机械臂是现代电子技术、电机科学、计算机科学、控制理论、信息科学、传感器技术等多学科综合性高科技产品的传统机械结构，是一种拟生化结构、高速运行、重复运行、高精度机电一体化的自动化设备。

机械臂是一种机械装置，可以根据给定的程序、轨迹和要求自动抓取和处理。在实际生产中，机械臂可以提高自动化水平和实际生产效率，降低劳动强度，保证产品质量，实现安全生产。特别是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体、放射性等恶劣环境下，可以取代正常工作，具有重要意义，随着生产的发展、功能和性能、机械加工、冲压、锻造、铸造、焊接、热处理、电镀、、热处理、电镀、油漆、装配、轻工业和领域得到了越来越广泛的应用。

国内外对机器人和机械臂的定义不同：国际标准化组织对机器人的定义是：机器人是一种可自动定位和控制的多功能操作机。这种操作机有几个轴，可以处理各种材料、零件、工具和特殊装置，以执行各种任务。

近年来，机械臂在工厂自动化改革中发挥了重要作用，取代了人们处理一些重复、精度高、工作负荷高的工作，大大加快了生产效率，缩短了生产周期。例如，机械臂用于汽车自动化生产线中机械臂的无缝焊接、钢厂中钢分拣机器人的搬运和捆绑。

MDK 源自德国的 KEIL 公司，是 RealView MDK 的简称。在全球 MDK 被超过 10 使用万的嵌入式开发工程师。最新版本为：MDK5.使用这个版本 uVision5 IDE 目前针对综合开发环境 ARM 特别是处理器 Cortex M 核心处理器的最佳开发工具。Keil MDK它提供了一个完整的开发方案，包括C编译器、宏汇编、连接器、图书馆管理和强大的模拟调试器，并通过集成开发环境将这些功能结合在一起。它的界面和常用的微软VC 界面相似，界面友好，易学易用，调试程序和软件仿真功能强大。因此，设计采用了这种编程环境。

STM32采用上电复位，其电路如图2所示RST复位输入引脚上的一个电容器Vcc端子，接一个电阻到地。对于CMOS型单片机，因为在RST端内有下拉电阻，因此外部电阻可以去除，外部电容可以减少到1μF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电源 容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc电容器的充电过程逐渐下降，即RST高电平端的持续时间取决于电容器的充电时间。为确保系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须保持足够长的时间。上电时，Vcc上升时间约为10ms，振荡器的振动时间取决于振荡频率。在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V但由于内部电路的限制，负电压不会损坏设备。此外，在复位过程中，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置于全l”态。如果系统在上电时不能有效复位，程序计数器PC所以，CPU程序执行可能从未定义的位置开始。

图3-2

图3-3无线模块与单片机连接图

SPI 接口一般使用 4 条线通信： MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。SCLK 时钟信号，由主设备产生。CS 从设备片选信号，由主设备控制。其工作原理是：主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器，写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
机械臂的SPI时序图如下：

图3-4NRF24L01读写操作时序

上图中 Cn 代表指令位，Sn 代表状态寄存器位，Dn 代表数据位。从图中可以看出，SCK 空闲的时候是低电平的，而数据在 SCK 的上升沿被读写。

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达± 16g。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I 2 C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。加速度仪主要是提取它的加速度，将加速度融合成角度，这个是将加速度融合成角度的函数。此转换由单片机实现。

****************************************************************************
* Function Name  : MPU_GetAngle
* Description    : 将AD值转换成角度值
* Input          : xValue：x的值
*                * yValue：y的值
*                * zValue：z的值
*                * dir：0：与Z轴的角度;1：与X轴的角度;2：与Y轴的角度.
* Output         : None
* Return         : None
****************************************************************************/

int16_t MPU_GetAngle(short aacx, short aacy, short aacz, uint8_t dir)
{ 
        
	float temp;
 	float res = 0;

	switch(dir)
	{ 
           
        /* 与自然Z轴的角度 */
		case 0:
 			temp = sqrt((aacx * aacx + aacy * aacy)) / aacz;
 			res = atan(temp);
 			break;
        
        /* 与自然X轴的角度 */
		case 1:
 			temp = aacx / sqrt((aacy * aacy + aacz * aacz));
 			res = atan(temp);
 			break;

        /* 与自然Y轴的角度 */
 		case 2:
 			temp = aacy / sqrt((aacx * aacx + aacz * aacz));
 			res = atan(temp);
 			break;

        default:
            break;
 	}

    res = res * 1800 / 3.14; 

	return res;
}

图3-5

I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。本实验的时序图如下：

图3-6

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在航模，包括飞机模型，潜艇模型，遥控机器人中已经使用的比较普遍。舵机是一种俗称，其实，是一种伺服马达。
一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板灯等。
工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转速和方向，从而达到目标停止。
标准的舵机有三条导线,分别是：电源线、地线、控制线。电源线和地线是舵机的能源保证，主要是电机的转动消耗。
舵机的控制信号为周期是20ms的脉冲调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms,相应的多盘的位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一个脉宽，它的输出轴就会保持在一个相应的角度上，无论外界转矩怎么变化，直到给他提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新对应的位置上，程序实现上可以通过定时器来实现。
舵机的转速取决于信号脉宽的变化速度，如果信号脉冲变化速度太快的话，舵机会反应不过来：将脉宽变化值线性到要求时间内，一点一点增加脉宽值，就可以控制舵机的速度了。具体来说就需要在调试的时候修改数值，以使舵机的运动更加平滑。由于舵机在每一次脉宽值改变的时候总会有一个转速由零增加再减速为零的过程，所以舵机会产生像步进电机一样运动的原因。
舵机的角度算法，为了防止大臂和小臂的抱死，
//控制部分

if(servo_ang.big>= 0 && servo_ang.big<=30)
	{ 
        
		servo_ang.small_min = 175;
		servo_ang.small_max = 180;
		if(servo_ang.small <= servo_ang.small_min)
		servo_ang.small = servo_ang.small_min;
		else if(servo_ang.small >= servo_ang.small_max)
		servo_ang.small = servo_ang.small_max;
	}
	else
	{ 
        	//min = 180 - angle + 5
		//max = 180 - angle + 35
		servo_ang.small_min = 185 - servo_ang.big;
		servo_ang.small_max = 215 - servo_ang.big;
		if(servo_ang.small <= servo_ang.small_min)
		servo_ang.small = servo_ang.small_min;
		else if(servo_ang.small >= servo_ang.small_max)
		servo_ang.small = servo_ang.small_max;
	}

PWM就是脉宽调制器，通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲电。脉冲宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压越大，电机转速就高。反之脉冲宽度越小，则占空比越越小。提供给电机的平均电压越小，电机转速就低。PWM不管是高电平还是低电平时电机都是转动的，电机的转速取决于平均电压。

void Arm::servo_control(uint16_t angle)
{ 
        
	uint16_t duty;
	duty = 50 + 1.1 * angle;
	if(duty <= 50) duty = 50;//0
	if(duty >= 250) duty = 250;//180
	if(get_port() == GPIOA)
	{ 
        
		switch(get_pin())
		{ 
        
			case GPIO_Pin_6://turntable
				set_duty(duty);
			break;
			case GPIO_Pin_7://big
				set_duty(duty);
			break;
		}
	}
	else if(get_port() == GPIOB)
	{ 
        
		switch(get_pin())
		{ 
        
			case GPIO_Pin_6://arm_small
				set_duty(duty);
			break;
			case GPIO_Pin_7://arm_wrist
				set_duty(duty);
			break;
			case GPIO_Pin_8://arm_claw
				set_duty(duty);
			break;
		}
	}
}

           图5-1机械臂原理图

图5-2机械臂原理图

发送端大臂：主要程序

#include "func.h"
uint8_t tx_Buf1[32] = { 
         'B', 'B' };
#define Filter_Num 100
Key key_claw(&PA5, IPU);
_filter 		filter_data;//滤波之后的数据
_filter 		raw_data;//原始数据
_servo_ang	servo_ang;
int16_t abs(int16_t p)
{ 
        
    return p>0?p:-p;
}
void setup()
{ 
        
	yg_init();

	MPU_Init();//初始化MPU6050
	while(mpu_dmp_init())
 	{ 
        
		delay_ms(10);
	}
	NRF24L01_Init();
	while(NRF24L01_Check())//检测NRF24L01是否存在
	{ 
        
		delay_ms(10);
	}
	NRF24L01_TX_Mode();
	//WWDG_Init(0X7F, 0X5F, WWDG_Prescaler_8);
}
void task()
{ 
        
	MPU_Get_Accelerometer(&raw_data.aacx, &raw_data.aacy, &raw_data.aacz);/
	servo_ang.y = abs(MPU_GetAngle(filter_data.aacx, filter_data.aacy, filter_data.aacz, 2) / 10 - 90);
	tx_Buf1[2] = (servo_ang.y >> 8) & 0xff;//arm_big
	tx_Buf1[3] = servo_ang.y & 0xff;
	NRF24L01_TxPacket(tx_Buf1);
}

发送端手上：主要程序：