基于STM32的多自由度機械臂設計研究

孟建平

（內蒙古機電職業技術學院 電氣工程系，內蒙古 呼和浩特 010070）

基于STM32的多自由度機械臂設計研究

孟建平

（內蒙古機電職業技術學院 電氣工程系，內蒙古 呼和浩特 010070）

文章闡述了機械臂的組成及原理，對驅動模塊、陀螺儀、控制模塊、執行模塊的控制進行分析，并探討了基于STM32的多自由度機械臂設計，以期為我國的機械臂設計提供借鑒。

STM32單片機；多自由度；機械臂

隨著機械技術的迅猛發展，機械臂的設計研究日益發達，機械臂在生產實踐中發揮著日益重要的作用。我國的機械臂設計研究起步較晚，缺乏良好的精度控制和機械性能。因此，我國加強對仿人型機械臂及其控制系統的研究，對于我國機械領域的發展具有至關重要的深遠意義。

1 機械臂的組成及原理

（1）驅動模塊的精確控制。機械臂的控制信號，經由機械臂接收機的通道，實現對機械臂信號調制芯片的進入，并完成對直流偏置電壓的有效獲取。機械臂驅動模塊內部存在著基準電路，能實現對基準信號的產生。產生的基準信號的寬度是1.5ms，基準信號周期為20ms。通過比較電位器與直流偏置電壓二者的電壓差，實現對電壓差輸出的有效獲取。當電機保持一定的轉速時，電位器在級聯減速齒輪的帶動下，實現旋轉。電壓差為0時，電機的轉動停止。通常需要利用時基脈沖，實現對機械臂舵機的有效控制。時基脈沖以20ms為宜。該時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：當不存在外力對旋轉物體的影響時，其旋轉軸所指方向不變。根據該原理能制造出實現方向保持的陀螺儀。對于陀螺儀的工作，需要施加一個作用力，確保陀螺儀的快速旋轉，通常能達到每分鐘實現幾十萬轉，且能實現較長的工作時間。對于陀螺儀的軸指示方向，采用多種方法進行讀取，并實現數據信號對控制系統的自動傳遞。

物體在高速旋轉時，其旋轉軸，對于改變其旋轉軸所指方向的外力，有一種傾向，即對鉛直方向的趨向。物體在橫向傾斜的過程中，重力作用會對傾斜的方向作用造成增加，旋轉軸則向著垂直方向運動。這就造成了以下情況：當陀螺儀經緯儀的陀螺軸以水平軸進行旋轉時，在地球旋轉作用下，陀螺儀會受到鉛直方向旋轉力的影響，陀螺儀的旋轉體就會向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當陀螺儀的旋轉軸和子午線平行，且處于靜止狀態時，可以通過對MPU6050的利用，實現對3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器的內部整合。另外，其第二IIC接口可以實現對外部磁力傳感器的連接，并實現對自帶數字運動處理器的有效利用。借助于主IIC接口，硬件加速引擎可以實現將演算數據對應用端的完整輸出。通過DMP，可以對InvenSense公司提供的運動處理資料庫進行使用，實現對姿態的便捷解算，并實現對操作系統負荷的有效降低，同時實現開發難度的有效降低。

（3）控制模塊的控制。對機械臂的控制模塊的控制，采用STM 32一Fl0x系統。該系統具有諸多優點，該系統具有最高容量為1MB的閃存容量，具有容量為128KB的RAM，具有6個UART和3個SPI接口。同時，該系統還支持IEE1588 PTP V2的以太網媒體訪問控制器以及容量為4KB的備用RAM，另外，還支持存儲容量為512字節的一次性存儲器。

（4）執行模塊的控制。在對機械臂執行模塊的控制中，為了增強機械臂的通用性，通常對機械臂的手臂結構進行科學合理的設置，使之成為可以實現更換的結構。當使用機械臂去執行棒型原料的操作時，將夾持式手部安裝在機械臂的手臂上。當使用機械臂去執行板料工件的操作工作時，將氣流復壓式吸盤安裝在機械臂的手臂上。

2 基于STM32的多自由度機械臂設計

（1）結果與分析。該多自由度機械臂設計，基于STM32單片機，且以STM32單片機為該機械臂的控制核心。該機械臂對數字式的六軸陀螺儀傳感器協同作業進行了使用，該陀螺儀會通過固定的頻率實現對空間位置信息的即時采集。并經由SPI通信協議，實現將即時采集到的空間位置信息對STM32單片機的上位機的有效發送。STM32單片機的上位控制系統采用STM 32F103芯片的微處理器，以控制機械臂的基本動作，主要控制方式是定位算法控制以及運動控制。通過STM32單片機的處理，實現對PWM波的有效控制，進而實現對機械臂舵機的控制，使機械臂的觸手準確到達指定位置，以增強機械臂控制的自動化和精確化。另外，有效提高了機械臂的穩定控制，實現了多自由度旋轉。

（2）多自由度機械臂的優勢。機械臂在生產實踐中得到了日益廣泛的應用，多自由度機械臂具有諸多方面的優勢：①多自由度機械臂能實現對人工操作的良好代替。②多自由度機械臂能實現對生產要求的良好滿足，能有效完成傳送工作和裝卸工作。③多自由度機械臂能實現對焊接機具和裝配機具的良好操作，實現對人工勞動條件的良好改善，提高生產率，有利于促進工業生產的機械化和自動化。

3 結語

綜上所述，基于STM32的多自由度機械臂設計采用了數字式六軸陀螺儀協同作業，其上位控制系統采用STM 32F103芯片的微處理器，以控制機械臂的基本動作，主要控制方式是定位算法控制以及運動控制。

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

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