基于STM32的机械臂运动控制设计研究报告.doc

机器人测控技术 大作业课程设计 课程设计名称：基于STM32的机械臂运动控制分析设计 专 业 班 级 ： 自动1302 学 生 姓 名 ： 张鹏涛 学 号 ： 201323020219 指 导 教 师 ： 曹毅 课程设计时间： 2016-4-28～201 成绩: 签名： 年 月 日 目录 摘要 1 第一章 运动模型建立 2 1.1引 言 2 1.2机器人运动学模型的建立 2 1.2.1运动学正解 4 第二章 机械臂控制系统的总体方案设计 5 2.1机械臂的机械结构设计 5 2.1.1臂部结构设计原则 5 2.1.2机械臂自由度的确定 6 2.2机械臂关节控制的总体方案 6 2.2.1机械臂控制器类型的确定 6 2.2.2机械臂控制系统结构 7 2.2.3关节控制系统的控制策略 7 第三章 机械臂控制系统硬件设计 8 3.1机械臂控制系统概述 8 3.2微处理器选型 9 3.3主控制模块设计 9 3.3.1电源电路 9 3.3.2复位电路 10 3.3.3时钟电路 10 3.3.4 JTAG调试电路 11 3.4驱动模块设计 12 3.5电源模块设计 13 第四章 机械臂控制系统软件设计 14 4.1初始化模块设计 14 4.1.1系统时钟控制 14 4.1.2 SysTick定时器 15 4.1.3 TIM定时器 16 4.1.4通用输入输出接口GPIO 17 4.1.5超声波传感器模块 17 总结 19 参考文献 20 附录A 21 附录B 22  设计要求： 设计一个两连杆机械臂，具体参数自行设计，建立其运动学模型，然后在此基础上完成该机械臂两点间的路径规划，并给出仿真结果。 设计完成上述目标的控制系统，控制器可以自行选择（单片机，ARM，DSP，PLC等），其他硬件部分根据系统所需要完成的功能自行选择，基本要求要体现系统的输入，输出信号和人机交互界面，画出整个系统的硬件结构（电路模块，驱动模块，控制模块等）和软件部分。 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。 经过仔细的分析和研究之后，我选择的是STM32单片机进行控制，而自由臂选择工业中常见的四自由臂进行设计和建模分析，运动的控制选用舵机进行控制。 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，主要论述了如何以 ARM 微处理器STM32F103ZET6、MG995舵机为主要器件，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。 关键词：四自由度机械臂，STM32，运动模型，脉冲宽度调制 运动模型建立 1.1引 言 机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系。 机器人在工作时，要通过空间中一系列的点组成的三维空间点域，这一系列空间点构成了机器人的工作范围，此工作范围可通过运动学正解求得。此外，根据机器人末端执行器的位置和姿态要求，通过运动学逆解求得各个关节转角，可以实现对机器人进行运动分析、离线编程、轨迹规划等工作。 机器人控制的目的就在于它能快速确定位置，这使得机器人的运动学正逆解问题变得更为重要。只有计算与运动学正逆解问题相关的变换关系在尽可能短时间内完成，才能达到快速准确的目的。在运动学方程正解过程中，只体现在矩阵相乘关系上，相对简单。 1.2机器人运动学模型的建立 本文所研究的机器人由四个旋转关节和四个连杆组成，故为四自由度机器人，如图1.1所示。 图1.1 用齐次坐标来描述机器人各连杆相对于参考坐标系的空间几何关系；用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两杆的空间几何关系；从而推导出机器人手爪坐标系相对于参考坐标系的空间位姿关系，利用该法得到的D-H参数如表1所示。 图1.2机器人连杆坐标系 表1 机器人连杆的D-H参数 连杆变换表示连杆坐标系{i}相对于{i-1}的变换，根据连