基于STM32的多自由度机械臂设计

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ Ｗ ＯＲＬＤ ·
基 于ＳＴＭ３ ２ 孙在 尚
【摘要 】随着科技的不断进步，机械臂特别是仿人型机械臂的发展非常迅速。其在人们的 日常生活、生产 中扮演着不可或缺 的角色。鉴于我 国机 械仿 生臂 技 术 以及控 制方 法较 西 方 国家落后 ， 目前 自主 研发 的机 械臂 在 使 用方便 性 以及 精度 上都 不尽 如人 意 。在 市场 上很 难 占有一 席之 地 为 了打破 西 方 国 家在这 一 领域 ，特 别是 高 端领 域 的 垄断 ，许 多国人 开始 关注 自主研 发 的机 械 臂 。对 于仿 人 型机 械 臂及 其控 制 系统 的研 究还 是 有深 远 的意 义 的 。为 了能 高 效稳 定地 控 制机 械臂 ，本设 计使 用 了数 字 式 六轴 陀螺 仪协 同作 业 ；上 位控 制 系统使 用ＡＲＭ微 处理 器—— ＳＴＭ３２Ｆ１０３芯 片， 用以 实现机 械臂 的 基本 动作 的控 制封 装 ， 包括 定位算 法 以及运 动控 制 等 ；它能按 照 生产 工 艺的要 求 ，遵循 一 定 的程序 、时
制 关 系是这 样 的 ： ０．５ｍｓ… …… …一０度 ：
１．０ｍｓ… …… …４５度 ； １．５ｍｓ… …… …９０度 ；
２．０ｍｓ… …一 ～１ ３５度 ： ２．５ｍｓ… …… 一１ ８０度 ； １．２ 陀螺 仪 的控 制 陀螺 仪的 原理 就 是 ，一 个旋 转物 体 的旋转 轴 所指 的 方 向在 不受 外 力 影响 时 ，是 不会 改变 的 。根据 原 理 ，用它 来 保持 方 向 ，制 造 出 来 的 东西就 叫 陀螺 仪 。陀 螺仪 在 工作 时要 给它 一 个力 ，使它 快速 旋 转 起来 ，一般 能达 到 每分 钟几 十 万转 ，可 以工 作 很长 时 间 。然后 用 多种方 法读 取轴 所 指示 的方 向 ，并 自动将 数 据信 号传 给控 制 系统 。 对 于 高速 旋转 的 物体 的旋 转 轴 ，对于 改 变其 方 向 的外 力作 用有
趋 向于铅直 方 向的倾 向。而且物 体在横 向倾斜 时，重 力会 向增加倾斜 的方向作用 ，而轴 则 向垂 直方 向运动 ，就产生 了当陀 螺仪经纬 仪的 陀 螺轴 以水平 轴旋转 时 ，由于地球 的旋转 而受到 铅直方 向旋转 力，陀螺 仪 的旋 转 体 向水平 面 内的子午 线 方 向产 生 岁差运 动 。 当轴 平行 于子 午 线而 静止 时可 以加 以利 用ＭＰＵ６０５０内部 整合 了３轴 陀螺仪 和３轴加 速度 传感器 ，并且 含有一个 第二 ＩＩＣ接 口．可 用于连接 外部磁 力传感 器 ， 并利用 自带 的数字运动 处理 器；硬 件加速 引擎 ，通 过主ＩＩＣ接 口， 向应用 端输 出完整 的９轴 融合 演算 数据 。有 了 ＤＭＰ，我 们 可 以使用 ＩｎｖｅｎＳｅｎｓｅ公司提 供 的运 动处理 资料库 ，非常 方便 的实现姿 态解算 ， 降低 了运动处理运 算对操作 系统的负荷 ，同时大 大降低 了开 发难度 。
间和 位置 来 完成 工作 的传 送和 装卸 。 【关键词 】陀螺仪 ；ＳＴＭ３２单片机；舵机 ；多 自由度； 自动化控制
１．机 槭臂 的组成及原理
１．３ 控 制模 块 的控 制
机械 臂 主要 由驱 动模 块 、姿 态采 集 模块 、控 制 模块 和执 行 模块 组 成 。
１．１ 驱动 模块 的 精确 控制 控 制 信 号 由接 收 机 的通 道 进 入 信 号 调 制 芯 片 ， 获得 直流 偏 置
ＭＰＵ６０５０传感 器 的检 测轴 如 图所 示：
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ＳＴＭ３２一Ｆｌ０ｘ的优 点 ：最 高 １ＭＢ的闪 存 、 １ ２８ｋＢ ＲＡＭ 、６个 ＵＡＲＴ（７．５Ｍｂｐｓ）、３ ＳＰＩ接 口 （３０Ｍｂｐｓ）、支持ＩＥＥ１５８８ ＰＴＰ Ｖ２的 以太 网 媒 体访 问控制 器 （ＭＡＣ）、４ｋＢ备用ＲＡＭ、５１２字 节 的一次性 可编程 存 储器 （ＯＴＰ）。 １．４ 执行 模块 的控 制
为 了使 机 械 手 的通 用 性 更 强 ， 把 机械 手 的 手 部结 构 设 置 成 可 更 换 结构 ， 当工 件是 棒 型原 料时 ，使 用 夹持 式手 部 ，当 工件 是 板料 时 ，使用 气流 负压 式吸 盘 。
２。结果 与分析
以单 片机 为控制核 心，设计 出一套基于ＳＴＭ３２的多自由度机械臂 设 计 。使用 了数字式六轴陀螺仪传感器协同作业 ，陀螺仪会 以一 定的频率 不 断的采集 当前的空间位置信 息。并把位置信息通过ＳＰＩ通信协议发送到 ＳＴＭ３２单 片机上位机 ，上位控制系统使用ＡＲＭ微处理器——ｓＴＭ３２Ｆ１０３ 芯 片，用 以实现机械臂的基本动作的控制封装 ，包括定位算法 以及运动 控制等 ；单片机进行处理，控制ＰｗＭ波 ，从而控制舵机来控制触 手到达 指 定的空间位置，以实现精确 、自动化控制 。应用 的更为 广泛 为了能 高 效稳定地控制机械 臂，实现了多 自由度 ，空间立体式旋转 。
电压 。它 内部 有一 个 基准 电路 ，产 生 周 期为２０ｍｓ，宽度 为 １．５ｍｓ的 基 准 信号 ，将 获 得 的直流 偏置 电压 与 电位 器 的 电压 比较 ，获 得 电压 差输 出 。最后 ，电压 差 的正 负输 出到 电机 驱动 芯 片 决定 电机 的 正反 转 。当 电机转 速 一定 时 ，通过 级 联减 速 齿轮 带动 电位 器 旋转 ，使 得 电压 差 为０， 电机 停止 转 动 。舵 机 的控 制 一般 需 要一 个２０ｍｓ左右 的 时基 脉冲 ，该 脉冲 的 高电平 部 分一 般为０．５ｍｓ一２．５ｍｓ范 围 内的角度 控 制 脉冲 部 分 ，总 间隔为２ｍｓ。以 Ｉ８０度 角度 伺服 为例 ，那 么对 应 的控