机械臂本科生毕业设计(论文)范文

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行了研究与设计。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 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。然后按照结构化设计 的思想，依次对以上各部分的原理和设计方法进行了分析和探讨，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行设计。 实验表明，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，Cortex-M3，脉冲宽度调制 the Design of Manipulator Drive System Based on STM32 Author：XXX Tutor：XXX Abstract In 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, 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 overall 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 ARM 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 sequentially 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 can 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 目 录 1 绪论.1 1.1 机械臂概述.1 1.1.1 机械臂研究的意义.1 1.1.2 国内外机械臂的研究现状及发展趋势.1 1.1.3 机械臂的分类.2 1.2 机械臂控制的研究内容.4 1.2.1 机械臂的驱动方式.4 1.2.2 机械臂的机械结构.4 1.2.3 机械臂的控制器.4 1.2.4 机械臂的控制算法.5 1.3 嵌入式系统简介.5 1.4 本文的主要工作.6 2 机械臂控制系统的总体方案设计.7 2.1 机械臂的机械结构设计7 2.1.1 臂部结构设计原则.7 2.1.2 机械臂自由度的确定.7 2.2 工作对象简介7 2.3 机械臂关节控制的总体方案8 2.3.1 机械臂控制器类型的确定.8 2.3.2 机械臂控制系统结构.9 2.3.3 关节控制系统的控制策略.9 2.4 本章小结9 3 机械臂控制系统硬件设计.11 3.1 机械臂控制系统概述11 3.2 微处理器选型11 3.3 主控制模块设计13 3.3.1 电源电路.13 3.3.2 复位电路.14 3.3.3 时钟电路.15 3.3.4 JTAG 调试电路15 3.4 驱动模块设计16 3.5 电源模块设计17 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 3.6 传感器模块设计19 3.7 本章小结19 4 机械臂控制系统软件设计.20 4.1 初始化模块设计20 4.1.1 系统时钟控制.20 4.1.2 SysTick 定时器 22 4.1.3 TIM 定时器23 4.1.4 通用输入输出接口 GPIO24 4.1.5 超声波传感器模块.24 4.2 运行模块设计25 4.3 本章小结26 5 系统的整机调试27 5.1 硬件调试27 5.2 软件调试28 5.3 故障原因及解决方法31 5.4 本章小结32 结 论33 致 谢34 参考文献35 附 录37 附录 A.37 附录 B.46 附录 C.47 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 0 页 1 绪论 1.1 机械臂概述 1.1.1 机械臂研究的意义 早在几千年前，人类就开始了机器人的制造，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发明以来，与工业机器人相关的技术得到了迅猛的发 展，并且己经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。 作为近几十年来发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 阔的发展前景。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。 1.1.2 国内外机械臂的研究现状及发展趋势 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 在工业上的应用不断增加，日本、德国等国家也相继开始机器人的研制。 中国对现代机器人的研制始于上世纪 70 年代后期，80 年代进入到飞速发展时期。 尤其在国家成立了 863 计划后，机器人技术得到特别的重视，由此中国在机器人领域 取得了飞速发展，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。 机械臂发展状况概括如下： 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 合。这种工作方式只能按照事先设置的位置进行重复的动作，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行自适应，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行自主的工作。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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 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发展方向。 1.1.3 机械臂的分类 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，但结构繁 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，但结构庞大，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，结构紧凑，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。该类机械臂结构紧凑，占地面积小，工作空间大，但是位置精度较差，控制 存在耦合，比较复杂。 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 图 1.5 极坐标式机械臂 图 1.6 多关节式机械臂 1.2 机械臂控制的研究内容 1.2.1 机械臂的驱动方式 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