基于STM32 的二自由度运动平台设计

李林骏

（山西省财政厅信息网络中心，山西 太原 030006）

引言

随着工业技术的不断发展，工业机器人被广泛应用于汽车、航空制造、医疗等领域。其中少自由度的并联机构由于其结构简单、稳定性好、精度高等特点[1]，在一些高精密领域应用广泛。运动平台是并联机构的结构之一，多自由度和大承载力的运动平台在大型、异形零件的装配、调试等具有重要的作用[2-3]。本文设计一种用于重载的二自由度运动平台，通过调节两个方向的电机实现平台的稳定性，可以应用于大型零件的装配。

1 平台模型

运动平台分为静平台和动平台，上下平台采用虎克铰链连接，通过改变支链杆的长度控制动平台的摆动，本文为实现运动平台在纵向、横向两个方向上的倾斜。其结构简图如图1 所示，上平采用台球头副连接，下平采用台圆柱副连接，支链中间采用移动副连接。在空间中，设n 为构件总数，设其中一个构件为参照物，其他构件相对参照物自由度为6，则共有6（n-1）个自由度，运动副数为g，各构件的自由度数为fi，则该机构的自由度F 计算公式为：

计算该结构的自由度，球头副为3 自由度，圆柱副为2 自由度，移动副和旋转副均为1 自由度，虎克铰为2 自由度。

2 系统设计

图1 2 自由度运动平台简图

实现两个方向的运动，并保证平台稳定性和快速响应，电控系统发挥了重要作用。系统应用STM32F103 系列芯片，用于控制伺服电机的运动。控制系统由STM32F103 构建最小系统[4]，设计了电源转换、通信转换、LED 以及I/O 接口等电路。执行机构采用伺服电机驱动丝杠，以精确控制平台的摆动角度。执行机构包括伺服电机、驱动器及机械装置，角度传感器采集伺服电机旋转角度反馈给控制器；为提高系统抗干扰能力，配置了接触器、噪声滤波器以及隔离变压器等。系统框图如图2 所示。

图2 2 自由度运动平台控制系统框图

2.1 电源模块

系统电源模块分为两部分，一部分给系统提供5 V 电源，一部分为5 V 转3.3 V，分别如下页图3 和图4 所示。J1 为电源接口，采用LM2596 芯片输出5 V 稳压电源，为系统提供较好的负载能力和滤波能力。AMS1117 芯片将5 V 转换为3.3 V 为STM32 提供电源，内部集成过热保护和限流电路，稳压二极管保证系统较为稳定的3.3 V 输出。

2.2 USB 转TTL 电路

图3 5 V 电源模块电路

图4 5 V 到3.3 V 转换电路

系统采用串口进行通信，通过USB 模块进行电压转换。J2 为USB 接口，D+、D-连接USB 总线，通过CH340G 芯片Txd、Rxd 管脚与STM32F103 芯片PA9、PA10 管脚进行数据交换。CH340G 芯片管脚DTR 输出低电平时，Q2 三极管导通，BOOT 有信号输出给STM32F103 芯片PB 管脚，进而请求串口通信；同理，CH340G 芯片管脚DTR 输出高电平时，Q2三极管导通，RTS 输出信号给STM32F103 芯片PB管脚，数据终端就绪。如图5 所示。

图5 USB 转TTL 电路

2.3 按键和LED 模块

系统为方便用户信息交互，设计了按键和LED电 路，如 图 6 所 示。NRST、PA3-PA7 接 入STM32F103 相应芯片，并采用灌电流方式，以提高LED 的负载能力。

图6 按键LED 电路

2.4 声光提示电路

系统设计提示电路对一些信息发生声光提示，其电路图如7 所示。由三极管Q3 对蜂鸣器进行驱动，STM32F103 芯片PA8 管脚输出低电平时，8550三极管导通，蜂鸣器导通工作[5]。

图7 声光提示电路

3 软件设计

系统上电后对各个芯片初始化处理。通过按键启动伺服电机，根据预定路线发出脉冲信号，平台通过伺服电机调节滚珠丝杠结构达到指定的角度。采用中断的方式查询按键信号、串口数据信息，以降低系统功耗。采用查询的方式对AD 寄存器数据并显示，如XY 坐标等。若出现异常信号置位STM32 相关管脚在LCD 显示并驱动蜂鸣器进行信息提示。

4 结论

1）基于嵌入式的二自由度的平台运动平台采用STM32F103 芯片为主要芯片，伺服电机为执行单元，设计了电源模块、电平转换模块、按键及LED 模块、声光信息模块等部分电路。

2）该系统具有结构紧凑、系统稳定等特点，可实现两个方向的运行，承载大中型零件的加工、装配及调试，对多轴运动系统设计研究具有一定的借鉴意义。