基于MK60的無線遙控機器人的設計

賴健偉　袁銘潤　袁銘澤　張佳薇　劉希明

摘 要：針對我國人口老齡化的問題，設計出一款可以無線遙控的機器人裝置。該裝置以MK60為控制器，檢測手部動作并做出判斷，根據不同的手部動作，利用NRF無線傳輸模塊，將不同的命令發送給終端系統，指揮終端機器人的運動。右手控制機器人的移動，左手控制機器人的機械臂的移動，使終端機器人的機械臂跟隨人手勢的動作，實現遠程代替人手部抓取物體的功能，人們可以根據自己的思想遠程控制機械臂的運動。本裝置的特點在于采用的是直接的手勢動作控制，利用復雜的算法，將簡單的手勢動作進行處理，達到使用方便的目的。由于控制系統的輕便性，簡易型，使得裝置的入門簡單，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，給他們的生活帶來安全。

關鍵詞：無線控制；同步；仿生；機械手臂；MK60

引言

隨著我國老齡化程度不斷加深，人們對老人的服務關注度加大。提高老人的生活質量，成為每個科學技術研究者義不容辭的責任。本文介紹的無線遙控機器人，通過6個MPU6050（左右手上分別佩戴3個）采集手部的姿態，通過MPU6050的信號變化趨勢將姿態分為幾種不同的動作，根據動作產生命令信息，通過NRF24L01無線傳輸模塊將命令信息發送給終端機器人。通過無線傳輸實現機械手臂與控制者手臂的動作同步，達到抓取物體的精準控制。該裝置附加快捷鍵抓取物體功能。

相比于傳統的輔助機器人，本文介紹的機器人通過采用了簡單的控制方式，降低了控制者的學習時間和成本，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，也可以保護高危工作者。

1 硬件設計

1.1 控制端硬件設計

控制端需要完成手勢動作的檢測、機器人視角顯示、通過無線模塊發送消息等工作。該部分由姿態檢測模塊、液晶顯示模塊和電源模塊構成。姿態檢測模塊采用6個MPU6050角度傳感器模塊對手勢動作進行精準的檢測，MPU6050輸出三路數據，分別表示三個方向：橫滾角、航向角、俯仰角，每一個方向有16位寄存器采集，范圍0～65535，將控制精度達到182每度，滿足對姿態檢測的精度要求。液晶顯示模塊采用的是1.44寸彩色TFT屏幕，可以實時顯示機器人的第一視角，便于控制端的控制。

1.2 終端控制系統硬件設計

終端控制系統是整個系統的主要執行機構，由機械臂控制模塊、電機模塊、攝像頭采集模塊構成。

機械臂控制模塊由四個舵機構成，本裝置采用了S3010舵機，S3010舵機輸出扭矩可以達到6.5+1.3[Kg.cm]，動作速度為0.16+0.02[Sec/度]（額定電壓6.0V時）。經過實驗驗證，可以滿足系統的設計需求。由于MK60電流輸出有限，無法供應舵機的驅動電流，為了滿足S3010的驅動電流，并且保護單片機，防止電流倒灌燒壞單片機，設計了穩壓電路。

攝像頭采集模塊的硬件設計主要是信號線的連接，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，可以每秒達到30幀，滿足設計需求。NRF主要有兩個作用：將終端系統的圖像傳輸給控制系統，機器人的環境實時顯示在液晶屏幕上面；將控制系統的命令發送，無線傳輸給終端系統，控制機器人的移動和機械臂的動作。

2 軟件設計

2.1 控制端軟件設計

控制系統需要將終端系統傳輸過來的圖像顯示在液晶屏幕上，并將手勢動作采集，處理數據并分類，不同的手勢動作對應不同的命令，再將命令發送給終端控制系統。

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，相當于一秒鐘顯示100次，而攝像頭采集的幀數為30幀，滿足要求（顯示的幀數大于采集的幀數）。

手勢動作的采集，就是處理6個遙控指環的數據，指環為6個，左右各3個，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1，左手中指上的為遙控指環2，左手大拇指上的為遙控指環3，右手大拇指上的為遙控指環4，右手中指上的為遙控指環5，右手小拇指上的為遙控指環6。遙控指環上面固定一個MPU6050與遙控器終端連接，MPU6050可以采集XYZ方向上面的角度值，當手勢發生變化時，遙控終端遙控通過MPU6050的值可以判斷手勢狀態，及時發送給機器人。

當檢測到指環遙控器4、指環遙控器5和指環遙控器6的航向角度和俯仰角均變大，橫滾角基本不變時，此時手勢動作為右手抬起時，發送命令機器人后退；當檢測到指環遙控器4、指環遙控器5和指環遙控器6的航向角度和俯仰角均變小，橫滾角基本不變時，此時手勢動作為右手放下時，發送命令機器人前進；當檢測到指環遙控器4、指環遙控器5和指環遙控器6的橫滾角和俯仰角均變大，航向角基本不變時，此時手勢動作為右手往左抬起時，發送命令機器人左拐；當檢測到指環遙控器4、指環遙控器5和指環遙控器6的橫滾角和俯仰角均變小，航向角基本不變時，此時手勢動作為右手往右抬起時，發送命令機器人右拐；當檢測到指環遙控器1、指環遙控器2和指環遙控器3的航向角度和俯仰角均變大，橫滾角基本不變時，此時手勢動作為左手抬起時，發送命令機械臂抬起；當檢測到指環遙控器1、指環遙控器2和指環遙控器3的航向角度和俯仰角均變小，橫滾角基本不變時，此時手勢動作為左手放下時，發送命令機械臂放下；當檢測到指環遙控器1的橫滾角和俯仰角均變小，航向角基本不變，指環遙控器2基本上不變，指環遙控器3的橫滾角和俯仰角均變大，航向角基本不變，此時手勢動作為左手握拳時，發送命令機械臂抓取動作。

2.2 終端控制系統軟件設計

終端控制系統利用攝像頭采集機器人的周圍環境，傳輸給控制終端實時顯示，接收控制終端發送的命令，并做出相應的反映。主要包括電機控制和舵機控制兩大部分，其中電機控制利用編碼器負反饋調節，使機器人的位置控制更為精準，利用機器人四周的紅外測距模塊，自動校正，緊急避障功能。

電機控制是根據PID調節進行控制的。以編碼器得到的值為真實值，MPU6050擬合得到的值為理想值，真實值向理想值逼近。比例P的引入是為了利用偏差的比例關系調節舵機，減小系統的響應時間。積分I的引入，主要是為減小被控制量的穩態誤差，實現系統的無靜差跟蹤。微分D的引入，只要是為了更好地同時改善系統的穩態性能和動態性能，既能加快系統的響應速度，又能減小系統的穩態誤差。

3 系統測試

本裝置靠NRF無線模塊傳輸數據，傳輸距離的大小決定了系統的好壞，由于電磁波和電磁場會對傳輸產生干擾，不同的環境會有不同的測試效果，在無其他信號源的情況下，最遠通信距離達到60m，在有物理干擾或信號的干擾的情況下，最遠傳輸距離縮減為30～40m之間。

4 結束語

利用MK60單片機作為主控芯片，編碼器、攝像頭、NRF24L01等傳感器，實現了一種具有手勢無線遙控控制的機器人。該裝置體積小，攜帶方便，對老人的安全提供了保障，利用無線通信技術，使它很容易應用到其他的領域內，如探索未知區域的地勢形態，實現實時圖像傳輸，地震中的人員勘查等問題。還可以應用到科學研究中，如太空里采集樣本信息。無線控制機器人為殘疾人提供便捷的同時，也為每個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

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