基于STM32的机械手臂控制系统设计

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图２ ． １机械臂控制 系统结构
该系 统是通 过 计算 机 的事先 的编程 之后 ，通 过 数据 传输 下载 到 ｓ ｔ ｍ３ ２ 当中通 过控ｆ ｌ ｉ Ｊ ￣ ｓ ｔ ｍ３ ２ 的定 时器 产生 多路 的Ｐ ＷＭ波 。舵机 就会 依 据 给定 的Ｐ ＷＭ波 完成相 应 的运 动轨迹 或按照 预定 的计划完 成任务 。 ２ ． ３ 机械臂 的臂部 设计 因为机 械臂 主 要是 由臂 部组 成 ，所 以在进 行 臂部 设计 时应 当 着 重 注 意 以下 几 点 ： （ １ ）手臂 在机 械 臂 中起 着 重要 的作 用 ：它 不光 可 以 让物 体 进行 移 动而 且 还 能进 行 一些 操 作 。 （ ２ ）因 为机 械 臂 的 臂 部在 运动 中有 很大 负担 ，为 了减小 手臂 的 负担 ，需要 将手 臂 的截 面 形状 做 的更加 合理 。在 进 行 了各种截 面 对弯 曲度 的承 受力 的实验 后 发现 ，在 相 同力 的情况 下 ，工字 型 的截 面 能承受 的力 最大 ，因此 我 选择 使 用工 字 型截 面 做手 臂 的 截面 。 （ ３ ）因为 机械 臂 在 直 线运 动 中可 能会 发生 突然 的方 向转 换 ， 因此 ，为 了防止 机械 臂 的硬 件损 耗过 大 ，需要 采 用一 些装置 来 保护 机械 臂 。 同时要 采用 一定 形 式 的 缓冲 措 施 。 （ ４ ）为 了减 少 臂 部在 运 动时 会产 生 较 大 的转 动惯 量 ， 需要 将臂 部 的重量 减少 ，以免 在运 动 中产生 较 大 的误差 ，从 而影 响 机 械 臂 的整 体 运作 ，加 快机械 臂 的运行 速度 。 经过对预期任务 的特点和类型分析，该设计 需要机械臂具有较高 的 灵 活性和流畅性 ，因此在 多次 的比较和分析后 ，决定使用 多关节型机械 臂 。它不仅可 以灵活的完成预定任务 ，而且可以有更大 的运动空间 。 ２ ． ４ 机械臂 自由度选择 通 常将机械 臂是 由几个 传动结 构组成 的就称为几 自由度 。例如人 类 的 自由度高 达２ ７ 个 ，而 手臂 部分 的 自由度 一般 为６ 自由度 。所 以仿 照 人类 的特性 ，机械 臂 的 自由度 应 当选为６ 自由度 ，这 样 既符合 了身 体力 学并且动 力传输 效率也很 高 。为 了更加流 畅的完成抓 取物体 ，并 将物体 移动到 指定 的位置 ， 需要 采用６ 自由度 。而 ６ 自由度 的机械 臂的 控制较为 繁琐，所 以工 业和生活 中机械 臂的 自由度 多少 于６ 个。 ２ ． ５ 机 械臂 控 制器类 型 控制 器 的主 要任 务就 是按 照预 先 设计 的程 序进 行相 应 的任 务 ， 它是 机械 臂 中十 分重 要 的组件 。机 械臂 的控制 器就 相 当于 电脑 中 的 处理 器 ，只有 处 理器越 好 ， 电脑 的运行 速度 和 处理 速度 才会 越 快 。 对 于 机械 臂来 说 也一样 ，只有 控制 器越 好 ，才 能更 加精 准快 速 的进 行控 制 。从控 制器 的数 量 和机 械臂 的控 制 方式 可分 为 以下几 种 ：单
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基于Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ 的机械 手臂控制系统设计
北京联合大学 钟晓青 林 智 和青芳
【 摘要 】 机械臂在近十几年 的发展 中，已经实现根据软件程序的设计操作机械臂完成相应的特定工作。它不仅可以在人们无法作业的环境下
２ ． 系统设计及实现方案
２ ． １ 系统分 析 本 文对基于Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ 的 自动机械 臂控制 系统进行 了研究和设 计。 以 六 自由度机械 臂为研 究对 象 ，使 用Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ 为 主控芯片 ，再利用稳 压模
块 、无线模 块和 电机 驱动模块 设计 了系统的硬件 结构 ，并在软件 设计 方面采 用了先进 的控 制理论。通过合 理的算法进行 了软件设计 。 ２ ． ２ 设 计 结构 图 本 设计 采 用 单Ｃ Ｐ Ｕ 集 中控 制 方式 ，即 由ｓ ｔ ｍ３ ２ 来控 制 舵 机 ，执 行相 应 的预 定动作 ， 自动机 械臂 控制 系统 的构 成如 图２ ． １ 所示 。 － －
于 自动机器人 相关的技术 己然成 为 了各 国科技 水平程度 的体现 之一 。
３ ． 机械系统设计与 实现
机 械 臂 的机 械 系 统 的基本 要 求 应 当有 如 下 几个 特 点 ： （ １ ）控 制 系统 应 当微 小化 、轻 便化 和分 块 化 ，以便 将控 制器 安装 到 受控 对 象 的硬件 上 ， 以便 更好 的进 行控 制 。 因此 为 了更 有 效 的减 少 硬件 结 构 的复 杂度 和 负载 ，所 以要 尽可 能 的微 小化 和轻 便化 。此 外 ，为 了 系 统具 有 较好 的独 立 性 ，所 以要 尽 可 能 的分层 化 。 （ ２ ）控 制 系 统 的 实时 性 ：因为 机械 臂 是一 种 即时 的操作 ，所 以对于 机械 臂 的每 一 个动 作 ，都 要确 保其 是快 速 的反 应 ，否则 机械 臂 就不 能顺 利 完成 相 应 的动 作 。 （ ３ ）系 统 的稳 定 性和 开 源 性 。为 了确 保 机 械臂 可 以完 成任 务要 求 ， 因此稳 定性 是 十分 重要 的 。此 外 ，因为 后期 可 能 出现 更多 的 问题 ，所 以要确 保后 期可 以对 控制 系 统进行 二 次开发 。 本文 的 系统 由控 制模 块 、直 流伺 服 电机模 块和 电源 驱 动模 块 组 成 。每 个模 块 的作用 如 下 ： 控 制 模 块 ：该 模 块是 机 械 臂控 制 系 统 的核 心 ， ｓ ｔ ｍ３ ２ 、串口 和 稳压 模块 组成 ，其 主 要是控 制 各个 直流伺 服舵 机 进行 运动 。 直 流伺 服 电机 模块 ： 该模 块主 要是 实现 不用 动 作 的基础 ，由控 制 模块 发送 的Ｐ ＷＭ波进 行控 制 。
Ｃ Ｐ Ｕ 集 中控制、多Ｃ Ｐ Ｕ分散控制ห้องสมุดไป่ตู้双Ｃ Ｐ Ｕ 分级控制。本文所设计的
机 械 臂控 制 系 统 ，利 用 ｓ ｔ ｍ３ ２ 的 强大 的 处理 能 力和 多 线程 的管 理 能 力 ，由此 ，采用 单Ｃ Ｐ Ｕ 集 中控 制方 式 即可 。
劳动。一直以来，人们总是尝试将生活变的更加简单。而如今，有关
工作 ，而且 还能保 持 长 时间的作 业和 低 失误 率。本 文 简要介 绍基 － ￣ － ＇ Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ 的机械 手臂 控 制 系统 实现 方 案 。 【 关键词 】 舵机 ；Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ 单片机；Ｐ ＷＭ／ ￣
１ ． 引言
早在很 久以前 ，人 们就 已经 开始制作机 器人 ，以减轻人 类的繁 重