程招招+馬超+武少卿+劉帥

摘 要：將STM32F103C8T6作為主控制器，結(jié)合體感識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂具有體積小、操作簡(jiǎn)單、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足對(duì)機(jī)械手可靠遙控的要求，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制；體感技術(shù)；iNEMO慣性模塊；無(wú)線控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.011

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)械手臂裝置被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活當(dāng)中，基于體感技術(shù)的智能機(jī)械裝置層出不窮。傳統(tǒng)的機(jī)械手一般都是采用PLC控制的，而本設(shè)計(jì)則采用模塊化機(jī)械裝置組裝機(jī)械手，是基于單片機(jī)的無(wú)線控制，利用STM32F103C8T6作為主控制器，采用iNEMO慣性傳感器模塊實(shí)現(xiàn)體感信息檢測(cè)、nRF24L01模塊完成無(wú)線通信和12864液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示。同時(shí)，利用體感識(shí)別技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)的按鍵控制，有效地減少了硬件設(shè)備的投放，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，具有體積小、操作簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。體感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于人們可以用肢體直接與周邊的裝置或環(huán)境互動(dòng)，而無(wú)需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓人們身臨其境地與內(nèi)容互動(dòng)。依照體感方式和原理的不同，可以將體感技術(shù)分為三大類(lèi)，即慣性感測(cè)、光學(xué)感測(cè)、慣性及光學(xué)聯(lián)合感測(cè)。本設(shè)計(jì)中采用慣性感測(cè)的原理對(duì)手部姿勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)體感控制。

1 系統(tǒng)方案及整體構(gòu)架

本設(shè)計(jì)采用ST公司具有Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器，采用ST公司的iNEMO慣性導(dǎo)航模塊進(jìn)行手部姿態(tài)檢測(cè)，采用nRF24L01無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，采用12864液晶顯示模塊顯示當(dāng)前的控制指令、機(jī)器人狀態(tài)和剩余電量，采用LED和

蜂鳴器實(shí)現(xiàn)提示和報(bào)警功能。主控系統(tǒng)軟件上使用μC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、通信與同步、內(nèi)存管理等功能。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

本設(shè)計(jì)采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器，32位內(nèi)核，工作頻率最高為72 MHz，內(nèi)置128 K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，20 K字節(jié)的SRAM，包含時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理，供電電壓為2.0～3.6 V，滿足了低功耗的要求。

2.2 傳感器處理模塊

本設(shè)計(jì)采用iNEMO慣性導(dǎo)航模塊進(jìn)行手部姿勢(shì)識(shí)別，iNEMO慣性導(dǎo)航模塊能夠檢測(cè)9個(gè)自由度，利用MEMS傳感器和主控芯片STM32F103RET7提供動(dòng)靜態(tài)方向和慣性測(cè)量功能。集成雙軸滾轉(zhuǎn)-俯仰陀螺儀（LPR430AL）、單軸偏航陀螺儀（LY330ALH）、6軸地磁測(cè)量模塊（LSM303DLH）、壓力傳感器（LPS001DL）和溫度傳感器（STLM75）5個(gè)意法半導(dǎo)體公司的傳感器，運(yùn)行一個(gè)AHRS姿態(tài)角運(yùn)算系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)角的實(shí)時(shí)測(cè)量。傳感器處理模塊如圖2所示。

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)指令，以控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制。采用嚴(yán)格的“一問(wèn)一答”形式，即每發(fā)送一條指令都需要機(jī)械手本體返回一幀數(shù)據(jù)包。發(fā)送一條指令后，等待機(jī)械手本體返回的數(shù)據(jù)包，只有獲得機(jī)械手本體返回的數(shù)據(jù)包后才可以繼續(xù)發(fā)送指令包。如果機(jī)械手本體接收到錯(cuò)誤指令（經(jīng)校驗(yàn)錯(cuò)誤的指令），置位通信錯(cuò)誤標(biāo)志位，上傳數(shù)據(jù)包；同時(shí)，機(jī)械手本體報(bào)警，將機(jī)械手速度置0，接下來(lái)1 s內(nèi)下位機(jī)清除串口DMA，重新接收指令。如果接收到的數(shù)據(jù)包中通信錯(cuò)誤標(biāo)志位置位，則重新配置nRF24L01無(wú)線模塊，重新發(fā)送指令。

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用12864液晶模塊進(jìn)行顯示，可顯示漢字和圖形，內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣）和64×256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM），具有并行數(shù)據(jù)傳送方式和串行數(shù)據(jù)傳送方式。其中，串行數(shù)據(jù)傳輸方式只用到CS、SID、SCK 3個(gè)通信引腳，較并行數(shù)據(jù)傳送方式節(jié)省單片機(jī)的I/O引腳。本文采用串行傳輸方式設(shè)計(jì)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)經(jīng)上電初始化后，首先采集電池電壓，傳送采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)12864液晶進(jìn)行顯示。如果電量過(guò)低，則通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。通過(guò)DMA將iNEMO慣性導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)接收到USART1中，經(jīng)校驗(yàn)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)指令，并點(diǎn)亮指示LED燈。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了基于STM32F103C8T6的嵌入式體感機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)具體的硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。大量實(shí)驗(yàn)證明，本體感機(jī)械手具有操作簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)、通信可靠、穩(wěn)定性和人性化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

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〔編輯：劉曉芳〕