摘要：随着机器人技术的发展与嵌入式技术的广泛应用，机械臂逐渐成为智能设备的重要组成部分，并在教育、工业和日常生活中展现出广阔的应用前景。本文设计了一种基于嵌入式技术的智能机械臂抓取小车，能够完成目标物体的精准抓取与灵活移动操作。系统以STM32F407单片机为核心，采用霍尔编码器电机AT8236驱动小车，通过USB手柄实现对小车和六自由度机械臂的联合操控。机械臂由总线舵机控制，包括2个总线单轴舵机ZX15S、1个总线双轴舵机ZX20D，以及3个总线双轴舵机ZX15D，确保抓取动作的精准性和稳定性。系统结合模块化设计理念，完成了硬件与软件的紧密结合，支持灵活操作与功能扩展。实验验证了系统的稳定性与实用性，设计简单易学，并具有一定的展示与推广价值。

关键词：STM32F407 六自由度机械臂 USB手柄 霍尔编码器

引言

随着人工智能和嵌入式技术的快速发展，机器人逐渐从工业领域扩展至教育、医疗和服务等更多场景。其中，机械臂以其精准的运动控制和多自由度设计，在抓取、焊接、装配等任务中应用广泛。移动小车凭借高机动性，为智能设备适应多样化场景提供了可能。将机械臂与小车平台结合，不仅扩大了工作范围，还提升了机器人在动态环境中的适应能力和实际应用价值。

本文设计了一种基于嵌入式技术的智能机械臂抓取小车系统。系统STM32F407单片机为核心，小车平台使用霍尔编码器电机AT8236驱动，机械臂采用六自由度设计，由2个单轴舵机ZX15S、1个双轴舵机ZX20D和3个双轴舵机ZX15D组成。通过USB手柄，用户可以轻松操控小车移动和机械臂抓取操作，实现动态任务的高效完成。

系统采用模块化设计，硬件简化了连接与调试，软件提供易于理解的控制逻辑，适合教育实践和初级科研。该设计兼顾抓取精度、灵活性、成本控制和教育推广价值，为机器人学习和创新实践提供了理想平台。

1 系统总体设计方案

智能机械臂抓取小车采用模块化设计。系统采用四轮底盘设计，能够灵活搭载机械臂，实现多样化的应用场景。

系统的核心控制单元采用基于STM32F407单片机的OpenRF4控制板，该控制板支持多种接口，如USB、SBUS、CAN、I2C、TTL和蓝牙，能够与各种外设（如舵机和传感器）连接。与其他核心控制板相比，OpenRF4控制板提供了更强的运算能力和扩展性，能够处理复杂的逻辑控制和多模块的协调工作，为系统的高效运行提供了稳定的基础。

在机械结构方面，底盘采用金属板材质，并预留了多个螺丝孔，用户可以根据需要自由扩展，方便安装各种模块。底盘搭载了四个霍尔编码电机，并使用麦克纳姆轮，能够提供精准的位置信息和方向控制，确保小车的高机动性与稳定性。同时，底盘的上部搭载了六自由度的机械臂，机械臂由2个ZX15S单轴舵机、1个ZX20D双轴舵机和3个ZX15D双轴舵机组成，能够实现灵活且精确的物体抓取与操作，适应多种任务需求。

在控制方式上，系统通过USB手柄实现对小车移动和机械臂操作的实时操控。用户可以通过手柄直接控制小车的前进、转向以及机械臂的动作，使得系统操作简便，实时性强，适用于动态任务的高效完成。

2硬件设计

小车的硬件设计基于模块化架构，集成了高性能控制板、灵活的机械结构以及多样化的传感器和执行机构。系统的控制核心采用STM32F407VET6芯片，基于Cortex-M4内核，主频168 MHz，支持浮点运算和DSP指令。该芯片提供了丰富的接口，包括USB、SBUS、CAN、I2C、TTL和蓝牙，能够支持多种外设的连接，极大地提升了系统的扩展性和兼容性。此外，板载7.2V、5V和3.3V稳压电源能够为舵机、传感器以及其他外设提供稳定的电力支持。控制板还配备了4路编码器电机接口、6路PWM舵机接口、6路总线通讯接口以及MP3扩展功能，满足多模块同时运行的需求。

在运动单元方面，底盘采用金属或亚克力材质，结构坚固耐用，并提供了多个螺丝孔，便于扩展各种传感器、摄像头等设备。底盘搭载四个霍尔编码器电机，通过AT8236电机驱动芯片进行精确的运动控制和位置反馈，支持麦克纳姆轮或橡胶轮配置，保证了小车的高机动性和精确控制。

机械臂单元则由2个ZX15S单轴舵机、1个ZX20D双轴舵机和3个ZX15D双轴舵机构成，所有舵机通过总线进行集中控制。机械臂支持复杂的运动任务，结合逆运动学算法，能够实现精确的抓取和操作，满足多种应用需求。

供电方面，系统使用11.1V 3S锂电池作为主要电源，并通过双DC接口支持充电和放电操作，确保了长时间的续航管理。控制方式方面，系统通过USB手柄实现对小车和机械臂的实时操控，用户可以便捷地进行精确操作，完成复杂的任务。

3 软件设计

软件设计部分以模块化和简易控制为核心，旨在确保系统高效、稳定地运行并简化操作。首先，系统通过STM32F407单片机控制核心，采用C语言开发，提供对硬件的底层控制及高效的运算处理。软件控制逻辑包括小车的运动控制、机械臂的操作、传感器数据采集与处理等模块。

小车的运动控制通过PID算法和霍尔编码器反馈实现精准定位，确保小车在复杂环境中的稳定行驶。机械臂的控制则结合了逆运动学算法，根据目标位置计算舵机角度，完成精准的抓取与操作任务。各舵机通过总线进行集中控制，简化了硬件布线和程序开发。此外，系统还支持手动控制（通过USB手柄），可以方便地实时调整小车与机械臂的动作。

4 测试与总结

在系统开发完成后，进行了全面的测试与调试，以确保硬件与软件的紧密配合。首先，硬件部分的电路和控制板进行了功能验证，确保电机、舵机以及传感器的连接正确，且能够稳定运行。接着，对软件中的运动控制算法进行了调试，验证了小车的运动精度和机械臂的抓取能力，确保机械臂能够在各种环境下执行精确操作。

测试过程中，系统在不同操作模式下表现稳定，能够完成实时控制任务，且在长时间运行后仍保持高效响应。在远程控制模式下，蓝牙通信稳定，手机APP与控制板之间的交互顺畅。在手动控制模式下，USB手柄反应灵敏，操作直观，用户能够轻松控制小车移动及机械臂操作。

参考文献

[1]陶玉贵，胡飞.基于PID算法的智能竞速小车设计与实现[J].南方农机，2023，54（05）：30-33.

[2]王单.霍尔式磁编码器芯片数字部分的研究[D].电子科技大学，2023.DOI：10.27005/d.cnki.gdzku.2023.002682.

[3]冯巧丽，谢冲.浅析基于STM32的智能小车设计[J].中国设备工程，2024，（16）：57-60.