前言
1.1 课题背景及意义
机械手通过运动控制芯片、单片机、可控制编程器等来控制电机、气缸、液压缸的运动，从而模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现物体的抓取。

它可代替人的劳动，也可以在有害环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、电子、原子能等部门。

目前机械手主要用于以下几个方面。

(1).恶劣的工作环境和危险的工作
在核工业中，核产品具有较强的放射性，为了人员的安全，需要机械手来完成相关的清理工作。

(2).自动化生产领域
主要用于生产上实现自动化。

如当机械手末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业。

(3).在特殊作业场合进行极限作业
在一些高危领域经常要用到机器人去探索。

目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测、海洋搜寻及石油天然气的勘测。

(4).农业生产
目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，通过机械手隔断杂草，同时还可以利用机械手喷洒除草剂。

(5).军事应用
在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，当今世界机器人竞争很激烈，要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地,就需要有我国自己的机器人产业，未来世界高科技的竞争更重要的则是人才的竞争。

因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。

机械手是机器人产业的典型代表,因此可以用来作为教学应用的示例。

机械手为典型的机电产品，包含了驱动元件，控制元件，信息处理元件，执行机构，传动机构，机械本体等组成元素，并且具有控制能力强，改变控制程序灵活方便、可靠性高等特点，为学生提供了良好的学习工具。

它将现代工业与教学联系在了一起，通过控制—执行这整个的过程使学生对所学的知识有一个更好的认识，从而激发学生的学习兴趣。

随着当今计算机技术的飞速发展，它已突破纯开关量控制的局限，进入模拟量控制等领域。

通过该机械手的教学开拓了学生专业视野，为他们迎接就业和深造的挑战打下坚实的基础。

1.2 国内外研究水平与发展趋势
目前,世界上的机器人的技术、数量优势都集中在以日美为代表的少数几个发达国家。

日本是世界机器人产业发展最快的国家,其产品一直在不断的更新换代。

因此,从总体实力来讲日本占有绝对优势。

美国的机器人在近10 年来也呈快速增长势头,而且增长的幅度在逐年加大。

另外德、意、法及英国的机器人产业发展也比较快。

以上6 个机器人产业大国机器人的总数构成了世界机器人的主体。

在亚洲除日本外,机器人产业发展较快的是韩国。

经过20多年的发展,我国在多项机器人关键技术中取得了突破性的进展。

机器人研究机构如中科院、清华大学、东北大学、哈尔滨工业大学已经取得了令人瞩目的成果。

1989年我国研制的水下机器人就出口到美国。

1997年我国的高性能机器人控制器也投入批量生产。

这些具有代表性的技术成果均达到国际上的先进水平。

我国在机器人领域除了狠抓技术攻关外, 也注重人才培养。

特别是 863 计划的实施, 为我国培养了一大批机器人技术的研究人才，我国机器人步入了跨跃式发展时期。

据报道，在机器人领域中多项关键技术及应用基础技术的研究成果达到了国际先进水平。

获国家科技奖23 项, 省部级科技奖130多项等。

随着计算机技术、人工智能、传感技术和高分子材料技术水平的逐步提高, 目前机器人技术正向着高智能化和拟人化的方向发展。

其中发展较快的关键技术有:
(1)机械结构向模块化、可重构化发展。

如关节模块中的伺服电机。

(2）决定机器人具有智能行为的关键技术智能控制。

其主要技术包括:智能信息处理、智能反馈、智能决策的控制方式。

(3）多传感器的信息融合。

这项技术是把分布在不同位置的同类或不同类传感器提供的特定环境下的特定信息加以综合, 消除信息之间的冗余和矛盾，提高工作效率。

(4）遥控和远程控制技术。

实现机器人高水平的自主功能和多机器人与操作者之间的协调控制。

(5）人机接口。

包括各种各样的输入输出设备。

1.3课程设计任务
本课题所设计多自由度机械手是典型的机电控制系统，既有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，又具有速度快、精度高、柔性好等特点。

此多自由度机械手可以进行教学演示。

机械手能够实现基本的旋转、摆动运动以及腕部的旋转运动。

该机械手采用四关节串联结构，旋转关节采用交流伺服电机驱动，谐波减速器传动；机械手的控制系统采用以STM32和FPGA为核心运动控制平台，STM32主要任务是完成任务的分配与管理，同时利用其外设为控制系统提供专用接口；FPGA为扩展部分，主要任务是完
成控制系统的插补运算以及各种逻辑控制。

FPGA采用运动控制内核SM5004四轴运动控制芯片，STM32选用STM32F103型号的芯片。

1.4论文的整体结构
1.4.1硬件电路设计
（1）传统的运动控制方式是在PC或控制计算机中插入数据采板卡构成硬件系统，编写驱动程序实现软件功能，但是基于PC或工控机的控制器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触后易松动等等。

嵌入式操作系统具有嵌入式的典型特点：响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；较强的实时性和可靠性。

因此本方案采用嵌入式操作系统。

嵌入式系统中采用FPGA-现场可编程门阵列，可重复编程，设计周期短，可在短时间内将嵌入式处理器与FPGA组合构成嵌入式运动控制方案，产品运行周期短，便于快速推向市场；在FPGA上还可以嵌入其他处理器，构成新的芯片，同时可以降低系统总体的成本。

由于嵌入式系统具有这些优点，故在运动控制系统中，为了满足系统所要求的任务，采用ARM+FPGA嵌入式控制芯片。

其中ARM采用STM32，它的主要任务是完成任务的分配与管理，同时利用其外设为控制系统提供专用接口。

FPGA为扩展部分，可以采用深圳斯达特公司生产的SM5004四轴运动控制芯片，通过与伺服电机驱动器相连，从而控制电机的运动，主要任务是完成控制系统的插补运算以及各种逻辑控制。

由于差分驱动方式的抗干扰能力强于单端驱动方式，故采用差分输入/输出方式。

AM26LS31/32为差分线路接收器和驱动器。

差分线路接收器可以将差分信号变成单端信号，差分线路驱动器可以将单端信号变成差分信号。

采用高速光耦PS9613,耦合器以光为介质来传输电信号，对输入、输出都有很好的隔离作用，信号的传输方式为单向传输，输入与输出完全实现信号隔离，因此抗干扰能力强，工作稳定，传输的效率高。

由于这些优点，光电耦合器广泛用于电器的绝缘，电压的转换，驱动和接受电路等场合。

本电路由于所需的脉冲速度快，因此考虑选择高速光耦，来实现信号得隔离。

控制部分模块框图如图1.1所示：
图1.`1 机械手控制系统总体框图
控制机的通讯接口接收上位机传来的程序，并进行程序的运行，将设定值存储在存储器中，同时数据采集当前的电机信号，经A/D转换，将电机信号传给微处理器，微处理器将收集的信息进行比较运算，根据结果发送指令给电机驱动器，从而实现运动的控制。

1.4.2机械结构设计
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手，本文采用电动式驱动，因为电动式驱动精度更高一些。

自由度数为四个，包括两个转动、两个摆动。

抓取重物重量设定为5kg。

选机械手的基本形式为平面关节型机械手。

简要结构图如图1.2所示：。