基于STM32的六自由度機械臂藍牙控制

應宇恒 徐云捷 姚雪亮 王威

摘要：科技不斷進步，機械臂的發展非常迅速，鑒于我國機械仿生臂技術以及控制方法較西方國家落后，目前自主研發的機械臂在使用方便性以及精確度上都不盡人意。所以對于仿人型機械臂及其控制系統的研發還是有深遠意義的。文章介紹了機械臂的設計方案及應用前景，本設計使用了數字式六軸螺旋儀協同作業；上位機控制使用stm32f103，實現藍牙通訊，遠程控制其動作，使其按照生產工藝的要求，遵循時間，空間的順序來完成工作的傳送和裝卸。以期為我國的機械臂設計提供借鑒。

關鍵詞：STM32單片機；六自由度；機械臂；藍牙控制

1引言

機械臂是機器人的一個種類，是具有模仿人類手臂功能的自動控制設備，這種機器人系統有多關節連結并節允許在平面或三度空間進行運動或使用線性位移移動。構造上由手臂部分、舵機、抓取夾組成。機器人的運作由電動機驅動移動一只手臂，張開或關閉一個夾子的動作，并精確的回饋至可編程邏輯的控制器。STM32主要為高性能、低功耗的嵌入式設計的ARM，其本質為單片機。其作用就是控制機械臂完成我們所需要的控制。本項目便是圍繞六自由度機械臂展開的。

2項目應用及前景

目前無線操作在很多領域中都有著廣泛的應用。一般為無線局域網（WLAN）控制與藍牙控制。無線局域網比較適合客戶端設置以及高速傳輸，而藍牙的點對點鏈接會比無線局域網要容易一些。無線可移動機械臂在流水線生產中，易于跟隨流水線一起移動。與固定機械臂流水線相比較，能夠節省成本、提高工作效率與生產量，給企業帶來可觀的利益；在農業中可將機械臂與圖像識別技術結合做到自動采摘，節省大量的人力。而且例如在山間作業時能夠更好地適應環境，減少容易發生的人員傷害。

3總體設計方案

本課題研究的機械臂控制系統采用單CPU集中控制方式，系統框圖如下：

計算機用于完成整個系統的管理、發送指令、運動軌跡規劃等。計算機通過下載器將程序下載至STM32微處理器，之后通過上位機和藍牙等通訊方式與STM32通信，STM32再向關節控制系統發出位置指令，STM32根據指令輸出PWM波，從而使機械臂的各個關節轉過指定的角度，進而使其按照預定的軌跡完成搬運任務。

4系統硬件結構

4.1 ARMstm32f103單片機

STM32F103R8T6是ST旗下的一款常用的增強型系列微控制器，常用于手持設備與應用控制。

它的降壓模塊屬于大功率穩壓模塊，輸入電池7.4V鋰電池，控制板通過可調穩壓電路，一方面通過電位器旋鈕調節輸出電壓到6V左右給舵機供電，另一方面通過AMS117-5.0和一片3.3V穩壓芯片給主控芯片以及其它模塊供電。

4.2 CC2540藍牙模塊

HC-02的CC2540藍牙模塊完成機械臂的藍牙控制。該模塊可配合低功耗，可以實現長期廣播數據，并由多個主機接受數據。

選用HC-02 CC2540藍牙模塊使因為其體積小重量輕，能夠達到80米的廣播范圍。并且支持安卓以及ios設備的藍牙4.0的連接，便于移動端的二次開發。

4.3 數字舵機

LDX-218舵機和MG1501舵機都是數字舵機。MG1501舵機主要用于機械臂的底部，控制整個手臂的轉向，類比于人體可以想象成胳膊大臂處關節。該舵機可以實現180°轉動，擁有15kg的扭力，并且改舵機上方采用金屬軸承，能夠最大限度的減少手臂與底座之間的摩擦力。

4.4 PS2手柄

使用藍牙控制機械臂只需要控制端具有收發藍牙的功能即可，市面上常見的有2種方式進行藍牙控制。

（1）使用移動設備自帶的藍牙功能APP控制。

（2）使用市面上常見的手柄控制。

基于勞動量的考慮，本項目采用第二種方式控制機械臂。

5系統軟件設計

5.1 軟件開發環境

本項目使用KElL作為開發軟件。KEIL提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等內的完整開發方案，通過集成開發環境（u Vision）將這些部分組合在-起。

5.2 算法設計

軟件部分影響著整個機械臂控制系統的流暢運行，對于如何使系統的運行，更加的順利以及實現更多的功能，本項目程序設計采用的是分層化結構設計，其中含有系統時鐘與Systick定時器模塊，串口采集模塊，串口發送模塊，定時器模塊，計算器模塊。基本的程序有程序初始化：使模塊都處于可以被使用的狀態；自動運行：各模塊按照程序進行運作；手動操作：根據無線模塊獲取的信息進行處理后發送至舵機。

5.3 上位機設計

本系統設計了基于MFC的上位機軟件。規定以回車換行結尾的字符數組為數據幀格式，串口的接收采用中斷方式。顯示部分包括機械臂的實時運動角度信息、實時角度誤差信息、機械臂角度誤差曲線和角度誤差曲線。

6 設計創新

該設計采用的STMFCT微控制器，成本方面價位便宜，運行速度快，I/O資源豐富可用于更多方面的拓展，開源能力強。

本項目通過上位機設計，對電機舵機的控制十分精準，對PWN的控制上對其嚴格調試。總體上，采用新的控制方案，添加一些新的技術和應用模塊用于機械臂的設計中，如：藍牙手柄，智能車底座等。

7結語

本文詳細介紹了六自由度機械臂的藍牙控制的方法與使用器材。通過PS2手柄及藍牙接收器、MG1501數舵機、LDX-218數字舵機、CC2540藍牙模塊、STM32f103單片機以及鋁合金機械臂等硬件實現機械臂的藍牙控制抓取功能，結合藍牙模塊實現了藍牙手柄對于機械臂的控制。能夠在工業生產和精細工作的情況下，以該項目理念為基礎提供了用機械臂代替人類自動工作的解決方案。如使用電池供電，該項目也可與其他可移動設備組合實現快遞分揀水果采摘等簡單重復勞動。

參考文獻

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（作者單位：江蘇大學電氣信息工程學院）