平面书法机械手设计说明书.docx
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平面书法机械手设计说明书
作品编号：
第二届广西高校大学生创新设计与制作大赛
参赛作品设计说明书
（Specification）
作品名称：
平面书法机械手
设计者：
指导老师
参赛单位：
广西师范大学
目录
摘要1
Abstract3
1设计背景3
2设计方案4
2.1硬件方案选择4
2.1.1主控制器的选择4
2.1.2电机和驱动模块的选择5
2.1.3显示模块的选择5
2.1.4键控方案选择5
2.2软件方案选择5
3工作原理5
4理论分析与计算6
4.1功能理论分析6
4.1.1模块功能及补偿实现分析6
4.1.2作品功能实现分析7
4.2数据分析及计算8
5硬件和软件设计8
5.1硬件电路设计8
5.1.1STM32模块8
5.1.2电机驱动模块10
5.2软件设计10
6功能特点11
6.1确定对作品设计要求11
7主要创新12
8应用前景12
参考文献13
平面书法机械手设计说明书
（广西师范大学电子工程学院，桂林541004）
摘要
随着科学技术的发展和社会的进步，使得智能控制和机器人等高新技术领域的应用得到了发展和普及，但我国对机器人的应用还主要在于工业控制中，应用和普及程度较低。
作品完成了基于STM32F103ZET6控制步进电机实现写字、绘图功能的平面书法机械手设计，用带细分步进电机控制模块THB7128实现机械手臂在X轴和Y轴方向上的精确移动，用舵机控制绘笔的起落，通过人性化的操作菜单显示和触摸功能界面实现对平面书法机械手的控制。
本设计可用于现场制作对联、装配印制电路板、组装零部件等，利用作品软件算法，对制品稍作变化，还可用于工业工件加工、军工品拆卸、危险品及有害物质的搬运等。
关键词：
STM32F103ZET6书法机械手触摸界面
PlaneManipulatorCalligraphyDesignSpecification
Author：
QINShan-wenPANYi-shengCAILu
Adviser:
M.S.BIJin-jieM.S.LIANGYan
（ElectronicEngineeringCollegeOfGuangXiNormalUniversity，GuiLin541004）
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheprogressofthesociety,makestheintelligentcontrolandrobotinthefieldofhighandnewtechnologyapplicationobtainedthedevelopmentandpopularizationoftherobotinChina,butalsomainlyliesintheapplicationofindustrialcontrol,applicationandpopularityislow.FinishedproductbasedonSTM32F103ZET6controlsteppingmotorrealizedrawingfunctionplanetowrite,calligraphy,withsubdivisionindesignofmanipulatorsteppingmotorcontrolmoduleTHB7128realizethemechanicalarmintheXaxisandtheYaxisonthedirectionofmovement,withprecisesteeringgearcontroldrawthepenoftheriseandfall,throughtheoperationofthehumanmenudisplayandtouchinterfacetorealizethefunctionofthemanipulatorplanecalligraphycontrol.Thisdesigncanbeusedtomakethecouplet,assemblingcircuitboardprinting,assemblyparts,usingthesoftwareworksalgorithm,theproductsmakealittlechange,alsocanbeusedinindustrialprocessing,military,removetheproduct,dangerousgoodsandharmfulmaterialhandling,etc.
Keywords：
STM32F103ZET6calligraphymanipulatortouchinterface
1设计背景
随着科学技术的不断发展，智能控制设备得到了广泛应用，但往往因为这些设备造价昂贵、难于操作、设备自身脆弱等缺点，使得这些设备只能应用于工业控制或科技研究等高级应用场合。
在我们的日常生活中，由于技术的缺陷，很多情况下不得不人为地重复着一些简单的动作，比如给人写对联的商贩，稍微不注意，那么前面所作的工作就会白费；焊接电路板时的定位和焊接；腐蚀电路板或其它物品；考试试卷或其它机密文件的装袋封箱等。
在这些工作中，往往非常危险或人身无法触及，为了能较好的解决这个问题，我们设计了这个模拟辅助装置，定能给人们的生活带来便利。
实现方法一（人工焊接）实现方法二（化学腐蚀）
实现方法三（人工拆卸、封装）实现方法四（手工篆刻）
2设计方案
2.1硬件方案选择
2.1.1主控制器的选择
采用STM32F103ZET6ARM实现，STM32F103ZET6是STM公司以Cotex-M3为内核开发的控制芯片。
相比于传统的51或者AVR单片机，STM32F103ZET6运行稳定，精度高，运算速度快，内部资源丰富，可以使绘图和写字的速度和精度达到很高。
2.1.2电机和驱动模块的选择
采用步进电机和THB7128驱动模块，相比于更普遍的直流电机，步进电机使通过脉冲数来控制转动的角度，比直流电机使用时间来控制电机转过的角度的精度要高得多，加上使用THB7128步进电机驱动模块，它可以将步进角度最大细分128份，如果给一个脉冲步进电机自身转动1.8°，那么经过128细分之后，相当于给一个脉冲电机仅仅转动了0.014°，大大提高了控制精度。
2.1.3显示模块的选择
采用STFD420A模块作为控制信息输出界面，该液晶模块的分辨率可以达到320*240，显示资源相当丰富，控制方便，采用18位真彩色使得界面显示非常人性化。
2.1.4键控方案选择
采用STFD420A模块自带的触摸功能，采用移动光标的方式从所有字母中选择输入，相比于使用按键，该方案将操作和显示连在一起，使得人机界面更加友好，操作简便，节约了资源成本，相比于普通按键，触摸控制更加精确。
2.2软件方案选择
方案一：
采用极坐标系描点绘图的方式，以原点为中心，用单位长度ρ和弧度θ实现描点定位，X=ρ*cos（θ），Y=ρ*sin（θ）。
该方案的特点是绘图曲线分辨率高，但给硬件的制作难度带来困难，同时降低绘图的速度，开发设计的代码量庞大。
方案二：
采用直角坐标系描点绘图的方式，以常用的X轴和Y轴定位绘图。
该方案的特点是描点绘图的速度快，硬件制作简单，软件设计的代码量较少，系统稳定，容易实现。
综合以上两个方案的优缺点和自身设计的要求，本次设计采用极坐标系描点绘图的方式实现。
3工作原理
预期设想及模型设计图（顶视）
4理论分析与计算
4.1功能理论分析
4.1.1模块功能及补偿实现分析
STM32是整个系统的控制核心，通过编写程序，把所要绘制的图形和文字通过取模软件生成图形文字的数据库，储存到STM32的RAM中，通过按键输入所要绘画的内容，然后通过Ｘ轴和Ｙ轴的步进电机把文字和图像绘画出来。
由于步进电机采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。
脉冲的多少由控制对象运行轨迹计算而得，因此还需要插补运算器。
数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。
为了保证步进电机不失步地起停，要求控制系统具有升降速控制环节。
除了上述各环节之外，还输入、输出设备的接口电路及其它附属环节。
在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。
上述许多环节如升降速控制、脉冲分配、脉冲产生、插补运算等都可以由STM32完成，使步进电机控制系统的硬件电路大为简化。
系统中的触摸屏用向于计算机输入和编辑控制代码程序，输入的代码由计算机解释。
显示器用来显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代码等各种信息。
存储器用于存放监控、解释、插补运算、故障诊断、脉冲分配、键盘扫描、显示驱动等程序及用户控制代码程序等。
功率放大器用于STM32送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行。
本系统原点定位是采用装在X轴和Y轴上的行程开关，当电机转动到原点时会触动行程开关，让电机停止到原点。
4.1.2作品功能实现分析
任何的二维文字和图形都是由直线和弧线组成的，针对于直线，只需要知道直线的起始坐标就可以控制电机把它画出来了；对于弧线，我们可以采用微分法，把弧线分成很多足够短的线段，一根弧线也就通过画很多根足够短的直线短组成。
以下举例说明：
对于线段画法：
第一条:
8或9;（直线未结束/结束）
第二条:
2或0;（落/抬笔）
第三条:
速度等级0~~9;
而对于圆弧的特征字只能输入:
第一条:
4或5;（圆弧未结束/结束）
第二条:
2;（落笔）图1微分的矢量
第三条:
速度等级0~~9;
其中抬笔、落笔是为直线而设，圆弧不牵涉到抬笔问题。
抬笔处理即是决速定位的过程。
从起点到终点只平行于坐标轴移动，不再进插补运算，并调整脉冲当量，快速准确定位。
如图2抬笔走直线OA，不进行插补，直接向X,Y分别送脉冲完成工作，判别终点方便，比起向两个方向同时进给更省事。
输入法示例说明
输入数据前分析图形信息。
过程如下:
完成图形信息:
直线AB,BC，弧线DE，附加信息有直线OA,CD,EO。
每输入一次数据，进行一次工作，完了都要回到原点，以方便下一次的工作，不至于起始点不在原点而要进行回原点的工作。
具体处理如下:
①抬笔，直线OA
②落笔，直线AB
③落笔，直线BC
④抬笔，直线CD
⑤落笔，弧线DE
⑥抬笔，直线EO
按照以上的控制过程就可以画出图示的图形了。
图2功能分析示意图
4.2数据分析及计算
根据图2的功能示意图，对于直线，我们需要知道它们的起始坐标，而对于弧线我们需要将它们近视于圆弧处理，这样就需要知道圆心的坐标和圆的半径，以及圆弧的起始坐标才能将弧线微分。
从图2我们知道，对于弧线DE是不能直接近视微分的，还需要在弧线转折处另外加一个点，近视成两个圆，根据实际情况，如果转角很大的话，还需要近视成3个圆。
假设A、B、C、D、E各点的坐标分别为：
A（4，10）、B（6，8）、C（3，5）、D（3，8）、E（11，4），在弧线DE的转角加入一个点F（9，6），坐标原点O（0，0）。
这样在走直线OA时，X轴所要移动的距离是4个单位，Y轴需要移动的距离是10个单位，走直线时，电机处于匀速转动，并且两个坐标轴移动的时间是相等的，要控制的只是速度的大小，电机的转速是通过主控制器所发脉冲的频率决定的，通过软件对所发出的脉冲进行微调就可实现写字、绘图功能。
5硬件和软件设计
5.1硬件电路设计
5.1.1STM32模块
系统板电源用AMS1117稳压出来3.3V后面加上470uF的电容滤波在供给STM32工作，后面用一个LED作为电源开关的指示。
电源原理图如下图3所示。
图3电源稳压模块
STM32串口用MAX232电平转换和上位机通信调试，采用低电平复位。
图4串口通信及复位电路模块
JTAG调试口、晶振电路和主控制器。
图5主控制器及调试接口
5.1.2电机驱动模块
电机驱动模块采用THB7128做为控制，因为THB7128逻辑工作电压是5V的，而与3.3V的STM32的I/O口电平不兼容，而且步进电机的频繁启动容易影响单片机的稳定性，所以用光耦TIP521进行隔离，如下图6所示。
图6电机驱动前置光电耦合模块
THB7128是通过三条线使能ＥＮ、方向ＣＷ、时钟脉冲CLK控制，可通过硬件开关手动调节电机的细分，细分的范围可以从1到128从而实现比较精确的控制。
输出接步进电机的两组相线A1、A2、B1、B2，其驱动电流可以达到3安培。
其电源需要接入两个，其中一个是5V，是数字部分电源，另外一路是和步进电机的工作电压相等，最大电压为32V。
通过调节原理如下图7所示。
图7THB7128电机驱动原理图
5.2软件设计
为了达到设计目标，软件需要做如下工作：
1、绘图范围设定、速度等级设定。
绘图时首先先确定图像的数据，还有绘图的速度和绘图的初始位置，然后开始。
2、电机正常与否检查。
正反转、高低速控制。
3、快速定位
定位是在STM32开机时首先自动回到原点（0,0），然后STM会用两个专门的全局变量寄存器存储位移的更新，运动曲线时，我们通过微分的方法实现，直线斜率的大小有X轴和Y轴的数脉冲速度决定。
4、系统运行控制的图：
图8软件设计功能流程图
5、复位，回原点。
6功能特点
6.1确定对作品设计要求
1、基本要求
1）在尽量短的时间内能绘出简单图形（圆、矩形、三角形）；
2）在尽量短的时间内写出几个字：
广西师范大学；
3）在尽量短的时间内写出单词：
WELCOME；
4）在尽量短的时间内写出一幅对联：
“春光遍草木，佳气满山川”。
5）使用TFT彩屏液晶显示，实现触摸菜单选择功能
2、扩展要求
实现手写输入，机械手随即绘制输入内容。
7主要创新
1、采用STM32F103ZET6作为控制核心，以其32位宽的数据变量免去了使用传统8位单片机对数据溢出的处理；运算速度快、精度高和运行稳定等特点提高了机械手臂的移动速度和保证作品的稳定和持久工作。
2、采用带细分步进电机控制模块THB7128，该模块最大能将步进电机的步进角度细分成128份，很大程度上补偿了步进电机自身的精度缺陷，结合高精度和快速的控制核心，大大提高了作品写字、绘图的精度。
8应用前景
平面书法机械手属于一个模拟现场操作的装置，有着很快的速度和很高的灵敏度，根据现场实际情况稍加变形，用途很广，以下简要列出几点：
1、书法、绘图，可用于现场对联制作。
2、在装配作业中应用，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。
3、可应用于劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境，以代替人的劳动。
4、应用于危险及机密场合，如军工品的装卸、考卷装袋封箱、危险品及有害物的搬运等。
5、应用于高精度方面，宇宙及海洋的开发。
6、军事工程及生物医学方面的研究和试验。
参考文献
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清华大学出版社，2007.1-92
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