基于STM32 的二自由度運動平臺設計

李林駿

（山西省財政廳信息網絡中心，山西 太原 030006）

引言

隨著工業技術的不斷發展，工業機器人被廣泛應用于汽車、航空制造、醫療等領域。其中少自由度的并聯機構由于其結構簡單、穩定性好、精度高等特點[1]，在一些高精密領域應用廣泛。運動平臺是并聯機構的結構之一，多自由度和大承載力的運動平臺在大型、異形零件的裝配、調試等具有重要的作用[2-3]。本文設計一種用于重載的二自由度運動平臺，通過調節兩個方向的電機實現平臺的穩定性，可以應用于大型零件的裝配。

1 平臺模型

運動平臺分為靜平臺和動平臺，上下平臺采用虎克鉸鏈連接，通過改變支鏈桿的長度控制動平臺的擺動，本文為實現運動平臺在縱向、橫向兩個方向上的傾斜。其結構簡圖如圖1 所示，上平采用臺球頭副連接，下平采用臺圓柱副連接，支鏈中間采用移動副連接。在空間中，設n 為構件總數，設其中一個構件為參照物，其他構件相對參照物自由度為6，則共有6（n-1）個自由度，運動副數為g，各構件的自由度數為fi，則該機構的自由度F 計算公式為：

計算該結構的自由度，球頭副為3 自由度，圓柱副為2 自由度，移動副和旋轉副均為1 自由度，虎克鉸為2 自由度。

2 系統設計

圖1 2 自由度運動平臺簡圖

實現兩個方向的運動，并保證平臺穩定性和快速響應，電控系統發揮了重要作用。系統應用STM32F103 系列芯片，用于控制伺服電機的運動。控制系統由STM32F103 構建最小系統[4]，設計了電源轉換、通信轉換、LED 以及I/O 接口等電路。執行機構采用伺服電機驅動絲杠，以精確控制平臺的擺動角度。執行機構包括伺服電機、驅動器及機械裝置，角度傳感器采集伺服電機旋轉角度反饋給控制器；為提高系統抗干擾能力，配置了接觸器、噪聲濾波器以及隔離變壓器等。系統框圖如圖2 所示。

圖2 2 自由度運動平臺控制系統框圖

2.1 電源模塊

系統電源模塊分為兩部分，一部分給系統提供5 V 電源，一部分為5 V 轉3.3 V，分別如下頁圖3 和圖4 所示。J1 為電源接口，采用LM2596 芯片輸出5 V 穩壓電源，為系統提供較好的負載能力和濾波能力。AMS1117 芯片將5 V 轉換為3.3 V 為STM32 提供電源，內部集成過熱保護和限流電路，穩壓二極管保證系統較為穩定的3.3 V 輸出。

2.2 USB 轉TTL 電路

圖3 5 V 電源模塊電路

圖4 5 V 到3.3 V 轉換電路

系統采用串口進行通信，通過USB 模塊進行電壓轉換。J2 為USB 接口，D+、D-連接USB 總線，通過CH340G 芯片Txd、Rxd 管腳與STM32F103 芯片PA9、PA10 管腳進行數據交換。CH340G 芯片管腳DTR 輸出低電平時，Q2 三極管導通，BOOT 有信號輸出給STM32F103 芯片PB 管腳，進而請求串口通信；同理，CH340G 芯片管腳DTR 輸出高電平時，Q2三極管導通，RTS 輸出信號給STM32F103 芯片PB管腳，數據終端就緒。如圖5 所示。

圖5 USB 轉TTL 電路

2.3 按鍵和LED 模塊

系統為方便用戶信息交互，設計了按鍵和LED電 路，如 圖 6 所 示。NRST、PA3-PA7 接 入STM32F103 相應芯片，并采用灌電流方式，以提高LED 的負載能力。

圖6 按鍵LED 電路

2.4 聲光提示電路

系統設計提示電路對一些信息發生聲光提示，其電路圖如7 所示。由三極管Q3 對蜂鳴器進行驅動，STM32F103 芯片PA8 管腳輸出低電平時，8550三極管導通，蜂鳴器導通工作[5]。

圖7 聲光提示電路

3 軟件設計

系統上電后對各個芯片初始化處理。通過按鍵啟動伺服電機，根據預定路線發出脈沖信號，平臺通過伺服電機調節滾珠絲杠結構達到指定的角度。采用中斷的方式查詢按鍵信號、串口數據信息，以降低系統功耗。采用查詢的方式對AD 寄存器數據并顯示，如XY 坐標等。若出現異常信號置位STM32 相關管腳在LCD 顯示并驅動蜂鳴器進行信息提示。

4 結論

1）基于嵌入式的二自由度的平臺運動平臺采用STM32F103 芯片為主要芯片，伺服電機為執行單元，設計了電源模塊、電平轉換模塊、按鍵及LED 模塊、聲光信息模塊等部分電路。

2）該系統具有結構緊湊、系統穩定等特點，可實現兩個方向的運行，承載大中型零件的加工、裝配及調試，對多軸運動系統設計研究具有一定的借鑒意義。