摘 要

本文研究并设计一个三自由度关节型机械手用来模拟实现路锥的自动放置和回收功能，控制三个自由度关节就是通过控制三个舵机以达到需要实现的机械臂运动过程。

研究过程中需对其机械臂运动控制系统的组成方式和位置反馈伺服系统进行分析，学习并且利用 D-H 法建立好机械臂的运动模型，学习利用 Matlab 机器人仿真工具箱建立完善的运动学模型，并利用仿真语言进行轨迹规划和运动学仿真。针对模型与仿真获得工作过程中各关节的角度位移量，角速度、角加速度等，提取所需要的参数，设计符合要求的机械臂运动控制系统方案，设计硬件电路和完成关键功能模块的软件设计及控制系统软件流程设计，软件设计上采用基于ARM的标准C语言编程，最终以实现机械臂特定轨迹运动，并通过实物联调以验证其运动的有效性。

关键词:机械臂；三自由度；D-H 法 ；Matlab 机器人工具箱 ；ARM

Abstract

This thesis studies and designs a three degree of freedom joint robot arm to simulate the automatic placement and recovery of the road cone.Control three degrees of freedom joint is through the control of three steering gear in order to achieve the need to achieve the robot arm movement.

In the course of the study, it is necessary to analyze the structure mode and position servo system of the mechanical arm movement control system.Learning and using the D-H method to establish the motion model of the mechanical arm.Based on the establishment of a perfect kinematic model,learning to use the Matlab robot simulation toolbox for trajectory planning and kinematics simulation.The angular displacement, angular velocity and angular acceleration of each joint are obtained in the process of the model and simulation.Design of the mechanical arm motion control system, design the hardware circuit and complete the key function module of the software design and control system software process design.The software design is based on ARM standard C language programming.Eventually to achieve specific trajectory of the manipulator movement.And through physical link to verify the effectiveness of the movement.

Key word ：Manipulator arm；Three degrees of freedom ；D-H method ；Matlab robot toolbox ；ARM

目 录

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 相关技术的研究现状分析 2

1.2.1 机械手的研究现状 2

1.2.2嵌入式开发的研究现状 2

1.3研究内容 3

第2章 机械手的建模与仿真 5

2.1被控对象解析 5

2.2建模方法与工具选择 6

2.3基于D-H法的机械手建模 6

2.3.1 Link函数 6

2.3.2 Robot函数 7

2.3.3 建模实现 7

2.4机械手运动学仿真 7

2.4.1 fkine函数 8

2.4.2 五次多项式插值法 8

2.4.3 仿真实现 8

2.5机械手轨迹规划 9

2.6本章小结 14

第3章 硬件电路搭建 15

3.1机械手控制系统的总体设计 15

3.1.1 控制需求分析 15

3.1.2 机械手控制系统构成 15

3.2机械手控制系统硬件设计 16

3.2.1 系统总体控制方案 16

3.2.2 基于ARM的最小系统设计 16

3.2.3 电源管理模块设计 18

3.2.4 通信模块设计 19

3.2.5 电机控制模块设计 19

3.3本章小结 19

第4章 软件程序编写 20

4.1 控制程序主流程设计 20

4.2 PWM调速 20

4.2.1 PWM调速概念 20

4.2.2 PWM调速方法 21

4.3 电机调速程序设计 21

4.3.1 定时器 21

4.3.2 定时器中断服务程序设计 23

4.3.3 电机驱动PWM波输出程序设计 24

4.3.4 以机械臂位置参数为依据实现调速 25

4.4实物调试 26

4.5 本章小结 28

第5章 总结 29

5.1 研究内容总结 29

5.2 研究工作展望 29

参考文献 30

附录1 32

致 谢 33

第1章 绪论

本次研究主要方向是三自由度机械臂的运动控制分析，首先在 Matlab软件上完成对模型机械臂的建模，之后分别在软件和硬件方面进行设计。在研究的过程中需要建立在一定的研究背景下，本次设计的研究背景则是希望模拟可以使用在高速公路等危险路段的路锥自动收放装置的运动方式。

1.1 研究目的与意义

机械手是可以实现人手操作过程的一种自动运行的机械工程。它能依照固定的程序抓取和搬运物件完成某些实现规定好的操作。机械手可以替代工程人员完成一些或单调或重复的体力劳动，实现生产的机械化与自动化。同时机械手也可以替代工作人员在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，提高生产效率质量。随着科技的飞速发展，机械臂也越来越得到广泛的运用。在实际生产生活中对机械臂功能要求也更加精细化，特别是在高端研究领域。

ARM 嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的 RISC 芯片，它是由 ARM 公司设计研发的，世界上几乎所有的半导体厂商都生产基于 ARM 体系结构的通用芯片。ARM微处理器一般都具有体积小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特点，目前ARM芯片广泛应用在工业控制、消费类电子产品、安全产品等。