机械臂本科生毕业设计(论文)范文

1、 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行了研究与设计。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

2、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。然后按照结构化设计的思想，依次对以上各部分的原理和设计方法进行了分析和探讨，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行设计。实验表明，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，Cortex-M3，脉冲宽度调制the Design of Manip

3、ulator Drive System Based on STM32 Author：XXX Tutor：XXXAbstractIn recent years, robot arm is widely used in industry control, special robot, medical device and home service robots. Research of robot arm control system is a focus in robot area. It is meaningful to increase the performance in accuracy

4、, 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 desi

5、gn 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 microp

6、rocessor 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 o

7、ver 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 experiments show that the system can signi

8、ficantly 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, Cortex-M3, Pulse Width Modulation 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页目 录1 绪论.11.1 机械臂概述.11.1

9、.1 机械臂研究的意义.11.1.2 国内外机械臂的研究现状及发展趋势.11.1.3 机械臂的分类.21.2 机械臂控制的研究内容.41.2.1 机械臂的驱动方式.41.2.2 机械臂的机械结构.41.2.3 机械臂的控制器.41.2.4 机械臂的控制算法.51.3 嵌入式系统简介.51.4 本文的主要工作.62 机械臂控制系统的总体方案设计.72.1 机械臂的机械结构设计.72.1.1 臂部结构设计原则.72.1.2 机械臂自由度的确定.72.2 工作对象简介.72.3 机械臂关节控制的总体方案.82.3.1 机械臂控制器类型的确定.82.3.2 机械臂控制系统结构.92.3.3 关节控制系

10、统的控制策略.92.4 本章小结.93 机械臂控制系统硬件设计.113.1 机械臂控制系统概述.113.2 微处理器选型.113.3 主控制模块设计.133.3.1 电源电路.133.3.2 复位电路.143.3.3 时钟电路.153.3.4 JTAG 调试电路.153.4 驱动模块设计.163.5 电源模块设计.17 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页3.6 传感器模块设计.193.7 本章小结.194 机械臂控制系统软件设计.204.1 初始化模块设计.204.1.1 系统时钟控制.204.1.2 SysTick 定时器 .224.1.3 TIM 定时器.234.1.4 通

11、用输入输出接口 GPIO.244.1.5 超声波传感器模块.244.2 运行模块设计.254.3 本章小结.265 系统的整机调试.275.1 硬件调试.275.2 软件调试.285.3 故障原因及解决方法.315.4 本章小结.32结 论.33致 谢.34参考文献.35附 录.37附录 A.37附录 B.46附录 C.47 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 0 页1 绪论1.1 机械臂概述1.1.1 机械臂研究的意义早在几千年前，人类就开始了机器人的制造，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

12、，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发明以来，与工业机器人相关的技术得到了迅猛的发展，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。作为近几十年来发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发展前景。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

13、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。1.1.2 国内外机械臂的研究现状及发展趋势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始机器人的研制。中国对现代机器人的研制始于上世纪 70 年代后期，80 年代进入到飞速发展时期。尤其在国家成立了 863 计划后，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发展，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。机械臂发展状况概括如下：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

14、各种场 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页合。这种工作方式只能按照事先设置的位置进行重复的动作，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行自适应，故可以完成较为复杂的工作。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行自主的工作。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 东北大

15、学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页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发展方向。1.1.3 机械臂的分类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，但结构繁杂，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，但结构庞大，移动轴的设计

16、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，结构紧凑，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。该类机械臂结构紧凑，占地面积小，工作空间大，但是位置精度较差，控制存在耦合，比较复杂。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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 图 1.5 极坐标式机械臂 图 1.6 多关节式机械臂1.2 机械臂控制的研究内容1.2.1 机械臂的驱动

17、方式作为驱动方式，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行工作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。1.2.2 机械臂的机械结构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

18、先要分析机械手臂的机械结构，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 年代发明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。1.2.3 机械臂的控制器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、软件和硬件技术的发展，为机械臂控制器的选择提供的充分的条件。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页可编程控制器（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

19、用于工业场合10。但是其成本很高。数字信号处理器（DSP）采用数据和程序分离的哈佛结构和改进的哈佛结构，执行指令速度更快，它以处理能力强、内置较大的存储器、芯片功耗低及配置资源灵活等特点得到了广泛的应用11。但是其成本较高，高频干扰很大，功率消耗也很大。FPGA（FieldProgrammable Gate Array）灵活，设计周期短的特点使其特别适合用于小批量系统，提高系统的可靠性和集成度12。但是 FPGA 的功耗非常大，而且跟硬件的的联系非常大，使用起来很有难度13。与上述各种微处理器相比，STM32F103ZET6 处理器是意法半导体公司 STM32 系列芯片的一种，STM32F10

20、3ZET6 采用 ARM 最新的 Cortex-M3 内核，具有低成本、高集成度、低功耗等优点14。ARM 微处理器资源丰富，具有很好的通用性，在很多领域都得到了广泛的应用。 1.2.4 机械臂的控制算法应用于机械臂系统控制方法多种多样，包括传统的 PID 控制，现代控制的轨迹控制、模糊控制、自适应控制等。PID 控制的实用性很强。只要三个参数配合适当，便可实现速敏捷、平稳准确的控制。工业生产上的机械臂经常采用示教再现的方式。模糊控制和自适应控制精度高，是现代控制领域中应用广泛的控制方法，尤其体现在军工领域和航天领域中。机械臂的研究内容除以上主要内容外，智能化传感器的应用、机器人的编程语言以及

21、网络通讯等技术对于机器人系统也有非常重要的意义。1.3 嵌入式系统简介在一般情况下，嵌入式系统是“执行特殊功能并受内部控制器控制的设备或系统”，即“嵌入到对象体系内的特定计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。它主要负责信号的控制，体积小，可作为一个部件嵌入到所控制的装置中。它提供用户接口、有关管理信息的输入输出等，使设备及应用系统有较高的智能和性价比。进入微型计算机机时代后，科技人员开始了嵌入式系统的研究，之后迅速进入到独立发展的单片机时代，随后又迅速进入到电子技术 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页领域中15。嵌入式技术的发展不仅使机器人

22、在微型化、智能化等方面具有更明显的优势，同时又使机器人的价格大幅降低，实现了机器人在更多领域广泛的应用。1.4 本文的主要工作该设计主要负责四自由度机械臂控制系统相应的软件、硬件的设计与开发。该设计以四自由度机械臂为控制基础，以 STM32F103ZET6 为主控芯片，设计的机械臂控制系统，控制精度较高，稳定性较强，具体的内容包括如下几个方面：1.对机械臂系统的硬件设计进行分析，具体的电路以及芯片的选择进行了较为详细的介绍，并对其可靠性进行了深入的分析。2.对舵机的控制理论进行了深入的研究，分析讨论了控制系统所涉及的主控芯片。3.根据四自由度机械臂需要完成的工作任务，编写了系统的软件控制程序，

23、对初始化、运行等模块展开了较为详细的介绍，之后对整个系统进行了反复的调试，调试结果表明，所设计的机械臂控制系统可以实现较为精确的控制。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页2 机械臂控制系统的总体方案设计2.1 机械臂的机械结构设计2.1.1 臂部结构设计原则作为机械臂的一个重要组成部分，手臂不仅起到支撑被抓物体、手爪和其他关节的作用，而且还可以驱动手爪抓取物体，并根据事先预定的位置将物体搬运到指定地点16。机械臂的结构形式必须基于其运动形式、动作自由度、抓取质量、受力情况和其他的因素来确定，整个系统的总质量比较大，受力也比较复杂，其运动部件的质量直接影响到机械臂的刚度和强度。所以，

24、进行手臂的设计时，一般应注意下述要求：（1）刚度要大。为了避免机械臂在运动过程中发生较大的形变，要合理选择手臂的截面形状。（2）导向性要好。为了避免机械臂在运动过程中发生不必要的相对运动，臂杆最好设计成方形或是花键等形式。（3）偏重力矩要小。要尽可能减小机械臂运动部分的质量。该设计根据机械臂的功能及搬运工作的任务的特点以及类型，为了使其在一定程度上具有操作的灵活性和运行性能的良好，经过多次的比较、讨论后，该设计选用多关节型的机械臂，它不仅具有动作的角度大的优点，还可以使机械臂在更大的空间内的运动。2.1.2 机械臂自由度的确定机械臂的自由度是一个非常重要的参数，取决于机械臂的类型及其结构，并且

25、在很大程度上直接决定到机械臂能否完成预定的任务。一般来说是根据机械臂的用途来设计机械臂的自由度。自由度越多的机械臂，具有更大的运动的灵活性，通用性也越强，但结构较复杂，难以实现。所设计的搬运机械臂采用四个自由度就可以完成设定的搬运任务。其中机械臂的 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页手臂的旋转关节包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节四个关节以及末端手爪的开合。2.2 工作对象简介在工业现场采用机械臂进行的工作对象中袋装物品和箱装物品较为是常见的。在一般的情况下，箱装物品由于具有规则的外形，多使用吸附式的手爪；而袋装物品由于具有极易产生形变的特点，多使用夹钳式或者插板式的手爪。在该设计

26、中，由于受机械臂硬件条件的限制，选择夹钳式的手爪搬运箱装物品。模拟的箱装物品的长、宽、高分别是 55mm、36mm 和 30mm。在进行工作对象的选择过程中，共有 3 种型号可供选择。其中长、宽、高分别是40mm、36mm、和 30mm 的工作对象由于超声波传感器的反射面较小，所以当其已经运动到指定搬运位置时，传感器不能准确的检测到物体，所以控制精度不够高，放弃采用。而长、宽、高分别是 65mm、36mm 和 30mm 的工作对象对于该手爪来说尺寸较大，在抓取和搬运的过程中经常出现掉落的现象，所以没有采用。2.3 机械臂关节控制的总体方案2.3.1 机械臂控制器类型的确定作为机械臂的心脏，机械

27、臂控制器是根据程序指令和从传感器获得的传感信息来控制机械臂完成事先预定的动作或任务的装置，控制器的性能决定了机械臂控制性能的好坏。从计算机结构、控制方式方面来划分，机械臂控制器大约可分为 3 种：单CPU 集中控制方式、多 CPU 分布式控制方式、二级 CPU 主从式控制方式。（1）单 CPU 集中控制方式：单 CPU 集中控制系统必须是一个强大的控制系统，它的全部控制功能是用一台功能强大的计算机实现的。Hero-、Robot- 等这些时代较早的机器人采用的就是这种单 CPU 集中控制方式的结构，但由于在控制的过程中需要进行大量的计算，因此这种控制方式的控制速度一般比较慢。（2）多 CPU 分

28、布式控制方式：多 CPU 分布式控制系统的最大特点就是一个CPU 负责控制一个关节轴，同时在上位机与单轴控制的 CPU 之间设计了一个并行接口，其主要负责上、下位机的通信，从而保证了数据的可靠传输。（3）二级主从式控制方式：该控制方式需要主从两个 CPU，即上位机和下位的单 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页片机两层结构。上位机负责运动轨迹的规划、运动学计算等任务，根据预定的位置，计算出各个关节的运动量，以指令形式传送给下位的微处理器。下位的微处理器根据指令对各关节进行运动控制。本课题所设计的机械臂系统基于 STM32 微处理器，利用 STM32 强大的运算和处理能力，采用单 CP

29、U 集中控制方式即可满足要求。2.3.2 机械臂控制系统结构本课题研究的机械臂控制系统采用单 CPU 集中控制方式，系统框图如下：图 2.1 机械臂控制系统结构图计算机用于完成整个系统的管理、发送指令、运动轨迹规划等。计算机通过 J-Link仿真器将程序下载至 STM32 微处理器，向关节控制系统发出位置指令，STM32 根据指令输出 PWM 波，从而使机械臂的各个关节转过指定的角度，进而使其按照预定的轨迹完成搬运任务。2.3.3 关节控制系统的控制策略本课题设计的机械臂关节控制系统以 STM32 微处理器为核心，对直流伺服电机（舵机）进行较为精确的运动控制。关节控制系统的工作原理是：STM3

30、2 微处理器内部的 PWM 单元产生 PWM 信号，驱动直流伺服电机旋转。电机驱动舵机内部的齿轮组，其输出端带动一个线性的比例电位器作为位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或者反向的转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于为 0，从而达到使伺服电机的精确定位17。计算机J-Link仿真器舵机关节执行机构STM32关节控制系统 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页该关节控制系统的主要特点如下：（1）使用以 Contex-M3 为内核的 STM32F103ZET6 作为系统的微控

31、制器，与传统的 51 单片机相比起来，具有功耗小，运算能力大大增强的优点。（2）采用直流伺服电机驱动机械臂的各个关节，根据 STM32 微控制器输出的PWM 控制信号的占空比来确定直流电动机的转速和转向，控制起来简单，准确。2.4 本章小结本章介绍了 4 自由度机械臂的结构形式，根据腰关节、肩关节、肘关节和腕关节4 个旋转关节的运动特点，从整体上确定了该机械臂控制系统的控制方案。首先确定了该关节控制系统采用单 CPU 集中控制方式，然后说明了关节控制系统的工作原理，最后介绍了本设计的关节控制系统的一些主要特点。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页3 机械臂控制系统硬件设计3.1

32、机械臂控制系统概述机械臂控制系统通常要满足如下几个基本的要求：（1）控制系统的微型化、轻型化和模块化。因为机械臂的控制系统是安装在机械臂上的，所以为了安装的方便和减轻机械臂的负载，控制系统应尽可能实现微型化和轻型化；另外，为了达到系统的各单元之间有要求的独立性的目的，要尽量实现模块化。（2）控制系统的实时性。为了满足机械臂的输入输出信息量大，并且计算量大，同时要保证较高的控制精度的要求，机械臂控制系统必须具有较好的实时性。（3）系统的稳定性和开放性。稳定是保证系统正常运行的前提和保证，所以机械臂控制系统必须具有一定的稳定性以保证系统的低故障率。此外，为了实现控制系统以后的改进和可以方便的移植到

33、其他的位置，这就要求控制系统具有好的开放性18。该机械臂控制系统由主控制模块、电机驱动模块和电源模块组成，每个子模块的功能如下：主控制模块：作为该控制系统的核心，包括 ARM Cortex-M3 内核和有关外围电路，主要负责完成 PWM 波（控制信号）的输出。驱动模块：负责机械臂各个关节的驱动，由舵机组成。电源模块：机械臂控制系统采用双电源供电模式，STM32 单片机经过 AMS1117-3.3V 稳压芯片供电，舵机驱动模块采用 7.2V 可充电电池经 LM2596 DC-DC 可调降压模块实现供电。3.2 微处理器选型微控制器作为机械臂运动控制系统的核心，其性能对控制效果起着至关重要的作用，

34、因此高性能的 CPU 是必需的。微控制器的选择对机械臂系统的设计影响很大，所以要在具体分析了该控制系统的特点和要求后选择合适的微控制器，应基于整个系统 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页的控制速度及其智能水平两个方面，以如下几个方面为重点进行微控制器的选择：系统时钟速度运算速度功能电机控制方式ROM 及 ROM 的大小控制板的结构尺寸目前，应用于机械臂的微控制器有很多种，最广泛的有 8/16 位单片机和数字信号处理器两种。选择 8/16 位单片机进行控制系统的设计简单，开发周期较短，但数据处理能力弱，需要附加很多的外部设备如 PID 调节器和 PWM 发生器等才能完成较为复杂的控

35、制，而且系统的稳定性不强，开发板尺寸较大。相比于 8/16 位单片机，数字信号处理器具有处理能力强、速度快、开发板体积小等特点，但在中断处理、位处理方面，DSP 不如单片机的资料多，而且芯片的价格以及其相应的开发软件也比较贵，针对性性比较强，但是通用性一般比较差。具有同等性能的 ARM 微处理器与 DSP 相比，资源更加的丰富，通用性明显增强，它所具有的处理速度快、性价比高、功耗低等优点使其得到了广泛的应用。虽然作为32 位的微处理器，但是由于 ARM 内部具有 16 位的 Thumb 指令集，这使其能够作为16 位的单片机使用，却拥有了 32 位单片机的处理速度。所以，用单片机和 DSP 实

36、现的系统，ARM 都可以实现。在上述分析的基础上，经过反复比较，本设计采用意法半导体公司的 STM32 处理器，如图 3.1 所示。STM32F103ZET6 是基于 32 位 ARM Cortex-M3 内核的微处理器，不但支持实时仿真，而且嵌入了 512KB 的高速闪存。CPU 的最高工作频率为72MHz，支持 Thumb-2。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页图 3.1 STM32STM32 的主要特性如下1922：内核为 ARM32 位的 Cortex-M3 CPU：存储器：512KB 的闪存程序存储器； 64KB 的 SRAM；带 4 个片选的静态存储器控制器。支持

37、CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAND存储器。时钟、复位和电源管理：低功耗：3 个 12 位的模/数转换器：3 倍采样和保持功能；温度传感器。2 通道 12 位 D/A 转换器。12 通道 DMA 控制器：调试模式：串行单线调试和 JTAG 接口；Cottex-M3 内嵌跟踪模块。112 个快速 I/O 端口。11 个定时器。13 个通信接口。CRC 计算单元，96 位的芯片唯一代码。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页3.3 主控制模块设计该设计的主控制模块的硬件系统包括电源电路、复位电路、系统时钟电路以及 JTAG 调试电路四大组成部分。3.3.1 电源电路在硬

38、件电路的设计中，电源模块的设计是非常重要的，如果不能妥善处理，不但会使电路不能正常工作，严重的还可能烧毁电路。因此，在设计电源时务必要注意如下几点：（1）交流输入和直流输出尽可能保持更大的距离；（2）地线要足够粗，单点和多点相结合，同时分离模拟地和数字地；（3）散热要好，布局应合适；图 3.2 电源电路图STM32 开发板支持的供电方式主要有 3 种，分别是：USB 接口供电，最大为 500mA外部直流 5V 供电JLINK V8 电源，包括两种方式 5V 和 3.3V 如上图所示，当电源开关拨到下面时，开发板由外部接口供电。板上的电源转换芯片将 USB 接口输入的 5V 电源转换成 3.3V

39、 的电源，给处理器和相关外围电路供电。当电源开关拨到上面时，开发板由 USB 接口供电。板上的电源转换芯片将 USB接口输入的 5V 电源转换成 3.3V 的电源，给处理器和相关外围电路供电。3.3.2 复位电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页图 3.3 复位电路图如上图所示，B1 为整个板的复位按钮，当按钮被按下时，STM32 处理器、液晶、以太网和音频解码芯片等都将复位。3.3.3 时钟电路STM32 的 VBAT 的供电是由 CR1220 纽扣电池以及外部电源混合完成的，在有外部电源（VCC3.3）的情况下，CR1220 纽扣电池不给 VBAT 供电而由外部电源实现供电

40、。但是，当外部电源断开的情况下， CR1220 纽扣电池负责给 VBAT 供电。这样，VBAT 总是有电的，以保证 RTC 的走时以及后备寄存器的内容不丢失。相关电路如下：图 3.4 时钟电路图3.3.4 JTAG 调试电路软件程序的编写通常是需要多次的修改才适用的，因此一些比较先进的调试手段 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页便应运而生。JTAG 仿真调试手段作为其中的一种，是由 ARM 公司提出的。如下图所示：图 3.5 JTAG 调试电路图通过 JTAG 接口，我们可以烧录和调试程序，开发板的 JTAG 接口的硬件连接如上图所示，可以与目前主流的 JLINK V8 仿真器配

41、合使用。3.4 驱动模块设计该机械臂控制系统包括四个旋转的腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，以及末端手爪的运动，相应的要五个动力源才能完成目标作业。如第一章所述，广泛使用的驱动方式主要包括液压驱动、气压驱动和电机驱动。三者各有自己的优点和缺点，通常对机械臂的驱动系统的要求有：（1）驱动系统的质量不应太重，效率也应较高；（2）响应速度快；（3）动作灵活，位移偏差以及速度偏差均较小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）经济合理，占地面积要尽可能的小。基于上述驱动系统的特点和该机械臂驱动系统的设计要求，该设计选用直流伺服 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页电机负责机械臂各个关节的

42、驱动。该设计选用的舵机型号为分别 MG995、MG945，如图 3.2、3.3，其参数如下：MG995：（1）尺寸：40mm20mm36.5mm （2）重量：62g（3）技术参数：无负载速度 0.17 秒/60 度(4.8V) 、0.13 秒/60 度(6.0V) （4）扭矩：13KG （5）使用温度：-30+60 摄氏度 （6）死区设定：4 微秒 （7）工作电压：3.0V-7.2V图 3.6 MG995 舵机MG945：（1）尺寸：40mm20mm36.5mm （2）重量：70g（3）技术参数：无负载速度 0.23 秒/60 度(4.8V) 、0.20 秒/60 度(6.0V) （4）扭矩：

43、13KG （5）使用温度：-30+60 摄氏度 （6）死区设定：5 微秒 （7）工作电压：4.8V-7.2V图 3.7 MG945 舵机 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页一般来说，舵机是由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等几个重要部分组成的。信号线把来自于微控制器的控制信号传输到舵机的控制电路板，控制电路板根据相应的控制信号控制电机的转动，同时电机带动齿轮组随之转动，经减速机构减速后传动到输出舵盘。由于舵机的输出轴和位置反馈电位计是连接在一起的，所以在舵盘转动的时候会带动位置反馈电位计，电位计根据当前位置将一个电压信号反馈到控制电路板，然后控制电路板根据电

44、位计反馈回来的数据决定电机后续的转动方向和速度，从而使舵机运动到指定的位置后停止运动，可以实现对位置的精确控制。3.5 电源模块设计机械臂控制系统采用双电源供电模式，STM32 单片机经过 AMS1117-3.3V 稳压芯片供电，舵机驱动模块采用 7.2V 可充电电池经 LM2596 DC-DC 可调降压模块实现供电。AMS1117 是正向低压降的稳压器，在 1A 电流下产生 1.2V 的压降。它的内部所集成有过热保护和限流电路，因此是电池供电和便携式计算机的最佳选择。其特点是：固定的 3.3V 输出电压，具有 1的精度；低漏失电压；限流功能；过热切断；温度范围-40C 125C。经常被应用于

45、笔记本电脑，掌上电脑，电池充电器，手机，电池供电系统，便携式设备等。由 AMS1117-3.3V 芯片构成的 3.3V 稳压电路如图 3.8 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页图 3.8 3.3V 稳压电路LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，可以输出最高达 3A 的驱动电流，同时也有良好的线性和负载调节特性。可调型的 LM2596 甚至可以输出低于 37V 的各种电压。LM2596 的特性如下：输出电压可调，可调范围为 1.2V37V，误差范围 4%；输出特性有良好的线性，并且负载可以调节；驱动能力较强，输出电流可高达 3A，输入电压可高达 40V；

46、采用 150kHz 的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器；功耗小、效率高，具有过热保护和限流保护功能等。常用于高效率降压调节器，单片开关电压调节器，正、负电压转换器等。由 LM2596 构成的 5V 稳压电路如图 3.9 所示。图 3.9 5V 稳压电路3.6 传感器模块设计 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页本设计采用 HC-SR04 超声波测距模块，检测物体距离超声波传感器的距离。当物体到达指定位置时，控制器发出指令，使机械臂完成动作。HC-SR04 超声波测距模块由超声波发射器、超声波接收器与控制电路等三部分组成。它的基本工作原理如下：首先，采用 TRIG 端口触发测距

47、信号，产生至少 10s 的高电平信号；然后，超声波发射器自动发送 8 个 40KHz 的方波信号，接收器检测是否有反射的信号返回；如果有信号返回，超声波模块通过 ECHO 端口输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。其时序图如下。图 3.10 超声波时序图3.7 本章小结本章首先对机械臂的关节控制系统的硬件组成进行了说明，然后按照模块化的设计思想，分别对以 ARM 微处理器 STM32F103ZET6 为核心的主控制模块、由直流伺服电机组成的驱动模块和采用 7.2V 可充电电池、AMS1117-3.3V 稳压芯片和 LM2596 DC-DC 可调降压模块组成的电源模块和超

48、声波传感器模块的工作原理和设计进行了仔细的分析和讨论，并给出了相应模块的实际的电路图或原理图。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页4 机械臂控制系统软件设计如果将硬件比作是机械臂控制系统的身体，那么就可以把软件比作是是整个控制系统的大脑，将连接人的思维与系统硬件连接在一起。软件系统的优劣关系到整个机械手系统的正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等23。因此，在进行软件程序的设计之前，必须要先了解整个机械臂控制系统的基本要求，主要有以下三点要求：（1）实时性：电机控制一般都是实时控制，那么，软件就必须是实时控制软件。实时意味着计算机必须在一定的期限内，完成一系列的处理过程。（

49、2）可靠性：可靠性是指在运行过程中，系统防止故障发生，以及故障发生后排除解决故障的能力。因此，为了提高软件的可靠性，在软件设计过程中必须充分考虑电机在运行中出现的不正常现象。（3）维护方便：好的控制软件不是一次设计、调试就可以应用的，往往是一边设计一边调试，经过多次修改才能达到控制要求。所以在开始整体设计时，就必须有好的结构，以提高软件调试的效率，并保证完成的软件具有结构简单、清晰的优点。为了能够使系统调试更加顺利以及功能扩展更加方便，该机械臂控制系统的软件采用模块化结构设计，包括系统时钟与 Systick 定时器模块，串口通讯模块，PWM（TIM2）波输出模块，超声波传感器模块和计数（TIM

50、4，NVIC）模块。主程序分为初始化和运行两个模块，在程序上电后初始化模块运行一次，运行模块主要用于电机的控制。4.1 初始化模块设计初始化模块主要负责完成如下工作：系统时钟控制寄存器 RCC 的配置， SysTick 定时器，TIM 定时器，通用输入输出接口 GPIO ，嵌套向量中断控制器 NVIC， PWM 波输出，超声波传感器模块的初始化。采用库函数进行编程。4.1.1 系统时钟控制 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页STM32 CPU 的时钟源可以来自内部高速振荡器（HSI）、外部高速振荡器（HSE）或者内部锁相环（PLL）。锁相环需要以 HSI 或 HSE 作为时钟来源

51、，两者的差别在于内部高速震荡器 HSI 不能产生稳定的 8MHz 的时钟频率。为了获得最大的工作频率，都会通过锁相环配置出最大的 72MHz 频率，供给 Cortex-M3 内核使用。在复位操作之后，首先开启 HSE 并等待其稳定，从而作为 PLL 的输入。其次，确定锁相环倍频数，使内核工作在最大频率下。该设计以 8MHz 的 HSE 作为时钟源， PLL 倍频数需要设置为 6 才能使 PLL 恰好输出 48MHz 的频率。在 PLL 设置好后，Cortex-M3 内核就以 72MHz 的频率运行了，此时，还需要通过改变总线控制寄存器设置 AHB 和 APB 总线频率。 AHB 和 APB2

52、的最高频率是72MHZ。APB1 的最高允许频率是 36MHZ。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页图 4.1 STM32 时钟树本部分的程序流程图如下： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 23 页图 4.2 系统时钟初始化流程图与该流程图相对应的程序设计见附录 C。4.1.2 SysTick 定时器SysTick ，即系统节拍时钟，它作为 ARM Cortex-M3 内核的一个内设，和 STM32微控制器之间并没有必然的联系。SysTick 的存在既能够提供必要的系统节拍，为实时操作系统的任务调度提供一个有节奏的“心跳”，进而提高可靠性，又方便了程序在不同器件间的移植。开

53、始复位系统时钟设置开启外部振荡器 HSE是否成功起振并稳定？YN选择 AHB，APB1，APB2 频率使能锁相环 PLL等待 PLL 输出稳定，成为时钟源结束 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 24 页系统初始化时，RCC 通过 AHB 时钟(HCLK)8 分频后作为 Cortex 系统定时器(SysTick)的外部时钟。通过对 SysTick 控制与状态寄存器的设置，可选择上述时钟或Cortex(HCLK)时钟作为 SysTick 时钟。系统嘀嗒校准值固定为 9000，当系统嘀嗒时钟设定为 9MHz(HCLK/8 的最大值)，产生 1ms 时间基准。本部分的程序流程图如下：图 4.3

54、SysTick 定时器初始化流程图与该流程图相对应的的程序设计见附录 C。4.1.3 TIM 定时器STM32 微控制器具备高级定时器 TIM1 和 TIM8 2 个，通用定时器TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5 4 个以及基本定时器 TIM6 和 TIM7 2 个，再加上 RTC 和 Systick 定时器，总数量达到了 10 个。基本定时器可以为用户提供准确的时间参考；通用定时器不仅具备时间参考功能，还具有输入捕捉、输出比较、单脉冲输出、 PWM 输出功能和正交编码器的特点；高级定时器更是加入了可以产生带死区控制的互补 PWM 信号、紧急制动、定时器同步开始设置 Systick 重

55、装载时间失能 Systick 定时器设定中断函数，获取节拍使能 Systick 定时器结束 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 25 页等高级特征，并最多可以输出 6 路 PWM 信号，可谓是意法半导体赋予 STM32 的王牌。本设计采用 TIM2、TIM3 的 PWM 输出功能和 TIM4 的计数功能。本部分的程序流程图如下：图 4.4 TIM 定时器初始化流程图与该流程图相对应的的程序设计见附录 C。4.1.4 通用输入输出接口 GPIOGPIO 可以说是 STM32 最常用的外设。STM32F103ZET6 提供多达 112 个双向 GPIO ，分别分布在 AG 这 7 个端口中。每

56、个端口又包括 16 个 GPIO ，都可承受5V 的压降。GPIO 可通过配置寄存器工作在如下 8 种模式：浮空输入、带上拉电阻的输入、带下拉电阻的输入、模拟输入；开漏输出、推挽输出、复用推挽输出、复用开漏输出。该设计中将 PA0、PA1、PA2、PA3、PA6 作为 PWM 波的输出口；PA4、PA5 作开始配置 PWM 输出引脚设置定时器 TIM2 各输出通道占空比设置定时器 TIM3 输出通道 1 占空比延时 1000ms，等待手臂初始化完成设置定时器 TIM4 计数模式结束 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 26 页为 LED 显示接口；PA7、PA8 作为超声波传感器信号的接收

57、发送接口；PB6、PB7 分别作为串口的发送接收接口。4.1.5 超声波传感器模块首先，STM32 的 PA7 端口接超声波传感器的 TRIG 口，触发测距信号，发出10us 的高电平信号；然后，超声波发射器自动发送 8 个 40KHz 的方波，接收器检测返回信号；然后，PA8 端口接的 ECHO 发给 STM32 微控制器一个高电平，用 TIM4 来测量高电平的持续时间。本部分的程序流程图如下：图 4.5 超声波模块初始化流程图与该流程图相对应的的程序设计见附录 C。4.2 运行模块设计运行模块的主要任务是：控制器输出 PWM 波控制舵机的转向及角度，进而实现对各个关节的位置控制。主要工作流

58、程为：在系统上电后，超声波传感器进行循环扫描，检测工件是否到开始配置超声波模块引脚配置并使能 TIM4触发超声波模块发射方波，TIM4 开始计数触发超声波模块收到反射波，TIM4 停止计数结束 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 27 页达指定位置，若到达指定位置，机械臂的各个关节开始运动，完成搬运动作，否则继续扫描。完成一次搬运后，机械臂回到起始位置，进入等待状态，直到下一次动作。流程图如下： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 28 页图 4.6 系统流程图运动子程序、宏定义和相关定义以及完整程序见附录 C。4.3 本章小结本章首先介绍了软件控制的总体思想，从宏观上分为初始化模块和

59、运行模块；然后分别对各个模块的程序进行设计。其主要内容包括：系统初始化程序设计和基于 PWM 波的舵机机制程序设计以及相应的配置。将工件搬运到位置 1YY开始RCC，SysTick，TIM，NVIC，GPIO 初始化产生 PWM 波传感器检测物件到位N搬运到位置 1将工件搬运到位置 2Y搬运到位置 2N结束将工件搬运到位置 3N 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 29 页 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 30 页5 系统的整机调试作为开发过程中的重要环节，系统整机调试对系统运行过程中控制效果的好或是坏有着至关重要的作用，所以，必须进行系统软件、硬件的调试。也就是说一个良好的机械臂

60、控制系统必须经过系统调试才能达到控制系统预期的目的24。因为机械臂工作在高风险的环境下，所以它必须是可靠的，对于这样的硬件，其稳定性要求必须很高。一般的情况下首先进行硬件的调试，只有在确定了硬件电路正常的前提下，进行软件的调试才是有意义的。所以，硬件、软件的调试在整个系统的调试过程中都是非常重要的。5.1 硬件调试控制系统的硬件主要包括如下几部分：1.机械部分；2.电源及稳压模块；3.直流伺服电机；4 超声波传感器；5 主控制器。对于机械部分，对应原理图，将机械部分以及舵机安装起来，组装成品，检查零件安装是否合适，松动要继续固定，直到满意为止。如图 5.1 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（