控制的互補(bǔ) PWM 信號(hào)、緊急制動(dòng)、定時(shí)器同步等高級(jí)特征，并最多可以輸出 6 路 PWM 信號(hào)，可謂是意法半導(dǎo)體賦予 STM32 的王牌。本設(shè)計(jì)采用 TIM2、TIM3 的 PWM 輸出功能和 TIM4 的計(jì)數(shù)功能。本部分的程序流程圖如下：開始設(shè)置 Systick 重裝載時(shí)間失能 Systick 定時(shí)器設(shè)定中斷函數(shù)，獲取節(jié)拍使能 Systick 定時(shí)器結(jié)束歡迎下載圖 4.4 TIM 定時(shí)器初始化流程圖與該流程圖相對(duì)應(yīng)的的程序設(shè)計(jì)見附錄 C。4.1.4 通用輸入輸出接口 GPIOGPIO 可以說是 STM32 最常用的外設(shè)。STM32F103ZET6 提供多達(dá) 112 個(gè)雙向 GPIO

54、 ，分別分布在 AG 這 7 個(gè)端口中。每個(gè)端口又包括 16 個(gè) GPIO ，都可承受5V 的壓降。GPIO 可通過配置寄存器工作在如下 8 種模式：浮空輸入、帶上拉電阻的輸入、帶下拉電阻的輸入、模擬輸入；開漏輸出、推挽輸出、復(fù)用推挽輸出、復(fù)用開漏輸出。該設(shè)計(jì)中將 PA0、PA1、PA2、PA3、PA6 作為 PWM 波的輸出口；PA4、PA5 作為 LED 顯示接口；PA7、PA8 作為超聲波傳感器信號(hào)的接收發(fā)送接口；PB6、PB7 分別作為串口的發(fā)送接收接口。4.1.5 超聲波傳感器模塊首先，STM32 的 PA7 端口接超聲波傳感器的 TRIG 口，觸發(fā)測(cè)距信號(hào)，發(fā)出10us 的高電平信

55、號(hào)；然后，超聲波發(fā)射器自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40KHz 的方波，接收器檢測(cè)返開始配置 PWM 輸出引腳設(shè)置定時(shí)器 TIM2 各輸出通道占空比設(shè)置定時(shí)器 TIM3 輸出通道 1 占空比延時(shí) 1000ms，等待手臂初始化完成設(shè)置定時(shí)器 TIM4 計(jì)數(shù)模式結(jié)束歡迎下載回信號(hào)；然后，PA8 端口接的 ECHO 發(fā)給 STM32 微控制器一個(gè)高電平，用 TIM4 來(lái)測(cè)量高電平的持續(xù)時(shí)間。本部分的程序流程圖如下：圖 4.5 超聲波模塊初始化流程圖與該流程圖相對(duì)應(yīng)的的程序設(shè)計(jì)見附錄 C。4.2 運(yùn)行模塊設(shè)計(jì)運(yùn)行模塊的主要任務(wù)是：控制器輸出 PWM 波控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向及角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的位置控制。主要工作流

56、程為：在系統(tǒng)上電后，超聲波傳感器進(jìn)行循環(huán)掃描，檢測(cè)工件是否到達(dá)指定位置，若到達(dá)指定位置，機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)開始運(yùn)動(dòng)，完成搬運(yùn)動(dòng)作，否則繼續(xù)掃描。完成一次搬運(yùn)后，機(jī)械臂回到起始位置，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到下一次動(dòng)作。流程圖如下：開始配置超聲波模塊引腳配置并使能 TIM4觸發(fā)超聲波模塊發(fā)射方波，TIM4 開始計(jì)數(shù)觸發(fā)超聲波模塊收到反射波，TIM4 停止計(jì)數(shù)結(jié)束歡迎下載圖 4.6 系統(tǒng)流程圖運(yùn)動(dòng)子程序、宏定義和相關(guān)定義以及完整程序見附錄 C。4.3 本章小結(jié)本章首先介紹了軟件控制的總體思想，從宏觀上分為初始化模塊和運(yùn)行模塊；然后分別對(duì)各個(gè)模塊的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)和基于 PWM

57、 波的舵機(jī)機(jī)制程序設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的配置。將工件搬運(yùn)到位置 1YY開始RCC，SysTick，TIM，NVIC，GPIO 初始化產(chǎn)生 PWM 波傳感器檢測(cè)物件到位N搬運(yùn)到位置 1將工件搬運(yùn)到位置 2Y搬運(yùn)到位置 2N結(jié)束將工件搬運(yùn)到位置 3N歡迎下載5 系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試作為開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中控制效果的好或是壞有著至關(guān)重要的作用，所以，必須進(jìn)行系統(tǒng)軟件、硬件的調(diào)試。也就是說一個(gè)良好的機(jī)械臂控制系統(tǒng)必須經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試才能達(dá)到控制系統(tǒng)預(yù)期的目的24。因?yàn)闄C(jī)械臂工作在高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下，所以它必須是可靠的，對(duì)于這樣的硬件，其穩(wěn)定性要求必須很高。一般的情況下首先進(jìn)行硬件的調(diào)試，只有在

58、確定了硬件電路正常的前提下，進(jìn)行軟件的調(diào)試才是有意義的。所以，硬件、軟件的調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程中都是非常重要的。5.1 硬件調(diào)試控制系統(tǒng)的硬件主要包括如下幾部分：1.機(jī)械部分；2.電源及穩(wěn)壓模塊；3.直流伺服電機(jī)；4 超聲波傳感器；5 主控制器。對(duì)于機(jī)械部分，對(duì)應(yīng)原理圖，將機(jī)械部分以及舵機(jī)安裝起來(lái)，組裝成品，檢查零件安裝是否合適，松動(dòng)要繼續(xù)固定，直到滿意為止。如圖 5.1 所示。圖 5.1 機(jī)械臂成品歡迎下載對(duì)于電源及穩(wěn)壓模塊，采用萬(wàn)用表測(cè)量的方法確定電源電壓合適以及穩(wěn)壓模塊正常工作。對(duì)于舵機(jī)，采用舵機(jī)測(cè)試儀檢測(cè)和設(shè)定舵機(jī)的虛位、中位和抖動(dòng)，用手左右旋轉(zhuǎn)確定舵機(jī)均具有 180 度轉(zhuǎn)角。對(duì)于

59、超聲波傳感器模塊，將測(cè)試程序?qū)懭肟刂菩酒?，通過串口顯示的數(shù)據(jù)確定該模塊正常工作。對(duì)于主控制器，將其自帶的芯片相應(yīng)的初始化程序下載至 STM32 芯片里，然后隊(duì)所需要的各個(gè)引腳的輸出狀況進(jìn)行測(cè)試，如果各個(gè)引腳的輸出正確，就可以證明芯片是正常的。測(cè)試所有硬件部分均正常后，用杜邦線將其按電路原理圖連接起來(lái)，同時(shí)注意布線的整齊以及不能影響機(jī)械臂的正常工作。5.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試的主要任務(wù)是通過反復(fù)試湊確定 PWM 波的占空比，進(jìn)而確定各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到指定位置需要轉(zhuǎn)過的角度。經(jīng)反復(fù)試湊，各個(gè)關(guān)節(jié)在整個(gè)過程中運(yùn)動(dòng)到指定位置的占空比如以下各表。表表 5.1 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到指定位置的占空比機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)

60、動(dòng)到指定位置的占空比關(guān)節(jié)占空比*1000動(dòng)作腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)手爪-90 到+90 的理論值2512525125251252512525125-90 到+90 的實(shí)際值419524103419641965876直立狀態(tài)6661696976直立狀態(tài)如圖 5.1 所示。歡迎下載表表 5.2 機(jī)械臂完成動(dòng)作機(jī)械臂完成動(dòng)作 1 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到指定位置的占空比各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到指定位置的占空比 關(guān)節(jié) 占空比*1000動(dòng)作腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)手爪抓取過程6645808573放置過程 16658708573放置過程 28956859658將工件搬運(yùn)到位置 1 的分解動(dòng)作如下圖所示。 圖 5.2 位置 1抓