【基于STM32智能机械手控制系统设计】_stm32鲁棒控制

1.绪论

1.1 研究背景

随着智能机器人的不断发展，无论是从技术上还是工业需求上，智能一词越来越深受人们的追捧，无论是在智能家居还是工业制造，都离不开自动这一现代社会的产物，人们追求着解放双手，获得自由，工业企业追求着效率。利益最大化。因此，基于此，本文将从智能入手，研究了一款智能机械臂夹持系统，该系统旨在实现，在无人操作的情况下，机械臂能够自动识别物体，并且能够将物体夹持，移动到固定的位置。由于无机器人的技术一直在原有的基础上不断的在进行着升级进化，小型机械臂也有了更稳定的技术保障，伴随着智能硬件、物联网技术的日趋成熟，机器人机械臂的应用范围也由原来单一的模型玩具、扩展到各个领域，譬如地质勘察、农药喷洒、公安消防、环境监测、快递派送甚至是军事用途等[1]。而这些仪器设备的研究，其核心之处还是在于机械臂的自动化实现。因此，能够设计出一款实现良好稳定性能的机械臂操作控制器，无论是在理论研究还是在实际应用层面上，都具有较大的意义。

1.2 国内外研究现状

在 20 世纪初，机械臂垂直操作机的突然出现，使得国外各机构开始对自动控制进行研究。随着科技的不断进步与发展，包括微电机技术和新型制造产业的出现，诸如机器人，机械臂得到了迅速的发展。20世纪中期之后，传感器、机械学、材料学、导航、控制等多领域的迅速发展，为机器人机械臂的迅猛发展奠定了基础，尤其是进入 21 世纪后的十几年间，有关机械臂方面的研究可谓层出不穷，不论是嵌入式硬件设计、结构设计还是控制算法设计都取得了前所未有的进步[1]。

对于国外研究初期的机器臂，其一般有三个旋转关节的机械臂，以腰、肩、肘为主要动力，这只手臂的运动学非常工业上常见的，就比如自由度极高的前三个PUMA 560或KUKA IR 361机器人也在此行列[2]。而在此之后，人们开始研究机器人的各种动力学，比如碰撞现象的研究在机器人学中尤为重要，它能正确地模拟机械手与外界的相互作用，从而有效地控制碰撞产生的力。最近的许多论文都致力于模拟两个物体之间的撞击问题，Brogliato，Gevarter，Wei[3]等人一直致力于碰撞学的研究，但是，由于突然的变化，还没有找到一个确定的解决办法来实现对撞击的良好控制在动态描述所考虑系统的运动方程中，对应于从非接触状态到接触状态的突然变化。从实用的角度来看，压电材料似乎为机械手的交互作用提供了一个很好的机会，因为这种材料特别适合于小型、紧凑结构的构造，既可以用作力变形传感器，也可以用作执行器[4]。美国的Baz and Poh，Bona et al，Falangas Indri和Tornambe，Khorrami[5]等人使用空间机械手成功捕捉到了轨道上的翻滚物体，这其中的原理取决于这三个阶段的建模是否完美。其对固定基座机器人的冲击建模进行了广泛的研究，并建立了各种模型来估计刚性和柔性机械臂与环境碰撞时的冲击力以及巨大的冲击力是否可能会导致系统的损坏等[6]。Pisculli[7]等采用有限元法和Newton-Euler及 Euler-Lagrange[8]的混合方程相结合建立了柔性空间机械臂系统的动力学模型，并采用反应零空间和雅可比矩阵转置控制策略相结合对机械臂系统进行控制。

而国内关于智能机械臂研究的起步较于国外落后了不少，在近年来才开始有高校，研究所等着手研究。即便如此也应生了不少出色的研究机构，而且在模型建立、运动控制等各个方面都保持着对世界先进水平的追逐。国内学者为了解决柔性机械臂的弹性振动问题对机械臂的动力学建模、控制策略及实验方面进行了大量的研究[9]，理论模型不断得到完善，控制策略也趋于智能化，极大地提高了机械臂动力学特性的分析精度。目前主要结合模态分析法等离散化方法等。和经典建模方法建立理论模型，然后采用PD控制[10]、鲁棒控制、奇异摄动等经典控制方法及神经网络控制、模糊控制等智能控制方法抑制振动及轨迹跟踪，并通过复合滑模控制方法对轨迹进行振动抑制[11]。

综上表明，国内外近些年来在智能机器人机械手臂这一块的研究上取得了长远的进步，各大行业领域已经有对机械臂进行了广泛的使用[12]。

1.3 本文研究内容

随着智能机械臂在各个领域的逐渐推广应用，结合发展趋势可以发现，普通的算法和控制方法可能无法满足愈加严格的机械控制需求，而稳定可靠的自动机械夹持系统是智能机械臂未来发展的大趋势。因此本文旨在提高智能机械臂控制的稳定性与综合操作能力，增强智能机械臂对物体夹持的准确度，对其夹持操作系统进行了软件、硬件子系统的设计与实现。本文的章节安排及具体研究内容如下所示：

第一章，绪论。主要指出了本文研究智能机械臂的背景和意义，详述了机械臂的发展历程、国内外研究现状及其研究热点，并对未来智能机械臂发展趋势做出了展望，引出本文研究目的。 第二章，详细介绍系统整体设计需求及各个模块化的设计方案。第三章，介绍系统硬件部分的设计。 第四章，对设计飞控软件设计的系统。最后对本设计做出了总结。

2.系统总体设计

2.1 设计需求

智能机械臂夹持控制系统采用STM32F103XX系列单片机作为控制核心，由它通过RS-485总线与伺服驱动器进行通讯，从而实现各个轴的机械动作，用于完成对物体的抓取、运送、装箱等操作[13]。单片机通过I/O接口与外部开关量输入输出信号相连ÿ