基于Android平臺(tái)的機(jī)械臂系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉宇璇 馬磊 張磊

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，Android平臺(tái)憑借其特有的開(kāi)放性和便利性不僅僅成為普遍的通信設(shè)備，而且成為了具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的控制、管理的平臺(tái)。本系統(tǒng)以Android手機(jī)為平臺(tái)借助藍(lán)牙技術(shù)完成了機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供一種無(wú)線控制機(jī)械臂的新思路。首先介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，接下來(lái)詳細(xì)闡述系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和總結(jié)。其中Android手機(jī)端與8位單片機(jī)STC12C5A32S2分別視為上位機(jī)和下位機(jī)。其工作流程為，通過(guò)Android手機(jī)APP的上位機(jī)利用藍(lán)牙通信與下位機(jī)端連接，再通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口將命令發(fā)送給32S2單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接到的指令執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，發(fā)送信號(hào)控制舵機(jī)。最終結(jié)果表明：六自由度機(jī)械臂可以接收Android平臺(tái)發(fā)出的信號(hào)并且可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)角度和轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)等功能。

關(guān)鍵詞：Android；機(jī)械臂；單片機(jī)；藍(lán)牙

隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展成熟，尤其是機(jī)械臂在工業(yè)、軍事、以及生產(chǎn)生活發(fā)揮了重大作用，機(jī)械臂將不斷走進(jìn)我們的生活，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，帶給人們更多便利。Android手機(jī)操作平臺(tái)是真正意義上的開(kāi)放性綜合移動(dòng)平臺(tái)。使用Android的意義不僅在于利用好手機(jī)平臺(tái)的現(xiàn)有功能，更是通過(guò)對(duì)其架構(gòu)的分析和探索，使得機(jī)械臂控制更容易嫁接到其他Android系統(tǒng)的產(chǎn)品上，從而進(jìn)一步擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，傳感器與舵機(jī)作為控制界面與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的連接媒介也必將越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，Android平臺(tái)控制系統(tǒng)將會(huì)很有前景與研究?jī)r(jià)值。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本次設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)可以通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制六自由度機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速。

1.2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以STC12C5A32S2單片機(jī)為該系統(tǒng)的主控制器，它通過(guò)控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，運(yùn)行最終完成機(jī)械臂的各種運(yùn)行功能，并通過(guò)手機(jī)界面設(shè)置各種參數(shù)來(lái)完成對(duì)機(jī)械臂運(yùn)行功能的設(shè)置。手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)的藍(lán)牙模塊配對(duì)，單片機(jī)對(duì)手機(jī)端傳送各種指令分析處理，根據(jù)不同指令跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，并發(fā)送信號(hào)控制舵機(jī)使機(jī)械臂完成不同運(yùn)行動(dòng)作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件可以分為4個(gè)模塊：電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊。由7V鋰電池作為電源，給系統(tǒng)供電，調(diào)節(jié)舵機(jī)電壓為7V，單片機(jī)電壓為5V，以確保單片機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、藍(lán)牙模塊HC-06的正常運(yùn)行。單片機(jī)STC12C5A32S2是整個(gè)系統(tǒng)的主控制器。

2.2 單片機(jī)控制流程

將程序燒錄到單片機(jī)中，藍(lán)牙模塊接受從Android手機(jī)上的數(shù)據(jù)指令，并通過(guò)串口通信的方式傳輸給STC12C5A32S單片機(jī)。STC12C5A32S2對(duì)于舵機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，采用脈寬調(diào)制（PWM）辦法，控制舵機(jī)的時(shí)候，不同占空比的方波信號(hào)能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用，添加延遲，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件工作流程

（1）獲取并檢查藍(lán)牙設(shè)備；（2）確保正常開(kāi)啟服務(wù)，點(diǎn)擊連接設(shè)備與下位機(jī)藍(lán)牙設(shè)備連接，改變UUID值可明確連接方式，本設(shè)計(jì)中利用藍(lán)牙串口進(jìn)行連接；（3）采用數(shù)字輸入或滑動(dòng)確定信號(hào)參數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)并提示是否成功，下位機(jī)收到數(shù)據(jù)后反饋信號(hào)，上位機(jī)提醒正常收到，設(shè)備正常工作；（4）改變參數(shù)時(shí)重復(fù)第4步，點(diǎn)“停止”按鈕停止工作時(shí)，傳輸參數(shù)為零的數(shù)據(jù)包尾，傳達(dá)命令暫停控制字。

3.2 藍(lán)牙通訊

在Android的藍(lán)牙應(yīng)用程序中，使用RFCOMM協(xié)議的Socket來(lái)進(jìn)行服務(wù)器與客戶(hù)端的通信。首先 需要在Windows環(huán)境下利用Android studio工具搭建好Android開(kāi)發(fā)環(huán)境。目前Android手機(jī)普遍自帶藍(lán)牙，在AndroidManifest.xml中聲明藍(lán)牙權(quán)限。藍(lán)牙模塊分析手機(jī)端發(fā)送的字符的ASCII碼值，并且通過(guò)串口相應(yīng)的傳遞給單片機(jī)，串口傳來(lái)的數(shù)據(jù)被單片機(jī)分析后，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)控制舵機(jī)。手機(jī)藍(lán)牙發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)被藍(lán)牙模塊接收后，將暫存在51單片機(jī)的寄存器中，單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)解碼處理處理后，發(fā)送信號(hào)給舵機(jī)。

3.3 監(jiān)聽(tīng)界面獲得數(shù)據(jù)

public void onClick（DialogInterface dialog，int which）{}

//這個(gè)方法是實(shí)現(xiàn)了DialogInterface.OnClickListener的必然產(chǎn)物，作用是用來(lái)監(jiān)聽(tīng)出現(xiàn)在dialog上面按鈕的單擊狀態(tài)。dialog顯示內(nèi)容里面也可以有Button，但是這些button監(jiān)聽(tīng)必須通過(guò)向構(gòu)造函數(shù)里面的EditText那樣先獲取才能監(jiān)聽(tīng)。

if（which == DialogInterface.BUTTON_POSITIVE）{}

//DialogInterface.BUTTON_XXXXX這個(gè)常量POSITIVE一般是確定按鈕，但是實(shí)際按鈕具體顯示是可以在dialog.setPositiveButton進(jìn)行設(shè)置的。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Android平臺(tái)的六自由度的機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件組成與軟件開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)利用基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)作為客戶(hù)端，用戶(hù)利用藍(lán)牙向控制端單片機(jī)發(fā)送控制指令，并將控制指令轉(zhuǎn)化為信號(hào)發(fā)送給機(jī)械臂舵機(jī)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。測(cè)試顯示運(yùn)行結(jié)果正確，性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)可以推廣到物聯(lián)網(wǎng)和家庭自動(dòng)化的遠(yuǎn)程控制中。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院）