基于STM32的多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究

孟建平

（內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

基于STM32的多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究

孟建平

（內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

文章闡述了機(jī)械臂的組成及原理，對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊、陀螺儀、控制模塊、執(zhí)行模塊的控制進(jìn)行分析，并探討了基于STM32的多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)，以期為我國(guó)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)提供借鑒。

STM32單片機(jī)；多自由度；機(jī)械臂

隨著機(jī)械技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)研究日益發(fā)達(dá)，機(jī)械臂在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著日益重要的作用。我國(guó)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究起步較晚，缺乏良好的精度控制和機(jī)械性能。因此，我國(guó)加強(qiáng)對(duì)仿人型機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)的研究，對(duì)于我國(guó)機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展具有至關(guān)重要的深遠(yuǎn)意義。

1 機(jī)械臂的組成及原理

（1）驅(qū)動(dòng)模塊的精確控制。機(jī)械臂的控制信號(hào)，經(jīng)由機(jī)械臂接收機(jī)的通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂信號(hào)調(diào)制芯片的進(jìn)入，并完成對(duì)直流偏置電壓的有效獲取。機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部存在著基準(zhǔn)電路，能實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的產(chǎn)生。產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)的寬度是1.5ms，基準(zhǔn)信號(hào)周期為20ms。通過(guò)比較電位器與直流偏置電壓二者的電壓差，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓差輸出的有效獲取。當(dāng)電機(jī)保持一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，電位器在級(jí)聯(lián)減速齒輪的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。電壓差為0時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)停止。通常需要利用時(shí)基脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂舵機(jī)的有效控制。時(shí)基脈沖以20ms為宜。該時(shí)基脈沖的高電平部分，通常是0.5～2.5ms之間的角度控制脈沖部分，其總間隔是2ms。

（2）陀螺儀的控制。陀螺儀的原理如下：當(dāng)不存在外力對(duì)旋轉(zhuǎn)物體的影響時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸所指方向不變。根據(jù)該原理能制造出實(shí)現(xiàn)方向保持的陀螺儀。對(duì)于陀螺儀的工作，需要施加一個(gè)作用力，確保陀螺儀的快速旋轉(zhuǎn)，通常能達(dá)到每分鐘實(shí)現(xiàn)幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，且能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的工作時(shí)間。對(duì)于陀螺儀的軸指示方向，采用多種方法進(jìn)行讀取，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)傳遞。

物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其旋轉(zhuǎn)軸所指方向的外力，有一種傾向，即對(duì)鉛直方向的趨向。物體在橫向傾斜的過(guò)程中，重力作用會(huì)對(duì)傾斜的方向作用造成增加，旋轉(zhuǎn)軸則向著垂直方向運(yùn)動(dòng)。這就造成了以下情況：當(dāng)陀螺儀經(jīng)緯儀的陀螺軸以水平軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，在地球旋轉(zhuǎn)作用下，陀螺儀會(huì)受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力的影響，陀螺儀的旋轉(zhuǎn)體就會(huì)向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。當(dāng)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸和子午線平行，且處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)MPU6050的利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器的內(nèi)部整合。另外，其第二IIC接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部磁力傳感器的連接，并實(shí)現(xiàn)對(duì)自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器的有效利用。借助于主IIC接口，硬件加速引擎可以實(shí)現(xiàn)將演算數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用端的完整輸出。通過(guò)DMP，可以對(duì)InvenSense公司提供的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的便捷解算，并實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)負(fù)荷的有效降低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開發(fā)難度的有效降低。

（3）控制模塊的控制。對(duì)機(jī)械臂的控制模塊的控制，采用STM 32一Fl0x系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)具有最高容量為1MB的閃存容量，具有容量為128KB的RAM，具有6個(gè)UART和3個(gè)SPI接口。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持IEE1588 PTP V2的以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器以及容量為4KB的備用RAM，另外，還支持存儲(chǔ)容量為512字節(jié)的一次性存儲(chǔ)器。

（4）執(zhí)行模塊的控制。在對(duì)機(jī)械臂執(zhí)行模塊的控制中，為了增強(qiáng)機(jī)械臂的通用性，通常對(duì)機(jī)械臂的手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置，使之成為可以實(shí)現(xiàn)更換的結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用機(jī)械臂去執(zhí)行棒型原料的操作時(shí)，將夾持式手部安裝在機(jī)械臂的手臂上。當(dāng)使用機(jī)械臂去執(zhí)行板料工件的操作工作時(shí)，將氣流復(fù)壓式吸盤安裝在機(jī)械臂的手臂上。

2 基于STM32的多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)

（1）結(jié)果與分析。該多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)，基于STM32單片機(jī)，且以STM32單片機(jī)為該機(jī)械臂的控制核心。該機(jī)械臂對(duì)數(shù)字式的六軸陀螺儀傳感器協(xié)同作業(yè)進(jìn)行了使用，該陀螺儀會(huì)通過(guò)固定的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)空間位置信息的即時(shí)采集。并經(jīng)由SPI通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)將即時(shí)采集到的空間位置信息對(duì)STM32單片機(jī)的上位機(jī)的有效發(fā)送。STM32單片機(jī)的上位控制系統(tǒng)采用STM 32F103芯片的微處理器，以控制機(jī)械臂的基本動(dòng)作，主要控制方式是定位算法控制以及運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)STM32單片機(jī)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM波的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂舵機(jī)的控制，使機(jī)械臂的觸手準(zhǔn)確到達(dá)指定位置，以增強(qiáng)機(jī)械臂控制的自動(dòng)化和精確化。另外，有效提高了機(jī)械臂的穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)了多自由度旋轉(zhuǎn)。

（2）多自由度機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械臂在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了日益廣泛的應(yīng)用，多自由度機(jī)械臂具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)：①多自由度機(jī)械臂能實(shí)現(xiàn)對(duì)人工操作的良好代替。②多自由度機(jī)械臂能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)要求的良好滿足，能有效完成傳送工作和裝卸工作。③多自由度機(jī)械臂能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)具和裝配機(jī)具的良好操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工勞動(dòng)條件的良好改善，提高生產(chǎn)率，有利于促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于STM32的多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)采用了數(shù)字式六軸陀螺儀協(xié)同作業(yè)，其上位控制系統(tǒng)采用STM 32F103芯片的微處理器，以控制機(jī)械臂的基本動(dòng)作，主要控制方式是定位算法控制以及運(yùn)動(dòng)控制。

［1］劉慧鵬，王婷，傅世地，等.基于STM32的智能小型機(jī)械臂設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2016，（4）：86-87.

孟建平（1981-），男，內(nèi)蒙古人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：控制理論與控制工程。