基于STM32 的二自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李林駿

（山西省財(cái)政廳信息網(wǎng)絡(luò)中心，山西 太原 030006）

引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空制造、醫(yī)療等領(lǐng)域。其中少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)[1]，在一些高精密領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)之一，多自由度和大承載力的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在大型、異形零件的裝配、調(diào)試等具有重要的作用[2-3]。本文設(shè)計(jì)一種用于重載的二自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)方向的電機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于大型零件的裝配。

1 平臺(tái)模型

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分為靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，上下平臺(tái)采用虎克鉸鏈連接，通過(guò)改變支鏈桿的長(zhǎng)度控制動(dòng)平臺(tái)的擺動(dòng)，本文為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在縱向、橫向兩個(gè)方向上的傾斜。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，上平采用臺(tái)球頭副連接，下平采用臺(tái)圓柱副連接，支鏈中間采用移動(dòng)副連接。在空間中，設(shè)n 為構(gòu)件總數(shù)，設(shè)其中一個(gè)構(gòu)件為參照物，其他構(gòu)件相對(duì)參照物自由度為6，則共有6（n-1）個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)副數(shù)為g，各構(gòu)件的自由度數(shù)為fi，則該機(jī)構(gòu)的自由度F 計(jì)算公式為：

計(jì)算該結(jié)構(gòu)的自由度，球頭副為3 自由度，圓柱副為2 自由度，移動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副均為1 自由度，虎克鉸為2 自由度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 2 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)圖

實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，并保證平臺(tái)穩(wěn)定性和快速響應(yīng)，電控系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)應(yīng)用STM32F103 系列芯片，用于控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)由STM32F103 構(gòu)建最小系統(tǒng)[4]，設(shè)計(jì)了電源轉(zhuǎn)換、通信轉(zhuǎn)換、LED 以及I/O 接口等電路。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，以精確控制平臺(tái)的擺動(dòng)角度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及機(jī)械裝置，角度傳感器采集伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度反饋給控制器；為提高系統(tǒng)抗干擾能力，配置了接觸器、噪聲濾波器以及隔離變壓器等。系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 2 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

2.1 電源模塊

系統(tǒng)電源模塊分為兩部分，一部分給系統(tǒng)提供5 V 電源，一部分為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V，分別如下頁(yè)圖3 和圖4 所示。J1 為電源接口，采用LM2596 芯片輸出5 V 穩(wěn)壓電源，為系統(tǒng)提供較好的負(fù)載能力和濾波能力。AMS1117 芯片將5 V 轉(zhuǎn)換為3.3 V 為STM32 提供電源，內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，穩(wěn)壓二極管保證系統(tǒng)較為穩(wěn)定的3.3 V 輸出。

2.2 USB 轉(zhuǎn)TTL 電路

圖3 5 V 電源模塊電路

圖4 5 V 到3.3 V 轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)采用串口進(jìn)行通信，通過(guò)USB 模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。J2 為USB 接口，D+、D-連接USB 總線(xiàn)，通過(guò)CH340G 芯片Txd、Rxd 管腳與STM32F103 芯片PA9、PA10 管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CH340G 芯片管腳DTR 輸出低電平時(shí)，Q2 三極管導(dǎo)通，BOOT 有信號(hào)輸出給STM32F103 芯片PB 管腳，進(jìn)而請(qǐng)求串口通信；同理，CH340G 芯片管腳DTR 輸出高電平時(shí)，Q2三極管導(dǎo)通，RTS 輸出信號(hào)給STM32F103 芯片PB管腳，數(shù)據(jù)終端就緒。如圖5 所示。

圖5 USB 轉(zhuǎn)TTL 電路

2.3 按鍵和LED 模塊

系統(tǒng)為方便用戶(hù)信息交互，設(shè)計(jì)了按鍵和LED電 路，如 圖 6 所 示。NRST、PA3-PA7 接 入STM32F103 相應(yīng)芯片，并采用灌電流方式，以提高LED 的負(fù)載能力。

圖6 按鍵LED 電路

2.4 聲光提示電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)提示電路對(duì)一些信息發(fā)生聲光提示，其電路圖如7 所示。由三極管Q3 對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，STM32F103 芯片PA8 管腳輸出低電平時(shí)，8550三極管導(dǎo)通，蜂鳴器導(dǎo)通工作[5]。

圖7 聲光提示電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后對(duì)各個(gè)芯片初始化處理。通過(guò)按鍵啟動(dòng)伺服電機(jī)，根據(jù)預(yù)定路線(xiàn)發(fā)出脈沖信號(hào)，平臺(tái)通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)節(jié)滾珠絲杠結(jié)構(gòu)達(dá)到指定的角度。采用中斷的方式查詢(xún)按鍵信號(hào)、串口數(shù)據(jù)信息，以降低系統(tǒng)功耗。采用查詢(xún)的方式對(duì)AD 寄存器數(shù)據(jù)并顯示，如XY 坐標(biāo)等。若出現(xiàn)異常信號(hào)置位STM32 相關(guān)管腳在LCD 顯示并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行信息提示。

4 結(jié)論

1）基于嵌入式的二自由度的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用STM32F103 芯片為主要芯片，伺服電機(jī)為執(zhí)行單元，設(shè)計(jì)了電源模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、按鍵及LED 模塊、聲光信息模塊等部分電路。

2）該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)行，承載大中型零件的加工、裝配及調(diào)試，對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有一定的借鑒意義。