机械臂范例

篇一：机械臂本科生毕业设计(论文)范文

基于STM32的机械臂驱动系统设计

摘 要

由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。

本课题主要对四自由度机械臂控制系统进行了研究与设计。作为运动控制系统的一种，该控制系统主要面向底层，力争开发出一套稳定性高，可靠性强并且定位准确的工业机械臂系统。

首先根据机械臂系统的控制要求，整体上设计出单 CPU 的系统控制方案，即通过控制主控制器输出的 PWM 波的占空比实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。在硬件方面，主要论述了如何以 ARM 微处理器STM32F103ZET6、MG995舵机、MG945舵机、超声波传感器和电源模块为主要器件，通过搭建硬件平台和设计软件控制程序构建关节运动控制系统。然后按照结构化设计的思想，依次对以上各部分的原理和设计方法进行了分析和探讨，给出了实际的原理图和电路图。在软件设计方面，按照模块化的设计思想将控制程序分为初始化模块和运行模块，并分别对各个模块的程序进行设计。

实验表明，该机械臂控制系统不仅具有很好的控制精度，还具有很好的稳定性、准确性，而且在很大程度上改善了定位精度。

关键词：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：XXX

Abstract

In 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 meaningful 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 freedom’s design. And, we strive to develop a high stability, reliability and accurate control system.

Firstly, according to the control requirements 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 paper 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, 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 system 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

目 录

1绪论 ........................................................................................................................................ 1

1.1机械臂概述 .................................................................................................................... 1

1.1.1机械臂研究的意义 ................................................................................................ 1

1.1.2国内外机械臂的研究现状及发展趋势 ................................................................ 1

1.1.3机械臂的分类 ........................................................................................................ 2

1.2机械臂控制的研究内容 ................................................................................................ 4

1.2.1机械臂的驱动方式 ................................................................................................ 4

1.2.2机械臂的机械结构 ................................................................................................ 4

1.2.3机械臂的控制器 .................................................................................................... 4

1.2.4机械臂的控制算法 ................................................................................................ 5

1.3嵌入式系统简介 ............................................................................................................ 5

1.4本文的主要工作 ............................................................................................................ 6

2机械臂控制系统的总体方案设计 ........................................................................................ 7

2.1机械臂的机械结构设计 ................................................................................................. 7

2.1.1臂部结构设计原则 ................................................................................................ 7

2.1.2机械臂自由度的确定 ............................................................................................ 7

2.2工作对象简介 ................................................................................................................. 7

2.3机械臂关节控制的总体方案 ......................................................................................... 8

2.3.1机械臂控制器类型的确定 .................................................................................... 8

2.3.2机械臂控制系统结构 ............................................................................................ 9

2.3.3关节控制系统的控制策略 .................................................................................... 9

2.4本章小结 ......................................................................................................................... 9

3机械臂控制系统硬件设计 .................................................................................................. 11

3.1机械臂控制系统概述 ................................................................................................... 11

3.2微处理器选型 ............................................................................................................... 11

3.3主控制模块设计 ........................................................................................................... 13

3.3.1电源电路 .............................................................................................................. 13

3.3.2复位电路 .............................................................................................................. 14

3.3.3时钟电路 .............................................................................................................. 15

3.3.4 JTAG调试电路 ................................................................................................... 15

3.4驱动模块设计 ............................................................................................................... 16

3.5电源模块设计 ............................................................................................................... 17

3.6传感器模块设计 ........................................................................................................... 19

3.7本章小结 ....................................................................................................................... 19

4机械臂控制系统软件设计 .................................................................................................. 20

4.1初始化模块设计 ........................................................................................................... 20

4.1.1系统时钟控制 ...................................................................................................... 20

4.1.2 SysTick定时器 .................................................................................................... 22

4.1.3 TIM定时器 .......................................................................................................... 23

4.1.4通用输入输出接口GPIO .................................................................................... 24

4.1.5超声波传感器模块 .............................................................................................. 24

4.2运行模块设计 ............................................................................................................... 25

4.3本章小结 ....................................................................................................................... 26

5 系统的整机调试 ................................................................................................................. 27

5.1硬件调试 ....................................................................................................................... 27

5.2软件调试 ....................................................................................................................... 28

5.3故障原因及解决方法 ................................................................................................... 31

5.4本章小结 ....................................................................................................................... 32

结 论 ................................................................................................................................. 33

致 谢 ................................................................................................................................. 34

参考文献 ................................................................................................................................. 35

附 录 ................................................................................................................................. 37

附录A ................................................................................................................................ 37

附录B ................................................................................................................................ 46

附录C ................................................................................................................................ 47

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]。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

篇二：机械臂

本机械臂主要应用于人力无法搬运的货物搬运及需灵活搬运的货物运输。作为商品载运及助力机械装置，其利用远程操控机械动力以代替繁冗的人力劳动。通过机械臂仿生控制装置以及无线传输模块可以在无需重新编程的状况下进行简便、灵活的远程多角度操作，使其能够可靠地完成三维空间内的抓取动作。

由于舵机可以使机械臂各关节实现180度范围内的自由旋转，有效拓展了其适用范围，机械臂仿生控制装置可通过控制电位器的旋转角度，将信号经由无线传输模块传输到舵机，从而控制舵机的旋转角度。

本作品创造性的使用机械臂仿生控制装置及无线传输模块，可以方便快捷地控制机械臂的六个舵机的运作，使其适用于各种复杂状况。同时，在使用过程中出于其简单快捷的特点可以免去前期工人的培训，可由个人独立操作。在遇到突发状况下，现场人员可进行即时操作。创新点：1.采用无线传输，有效拓展了其适用范围；2.控制装置仿生化，使操作更为简便快捷，易上手；3.控制装置结构简单，可实现独立操作，并且便于日后的维护；4.自由度较多，实用性高；5.适应性强，可根据实际需要设计不同大小的产品。

篇三：TRIZ关于机械臂的 作品申报书

附件3

序号：

编码：

黑龙江省第三届“TRIZ”杯大学生创新设计大赛

作品申报书

作品名称： 跟焦式机械臂申报团队： EA 三队 所在院校： 指导教师：联系方式：

类别：?发明制作类

□论文创意类

第三届“TRIZ”杯大学生创新设计大赛组委会制

说明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2．申报者在填写申报作品情况时只需根据项目报名情况填写A表，根据作品类别（科技发明制作、自然科学类学术论文）分别填写B1、B2表，根据TRIZ理论掌握情况自愿填写B3表。所有申报者需详细填写C表。 3．表内项目填写时一律打印，要求申报者一律按原表复制。 4．序号、编码由第三届“TRIZ”杯大学生创新设计大赛组委会填写。 5．所有科技发明制作必须撰写研究报告，并将研究报告打印在表F处，研究报告字数在2000字左右。

6．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文，用小四号仿宋体字（正文）打印在A4纸上，附于申报书后，论文字数8000字以内，（文章版面尺寸：上下2.5cm，左右2.5cm）。 7．作品申报书须按要求由各学校统一报送。 8．所有参赛作品必须按规定时间报送。

9．报送地址：哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学船海楼313室 邮 编：150001

电子版发送到：trizjingsai@sina.cn(邮件题目中注明学校) 联系电话：0451-82518865，18645030787 联 系 人：贾 刚

A．团队基本情况

B1．申报作品情况（科技发明制作）

篇四：工业机械手设计说明书范例

机电一体化系统设计 课程设计说明书

设计题目：

系

姓 名： 学 号： 指导老师： 日 期：

目 录

1、机械手总体方案设计?????????????????????2 2、机械部分的设计???????????????????????2 3、滚珠丝杆副传动机构的设计和计算???????????????4 4、步进电机的计算和选择????????????????????5 5、机械手控制系统的方案设计??????????????????6 6、PLC的硬件接线图??????????????????????12 7、机械手PLC程序设计?????????????????????19

1．机械手总体方案设计

图1是该机械手的动作示意图。机械手的全部动作由步进电机驱动控制。其中，上升／下降和左移／右移，分别由两部电机控制。当控制上下运动的电机正转时，机械手下降；当控制上下运动的电机停止时，机械手下降停止。当控制上下运动的电机反转时，机械手上升；当控制上下运动的电机停止时，机械手上升停止。同样，左移／右移分别由控制左右运动的电机控制。机械手的左旋转/右旋转则由一台伺服电机驱动控制。机械手的放松／夹紧由一个电机带动一个齿轮齿条机构控制，当该电机正转时，机械手夹紧；该电机反转时，机械手放松。当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台的工件尚未搬走时．机械手应自动停止下降。

上升

左转

右转

下降

夹紧放松左工作台

右工作台

图1 机械手的动作示意图

机械手的动作过程如下：(1)复位；(2)横轴前升；(3)手张开，竖轴下降；(4)手夹紧物品；(5) 竖轴上升；(6)横轴收回；(7)底盘旋转；(8)横轴前升；(9)竖轴下降；(10)手放开，物品放下；(11) 竖轴上升；(12)手复位，横轴收回；

机械手的操作方式分为：手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为：单步、单周期和连续操作方式。

手动操作：用按钮操作。

返回原点操作：按下返回原点按钮，机械手自动返回原点。

单步操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作，然后自动停止。

单周期操作：从原点开始按一下启动按钮，机械手便自动完成一个周期然后停止。在工作中，如按下停止按钮，机械手便停止。重新启动时，又继续工作，最后自动停在原点。

连续操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手将自动连续不断地周期性循环，如果按下停止按钮，机械手运动到原点，然后停机机械手的操作面板如图2所示。

连续

夹紧/放松

左旋/右旋自动

单周期

左/右上/下

手动

单步

运动选择操作方式选择

启动停止

返回原点

图2 机机械手的操作面板

2．机械部分设计

2．1 机械手手部的结构设计及计算

机械手的手部是用来抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能，它是机械手的关键部件之一。 2．1．1 手部总体确定

手部是承担抓取刀具的机构，由手指传力机构和驱动装置等组成，是机械手的重要组成部分之一。根据被抓起部件的材料，形状，尺寸以及一些特性的不同，此机械手部分为手指式。

2．1．2 手指式手部的类型

手指式手部是以手指的张开和闭合来实现抓持工件。它对抓取各种形状的工件具有较

大的适应性，故应用最广。一般手指式手部具有两指，三指或者多指，后者应用较少。而次此设计手指为两指式手指。

手指式手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型。回转型又分为单支点和双支点两种。回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。 2．1．3 手部要求

1）手指应具有足够的加紧力。在考虑手指的加紧力时，除考虑工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中产生的惯性力和震动等影响，以保证夹持牢靠。

2）各构件要有足够的刚度的强度。 3）构件要简单，修理方便。

4）应尽可能结构紧凑。使之重量轻，动作灵活。 2．1．4 设计时应注意的问题

1）手指应有足够的夹紧力。为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑被抓持工件的重力外。还应考虑工件在传送过

程中所产生的动载荷。

2）手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。

3）应保证工件在手指内准确定位。

4）结构尽量紧凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 5）根据应用条件考虑通用性。 2．1．5 手指夹紧力的计算

手指对工件的夹紧力可按下式计算： Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｇ N 式中

Ｋ1—— 安全系数（通常取1.5－2）

Ｋ2—— 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，

可按 Ｋ2＝１＋a/g估算．

a为机械手在搬运工件过程的加速度 m/s g为重力加速度m/s Ｋ3——方位系数

Ｇ——被抓持工件的重量 kg

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