多控機(jī)械臂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王勝++王紅心++湯莉莉++李大江++劉進(jìn)++王泉濤++黃思嘉++孫江波

摘 要：在工業(yè)或日常生活中，智能機(jī)械臂因?yàn)槠浞律?，給予人類巨大的幫助，大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科研考察等環(huán)境中。本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為機(jī)械臂核心控制器，通過移植操作系統(tǒng)與Qt界面到S3C2440開發(fā)板并在其上建立局域網(wǎng)服務(wù)器，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的多種控制方式，可以通過手機(jī)APP端、PC、感應(yīng)手套對機(jī)械臂進(jìn)行操控，還可以讓其自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)亦可通過攝像頭對機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：手勢感應(yīng) 機(jī)械臂 局域網(wǎng) 監(jiān)控

中圖分類號：TP399；TN923 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0010-02

Abstract： In industrial or daily life， the intelligent mechanical arm is a great help to mankind because of its imitative nature， and has been widely used in industrial production， scientific research and research environment. This system uses STM32 microcontroller as the core controller of mechanical arm， by the transplantation of operating system and the Qt interface to the S3C2440 development board and the establishment of the LAN server in the end， to achieve a variety of mechanical arm control mode， through the mobile phone APP terminal， personal PC， induction gloves manipulation of the mechanical arm， also can make the automatic operation. At the same time， the robot can also be monitored by video camera in real time.

Key Words： Gesture-sensing； Mechanical arm； Local area network； Monitoring

從嵌入式技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在，為人類帶來了無數(shù)的便利，智能生活、智能生產(chǎn)等許多概念讓人類的一系列生活方式因這一技術(shù)而改變。在工業(yè)或日常生活中，智能機(jī)械臂因?yàn)槠浞律裕o予人類巨大的幫助，大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科研考察等環(huán)境中。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)也越來越自動(dòng)化，若是機(jī)械臂與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，將會(huì)使得工業(yè)生產(chǎn)與科考技術(shù)更加進(jìn)步，通過多種控制方式與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，讓機(jī)械臂具備多種功能，適應(yīng)不同環(huán)境與人群，并具備各種數(shù)據(jù)傳輸功能，可以更好地完成工作需求。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)使用STM32[1-2]作為機(jī)械臂終端的控制核心，通過安裝藍(lán)牙HC-05模塊與無線模塊，以便實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP控制與手勢感應(yīng)控制，同時(shí)通過移植linux操作系統(tǒng)與Qt界面[3-5]到S3C2440開發(fā)板上，并使用串口與STM32控制的機(jī)械臂終端進(jìn)行通信，添加攝像頭模塊，并建立服務(wù)器，為局域網(wǎng)內(nèi)所有PC機(jī)上的Qt客戶端提供控制與監(jiān)視機(jī)械臂的服務(wù)。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

對于機(jī)械臂手勢感應(yīng)手套，主要是通過一個(gè)STM32單片機(jī)芯片作為主控制器，連接三軸加速度傳感器模塊與無線模塊，采集人手的位置信息，再通過無線模塊發(fā)送到機(jī)械臂終端。手勢感應(yīng)手套硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 系統(tǒng)的主要研究功能與設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)的主要研究功能主要概括為以下幾點(diǎn)。

（1）如何設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械臂終端作為藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收端，接收數(shù)據(jù)的同時(shí)讓主控芯片判斷數(shù)據(jù)，然后對機(jī)械臂進(jìn)行操作。

（2）如何設(shè)計(jì)一個(gè)藍(lán)牙的手機(jī)控制端的通信協(xié)議來對機(jī)械臂進(jìn)行控制。

（3）如何設(shè)計(jì)一個(gè)無線手勢感應(yīng)手套來采集人體手臂的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂進(jìn)行控制，其中的無線傳輸協(xié)議如何制定。

（4）如何讓機(jī)械臂進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn)功能，自動(dòng)化程序如何設(shè)計(jì)。

（5）如何使用S3C2440芯片對攝像頭進(jìn)行控制，并采集圖像數(shù)據(jù)后顯示于LCD，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)器程序，將圖片信息發(fā)送給每一個(gè)客戶端，使局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端都可以看到攝像頭采集的數(shù)據(jù)。

基于以上研究功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下。

（1）通過手機(jī)APP可以控制機(jī)械臂進(jìn)行操作。

（2）機(jī)械臂可以完成一系列展示動(dòng)作。

（3）機(jī)械臂有攝像頭，可對機(jī)械臂或周圍環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)控。

（4）可以在局域網(wǎng)內(nèi)對機(jī)械臂進(jìn)行操控。

（5）在linux或Windows操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)操控與監(jiān)視的客戶端軟件。

3 系統(tǒng)的特色和創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)的特色可概括為：采用手機(jī)APP端、電腦客戶端、手勢感應(yīng)手套及自動(dòng)運(yùn)行等多種控制方式，在不同的工作環(huán)境下切換適合的控制方式，使得機(jī)械臂可以更好地應(yīng)用于不同的工作，減少操作難度。采用S3C2440移植Linux系統(tǒng)，并搭建服務(wù)器，管理機(jī)械臂終端，配合攝像頭，讓用戶通過Qt客戶端可以更好地進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并且安全可靠，拓展性強(qiáng)。

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)：采用手勢感應(yīng)手套對人體的手勢數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使得機(jī)械臂可以模仿人體手臂動(dòng)作，可以應(yīng)用于一些類人的機(jī)械控制，減少控制難度。攝像頭可以監(jiān)控并判斷機(jī)械臂是否運(yùn)動(dòng)或周圍的環(huán)境是否有運(yùn)動(dòng)的物體，通過這一功能可以監(jiān)控機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或無人工廠是否有人進(jìn)入。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)多控機(jī)械臂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，賦予其多種控制方式與多種功能，較之普通的機(jī)械臂，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行直接精確控制，使機(jī)械臂可以做出不同動(dòng)作，方便快捷，適合家庭中的民用機(jī)械臂使用。

（2）使用電腦Qt客戶端對機(jī)械臂進(jìn)行控制，方便工業(yè)生產(chǎn)中的遠(yuǎn)程控制。

（3）使用手勢感應(yīng)手套對機(jī)械臂進(jìn)行控制，使得人可以方便快捷的控制機(jī)械臂，如同控制自己的手一般，此項(xiàng)功能可以應(yīng)用于人型機(jī)器人，比其他操控方式更能快速控制，更能適合人類形態(tài)的機(jī)器人的操控。

（4）本設(shè)計(jì)配置了實(shí)時(shí)監(jiān)控的攝像頭，在局域網(wǎng)的任意一臺電腦都可以實(shí)時(shí)監(jiān)控或控制機(jī)械臂，為遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)了解信息提供便利。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)也越來越自動(dòng)化，若是機(jī)械臂與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，將會(huì)使得工業(yè)生產(chǎn)與科考技術(shù)更加進(jìn)步，通過多種控制方式與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，讓機(jī)械臂具備多種功能，適應(yīng)不同環(huán)境與人群，并具備各種數(shù)據(jù)傳輸功能，可以更好地完成工作需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2] 劉火良，楊森.單片機(jī)與嵌入式：STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 馮利美，馮建.嵌入式Linux C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4] 韓少云，奚海蛟，諶利.基于嵌入式Linux的Qt圖形程序?qū)崙?zhàn)開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[5] 程姚根，苗德行.嵌入式操作系統(tǒng)（Linux篇）[M].北京：人民郵電出版社，2014.endprint