基于MK60的無(wú)線遙控機(jī)器人的設(shè)計(jì)

賴(lài)健偉　袁銘潤(rùn)　袁銘澤　張佳薇　劉希明

摘 要：針對(duì)我國(guó)人口老齡化的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一款可以無(wú)線遙控的機(jī)器人裝置。該裝置以MK60為控制器，檢測(cè)手部動(dòng)作并做出判斷，根據(jù)不同的手部動(dòng)作，利用NRF無(wú)線傳輸模塊，將不同的命令發(fā)送給終端系統(tǒng)，指揮終端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。右手控制機(jī)器人的移動(dòng)，左手控制機(jī)器人的機(jī)械臂的移動(dòng)，使終端機(jī)器人的機(jī)械臂跟隨人手勢(shì)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程代替人手部抓取物體的功能，人們可以根據(jù)自己的思想遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。本裝置的特點(diǎn)在于采用的是直接的手勢(shì)動(dòng)作控制，利用復(fù)雜的算法，將簡(jiǎn)單的手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行處理，達(dá)到使用方便的目的。由于控制系統(tǒng)的輕便性，簡(jiǎn)易型，使得裝置的入門(mén)簡(jiǎn)單，不僅可以使老年人生活便捷，也可以使用在一些殘疾人士或高危工作者的身邊，給他們的生活帶來(lái)安全。

關(guān)鍵詞：無(wú)線控制；同步；仿生；機(jī)械手臂；MK60

引言

隨著我國(guó)老齡化程度不斷加深，人們對(duì)老人的服務(wù)關(guān)注度加大。提高老人的生活質(zhì)量，成為每個(gè)科學(xué)技術(shù)研究者義不容辭的責(zé)任。本文介紹的無(wú)線遙控機(jī)器人，通過(guò)6個(gè)MPU6050（左右手上分別佩戴3個(gè)）采集手部的姿態(tài)，通過(guò)MPU6050的信號(hào)變化趨勢(shì)將姿態(tài)分為幾種不同的動(dòng)作，根據(jù)動(dòng)作產(chǎn)生命令信息，通過(guò)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊將命令信息發(fā)送給終端機(jī)器人。通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂與控制者手臂的動(dòng)作同步，達(dá)到抓取物體的精準(zhǔn)控制。該裝置附加快捷鍵抓取物體功能。

相比于傳統(tǒng)的輔助機(jī)器人，本文介紹的機(jī)器人通過(guò)采用了簡(jiǎn)單的控制方式，降低了控制者的學(xué)習(xí)時(shí)間和成本，減少了誤操作的可能性，有利于向大眾推廣。可以幫助老人快捷完成一些生活的小事，提高了老人的自信心和幸福感，也可以保護(hù)高危工作者。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制端硬件設(shè)計(jì)

控制端需要完成手勢(shì)動(dòng)作的檢測(cè)、機(jī)器人視角顯示、通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送消息等工作。該部分由姿態(tài)檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊和電源模塊構(gòu)成。姿態(tài)檢測(cè)模塊采用6個(gè)MPU6050角度傳感器模塊對(duì)手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)，MPU6050輸出三路數(shù)據(jù)，分別表示三個(gè)方向：橫滾角、航向角、俯仰角，每一個(gè)方向有16位寄存器采集，范圍0～65535，將控制精度達(dá)到182每度，滿足對(duì)姿態(tài)檢測(cè)的精度要求。液晶顯示模塊采用的是1.44寸彩色TFT屏幕，可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的第一視角，便于控制端的控制。

1.2 終端控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由機(jī)械臂控制模塊、電機(jī)模塊、攝像頭采集模塊構(gòu)成。

機(jī)械臂控制模塊由四個(gè)舵機(jī)構(gòu)成，本裝置采用了S3010舵機(jī)，S3010舵機(jī)輸出扭矩可以達(dá)到6.5+1.3[Kg.cm]，動(dòng)作速度為0.16+0.02[Sec/度]（額定電壓6.0V時(shí)）。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。由于MK60電流輸出有限，無(wú)法供應(yīng)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，為了滿足S3010的驅(qū)動(dòng)電流，并且保護(hù)單片機(jī)，防止電流倒灌燒壞單片機(jī)，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路。

攝像頭采集模塊的硬件設(shè)計(jì)主要是信號(hào)線的連接，以及電源的輸送，攝像頭采用的是OV7725攝像頭，這款攝像頭是并行傳輸，可以每秒達(dá)到30幀，滿足設(shè)計(jì)需求。NRF主要有兩個(gè)作用：將終端系統(tǒng)的圖像傳輸給控制系統(tǒng)，機(jī)器人的環(huán)境實(shí)時(shí)顯示在液晶屏幕上面；將控制系統(tǒng)的命令發(fā)送，無(wú)線傳輸給終端系統(tǒng)，控制機(jī)器人的移動(dòng)和機(jī)械臂的動(dòng)作。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制端軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要將終端系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的圖像顯示在液晶屏幕上，并將手勢(shì)動(dòng)作采集，處理數(shù)據(jù)并分類(lèi)，不同的手勢(shì)動(dòng)作對(duì)應(yīng)不同的命令，再將命令發(fā)送給終端控制系統(tǒng)。

圖像顯示程序就是每一幅圖片顯示在液晶上，每10ms顯示一次圖像，相當(dāng)于一秒鐘顯示100次，而攝像頭采集的幀數(shù)為30幀，滿足要求（顯示的幀數(shù)大于采集的幀數(shù)）。

手勢(shì)動(dòng)作的采集，就是處理6個(gè)遙控指環(huán)的數(shù)據(jù)，指環(huán)為6個(gè)，左右各3個(gè)，戴在大拇指、中指、小拇指上面，其中，左手小拇指上的為遙控指環(huán)1，左手中指上的為遙控指環(huán)2，左手大拇指上的為遙控指環(huán)3，右手大拇指上的為遙控指環(huán)4，右手中指上的為遙控指環(huán)5，右手小拇指上的為遙控指環(huán)6。遙控指環(huán)上面固定一個(gè)MPU6050與遙控器終端連接，MPU6050可以采集XYZ方向上面的角度值，當(dāng)手勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，遙控終端遙控通過(guò)MPU6050的值可以判斷手勢(shì)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)送給機(jī)器人。

當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器4、指環(huán)遙控器5和指環(huán)遙控器6的航向角度和俯仰角均變大，橫滾角基本不變時(shí)，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為右手抬起時(shí)，發(fā)送命令機(jī)器人后退；當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器4、指環(huán)遙控器5和指環(huán)遙控器6的航向角度和俯仰角均變小，橫滾角基本不變時(shí)，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為右手放下時(shí)，發(fā)送命令機(jī)器人前進(jìn)；當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器4、指環(huán)遙控器5和指環(huán)遙控器6的橫滾角和俯仰角均變大，航向角基本不變時(shí)，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為右手往左抬起時(shí)，發(fā)送命令機(jī)器人左拐；當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器4、指環(huán)遙控器5和指環(huán)遙控器6的橫滾角和俯仰角均變小，航向角基本不變時(shí)，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為右手往右抬起時(shí)，發(fā)送命令機(jī)器人右拐；當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器1、指環(huán)遙控器2和指環(huán)遙控器3的航向角度和俯仰角均變大，橫滾角基本不變時(shí)，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為左手抬起時(shí)，發(fā)送命令機(jī)械臂抬起；當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器1、指環(huán)遙控器2和指環(huán)遙控器3的航向角度和俯仰角均變小，橫滾角基本不變時(shí)，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為左手放下時(shí)，發(fā)送命令機(jī)械臂放下；當(dāng)檢測(cè)到指環(huán)遙控器1的橫滾角和俯仰角均變小，航向角基本不變，指環(huán)遙控器2基本上不變，指環(huán)遙控器3的橫滾角和俯仰角均變大，航向角基本不變，此時(shí)手勢(shì)動(dòng)作為左手握拳時(shí)，發(fā)送命令機(jī)械臂抓取動(dòng)作。

2.2 終端控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

終端控制系統(tǒng)利用攝像頭采集機(jī)器人的周?chē)h(huán)境，傳輸給控制終端實(shí)時(shí)顯示，接收控制終端發(fā)送的命令，并做出相應(yīng)的反映。主要包括電機(jī)控制和舵機(jī)控制兩大部分，其中電機(jī)控制利用編碼器負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使機(jī)器人的位置控制更為精準(zhǔn)，利用機(jī)器人四周的紅外測(cè)距模塊，自動(dòng)校正，緊急避障功能。

電機(jī)控制是根據(jù)PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制的。以編碼器得到的值為真實(shí)值，MPU6050擬合得到的值為理想值，真實(shí)值向理想值逼近。比例P的引入是為了利用偏差的比例關(guān)系調(diào)節(jié)舵機(jī)，減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。積分I的引入，主要是為減小被控制量的穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差跟蹤。微分D的引入，只要是為了更好地同時(shí)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，既能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又能減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本裝置靠NRF無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)，傳輸距離的大小決定了系統(tǒng)的好壞，由于電磁波和電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)傳輸產(chǎn)生干擾，不同的環(huán)境會(huì)有不同的測(cè)試效果，在無(wú)其他信號(hào)源的情況下，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到60m，在有物理干擾或信號(hào)的干擾的情況下，最遠(yuǎn)傳輸距離縮減為30～40m之間。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用MK60單片機(jī)作為主控芯片，編碼器、攝像頭、NRF24L01等傳感器，實(shí)現(xiàn)了一種具有手勢(shì)無(wú)線遙控控制的機(jī)器人。該裝置體積小，攜帶方便，對(duì)老人的安全提供了保障，利用無(wú)線通信技術(shù)，使它很容易應(yīng)用到其他的領(lǐng)域內(nèi)，如探索未知區(qū)域的地勢(shì)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像傳輸，地震中的人員勘查等問(wèn)題。還可以應(yīng)用到科學(xué)研究中，如太空里采集樣本信息。無(wú)線控制機(jī)器人為殘疾人提供便捷的同時(shí)，也為每個(gè)普通人提供一種嶄新的生活方式，讓我們更好地享受生活。

參考文獻(xiàn)

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