基于STM32 的三維機(jī)械手臂控制器設(shè)計

劉義杰，王艷梅

（沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159）

隨著社會的不斷進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常應(yīng)用到的機(jī)械手臂，而如何使機(jī)械手臂像人類的手臂一樣靈活地隨意運動，受限于現(xiàn)有的科學(xué)工具和技術(shù)手段。由處理器控制的機(jī)械手臂可以根據(jù)程序完成一系列特定的工作，更加靈活，精度也有所提高[1，2]。

本文設(shè)計了三維機(jī)械手臂控制器，主控芯片采用STM32F103C8T6，使用ISP 串口通訊，實現(xiàn)對4 路舵機(jī)的控制；舵機(jī)使用SG90 用來控制機(jī)械手臂的各個方向的運動控制；使用了8MB 的FLASH 存儲器W25Q64 作為程序擴(kuò)展存儲器；三維機(jī)械手臂的工作方式設(shè)計了遙控工作方式和自動工作方式兩種工作方式。

1 三維機(jī)械臂控制器的硬件電路設(shè)計

三維機(jī)械臂控制器主要用來控制三維機(jī)械手臂的運動，通過控制器的控制，可以實現(xiàn)手臂的上下、前后、左右的三維立體運動，其結(jié)構(gòu)框圖詳見圖1 所示。

圖1 三維機(jī)械手臂控制器結(jié)構(gòu)框圖

STM32F103C8T6 作為主控芯片具有耗能低、性能高、處理速度快、硬件資源豐富以及價格便宜等優(yōu)點。STM32F103C8T6 有48kB 的靜態(tài)隨機(jī)存儲器和256kB 的閃存，同時還擁有11 個定時器，2 個I2C 通信接口，5 個串口，1 個USB，3 個串行外設(shè)接口，3 個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，2 個12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換接口和51個通用輸入輸出口。

電源模塊：舵機(jī)供電需要7.4 V 的直流電源，外圍芯片需要5 V 直流電源，主控制芯片需要使用3.3 V 直流電源。所以電源模塊將7.4 V 電源通過AMS1117 調(diào)壓器件轉(zhuǎn)換成5 V 電壓，供需要的外圍器件使用，然后使用SPX5205M5-L3.3 將5 V 轉(zhuǎn)換成3.3 V 電源給處理器使用。

機(jī)械手臂各個方向的運動采用舵機(jī)控制，選用SG90 舵機(jī)，SG90 接收脈寬調(diào)制信號轉(zhuǎn)動一定的角度實現(xiàn)某個方向的運動。

系統(tǒng)擴(kuò)展了FLASH 存儲器，W25Q64 是支持串行外設(shè)接口閃存芯片，容量是8MB；工作速度是普通閃存的數(shù)倍以上，而且能耗低，同時還具有連續(xù)讀取的模式。

無線手柄用于完成遙控工作方式的系統(tǒng)管理、發(fā)送指令、運動軌跡規(guī)劃等。無線手柄通過按鍵將指令發(fā)送給處理器，處理器根據(jù)從無線手柄得到的指令輸出脈沖寬度調(diào)制矩形波，進(jìn)而控制機(jī)械臂的各個關(guān)節(jié)的運動，進(jìn)而使其按照預(yù)定的軌跡完成運動。

對系統(tǒng)供電電源電壓進(jìn)行分壓后進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，監(jiān)測電源的供電情況，電壓過低時報警電路啟動。

STM32 單片機(jī)支持使用ISP 串口下載、SWD 下載和JTAG 下載，為方便下載調(diào)試，采用ISP 串口下載，STM32F103C8T6 上電復(fù)位后默認(rèn)啟動JTAG 模式，需要關(guān)閉該模式。

2 三維機(jī)械臂控制器的軟件設(shè)計

三維機(jī)械手臂是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制波的占空比來控制舵機(jī)從而調(diào)節(jié)其運動的。利用處理器STM32 實現(xiàn)同時控制4 路舵機(jī)的功能，需對定時器使用分時復(fù)用的方法，通過算法分配不同的引腳電平的高低從而實現(xiàn)同時控制4 路舵機(jī)的功能。

STM32 芯片內(nèi)部集成了多個定時器，有用來為嵌入式系統(tǒng)提供定時服務(wù)的SysTick 定時器，還有用來提供復(fù)位功能的WDT 和分別擁有4 路和6 路輸出脈寬調(diào)制波的通用定時器和高級定時器。而基本定時器通常只用來實現(xiàn)計數(shù)的功能。

相比于模擬控制來說，PWM 有著許多的優(yōu)勢可以優(yōu)化系統(tǒng)。如從處理控制器一直到系統(tǒng)中的信號傳輸全由數(shù)字信號進(jìn)行傳遞，這是PWM 的一個優(yōu)勢，這也就意味著不需要再花成本進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，這樣使得環(huán)境比較安靜。在這種情況下，噪聲對系統(tǒng)的影響只有在可以更改邏輯方式時才會產(chǎn)生影響，這也就說明使用PWM 這種技術(shù)可以使得環(huán)境噪音減小，使得系統(tǒng)的運行更加符合要求。正因為這些優(yōu)勢，使得這種類型已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于當(dāng)前生活中，使用在通信之中時可以使得距離得到升級。在接收信號的過程中，這類處理器一般的可以其選擇性地修改為模擬信號[3]。

由于舵機(jī)需要一個時間基準(zhǔn)控制信號的周期為20 ms，舵機(jī)的控制信號高電平持續(xù)時間通常為0.5 ms～2.5 ms。因此可以控制線性變化的機(jī)械手臂做水平運動呈線性，具有良好的跟隨性能指標(biāo)。由于舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動器。因此它會將輸入信號和基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，從而判斷方向和大小，最終得到兩個信號的壓差，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動。由于舵機(jī)的控制信號是時間基準(zhǔn)脈沖信號，根據(jù)時基信號的特性，并且機(jī)械手臂是180°擺動，因此相對應(yīng)的角度關(guān)系是：0.5ms-0° ；1.0ms-45° ；1.5ms-90° ；2.0ms-135° ；2.5ms-180°。

為了實現(xiàn)三自由度同時帶動四個舵機(jī)運行，必須對定時器的利用率達(dá)到最大。由于單個舵機(jī)的脈沖寬度最多持續(xù)時間是2.5 ms，而其控制信號的周期為20 ms，因此可以將一個周期分成8 份，配合使用中斷指令，即可控制每一份，采用分時復(fù)用的方法，當(dāng)?shù)谝粋€舵機(jī)的受控時間為定時器第一次發(fā)生溢出中斷時，中斷程序會對定時器寄存重新賦值，同時將所有的I/O 口變?yōu)楦唠娖剑钡蕉〞r器發(fā)生第二次溢出中斷時重復(fù)以上操作。因此在理論上一個信號周期內(nèi)最多可完成8 個舵機(jī)同時受控。因此完全可以達(dá)到要求的三自由度即同時控制四個舵機(jī)運行的要求。

本控制器主要是通過STM32 芯片輸出PWM 波形給舵機(jī)，從而調(diào)節(jié)機(jī)械臂的運動，程序框圖如圖2所示。當(dāng)7.4 V 鋰電池給三維機(jī)械手臂供電后。機(jī)械臂將通過上電復(fù)位的功能，將整個系統(tǒng)所有端口初始化同時包括定時器初始化使從而控制舵機(jī)，使機(jī)械臂擺動的角度也恢復(fù)到初始狀態(tài)。本系統(tǒng)使用通用定時器TIM2 和TIM3 定時器，一個用來做脈寬調(diào)制波的輸出，一個用來做定時功能。定時器功能流程圖如圖3。此時無線手柄同樣也準(zhǔn)備就緒，當(dāng)按下任意按鍵后，將按鍵的變化轉(zhuǎn)換為電信號寫入存儲器模塊之中，然后將相關(guān)的指令傳送給定時器控制的舵機(jī)，使其按照預(yù)定的位置進(jìn)行擺動[4，5]。

圖2 機(jī)械手臂程序流程圖

圖3 定時器功能流程圖

本文設(shè)計三維機(jī)械臂用于驗證三維機(jī)械臂控制器的運行情況，選用多關(guān)節(jié)型的機(jī)械臂，它具有動作角度大的優(yōu)點，還可以使機(jī)械臂在更大的空間內(nèi)的運動，由底座、U 型支架和機(jī)械爪組成。機(jī)械手臂的底座負(fù)責(zé)主要的支撐，安裝一個舵機(jī)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向；U型支架，實現(xiàn)的功能是控制機(jī)械手臂的長度，也是比較重要的一個部位，要注意連接處的安裝，有可能是活動部位要保證關(guān)節(jié)的靈活，還要注意支架和舵機(jī)的安裝方向，另外舵機(jī)在安裝的時候必須復(fù)位，即讓舵機(jī)處于中間位置；機(jī)械爪部分是最直觀的執(zhí)行部分，是機(jī)械手臂的末尾，主要負(fù)責(zé)張開合適的角度夾取物件，由對稱的兩部分組成。

通過實驗，主控制器輸出脈寬調(diào)制矩形波實現(xiàn)三軸的控制，實現(xiàn)了三個方向的機(jī)械手臂的運動控制設(shè)計，圖4 表現(xiàn)了機(jī)械手臂U 框型架的運動情況。

圖4 三維機(jī)械手臂U 型框架的運動

3 結(jié)論

基于三維運動的機(jī)械手臂控制器主控制芯片為STM32F103C8T6，SG90 舵機(jī)帶動機(jī)械臂作為受控對象，使得該機(jī)械臂可以在三個方向完成空間運動，舵機(jī)輸出精度較高，可以夾取一些質(zhì)量較輕的物體到指定位置。但在設(shè)計過程中依然發(fā)現(xiàn)了很多不足和困難，三軸運動的機(jī)械手臂要想實現(xiàn)仿生功能很困難，三維機(jī)械手臂的靈敏度和強(qiáng)度不夠，無法執(zhí)行高強(qiáng)度的任務(wù)。如果選用材料的性能更加優(yōu)秀，選用的舵機(jī)的參數(shù)更加優(yōu)越，同時設(shè)計得更加合理，三維機(jī)械手臂將完全可以完成在教學(xué)、生活中使用的功能。