基于STM32的机械臂驱动系统设计论文范文.doc

z.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 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 Manipulator 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 -. z.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 e*periments 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, Corte*-M3,Pulse Width Modulation目 录1 绪论 1机械臂概述 1-. z.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 204.1.2 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 26-. z.5 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 z.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-. z.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，所以在小空间的环境下不适用。

在一些特殊的环境下，我们需要一种占地面积小而且活动灵敏的机械臂要实现机械手臂的控制，首先要分析机械手臂的机械构造，其中动力源以及动力传递方法应被予以重视现在，电力传动的机械臂得到了广泛的应用，在动力传动方式上，有连杆式、齿轮式、绳索式等以关节型为主流，80 年代创造的适用于装配作业的平面关节型机械臂约占总量的 1/29鉴于汽车、建筑、桥梁等行业的需要，超大型机械臂应运而生选择一个性能较好的控制器对控制功能的实现来说是十分必要的工业控制技术、软件和硬件技术的开展，为机械臂控制器的选择提供的充分的条件可编程控制器PLC由于抗干扰能力强，故障率较低，设备易于扩展、维护，开发周期短等特点，被广泛应用于工业场合10但是其本钱很高数字信号处理器DSP采用数据和程序别离的哈佛构造和改良的哈佛构造，执行指令速度更快，它以处理能力强、内。