1、机械臂小车使用说明书北京 百科 融创 教学 仪器 设备 有限 公司目 录一、前言11.1整体介绍.11.2注意事项.1二、上电检测4三、机械臂手动控制器说明6四、机械臂说明104.1舵机控制.104.2重力加速度传感器.114.3过流保护.114.4机械臂抖动.12五、机械臂核心板说明125.1图示说明.125.2静电保护.135.3降压电路.135.4电流检测.14六、 ARM-STM32核心板说明.15七、程序下载说明157.1STM32芯片程序下载157.1.1JLink安装.157.1.2 硬件连接177.1.3J-FlashARM下载程序.187.2CPLD芯片程序下载267.2.1
2、 硬件连接267.2.2 程序下载26第 1 页一、前言1.1整体介绍机械臂小车主要由机械臂手动控制器、机械臂、机械臂核心板、ARM-STM32核心板四部分组成。机械臂采用六个舵机和铝合金支架构成，具有六个自由度，能灵活抓取物体。机械臂核心板控制芯片为 STM32F407VGT6 和EPM240T100C5N，主要实现串口指令解析、舵机PWM控制、电流检测、角度检测、CPLD保护等功能。ARM-STM32核心板的主控芯片为STM32F103VCT6，主要实现接收主车指令、转发指令等功能，系统的整体框图如下。图1.1.1 系统框图机械臂手动控制器主要用来发送指令，通过按下相关按扭控制机械臂进行相
3、关动作。电流检测电路将电流值转换成电压值，STM32通过ADC采样来判断是否需要触发保护模式（蜂鸣器响，机械臂停止工作）。重力加速度计用来检测机械臂的角度。1.2注意事项1、跳帽默认说明：机械臂控制板左边位置BOOT0默认不接跳帽，如下图1.2.1所示。右下位置J2默认接跳帽，如下图1.2.2所示。图1.2.1 图1.2.22、接线说明：（1）舵机接口如下图1.2.3所示，带有16标号的导线与六个接口从左往右依次连接。第 2 页图1.2.3（2）重力加速度计与机械臂控制板连接如下图1.2.4，1、2、3号接口分别对应相连。图1.2.4（3）手动控制器与控制板相连如下图1.2.5。第 3 页图1
4、.2.5在机械臂工作过程中，如果出现舵机损坏需要更换的情况，需要注意一下舵机的安装方式。确保机械臂在图2.4所示状态时，舵机转轴转动到90度的位置。否则机械臂控制会出现偏差。注意，底座舵机安装过程如下：（1）底板上以3cm单通铜柱固定（4个+4个防滑螺母）；（2）底座旋转舵机用圆头Y4螺丝固定（4组螺杆+螺母），如图1.2.3所示：图1.2.3舵机自带连接器安装到自带底座旋转盘的支杆上（4个圆头Y3螺杆），如图1.2.4所示： 图1.2.4第 4 页固定底座舵机时应将舵机调至中间位置,再将底座银色内环调至图1.2.3所示，将座旋转盘支杆用双通6mm（2个）铜柱固定，中间用Y3圆头螺杆固定（1个
5、），如图1.2.5所示： 图1.2.53、不能强制转动舵机，否则会导致舵机损坏。4、当蜂鸣器警报，机械臂停止工作时，说明因电流过大系统触发了保护机制，这时重新启动即可。5、如果系统上电后，某一指示灯不亮，可能是导线接触不良，检查相关导线重新连接即可。例如电源指示灯不亮，可能是电源线接触不良；手动控制器上指示灯不亮，可能是串口线接触不良。二、上电检测图2.1 小车整体图小车整体实物图如上图2.1所示，为确定小车能正常工作，需要进行上电检测：（1）检查各导线是否正确连接，若有松动、断开或错连，请将其正确连接（注意串口线连接到机械臂手动控制器上标有“连接机械臂”字样背面串行接口。第 5 页图2.2
6、电源开关位置（2）打开上图2.2所示电源开关，按下图2.3中所示标号为4的开关，使系统上电。图2.3 机械臂核心板（3）将下图3.1手动控制器上档位开关旋至档位I，按下16任意按扭，若机械臂运动至图2.4状态，则说明系统工作状况良好。第 6 页图2.4（4）用机械臂手动控制器控制机械臂运动，测试机械臂运动是否正常。三、机械臂手动控制器说明下图3.1为机械臂手动控制器的控制面板。图3.1机械臂手动控制器手动控制器控制说明（以下动作的初始动作均为图2.4所示状态）：1、底座旋转按扭：控制底座舵机，按上为向右旋转，按下为向左旋转（描述中涉及到运动方向的默认为在小车前方观察，为了更清楚的展示机械臂的各
7、运动状态，图3.2图3.11均为侧面拍摄），向右旋转到极限位置如图3.2，向左旋转到极限位置如图3.3。第 7 页图3.2 图3.32、肩关节按扭：控制肩关节舵机，按上为后仰，按下为前倾，后仰到极限位置如图3.4，前倾到极限位置如图3.5。图3.4 图3.53、肘关节按扭：控制肘关节舵机，按上为后仰，按下为前倾，后仰到极限位置如图3.6，前倾到极限位置如图3.7。图3.6 图3.74、腕关节按扭：控制腕关节舵机，按上为向上，按下为向下，向上到极限位置如图3.8，向下到极限位置如3.9。第 8 页图3.8 图3.95、手腕旋转按扭：控制手腕旋转舵机，按上为逆时针旋转，按下为顺时针旋转，逆时针旋转
8、到极限位置如图3.10，顺时针旋转到极限位置如图3.11。图3.10 图3.116、手指开合按扭：控制手指开合舵机，按上为手指张开，按下为手指闭合，张开到极限位置如图3.12，闭合到极限位置如图3.13。图3.12 图3.13第 9 页7、档位开关，从左往右依次是：I档：机械臂运动至静止状态，即小车运动时机械臂的最省力状态，即图2.4所示。II档：机械臂抓取物体状态，即机械臂进行抓取物体动作，如下图3.14。图3.14III档：机械臂放回物体状态，即机械臂将物体放回指定位置。如下图3.15。图3.158、运行控制开关，标定和测试时会用到，下面会讲到。9、模式切换开关，往左拨为标定，往右拨为到达
9、。当我们测试的时候，如果机械臂没有完成预定的动作（即I、II、III中某一状态），我们就需要对机械臂进行标定。比如说步骤（3）中机械臂没有运动至预设状态，即档位I的动作没有完成，那么我们首先将模式切换开关拨至标定位置，然后通过按下16按扭调整机械臂的位置。当机械臂调整至图2.4状态时，长按运行控制开关不少于2s，完成标定。接下来我们测试一下标定的效果，首先将模式切换开关拨至到达位置，按下运行控制开关不少于0.5s，观察机械臂是否运动至图2.4状态。如果没有，则需进行再次标定。档位II、III标定方法同上。第 10 页10、机械臂手动控制板指示灯，档位开关转至某一档位，则这一档位指示灯亮。模式切
10、换至标定，则标定指示灯亮，反之到达指示灯亮。正常情况下状态指示灯1s闪烁一次，长按运行控制按扭时，状态指示灯快速闪烁。下图3.16为III档时标定状态。图3.16手动控制板指示灯四、机械臂说明4.1舵机控制舵机的结构如下图4.1.1所示。图4.1.1 舵机结构控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。机械臂上用到的舵机型号
11、是MG996R，舵机的控制一般需要一个1820ms第 11 页的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为1ms2ms范围内的角度控制脉冲部分。下图4.1.2说明了控制信号的脉宽与脉冲周期范围、脉宽与舵机转动位置的关系。 图4.1.2 舵机控制信号4.2重力加速度传感器重力传感器采用弹性敏感元件制成悬臂式位移器，与采用弹性敏感元件制成的储能弹簧来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。机械臂上安装有两个重力传感器，用来检测机械臂的角度，将角度信号反馈给主控，从而确定控制策略。我们选用的传感器型号是ADXL345，这是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，可选择的测量范围有2g，4g，
12、8g或16g。既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问，这里采用的是SPI接口。在小车车身上有一个预留的重力传感器，用于后续开发。主要是用来当小车在坡道时确定小车姿态，从而校正机械臂角度。4.3过流保护在实际应用中，如果对舵机控制不当，很容易导致电流过大，从而损坏舵机或烧毁电路。所以在控制过程中进行过流保护非常有必要。我们可以从软件和硬件两方面来避免电流过大。软件上，当我们控制舵机运动一个较大的角度时，例如从左满舵到右满舵，PWM控制信号高电平脉宽为2
13、ms，由于在一个脉冲周期内舵机无法转过180度，所以一段时间内，电流会很大。在系统中，电流增大会导致由电源内阻产生的压降增大，那么加在系统电路上的电压就会减小，如果减小的电压太大，主控芯片很容易就会复位，从而舵机无法完成指定动作。所以这个时候我们就得改变控制策略。我们可以采用脉宽均匀叠加的方法进行控制，即初始给一个小脉宽，然后慢慢均匀叠加，脉宽每次增加一个很小的固定值，直到舵机转过给定的较大的角度。这样就不会出现电流持续较大的现象。还有，当我们控制多个舵机的时候，如果同时控制也会导致电流过大。解决第 12 页方法就是依次送出控制信号，确保某一时刻只有一个舵机在转动。硬件上，可以通过电流检测电路
14、判断舵机是否持续工作在电流较大的状态。上面讲到过，控制舵机转动的一个脉冲周期为1820ms，舵机是在脉冲周期的下降沿之后大约0.5us开始工作的，即进入电流较大的状态。比如说，我们取脉冲周期为19ms，高电平时间为1.5ms，即电流较高的状态是在一个脉冲周期内低电平的17.5ms内发生的。所以我们就检测这个时间段内电流较大状态所占的百分比，如果超过某一阈值，比如超过80%,就会触发蜂鸣器报警，同时机械臂停止工作,从而达到保护舵机和电路的目的。*(蜂鸣器报警时请关闭电源重新启动即可)。4.4机械臂抖动在机械臂工作时，有时会出现机械臂抖动的现象，接下来就分析一下抖动发生的原因。通过上述分析我们知道
15、，舵机转动的动作发生在一个脉冲周期的下降沿之后，下一个脉冲上升沿之前。在这段时间内，除了舵机转动时，转轴是不受力的，当外力施加在转轴转动的反方向时，转轴就会往反方向转动，当下一个脉冲周期来临时，转轴又会按原方向转回去。如此往复，就会发生抖动。机械臂的抖动主要有两种情况，一是当机械臂倾斜时，由于受到重力的作用，就会出现抖动现象；二是当机械臂运动受阻时，尤其是小车前方的电路板挡住机械臂运动方向时，由于实际情况不是严格的刚性系统，所以会发生反弹，也出现抖动现象。五、机械臂核心板说明5.1图示说明图5.1.1 机械臂核心板第 13 页图5.1.1说明：1.舵机工作状态指示灯；2.3.3V电压指示灯；3
16、.程序下载指示灯；4.系统开关；5.串行接口（连接机械臂手动控制器）；6.USB接口；7.蜂鸣器（过流警报）；8.复位按键；9.重力加速度计接口；10.舵机控制接口。11.STM32程序下载口5.2静电保护在电路板的使用中，很容易产生静电，而静电产生的瞬态高压往往会损坏元器件，所以静电保护很有必要。我们在电路板的需插拔的常用引脚上使用了TVS二极管来保护电路，如下图5.2.1，TVS二极管是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从
17、而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。图5.2.1TVS保护注意：在电路板不能正常工作，进行排障时，如果引脚仍有问题，这很有可能是TVS二极管被击穿或烧断，如已被损坏，则用正常的TVS二极管替换。5.3降压电路一般常用的降压方法有两种，即LDO（低压差线性稳压器）和DC-DC（直第 14 页流转直流）。LDO是低压降的意思，低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。但是如果输入电压和输出电压不是很接近，LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在
18、LDO上能量太大，效率不高，而且负载不能太大。所以在我们的电路板上，采用的是DC-DC的方法。DC-DC变换是将原直流电通过调整其PWM（占空比）来控制输出的有效电压的大小。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随着集成度的提高，许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。5.4电流检测通常所说的电流检测是用来检测某部件、或者导线通过的电流，一般用互感器、分流器等将电流信号转化为电压信号，然后再对其进行处理放大，作为后面电路保护、检测使用。电流检测有两种基本的方案。一种是测量电流流过的导体周围的磁场，另一种是在电流路径中插入一个小电阻，然后测量电阻上的压降。
19、磁场检测方法容易产生非线性效应和温度系数误差，因此，选择电阻检测。检测电阻值应尽可能低，以保持功耗可控，但也要足够大，以便产生能被检测放大器检测到，所以综合考虑，采用了20毫欧的外部检测电阻。电阻检测分高边电流检测和底边电流检测。将检测电阻放在负载和电源地之间，那么该电阻上形成的压降可以用简单的运放进行放大（见下图5.4.1右），这种方法被称为低边电流检测。与之相对应的方法是高边检测，即检测电阻放在电源和负载之间（见图5.4.1左）。图5.4.1 高边检测与低边检测但为什么选择高边检测方式呢，因为这样不仅消除了低边检测方案中产生的地线干扰，还能检测到电池到系统地（GND）的意外短路。在机械臂核
20、心板上，我们采用了TS1100-100专用电流感应放大器，TS1100对MAX9938和MAX9634电流检测放大器进行了电气改进，只消耗很低的1uA的电源电流。TS1100的输出电压经运算放大器后再用微控制器进行电压采样，第 15 页就可以判断电流大小，根据实际情况对电路进行保护。六、ARM-STM32核心板说明下图6.1为ARM-STM32核心板V1.3，与嵌入式视频智能车中的ARM-STM32核心板V1.2基本相同，不同之处是V1.3版本多了图6.1中红圈内4P接口。此接口用来将ZigBee接收到的指令传送给机械臂核心板，从而控制机械臂小车的动作。图6.1ARM-STM32核心板如果想更
21、多的了解此模块，请参考“嵌入式视频智能小车实验指导书V1.0（2015）”PDF文档的第二章：ARM-STM32核心板硬件资源和使用方法。七、程序下载说明如果用户想自己开发程序，需在机械臂控制核心板上STM32F407VGT6和EPM240T100C5N芯片、机械手手动控制器上STM32F103CBT6芯片下载程序的，请参考以下说明。7.1 STM32芯片程序下载7.1.1 JLink安装如果电脑上没有安装JLinkARM驱动程序，请先安装。安装步骤如下：（1）双击安装程序图标如下图7.1.1.1。第 16 页图7.1.1.1（2）出现下图界面，单击yes。 图7.1.1.2（3）出现如下界面
22、，单击Next。图7.1.1.3（4）一直单击Next，直到出现以下界面（图6.1.1.4）后，单击Finish完成安装。图7.1.1.4第 17 页7.1.2 硬件连接（1）机械臂控制核心板STM32F407VGT6芯片程序下载硬件连接说明：将下载器通过转接板连接核心板，如下图7.1.2.1。J-LinkV8仿真器一端连接电脑，另一端连接转接板，转接板6P接口SWD_6P连接核心板蜂鸣器左边6P接口P1（红圈标记），供电后即可准备下载程序。图7.1.2.1（2）机械臂手动控制器STM32F103CBT6芯片程序下载硬件连接说明：将下载器通过转接板连接机械臂手动控制器，如下图7.1.2.2。J
23、-LinkV8仿真器一端连接电脑，另一端连接转接板，转接板6P接口SWD_6P连接手动控制器SWD接口（紫圈标记）。机械臂手动控制器需用4P串口线供电（红圈标记）。图7.1.2.2第 18 页7.1.3 J-FlashARM下载程序（1）打开“开始”“所有程序”SEGGERJLinkARMv4.36kJ-FlashARM，出现以下界面。图7.1.3.1（2）打开OptionsProjectsetings.,进行烧写前的必要设置，如下图7.3.2。图7.1.3.2（3）出现如下界面，在General选项卡里面选择USB选项如图7.1.3.3，单击TargetInterface。第 19 页图7.
24、1.3.3（4）出现如下界面，选择SWD模式，单击CPU。图7.1.3.4（5）出现如下界面，Device选择STM32F407VG型号（注意：如果是对机械臂手动控制板进行下载程序，则需选择STM32F103CB型号），单击确定，如下图7.1.3.5。第 20 页图7.1.3.5（6）设置完毕之后，软件的左边就列出了该CPU的相关信息，如下图7.1.3.6：图7.1.3.6（7）准备工作完毕之后，确定J-Link和开发板相连，然后选择TargetConnect，如下图7.1.3.7：第 21 页图7.1.3.7（8）如果连接成功的话，在下方的LOG窗口，会提示Connectedsuccessf
25、ully，如图7.1.3.8：图6.3.8（9）连接成功的话，可以通过File-Open来选择固件了。其实这个步骤在连接之前进行也是可以的，如图7.1.3.9：第 22 页图7.1.3.9图7.1.3.10 打开hex文件第 23 页图7.1.3.11 打开hex文件后界面（10）一切准备完毕之后，就可以行烧录了。首先，解除芯片保护，如图7.1.3.12，出现图7.1.3.13所示界面后，单击确定。图7.1.3.12第 24 页图7.1.3.13（11）然后擦除芯片扇形区，如图7.1.3.14，出现图7.1.3.15所示界面后，单击确定。图7.1.3.14第 25 页图7.1.3.15（12）
26、最后下载程序，如图7.1.3.16，出现图7.1.3.17所示界面后，单击确定，完成下载。图7.1.3.16第 26 页图7.1.3.177.2 CPLD芯片程序下载7.2.1 硬件连接USB-Blaster下载器一端连接电脑，另一端连接机械臂控制核心板的CPLD_JTAG接口（红圈标记），如下图7.2.1.1所示：图7.2.1.17.2.2 程序下载（1）打开QuartusII软件，单击下图7.2.2.1中Programmer图标（红框标记），出现图7.2.2.2所示窗口。连接好下载器后，单击图7.2.2.2中红框内图标。第 27 页图7.2.2.1图7.2.2.2（2）选择USB-Blaster，单击Close关闭，如图7.2.2.3。第 28 页图7.2.2.3（3）添加文件，单击AddFile.，找到需下载文件，单击Open打开，图7.2.2.4。图7.2.2.4（4）出现如下界面，按右边红框内勾选后，单击Start开始下载程序，如图7.2.2.5。
