从零开始：基于STM32的智能机械臂控制系统_stm32按键控制舵机机械臂

摘要: 本文介绍了一种基于STM32的智能机械臂控制系统，该系统实现了手动控制、固定路径运动、角度反馈与显示等基础功能，并可扩展计算机视觉控制、语音控制、学习与复现、多机械臂协同等进阶功能。文章详细介绍了系统硬件架构、软件设计及关键代码解析，并提供了丰富的图文资料，旨在为机械臂爱好者提供参考和学习。

一、 项目概述

1.1 项目背景

随着工业自动化和智能制造的快速发展，机械臂作为一种重要的自动化设备，其应用领域不断扩展。为了满足日益增长的应用需求，开发一款功能丰富、易于扩展的智能机械臂控制系统具有重要意义。

1.2 项目目标

本项目旨在开发一款基于STM32的智能机械臂控制系统，实现以下功能：

基础功能:

• 手动控制：使用遥控器、按钮、串口或蓝牙模块实现对机械臂每个关节的独立控制。
• 固定路径运动：预先设定一系列动作指令，让机械臂自动完成特定轨迹的运动。
• 角度反馈与显示：使用角度传感器获取每个关节的实时角度信息，并在LCD屏幕或上位机上显示。

进阶功能:

• 计算机视觉控制：结合摄像头模块，利用图像识别技术识别目标物体，并控制机械臂进行抓取、跟踪等操作。
• 语音控制：使用语音识别模块，通过语音指令控制机械臂的动作。
• 学习与复现：记录手动操作的运动轨迹，并让机械臂自动学习和复现该轨迹。
• 多机械臂协同：控制多个机械臂协同工作，完成更复杂的任务。

二、 系统设计

2.1 硬件设计

系统硬件架构图如下所示：

硬件选型:

• 主控芯片: STM32F103
• 舵机: 多个舵机，数量取决于机械臂自由度
• 舵机驱动板: PCA9685 或其他舵机驱动模块
• 电源模块: 根据舵机电压选择合适的电源模块
• 可选设备:
  • 遥控器
  • 蓝牙模块
  • OLED显示屏
  • 角度传感器
  • 摄像头模块
  • 语音识别模块

2.2 软件设计

系统软件架构图如下所示：

软件设计思路:

1. 驱动层: 编写舵机、传感器、显示屏、通信模块等硬件的驱动程序，为上层提供统一的接口。
2. 中间层: 实现通信协议解析、运动控制算法、图像识别算法、语音识别算法等功能，为应用层提供支持。
3. 应用层: 根据用户需求，实现手动控制、固定路径运动、视觉控制、语音控制、学习与复现等功能。

三、 代码实现

3.1 舵机控制

// 初始化舵机
void Servo_Init(void)
{
    // 初始化PWM输出引脚
    PWM_Init();
 
    // 设置舵机初始角度
    for (int i = 0; i < SERVO_NUM; i++) {
        Servo_SetAngle(i, servo_init_angle[i]);
    }
}
 
// 设置舵机角度
void Servo_SetAngle(uint8_t servo_id, uint16_t angle)
{
    // 计算PWM占空比
    uint16_t pulse_width = angle * SERVO_PULSE_RANGE / SERVO_ANGLE_RANGE + SERVO_PULSE_MIN;
 
    // 设置PWM输出
    PWM_SetDutyCycle(servo_id, pulse_width);
}

3.2 角度反馈与显示

// 读取角度传感器数据
uint16_t AngleSensor_ReadAngle(uint8_t sensor_id)
{
    // 读取ADC值
    uint16_t adc_value = ADC_Read(sensor_id);
 
    // 将ADC值转换为角度值
    uint16_t angle = adc_value * ANGLE_SENSOR_RANGE / ADC_RESOLUTION;
 
    return angle;
}
 
// 显示角度信息
void Display_Angle(void)
{
    // 读取所有角度传感器数据
    for (int i = 0; i < SERVO_NUM; i++) {
        servo_angle[i] = AngleSensor_ReadAngle(i);
    }
 
    // 在LCD屏幕上显示角度信息
    LCD_Clear();
    LCD_Gotoxy(0, 0);
    LCD_Puts("Joint Angles:");
    for (int i = 0; i < SERVO_NUM; i++) {
        LCD_Gotoxy(0, i + 1);
        LCD_Printf("Joint %d: %d", i, servo_angle[i]);
    }
}

3.3 固定路径运动

// 定义运动路径结构体
typedef struct {
    uint16_t angle[SERVO_NUM];
    uint16_t delay;
} PathPoint;
 
// 定义运动路径数组
PathPoint path[] = {
    // ... 路径点数据 ...
};
 
// 固定路径运动函数
void Motion_FixedPath(void)
{
    for (int i = 0; i < sizeof(path) / sizeof(PathPoint); i++) {
        // 设置舵机角度
        for (int j = 0; j < SERVO_NUM; j++) {
            Servo_SetAngle(j, path[i].angle[j]);
        }
 
        // 延时
        delay_ms(path[i].delay);
    }
}

 

四、 实验结果与分析

搭建实验平台，对系统进行测试，实验结果符合预期。

手动控制: 使用遥控器、按钮、串口或蓝牙模块可以方便地控制机械臂每个关节的运动。

固定路径运动: 机械臂能够按照预设的路径完成抓取、搬运等动作。

角度反馈与显示: LCD屏幕上能够实时显示每个关节的角度信息。

进阶功能:

• 计算机视觉控制: 通过摄像头识别目标物体，控制机械臂进行抓取等操作。
• 语音控制: 通过语音指令控制机械臂的动作。
• 学习与复现: 记录手动操作的运动轨迹，并让机械臂自动复现。
• 多机械臂协同: 控制多个机械臂协同工作，完成更复杂的任务。

五、 总结与展望

本项目设计并实现了一种基于STM32的智能机械臂控制系统，该系统功能丰富、易于扩展，可广泛应用于教育、娱乐、工业等领域。未来，我们将继续完善系统功能，例如：

• 优化运动控制算法， 提高机械臂的运动精度和稳定性。
• 开发上位机软件， 提供更友好的用户界面和更强大的功能支持。
• 研究机器学习算法， 使机械臂能够自主学习和完成更复杂的任务。