基于stm32的机械手控制系统设计
摘要
随着科技的进步，各学科之间的相互融合和融合，使得工程界发生了一场技术变革和技术革新。机器人手臂作为一种新兴的自动化技术，已经在工业中广泛应用。而以其为中心的移动控制技术也获得了很大的发展，已经发展成了一门非常有价值的技术。本文以五轴机械手的设计实现为背景，提出了一种基于以Cortex-M4为内核的微处理器STM32F407构成的嵌入式运动控制器。
本设计方案引入现场总线的通信方式，利用其高可靠性和高通用性的特点，使得运动控制器具有高开放性和模块化的特点。文中提供的以CAN总线控制多个伺服电机的设计方法，使得硬件电路的设计大大简化，也使得通信的效率和可靠性大幅提升。测试表明，控制器的性能稳定可靠，能够满足机械手控制的需求，同时本设计对工业控制领域有着实际的应用指导意义。
关键词：CAN；多电机系统控制；现场总线；
目录
TOC\o1-3\h\z\u第一章 引言 1
1.1研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要研究内容 3
第二章机械手运动控制器总体方案 5
2.1机械臂的臂部设计原则 5
2.2机械臂自由度选择 6
2.3机械臂控制器类型 6
2.4机械系统设计与实现 7
第三章系统硬件设计 9
3.1机器人操纵装置综述 9
3.2主控组件的设计 9
3.2.1电源电路 9
3.2.2复位电路 10
3.2.3时钟电路 11
3.2.4JTAG调试电路 11
3.3驱动模块设计 12
3.4电源模块设计 12
第四章系统软件单元设计 14
4.1系统软件单元部分 14
4.2算法设计 15
4.3系统时钟控制 16
4.4通用输入输出接口GPIO 18
4.5超音波感应组件 18
第五章结论 20
参考文献 21
致谢 22
引言
1.1研究背景
工业机器人是模拟人手、臂面设计的，代替人工作的自动化智能控制设备，也称为机械臂。应用场合广，具有特殊研究意义,是目前的新技术，在加工制造行业中应用逐渐增大；随着信息化水平不断提高，智能化机器人的功能完善，应用范围变大；在生产中的比重越大，科技水平高，则生产效率高，逐渐成为该行业的核心技术。在高速发展的社会，机器人在一些行业会代替人进行工作，优势越来越大，发挥重要作用，我国的机械臂技术也进入了高新技术发展行列。机械臂被主要应用于重工业中，诸如搬运、喷涂、焊接、码垛、装配。现如今由于机器智能视觉、传感技术和抓取技术的迅速发展，机械臂被应用到诸如饮食、餐饮、个人护理、电子行业等这些新的工业领域以及没涉及到的行业中。
从第一台机器人制造出来，经过不断地完善，在将近半个世纪的快速发展，机械臂被广泛地应用在各行各业中。在质和量上，产品都有了相当大的提升；确保人身安全，改善工作环境，降低工作强度，提高生产效率，节约材料的消耗以及降低成本。机械臂以智能著称的自动化设备，现如今产品通过提高更新换代的速度，来占据市场的先机；使用智能机械设备提高产品生产线的柔性变化率,产品换代时间可以大幅度减少,周期缩短。
机械臂由四个系统环节组成，即设备主体、设备驱动系统和设备控制系统。在具体设计当中,需要考虑结构和控制系统设计、分析轴关节的运动学和动力学、轨迹和路径规划及其仿真。机械臂的移动位置、姿态控制占有重要地位，是核心的执行机构，是机器人的主要部件，作为工业机器人中的典型代表。机械臂的精确控制取决于其对运动特性和动力特性的控制，涉及到变量多、变化性大，重合度高以及非简单的线性等特点。神经网络引入机械臂的运动轨迹中，通过建立矩阵模拟机械臂的运动；把多种非线性函数进行逼近，来确定对象的数值准确性，避免了传统计算的弊端，使控制更精确。人工神经网络的应用，采用径向基函数模式；利用前馈型函数逼近手段实现，是人工神经网络的特点，本质是寻找一个最佳的数据拟合平面，满足多维空间训练数据的要求。
1.2国内外研究现状
1、国外研究现状
研究机械臂最早可以追溯到20世纪40年代，美国在20世纪60年代生产出第一台工业机器人，在工业范围内得到了越来越广泛的应用。
美国具有代表性的生产商有:美国的Adept机器人，在机器人技术的研究、开发和某些特殊的应用领域开发方面仍然处于世界领先地位，但是在产量上低于日本。
日本由于人口少，劳力严重缺乏等问题，在政府政策的扶持下，积极研发工业机器人技术，不断地拓展其使用领域。具有代表性的生产商有:FANUC、安川、松下、OTC、Yaskawa机器人。如图1-1为发达国家研制的主要工业机器人。
日本