実験9 グリッパーモジュールの開閉制御

実験の目的：

グリッパーモジュールの動作方式を理解し、グリッパーの開閉制御を実現します。
把持対象に合わせて、グリッパーの開閉パラメータを微調整します。
STM32CubeMX で GPIO を設定し、グリッパーの動作を駆動します。

サーボ制御の基本原理：

パルス幅変調（PWM）は、サーボ（サーボモーター）を制御する一般的な方法です。サーボはロボット、ラジコン模型、自動化設備などで広く使用されています。

サーボの基本構造

モーター：サーボの内部には通常、DCモーターが内蔵されています。

ギア機構：モーターの回転をサーボの角度に変換します。

位置センサー：サーボの現在位置をフィードバックするもので、通常はポテンショメーターが使われます。

制御回路：PWM信号を受信し、モーターの回転を制御します。

PWM信号の定義

デューティ比（Duty Cycle）：PWM信号のHighレベル時間と周期の比率です。サーボはデューティ比の違いによって目標位置を決定します。

周期：サーボでは通常20ミリ秒（50Hz）の周期が使われ、PWM信号のHighレベル持続時間によってサーボの角度が決まります。

PWMによるサーボ制御の動作原理

入力信号：コントローラーがPWM信号を送信します。Highレベルの持続時間は通常1ミリ秒～2ミリ秒です。

1ミリ秒：サーボは0度（または最小位置）まで回転します。

1.5ミリ秒：サーボは90度（または中間位置）まで回転します。

2ミリ秒：サーボは180度（または最大位置）まで回転します。

フィードバック機構：サーボ内部のセンサーが現在位置を検出し、目標位置と比較します。

調整動作：誤差に応じて制御回路がモーターの回転を調整し、目標位置に到達させます。

機能要件：

適切な角度を設定してグリッパーの開閉を制御します。把持対象に応じて、グリッパーのパラメータを柔軟に調整します。

ハードウェアの準備：

STM32 メインボード V1.3 * 1、ST-Link ダウンロードケーブル * 1、3S 電池ボックス * 1、リチウム電池 * 3、平行グリッパー * 1

回路接続：

ハードウェアモジュール

ヒント：ハードウェアおよびソフトウェア環境の設定です。開発ボード、電子モジュール、電源モジュールの基本パラメータと基本的な使い方を事前に把握しておくことを強く推奨します。

UNI-STM32 開発ボード【V1.3】の紹介

UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】

バッテリーおよび電源モジュール使用上の注意（必読）

電子モジュールの紹介

ピンの説明

まずサーボインターフェースの全体的な位置を把握し、ピン表に従って配線を行います。

ハードウェア	STM32 ピン
グリッパー用サーボ	PA2

実物の配線

ソフトウェア設計：

設計フロー

プロジェクトのダウンロード

ソースコードのリンク：（HumansX サポートより提供）

プログラムコード

コアコード：main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "servo.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Servo_Init();    //servo init
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    printf("claw open\r\n");
    claw_open();
    HAL_Delay(3000);

    printf("claw close\r\n");
    claw_close();
    HAL_Delay(3000);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 84;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

操作手順：

全体の流れ：

(1) STM32CubeMX ソフトウェアでピン割り当てと周辺機能の初期化を設定し、設定コードを生成します。

(2) Keil5 で MDK_ARM プロジェクトファイルを開き、コードの編集・コンパイル・デバッグを行います。

基本パラメータ：

本ドキュメントの（ハードウェアモジュール）に従って開発環境を設定した後の基本パラメータは以下のとおりです。

ソフトウェアバージョン：STM32CubeMX V6.14.0

ハードウェアプラットフォーム：STM32F407IGT6

コンパイル環境：MDK_ARM V5.3.2

デバッグツール：ST-LINK/V2

1. 新規プロジェクトの作成とMCUの設定

1.1 MCUの選択

STM32CubeMX を起動し、File > New Project をクリックします。

2. MCU の絞り込み条件を設定して STM32F407IGT6 を選択し、バージョン欄をクリックしてから、Start Project をクリックしてプロジェクト設定を開始します。

プロジェクト設定画面は以下のとおりです。

1.2 クロック設定とコア設定

Pinout & Configuration の System Core で RCC（リセットおよびクロック制御） をクリックします。

HSE クロックソースを Crystal/Ceramic Resonator（水晶またはセラミック発振子）に設定します。

設定が完了すると、対応するピン（OSC_IN と OSC_OUT）が自動的に設定されます（下図の緑色部分を参照）。

機能：

外部高速水晶発振子（HSE）を接続し、システムに高精度なクロックソースを供給します。

**RCC_OSC_IN** 水晶入力ピン。

**RCC_OSC_OUT** 水晶出力ピン（フィードバック信号）。

デフォルト機能：

**PH0** : **OSC_IN**（外部水晶入力）。

**PH1** : **OSC_OUT**（外部水晶出力）。

デバッグインターフェースのピンを設定します。System Core で SYS をクリックし、Debug のモードを Serial Wire に設定します。

設定が完了すると、対応するピン配置（pinout）が緑色になります。

緑色の部分をクリックすると、詳細を確認できます。

1.3 クロックツリーの設定

クロックパラメータを順に設定します：1. 入力周波数の値を 8 に変更、2. HSE を選択、3. PLLCLK を選択、4. HCLK パラメータを 84 に変更。その他のパラメータはデフォルトのままで構いません。

ヒント：設定時にエラーは自動的にチェックされます。周波数の設定が誤っている場合は、赤色でエラーが表示されます。

2. MCU初期化パラメータの設定

2.1 USART シリアルポートの設定

PA9 と PA10 をそれぞれ USART1_TX と USART1_RX に設定します。GPIO をクリックし、ピンを設定します（この時点では USART1 が未設定のため、ピンに黄色の警告が表示されます）。

Connectivity — USART1 をクリックし、モードを Asynchronous に設定します（USART1 を設定すると関連ピンが緑色になり、ピン設定が正常であることを示します）。

2.2 プロジェクト管理の設定

デフォルトの画面は以下のとおりです。

プロジェクト名を入力します（任意の名前で構いません）。

プロジェクトの保存先を選択します（Cドライブには保存しないでください）。

コンパイル環境として MDK_ARM を選択します。

バージョン V5.3.2 を選択します。

ファームウェアパッケージ名とバージョン。

（ヒント：デフォルトでは「Use latest available version」にチェックが入っていますが、ローカルPCに最新バージョンがない場合はエラーになります。パッケージを自分でダウンロードしてローカルにインストールする必要があります。インストール方法は以下のリンクを参照してください。）

UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】（リンク先の「6. よくある設定Q&A」のQ3に解決方法があります）

上記の設定を完了すると、下図のようになります。

2. Project Manager > Code Generator ウィンドウを以下のように設定します。

3. Project Manager > Advanced Settings ウィンドウで HAL ライブラリを選択します。

プロジェクトを保存します：File — Save Project をクリックします。

3. GPIO設定 - グリッパー用サーボのパラメータ

グリッパー用サーボのパラメータ

ピン	タイマー	ユーザーラベル
PA2	TIM2_CH3	SERVO1

GPIO をクリックしてピン PA2 を探します。PA2 を左クリックし、TIM2_CH3 を選択します（注：ピン割り当て直後はピンがオレンジ色になります。これはピンの割り当てのみが完了し、対応する周辺機能がまだ有効化されていないことを示します）。

Timers パネルをクリックして TIM2 の設定を選択し、Channel3 のドロップダウンから PWM Generation CH3 を選択します。GPIO Settings を左クリックし、PA2 の行をダブルクリックして User Label を SERVO1 に設定します。

ピンの色が緑色に変われば、設定は正常に完了しています。

プロジェクトファイルを再度保存します。

ヒント：必ずプロジェクトファイルを再度保存してください（主にパラメータを保存するため）。File — Save Project をクリックします。

4. コードの生成

1. GENERATE CODE をクリックしてコードを生成します。

コードが自動生成されます。

コード生成が完了しました。

5. ユーザーコードの追加

上記で生成したフレームワークをもとに、Keil エディタでユーザーコードを追加し、コンパイルとデバッグを行います。

ヒント1：例えば、main.c の /* USER CODE BEGIN xx */ と /* USER CODE END xx */ の間にユーザーコードを追加します。

ヒント2：.c ファイルを独自に作成することもできます。

ヒント3：ユーザーコードは自分で記述できます。（コード解説）に掲載されているサンプルを参考に学習することもできます。

6. コードのダウンロードとテスト

(1) プロジェクトをダウンロードします。ここではデモを用意しており、本ドキュメントの「ソフトウェア設計 - プロジェクト」から直接ダウンロードできます。

ダウンロード方法は参考リンク（UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】の「5. プログラムのダウンロード」）を参照してください。

注：プログラムのダウンロード後は、ST-Link をPCから取り外すことを推奨します。

(2) メインボードのスイッチをオンにし、グリッパーが開閉することを確認します。把持対象を置き、グリッパーの角度を調整して把持してください。

実験結果

グリッパーモジュールの開閉制御を実現します。

列 1	列 2

コード解説

1. ユーザーコードの解説

下図はプロジェクトファイルに追加したユーザーコードです。

2. ユーザーコードの取り込み方法

1つ目は、ユーザー定義ファイル（.c や .h など）を自分のプロジェクトフォルダに取り込み、Keil5 IDE で .c ファイルを追加してコンパイルする方法です。

既存のユーザーファイルの取り込み：Keil で既存のユーザーファイルを取り込む方法を参照してください。

2つ目は、main.c ファイルにユーザーコードを追加する方法です。

ユーザーコード：/* USER CODE BEGIN xx */ で始まり、/* USER CODE END xx */ で終わります。

(1) まず参照用プロジェクトのコードを開きます。main.c ファイルは主に STM32CubeMX によって自動生成されたもので、このフレームワークをもとに実現したい機能を追加・改良します。/* USER xx で始まり終わるコード部分を重点的に確認してください。以下の赤色部分が記入されたユーザーコードです。

(2) 上記の赤枠のコードを自分のプロジェクトの main.c にコピーし、コンパイルとダウンロードを行って動作を確認します。

技術サポート

資料のダウンロード・技術サポートについては、HumansX株式会社までお問い合わせください。