机械臂本科生毕业设计(论文)范文Word格式文档下载.doc

1、四自由度机械臂，STM32，Cortex-M3，脉冲宽度调制the Design of Manipulator Drive System Based on STM32 Author：XXX Tutor：AbstractIn recent years, robot arm is widely used in industry control, special robot, medical device and home service robots. Research of robot arm control system is a focus in robot area. It is mean

2、ingful to increase the performance in accuracy, stability and feasibility.This paper is the research and design about a control system based on a four degrees freedoms design. And, we strive to develop a high stability, reliability and accurate control system.Firstly, according to the control requir

3、ements of the robotic system, the overall design of the system control program is based on a single CPU. Turn the steering control to achieve the control of the duty cycle of the PWM wave output by the main controller, so as to realize the position control of each joint. In terms of hardware, the pa

4、per mainly discusses how to use the ARM microprocessor STM32F103ZET6, MG995 Servo, MG945 servos, ultrasonic sensors and power supply module as the main components, build a joint motion control system by building hardware platforms and software control program. Then follow the structured design ideas

5、, principles and design methods sequentially over each part is analyzed and discussed, and then give the actual schematic or circuit diagram. In software design, the control program is divided into the run modules and the initialization module and design program of each module separately.Control sys

6、tem experiments show that the system can significantly improve the precision of control, and improve system stability, accuracy, so that the positioning accuracy of the robot arm has been greatly improved and enhanced. Key Words: Four Degrees Freedom Robot, STM32, Cortex-M3, Pulse Width Modulation 东

7、北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页目 录1绪论11.1机械臂概述11.1.1机械臂研究的意义11.1.2国内外机械臂的研究现状及发展趋势11.1.3机械臂的分类21.2机械臂控制的研究内容41.2.1机械臂的驱动方式41.2.2机械臂的机械结构41.2.3机械臂的控制器41.2.4机械臂的控制算法51.3嵌入式系统简介51.4本文的主要工作62机械臂控制系统的总体方案设计72.1机械臂的机械结构设计72.1.1臂部结构设计原则72.1.2机械臂自由度的确定72.2工作对象简介72.3机械臂关节控制的总体方案82.3.1机械臂控制器类型的确定82.3.2机械臂控制系统结构92.3.

8、3关节控制系统的控制策略92.4本章小结93机械臂控制系统硬件设计113.1机械臂控制系统概述113.2微处理器选型113.3主控制模块设计133.3.1电源电路133.3.2复位电路143.3.3时钟电路153.3.4 JTAG调试电路153.4驱动模块设计163.5电源模块设计173.6传感器模块设计193.7本章小结194机械臂控制系统软件设计204.1初始化模块设计204.1.1系统时钟控制204.1.2 SysTick定时器224.1.3 TIM定时器234.1.4通用输入输出接口GPIO244.1.5超声波传感器模块244.2运行模块设计254.3本章小结265 系统的整机调试27

9、5.1硬件调试275.2软件调试285.3故障原因及解决方法315.4本章小结32结 论33致 谢34参考文献35附 录37附录A37附录B46附录C47 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 55 页1绪论1.1机械臂概述1.1.1机械臂研究的意义早在几千年前，人类就开始了机器人的制造，以解决人类繁重的劳动。例如，古希腊诗人荷马在其长篇叙事诗伊利亚特中，描述了“火和锻冶之神”赫菲斯托斯用黄金锻造出一个侍女1。一直以来，人们也一直致力于将这些美丽的神话变为现实。1958年世界上的第一台机器人被发明以来，与工业机器人相关的技术得到了迅猛的发展，并且己经愈来愈广泛的应用在机械、电子、汽车等行业2

10、。如今，机器人技术已成为衡量一个国家科技水平的标志之一3。作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅具有人和机器各自的很多优点，而且特别具有人的智能性和适应性。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作4。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用5。1.1.2国内外机械臂的研究现状及发展趋势机器人的研究始于二战后的美国。1958年第一台数控工业机器人诞生后，机器人在工

11、业上的应用不断增加，日本、德国等国家也相继开始机器人的研制。中国对现代机器人的研制始于上世纪70年代后期，80年代进入到飞速发展时期。尤其在国家成立了863计划后，机器人技术得到特别的重视，由此中国在机器人领域取得了飞速发展，相继研制出示教再现型的搬运、焊接、喷漆、装配等各种工业机器人，以及水下作业、军事和特种机器人。机械臂发展状况概括如下：第一代机械臂，即示教再现方式的机械臂。目前这种机械臂仍广泛应用于各种场合。这种工作方式只能按照事先设置的位置进行重复的动作，但是不能感知周围环境，其应用范围因此受到一定的限制。这类机械臂主要工作于原料搬运、喷漆、焊接等工作场合。第二代机械臂，即具有视觉、触

12、觉等外部感觉功能的机械臂。这类机械臂可以根据周围环境的变化进行自适应，故可以完成较为复杂的工作。图1.1 一汽“红旗”轿车机器人焊接生产线第三代机械臂，这类机械臂不仅具有第二代机械臂的感觉功能，而且还具有规划和决策的功能。从而在环境发生变化时进行自主的工作。但是目前这类机械臂依然处于研究阶段，还需要一段时间才能得到实际应用6。图1.2 演奏机器人从机械臂几十年来的成长进程来看，高精度，多功能，集成化，系统化以及智能化是机械臂在以后多年中的发展方向。1.1.3机械臂的分类机械臂一般从运动坐标形式分为直角坐标式机械臂、圆柱坐标式机械臂、极坐标式机械臂和多关节式机械臂。直角坐标式机械臂：由三个线性关

13、节来确定手爪的位置，通常还带有附加的旋转关节用来确定末端执行器的姿势。这类机械臂虽然控制位置精度高、简单，但结构繁杂，占地面积大。圆柱坐标式机械臂：由两个滑动关节以及一个旋转关节来确定手爪的位置，也可以再附加一个旋转关节来确定部件的位置。其位置精度仅次于直角坐标式机械臂，控制简单，但结构庞大，移动轴的设计复杂。极坐标式机械臂：它由一个滑动关节以及两个旋转关节来确定手爪的位置，也可以附加一个旋转关节来确定部件的姿势。这类机械臂占地面积小，结构紧凑，但有平衡问题，位置误差与臂长有关。多关节式机械臂：其关节都是旋转的，类似于人的手臂，是工业机械臂中最常见的构型。该类机械臂结构紧凑，占地面积小，工作空间大，但是位置精度较差，控制存在耦合，比较复杂。图1.31.6分别对应以上四种机械臂。 图1.3 直角坐标式机械臂 图1.4 圆柱坐标式机械臂图1.5 极坐标式机械臂 图1.6 多关节式机械臂1.