基于MEMS传感器的多自由度机器人测量系统设计

论文总字数：21953字

摘 要

在科学技术日新月异的今天，基于工业产品对于器件尺寸、工作性能的更高要求，MEMS传感器的开发与应用越来越受到人们的重视。角度控制技术在机器人运动学领域具有至关重要的作用，尤其是多自由度机器人关节的倾角控制，其中涉及到计算倾角的工作原理，测量倾角的方法，模拟数字信号转换，输出显示以及精确的反馈控制，这些都决定着机器人产品是否能更好地达到设计要求，从而促进新型智能工业产品的发展。

本文详细论述了基于D-H算法的多自由度机器人各个关节间的倾角位姿关系和基于ADXL345超低功耗三轴加速度计的机械臂关节倾角测量的总体设计方案、硬件原理图微小集成化设计、PCB板的设计和软件调试等内容。本设计利用ADXL345传感器模块测量机械臂相对运动的倾角，然后通过SPI数字接口与基于ARM-Cortex-M3内核的STM32微处理器进行通讯，再通过数据处理，最终可以在上位机界面实时显示倾斜角度。本设计的倾角测量仪是一款高精度、低功耗、低成本、性能良好的小型倾角测量装置，在实现多自由度机器人机械臂关节精确位姿控制领域具有重要意义。

关键词：倾角测量、SPI接口、位姿解算

MULTI-DOF ROBOT MEASUREMENT SYSTEM

BASED ON MEMS SENSOR DESIGN

Abstract

Nowadays, with the science and technology developing quickly, industrial products has higher requirements for the device size, and the application of MEMS sensors get more attention. Angle control technology plays a very crucial role in the field of robot kinematics, especially the multi-DOF robot joint angle control, which involves the calculation of the inclination of the working principle of the method of measuring the inclination, analog to digital signal converter, the output and precise feedback control, which determines if the robots can better meet the design requirements, and provide people with more convenient daily life and make many design come true.

In the paper we discuss in detail Multiple degrees of freedom robot based on d-h method the inclination of the position relationship between joints and overall scheme of joint multi-freedom robot arm angle measurement based on ADXL345 ultra-low-power three-axis accelerometer, the hardware schematic design, PCB board design and software debugging content. This design uses the ADXL345 sensor module to measure the relative motion of the robot arm angle, and then communicate with SPI digital interface by ARM-Cortex-M3 based on STM32 microprocessor core, and next, through data processing, the final angle of inclination can be viewed in the PC interface. The design of the angle measuring instrument is a kind of high-precision, low power, low cost, good performance of small angle measuring device and it plays a very important part in multi-DOF robot manipulator joint precise position and orientation control.

KEY WORDS: angle measurement, SPI interfaces, posture calculating

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2多自由度机械臂介绍与研究现状 1

1.3加速度传感器与倾角传感器 3

1.4 MEMS倾角传感器的选择 3

1.4.1ADXL345的性能特点 4

1.4.2 ADXL345的物理构造 4

1.4.3 ADXL345的引脚配置和功能描述 5

1.4.4 ADXL345的工作原理 5

1.4.5 倾角的计算原理 6

1.5课题研究意义 7

第二章 机械臂位姿解算和方案设计 8

2.1 D-H算法概述 8

2.1.1坐标位置和方位 8

2.1.2平移、旋转运动位置变换 9

2.1.3 齐次坐标变换 9

2.2机械臂的正运动学分析 10

2.3机械臂关节倾角仪分布 12

2.4 倾角仪设计方案和功能框图 13

第三章 硬件电路设计 15

3.1 STM32F103x系列微控制器简介 15

3.1.1 STM32F103x系列开发板特点 15

3.1.2 STM32F103x系列开发板外部引脚 15

3.1.3 STM32F103x系列开发板各部分功能 15

3.2 ADXL345与SPI接口的通讯 22

第四章 软件设计 24

4.1各功能模块流程图 24

4.1.1初始化程序 24

4.1.2 SPI接口初始化程序 24

4.1.3 ADXL345发送数据程序 26

4.1.4 总流程图 27

4.2 CAN通讯 28

4.2.1 CAN初始化 28

4.2.2 CAN通讯过程 28

第五章 实验结果与展望 30

致 谢 32

参考文献（References） 33

第一章 绪论

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