基于STM32的多自由度机械臂设计研究
2017-04-03孟建平
孟建平
（内蒙古机电职业技术学院 电气工程系，内蒙古 呼和浩特 010070）
基于STM32的多自由度机械臂设计研究
孟建平
（内蒙古机电职业技术学院 电气工程系，内蒙古 呼和浩特 010070）
文章阐述了机械臂的组成及原理，对驱动模块、陀螺仪、控制模块、执行模块的控制进行分析，并探讨了基于STM32的多自由度机械臂设计，以期为我国的机械臂设计提供借鉴。
STM32单片机；多自由度；机械臂
随着机械技术的迅猛发展，机械臂的设计研究日益发达，机械臂在生产实践中发挥着日益重要的作用。我国的机械臂设计研究起步较晚，缺乏良好的精度控制和机械性能。因此，我国加强对仿人型机械臂及其控制系统的研究，对于我国机械领域的发展具有至关重要的深远意义。
1 机械臂的组成及原理
（1）驱动模块的精确控制。机械臂的控制信号，经由机械臂接收机的通道，实现对机械臂信号调制芯片的进入，并完成对直流偏置电压的有效获取。机械臂驱动模块内部存在着基准电路，能实现对基准信号的产生。产生的基准信号的宽度是1.5ms，基准信号周期为20ms。通过比较电位器与直流偏置电压二者的电压差，实现对电压差输出的有效获取。当电机保持一定的转速时，电位器在级联减速齿轮的带动下，实现旋转。电压差为0时，电机的转动停止。通常需要利用时基脉冲，实现对机械臂舵机的有效控制。时基脉冲以20ms为宜。该时基脉冲的高电平部分，通常是0.5～2.5ms之间的角度控制脉冲部分，其总间隔是2ms。
（2）陀螺仪的控制。陀螺仪的原理如下：当不存在外力对旋转物体的影响时，其旋转轴所指方向不变。根据该原理能制造出实现方向保持的陀螺仪。对于陀螺仪的工作，需要施加一个作用力，确保陀螺仪的快速旋转，通常能达到每分钟实现几十万转，且能实现较长的工作时间。对于陀螺仪的轴指示方向，采用多种方法进行读取，并实现数据信号对控制系统的自动传递。
物体在高速旋转时，其旋转轴，对于改变其旋转轴所指方向的外力，有一种倾向，即对铅直方向的趋向。物体在横向倾斜的过程中，重力作用会对倾斜的方向作用造成增加，旋转轴则向着垂直方向运动。这就造成了以下情况：当陀螺仪经纬仪的陀螺轴以水平轴进行旋转时，在地球旋转作用下，陀螺仪会受到铅直方向旋转力的影响，陀螺仪的旋转体就会向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当陀螺仪的旋转轴和子午线平行，且处于静止状态时，可以通过对MPU6050的利用，实现对3轴陀螺仪和3轴加速度传感器的内部整合。另外，其第二IIC接口可以实现对外部磁力传感器的连接，并实现对自带数字运动处理器的有效利用。借助于主IIC接口，硬件加速引擎可以实现将演算数据对应用端的完整输出。通过DMP，可以对InvenSense公司提供的运动处理资料库进行使用，实现对姿态的便捷解算，并实现对操作系统负荷的有效降低，同时实现开发难度的有效降低。
（3）控制模块的控制。对机械臂的控制模块的控制，采用STM 32一Fl0x系统。该系统具有诸多优点，该系统具有最高容量为1MB的闪存容量，具有容量为128KB的RAM，具有6个UART和3个SPI接口。同时，该系统还支持IEE1588 PTP V2的以太网媒体访问控制器以及容量为4KB的备用RAM，另外，还支持存储容量为512字节的一次性存储器。
（4）执行模块的控制。在对机械臂执行模块的控制中，为了增强机械臂的通用性，通常对机械臂的手臂结构进行科学合理的设置，使之成为可以实现更换的结构。当使用机械臂去执行棒型原料的操作时，将夹持式手部安装在机械臂的手臂上。当使用机械臂去执行板料工件的操作工作时，将气流复压式吸盘安装在机械臂的手臂上。
2 基于STM32的多自由度机械臂设计
（1）结果与分析。该多自由度机械臂设计，基于STM32单片机，且以STM32单片机为该机械臂的控制核心。该机械臂对数字式的六轴陀螺仪传感器协同作业进行了使用，该陀螺仪会通过固定的频率实现对空间位置信息的即时采集。并经由SPI通信协议，实现将即时采集到的空间位置信息对STM32单片机的上位机的有效发送。STM32单片机的上位控制系统采用STM 32F103芯片的微处理器，以控制机械臂的基本动作，主要控制方式是定位算法控制以及运动控制。通过STM32单片机的处理，实现对PWM波的有效控制，进而实现对机械臂舵机的控制，使机械臂的触手准确到达指定位置，以增强机械臂控制的自动化和精确化。另外，有效提高了机械臂的稳定控制，实现了多自由度旋转。
（2）多自由度机械臂的优势。机械臂在生产实践中得到了日益广泛的应用，多自由度机械臂具有诸多方面的优势：①多自由度机械臂能实现对人工操作的良好代替。②多自由度机械臂能实现对生产要求的良好满足，能有效完成传送工作和装卸工作。③多自由度机械臂能实现对焊接机具和装配机具的良好操作，实现对人工劳动条件的良好改善，提高生产率，有利于促进工业生产的机械化和自动化。
3 结语
综上所述，基于STM32的多自由度机械臂设计采用了数字式六轴陀螺仪协同作业，其上位控制系统采用STM 32F103芯片的微处理器，以控制机械臂的基本动作，主要控制方式是定位算法控制以及运动控制。
［1］刘慧鹏，王婷，傅世地，等.基于STM32的智能小型机械臂设计［J］.自动化与仪器仪表，2016，（4）：86-87.
孟建平（1981-），男，内蒙古人，大学本科，讲师，主要研究方向：控制理论与控制工程。
