1. 项目概述
研究生期间开发的两套机械手通用控制系统，分别基于STM32F1和STM32F4微控制器平台实现。这两套系统主要面向SCARA型机械手的运动控制需求，通过不同的硬件架构实现了相同的控制目标。F1版本采用基础性能方案，而F4版本则利用更强大的计算能力实现了更复杂的控制算法。
在工业自动化领域，SCARA机械手因其在平面内的快速精准运动特性，被广泛应用于装配、分拣等场景。传统控制方案多采用工控机+运动控制卡架构，而本设计通过嵌入式方案实现了成本降低和系统简化。
2. 硬件架构设计
2.1 STM32F1基础方案
F1方案采用STM32F103C8T6作为主控，主要硬件组成：
- 主控：72MHz Cortex-M3内核
- 运动控制：4路PWM输出（TIM1+TIM2）
- 通信接口：
- CAN总线（与伺服驱动器通信）
- USART（与上位机通信）
- 编码器接口：4路正交编码器输入（TIM3+TIM4）
- 扩展IO：16路数字输入/输出
关键设计要点：
- PWM频率设置为20kHz，避免可闻噪声
- 采用CANOpen协议与伺服驱动器通信
- 使用DMA处理编码器数据，降低CPU负载
2.2 STM32F4增强方案
F4方案采用STM32F407ZGT6，硬件升级包括：
- 主控：168MHz Cortex-M4内核（带FPU）
- 运动控制：6路PWM+4路互补PWM（高级定时器）
- 新增功能：
- 硬件浮点运算单元
- 2个12位DAC（用于模拟量控制）
- 以太网MAC接口
- 外部SRAM接口（扩展内存）
性能对比：
| 特性 | F1方案 | F4方案 |
|---|---|---|
| 最大轴数 | 4轴 | 6轴 |
| 控制周期 | 1ms | 500μs |
| 轨迹插补精度 | 0.1mm | 0.02mm |
| 通信带宽 | 1Mbps | 100Mbps |
3. 核心控制算法实现
3.1 运动学建模
SCARA机械手采用标准DH参数建模：
code复制θi：关节角度
di：关节偏移
ai：连杆长度
αi：连杆扭角
正运动学方程：
code复制x = a1cosθ1 + a2cos(θ1+θ2)
y = a1sinθ1 + a2sin(θ1+θ2)
z = d3
φ = θ1 + θ2 + θ4
逆运动学求解（考虑奇异点规避）：
c复制void IK(float x, float y, float z, float phi, float *theta) {
float c2 = (x*x + y*y - a1*a1 - a2*a2)/(2*a1*a2);
float s2 = sqrt(1 - c2*c2); // 双解处理
theta[1] = atan2(y,x) - atan2(a2*s2, a1+a2*c2);
theta[2] = atan2(s2,c2);
theta[3] = -z; // 垂直轴为直线运动
theta[4] = phi - theta[1] - theta[2