基于单片机多自由度机械臂控制系统的研究

基于单片机多自由度机械臂控制系统的研究(任务书,开题报告,外文翻译,论文11200字)
摘  要
机器人科学是一门融合了机械原理、信息与通信技术、自动控制理论以及运动学等多种交叉领域的学科，涵盖内容及其广泛，是目前最为热门的科学研究方向之一。随着工业化和人工智能发展，工业机器人和用于医疗方面的机器人越来越普及，机械臂作为一种的执行机构，在灵活性、运动控制的精度方面均提出来更高的要求，如何提高机械臂运行的平稳性、可靠性、精确性是本次设计的重要内容，对于仿人型机械臂的控制具有深远的意义。
本文针对多自由度机械臂的应用领域，结合STM32单片机的系统伺服控制功能，进行多种运动轨迹与动作运动学分析与控制的研究。旨在研究一种通过传感技术、伺服技术、软硬件设计结合的可以实现手臂动作跟踪的机械臂控制系统。在保证实时数据采集的基础上，采用无线数据传输的方式，实现测量端与控制端的独立控制。
为了验证基于多自由度机械臂控制系统在性能方面是否满足设计要求，进行了必要参数的实际测量，由实验结果可以看出，通过传感器进行手臂动作追踪以及数据化采集，并由无线方式进行数据传输，通过数据处理反馈到机械臂上进行动作调整的思路是切实可行的。本文通过matlab进行了D-H模型仿真以及参数标定，通过硬件原理图设计与软件功能设计使理论更加严谨，同时也减少了开发周期。
关键词：STM32伺服控制D-H模型 运动学分析

Abstract
Robot science is one of the most popular fields in the field of science, which combines the contents of mechanical principle, communicationandinformation technology, kinematics and automatic control theory and other fields. With the development of industrial production and artificial intelligence, industrial robots and medical robots are becoming more and more popular. As the main executing mechanism, the manipulator has raised higher requirements in flexibility and precision of motion control. How to improve the stability, dependability and accuracy of the operation of the manipulator is the importance of this design. The content is of far-reaching significance for the control of humanoid manipulator.
Aiming at the application field of multi degree of freedom manipulator, this paper studies the kinematic analysis and control of multiple motion trajectory and motion combined with the servo control function of STM32 single chip microcomputer. The purpose of this paper is to study a robot arm control system which can realize arm tracking by combining sensing technology, servo technology and software and hardware design. On the basis of real-time data acquisition, the independent control of the measuring terminal and the control terminal is realized by means of wireless data transmission.
In order to verify the performance of the multi degree of freedom manipulator control system to meet the design requirements, and to carry out the actual measurement of the necessary parameters. It is seen from the experimental results that the arm motion tracking and data acquisition are carried out through the sensor, and the data transmission is carried out by wireless mode, and the action is fed back to the manipulator by the data processing. The idea of adjustment is practical. In this paper, the D-H model simulation and parameter calibration are carried out through MATLAB. The hardware schematic design and software function design make the theory more rigorous and reduce the development cycle at the same time.
Key Words：STM32; servo control ; D-H model; kinematic analysis

本论文主要研究基于单片机的多自由度机械臂伺服控制，旨在设计一个受单片机控制的可运动的机械臂，在确保精度与灵活度的条件下，该机械臂能在单片机的控制下实现多种运动轨迹和动作，并结合多种传感器，实现对人手臂动作的动态跟踪与模拟。主要研究内容有一下几个方面：
（1）通过MATLAB进行机械臂的模型建立，并进行运动学分析，确立系统控制核心，建立完整的机械臂控制系统。
（2）围绕控制核心STM32单片机，进行传感器以及显示、传输、控制模块的选型，并进行硬件电路设计，为接下来的软件功能实现打下基础。
（3）针对各个模块的的参数进行分析，实现数据采集、实时显示、无线传输、伺服控制等功能要求。
（4）搭建完整的机械臂伺服控制系统，完成实物功能测试，进行误差分析。

目录
摘  要    I
Abstract    II
第1章 绪论    1
1.1研究目的和意义    1
1.2国内外研究现状与发展趋势    1
1.2.1国外研究状况    1
1.2.2国内研究状况    2
1.3论文主要研究内容    2
第2章 技术与原理    4
2.1机械结构原理    4
2.2控制技术与原理    5
2.3本章小结    6
第3章 系统设计与实现    7
3.1系统硬件设计    7
3.1.1主控单元硬件设计    7
3.1.2显示屏电路设计    7
3.1.3 2.4G无线模块电路设计    8
3.1.4六轴传感器电路设计    8
3.1.5弯曲传感器电路设计    9
3.2系统软件设计    10
3.2.1 系统软件总体功能设计    10
3.2.2 MPU6050角度解算功能    11
3.2.3 编码器角度解算功能    13
3.2.4 弯曲传感器AD采样功能    14
3.2.5 NRF无线传输功能    14
3.2.6 舵机控制功能    15
3.3本章小结    16
第4章 功能调试与结论    17
4.1模块功能调试    17
4.1.1 编码器功能调试    17
4.1.2 OLED显示功能调试    17
4.1.3 NRF传输功能调试    18
4.1.4 弯曲传感器功能调试    18
4.1.5 舵机控制板功能调试    19
4.2系统整体功能调试    20
4.3实验结果    21
4.4本章小结    23
第5章 总结与展望    24
5.1总结    24
5.2展望    24
参考文献    25
致 谢    26