基于STM32的六自由度機(jī)械臂藍(lán)牙控制

應(yīng)宇恒 徐云捷 姚雪亮 王威

摘要：科技不斷進(jìn)步，機(jī)械臂的發(fā)展非常迅速，鑒于我國(guó)機(jī)械仿生臂技術(shù)以及控制方法較西方國(guó)家落后，目前自主研發(fā)的機(jī)械臂在使用方便性以及精確度上都不盡人意。所以對(duì)于仿人型機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)的研發(fā)還是有深遠(yuǎn)意義的。文章介紹了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用前景，本設(shè)計(jì)使用了數(shù)字式六軸螺旋儀協(xié)同作業(yè)；上位機(jī)控制使用stm32f103，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通訊，遠(yuǎn)程控制其動(dòng)作，使其按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循時(shí)間，空間的順序來(lái)完成工作的傳送和裝卸。以期為我國(guó)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；六自由度；機(jī)械臂；藍(lán)牙控制

1引言

機(jī)械臂是機(jī)器人的一個(gè)種類，是具有模仿人類手臂功能的自動(dòng)控制設(shè)備，這種機(jī)器人系統(tǒng)有多關(guān)節(jié)連結(jié)并節(jié)允許在平面或三度空間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或使用線性位移移動(dòng)。構(gòu)造上由手臂部分、舵機(jī)、抓取夾組成。機(jī)器人的運(yùn)作由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)一只手臂，張開或關(guān)閉一個(gè)夾子的動(dòng)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(shè)計(jì)的ARM，其本質(zhì)為單片機(jī)。其作用就是控制機(jī)械臂完成我們所需要的控制。本項(xiàng)目便是圍繞六自由度機(jī)械臂展開的。

2項(xiàng)目應(yīng)用及前景

目前無(wú)線操作在很多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。一般為無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）控制與藍(lán)牙控制。無(wú)線局域網(wǎng)比較適合客戶端設(shè)置以及高速傳輸，而藍(lán)牙的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接會(huì)比無(wú)線局域網(wǎng)要容易一些。無(wú)線可移動(dòng)機(jī)械臂在流水線生產(chǎn)中，易于跟隨流水線一起移動(dòng)。與固定機(jī)械臂流水線相比較，能夠節(jié)省成本、提高工作效率與生產(chǎn)量，給企業(yè)帶來(lái)可觀的利益；在農(nóng)業(yè)中可將機(jī)械臂與圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合做到自動(dòng)采摘，節(jié)省大量的人力。而且例如在山間作業(yè)時(shí)能夠更好地適應(yīng)環(huán)境，減少容易發(fā)生的人員傷害。

3總體設(shè)計(jì)方案

本課題研究的機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用單CPU集中控制方式，系統(tǒng)框圖如下：

計(jì)算機(jī)用于完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、發(fā)送指令、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。計(jì)算機(jī)通過下載器將程序下載至STM32微處理器，之后通過上位機(jī)和藍(lán)牙等通訊方式與STM32通信，STM32再向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)出位置指令，STM32根據(jù)指令輸出PWM波，從而使機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過指定的角度，進(jìn)而使其按照預(yù)定的軌跡完成搬運(yùn)任務(wù)。

4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4.1 ARMstm32f103單片機(jī)

STM32F103R8T6是ST旗下的一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器，常用于手持設(shè)備與應(yīng)用控制。

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

4.2 CC2540藍(lán)牙模塊

HC-02的CC2540藍(lán)牙模塊完成機(jī)械臂的藍(lán)牙控制。該模塊可配合低功耗，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期廣播數(shù)據(jù)，并由多個(gè)主機(jī)接受數(shù)據(jù)。

選用HC-02 CC2540藍(lán)牙模塊使因?yàn)槠潴w積小重量輕，能夠達(dá)到80米的廣播范圍。并且支持安卓以及ios設(shè)備的藍(lán)牙4.0的連接，便于移動(dòng)端的二次開發(fā)。

4.3 數(shù)字舵機(jī)

LDX-218舵機(jī)和MG1501舵機(jī)都是數(shù)字舵機(jī)。MG1501舵機(jī)主要用于機(jī)械臂的底部，控制整個(gè)手臂的轉(zhuǎn)向，類比于人體可以想象成胳膊大臂處關(guān)節(jié)。該舵機(jī)可以實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)動(dòng)，擁有15kg的扭力，并且改舵機(jī)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(lán)牙控制機(jī)械臂只需要控制端具有收發(fā)藍(lán)牙的功能即可，市面上常見的有2種方式進(jìn)行藍(lán)牙控制。

（1）使用移動(dòng)設(shè)備自帶的藍(lán)牙功能APP控制。

（2）使用市面上常見的手柄控制。

基于勞動(dòng)量的考慮，本項(xiàng)目采用第二種方式控制機(jī)械臂。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本項(xiàng)目使用KElL作為開發(fā)軟件。KEIL提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過集成開發(fā)環(huán)境（u Vision）將這些部分組合在-起。

5.2 算法設(shè)計(jì)

軟件部分影響著整個(gè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的流暢運(yùn)行，對(duì)于如何使系統(tǒng)的運(yùn)行，更加的順利以及實(shí)現(xiàn)更多的功能，本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)采用的是分層化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中含有系統(tǒng)時(shí)鐘與Systick定時(shí)器模塊，串口采集模塊，串口發(fā)送模塊，定時(shí)器模塊，計(jì)算器模塊?；镜某绦蛴谐绦虺跏蓟菏鼓K都處于可以被使用的狀態(tài)；自動(dòng)運(yùn)行：各模塊按照程序進(jìn)行運(yùn)作；手動(dòng)操作：根據(jù)無(wú)線模塊獲取的信息進(jìn)行處理后發(fā)送至舵機(jī)。

5.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于MFC的上位機(jī)軟件。規(guī)定以回車換行結(jié)尾的字符數(shù)組為數(shù)據(jù)幀格式，串口的接收采用中斷方式。顯示部分包括機(jī)械臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)角度信息、實(shí)時(shí)角度誤差信息、機(jī)械臂角度誤差曲線和角度誤差曲線。

6 設(shè)計(jì)創(chuàng)新

該設(shè)計(jì)采用的STMFCT微控制器，成本方面價(jià)位便宜，運(yùn)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(qiáng)。

本項(xiàng)目通過上位機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)舵機(jī)的控制十分精準(zhǔn)，對(duì)PWN的控制上對(duì)其嚴(yán)格調(diào)試?？傮w上，采用新的控制方案，添加一些新的技術(shù)和應(yīng)用模塊用于機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，如：藍(lán)牙手柄，智能車底座等。

7結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了六自由度機(jī)械臂的藍(lán)牙控制的方法與使用器材。通過PS2手柄及藍(lán)牙接收器、MG1501數(shù)舵機(jī)、LDX-218數(shù)字舵機(jī)、CC2540藍(lán)牙模塊、STM32f103單片機(jī)以及鋁合金機(jī)械臂等硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的藍(lán)牙控制抓取功能，結(jié)合藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙手柄對(duì)于機(jī)械臂的控制。能夠在工業(yè)生產(chǎn)和精細(xì)工作的情況下，以該項(xiàng)目理念為基礎(chǔ)提供了用機(jī)械臂代替人類自動(dòng)工作的解決方案。如使用電池供電，該項(xiàng)目也可與其他可移動(dòng)設(shè)備組合實(shí)現(xiàn)快遞分揀水果采摘等簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)。

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（作者單位：江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院）