基于STM32 的三維機械手臂控制器設計

劉義杰，王艷梅

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

隨著社會的不斷進步，在農業和工業生產中經常應用到的機械手臂，而如何使機械手臂像人類的手臂一樣靈活地隨意運動，受限于現有的科學工具和技術手段。由處理器控制的機械手臂可以根據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]。

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

1 三維機械臂控制器的硬件電路設計

三維機械臂控制器主要用來控制三維機械手臂的運動，通過控制器的控制，可以實現手臂的上下、前后、左右的三維立體運動，其結構框圖詳見圖1 所示。

圖1 三維機械手臂控制器結構框圖

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點。STM32F103C8T6 有48kB 的靜態隨機存儲器和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 個串行外設接口，3 個12 位模數轉換接口，2 個12 位數模轉換接口和51個通用輸入輸出口。

電源模塊：舵機供電需要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 調壓器件轉換成5 V 電壓，供需要的外圍器件使用，然后使用SPX5205M5-L3.3 將5 V 轉換成3.3 V 電源給處理器使用。

機械手臂各個方向的運動采用舵機控制，選用SG90 舵機，SG90 接收脈寬調制信號轉動一定的角度實現某個方向的運動。

系統擴展了FLASH 存儲器，W25Q64 是支持串行外設接口閃存芯片，容量是8MB；工作速度是普通閃存的數倍以上，而且能耗低，同時還具有連續讀取的模式。

無線手柄用于完成遙控工作方式的系統管理、發送指令、運動軌跡規劃等。無線手柄通過按鍵將指令發送給處理器，處理器根據從無線手柄得到的指令輸出脈沖寬度調制矩形波，進而控制機械臂的各個關節的運動，進而使其按照預定的軌跡完成運動。

對系統供電電源電壓進行分壓后進行A/D 轉換，監測電源的供電情況，電壓過低時報警電路啟動。

STM32 單片機支持使用ISP 串口下載、SWD 下載和JTAG 下載，為方便下載調試，采用ISP 串口下載，STM32F103C8T6 上電復位后默認啟動JTAG 模式，需要關閉該模式。

2 三維機械臂控制器的軟件設計

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

STM32 芯片內部集成了多個定時器，有用來為嵌入式系統提供定時服務的SysTick 定時器，還有用來提供復位功能的WDT 和分別擁有4 路和6 路輸出脈寬調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計數的功能。

相比于模擬控制來說，PWM 有著許多的優勢可以優化系統。如從處理控制器一直到系統中的信號傳輸全由數字信號進行傳遞，這是PWM 的一個優勢，這也就意味著不需要再花成本進行信號轉換，這樣使得環境比較安靜。在這種情況下，噪聲對系統的影響只有在可以更改邏輯方式時才會產生影響，這也就說明使用PWM 這種技術可以使得環境噪音減小，使得系統的運行更加符合要求。正因為這些優勢，使得這種類型已經廣泛的應用于當前生活中，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]。

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

為了實現三自由度同時帶動四個舵機運行，必須對定時器的利用率達到最大。由于單個舵機的脈沖寬度最多持續時間是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，采用分時復用的方法，當第一個舵機的受控時間為定時器第一次發生溢出中斷時，中斷程序會對定時器寄存重新賦值，同時將所有的I/O 口變為高電平，直到定時器發生第二次溢出中斷時重復以上操作。因此在理論上一個信號周期內最多可完成8 個舵機同時受控。因此完全可以達到要求的三自由度即同時控制四個舵機運行的要求。

本控制器主要是通過STM32 芯片輸出PWM 波形給舵機，從而調節機械臂的運動，程序框圖如圖2所示。當7.4 V 鋰電池給三維機械手臂供電后。機械臂將通過上電復位的功能，將整個系統所有端口初始化同時包括定時器初始化使從而控制舵機，使機械臂擺動的角度也恢復到初始狀態。本系統使用通用定時器TIM2 和TIM3 定時器，一個用來做脈寬調制波的輸出，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備就緒，當按下任意按鍵后，將按鍵的變化轉換為電信號寫入存儲器模塊之中，然后將相關的指令傳送給定時器控制的舵機，使其按照預定的位置進行擺動[4，5]。

圖2 機械手臂程序流程圖

圖3 定時器功能流程圖

本文設計三維機械臂用于驗證三維機械臂控制器的運行情況，選用多關節型的機械臂，它具有動作角度大的優點，還可以使機械臂在更大的空間內的運動，由底座、U 型支架和機械爪組成。機械手臂的底座負責主要的支撐，安裝一個舵機，負責轉向；U型支架，實現的功能是控制機械手臂的長度，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節的靈活，還要注意支架和舵機的安裝方向，另外舵機在安裝的時候必須復位，即讓舵機處于中間位置；機械爪部分是最直觀的執行部分，是機械手臂的末尾，主要負責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制矩形波實現三軸的控制，實現了三個方向的機械手臂的運動控制設計，圖4 表現了機械手臂U 框型架的運動情況。

圖4 三維機械手臂U 型框架的運動

3 結論

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