基于BMI160的多自由度體感遙控機(jī)械臂設(shè)計(jì)

李嘉鵬　馬超　孫浩　馬守賢

摘 要：隨著智能制造的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械臂控制技術(shù)越來越不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)雜要求，需要更加智能的機(jī)械臂該設(shè)來解決這一問題。文章設(shè)計(jì)了基于BMI160的多自由度體感遙控機(jī)械臂，該設(shè)計(jì)利用STM32F103C8T6作為主控制器，慣性導(dǎo)航模塊用于手勢檢測，NRF24L01無線模塊用于指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，OLED液晶模塊用于顯示當(dāng)前控制指令、機(jī)器人狀態(tài)，采用LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)提示和警報(bào)。設(shè)計(jì)的機(jī)械臂具有使用簡便、機(jī)動(dòng)靈活、連接可靠、穩(wěn)定性能好、人性化操作等優(yōu)點(diǎn)，基本能夠滿足機(jī)械臂的遙控要求，具有較高的應(yīng)用與推廣價(jià)值。同時(shí)保留了拓展接口，為以后的智能升級留下了充分的余地。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制；體感技術(shù)；BMI160慣性模塊；無線控制

機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展非常迅速，機(jī)械臂的用處也是十分廣泛。在我國機(jī)械臂的研究和應(yīng)用方面與很多國家相比還是有一定的差距，在傳統(tǒng)機(jī)械手技術(shù)方面，我國的技術(shù)水平已與國際接軌，但在工藝水平方面還有一定差異，而在現(xiàn)代機(jī)械手發(fā)展方面，國內(nèi)主要還處于摸索試驗(yàn)階段，雖然有一些成品，但智能度還有待提高。傳統(tǒng)的機(jī)械手通常采用PLC控制，此次設(shè)計(jì)采用模塊化機(jī)械裝置，以單片機(jī)控制為基礎(chǔ)，以STM32F103C8T6為主控制器。通過慣性傳感器模塊來檢測體感信息，再利用無線模塊完成無線通信，同時(shí)利用OLED液晶顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。用體感識別技術(shù)代替了傳統(tǒng)的按鍵控制，有效地減少了硬件設(shè)備的輸入，增加了系統(tǒng)的可操控性。體感技術(shù)的優(yōu)勢在于人們可以通過使用肢體直接與外圍設(shè)備或環(huán)境交互，不需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備就可以使人們非常方便地實(shí)現(xiàn)內(nèi)容交互。根據(jù)體感的不同方式和原理，體感技術(shù)可分為三大類：慣性傳感、光學(xué)傳感、慣性傳感和光學(xué)組合傳感。此設(shè)計(jì)采用慣性傳感原理對體感的位置信息進(jìn)行檢測。

1 系統(tǒng)方案及整體構(gòu)架

該設(shè)計(jì)以ST公司的Cortex-M3為核心的ARM控制器STM32F103C8T6為主控制器，ST公司的BMI慣性導(dǎo)航模塊用于手勢檢測，NRF24L01無線模塊用于指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，OLED液晶模塊用于顯示當(dāng)前控制指令、機(jī)器人狀態(tài)。采用LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)提示和警報(bào)。主控制系統(tǒng)軟件中使用了狀態(tài)機(jī)流程代碼結(jié)構(gòu)，枚舉了系統(tǒng)的所有可能狀態(tài)，對每一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升了控制器的代碼處理效率[1]。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

該設(shè)計(jì)采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器。其擁有32位內(nèi)核，工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置的128 K字節(jié)程序存儲器，20 K字節(jié)SRAM，還包括時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理等功能。電源電壓2.0～3.6 V，滿足低功耗要求。

2.2 傳感器處理模塊

該設(shè)計(jì)采用BMI160慣性傳感器模塊進(jìn)行體感遙控。傳感器模塊通過檢測X，Y，Z 3個(gè)角度的偏移量和所受重力的不同數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片STM32F103C8T6后，進(jìn)入軟件濾波模塊，將因?yàn)榄h(huán)境、電路、電磁干擾等原因產(chǎn)生的不可靠數(shù)據(jù)濾除得到較為準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。之后運(yùn)行姿態(tài)計(jì)算模塊，通過算法計(jì)算出控制器所在的三維角度數(shù)據(jù)來對終端進(jìn)行控制[2]。傳感器處理模塊如圖2所示。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用NRF24l01無線通信模塊發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，通過將接收到的體感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)指令來控制機(jī)械臂上的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的多自由度無線控制。采用嚴(yán)格的“問答”形式，即將主控器的每條體感指令的發(fā)送都要求機(jī)械臂主體控制器返回一幀狀態(tài)數(shù)據(jù)包。在發(fā)送一條指令后，等待機(jī)械臂的狀態(tài)返回包，然后才為機(jī)械臂本體繼續(xù)發(fā)送下一條指令包。如果機(jī)械臂本體接收到了錯(cuò)誤的指令（檢查錯(cuò)誤指令），則立即設(shè)定通信錯(cuò)誤標(biāo)志符，同時(shí)上傳狀態(tài)包。同時(shí)，機(jī)械臂控制器發(fā)出報(bào)警信號，停止機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，直到下一個(gè)機(jī)器清除串口DMA，重新接收指令。如果接收到的數(shù)據(jù)包在通信錯(cuò)誤標(biāo)志位置位，則重新匹配NRF24L01無線通信模塊，之后再發(fā)送體感控制指令[3]。

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用了新型OLED液晶顯示模塊顯示機(jī)械臂的使用狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)。OLED具有輕巧便利、功耗低等特點(diǎn)，因此被廣泛使用。其內(nèi)部采用SSD1306主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。屏幕分辨率為128×64。數(shù)據(jù)傳輸方式采用I2C通信協(xié)議進(jìn)行通信，既節(jié)省了I/O的使用，又具有通信速率高可外接多種設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 控制模塊

機(jī)械臂和小車的信號控制主要通過一個(gè)16路PWM驅(qū)動(dòng)模塊和一個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板來完成。PWM驅(qū)動(dòng)模塊采用I2C通信方式，從通信上可以跟OLED顯示模塊公用同一套IO口，可以控制16路PWM給機(jī)械臂和小車提供PWM信號。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是一個(gè)H橋電路，通過改變輸入信號的高低電平和PWM的脈寬就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。在本設(shè)計(jì)中，小車電機(jī)控制和機(jī)械臂控制一共占用了10路PWM信號，還有6路PWM信號可以后續(xù)擴(kuò)展使用[4]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后，先進(jìn)入自檢狀態(tài)，檢測各模塊通信是否正常，電池電壓是否處在安全范圍內(nèi)并將系統(tǒng)信息顯示在OLED屏幕上；自檢通過后，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)里，系統(tǒng)會(huì)不斷地接收來自控制板傳來的數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理之后送給終端進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的DMA功能將不斷地傳輸電池電壓采集的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前電量狀態(tài)[5]。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)大致討論了基于STM32F103C8T6的嵌入式體感遙控機(jī)械臂的設(shè)計(jì)論證與實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)較詳細(xì)介紹了其硬件電路與軟件系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該體感遙控機(jī)械臂具有使用簡便、機(jī)動(dòng)靈活、連接可靠、穩(wěn)定性能好、人性化操作等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用中體現(xiàn)了較好的實(shí)用效果。

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