基于STM 32的語音控制機械手*

易詩，林凡強，周姝穎

(成都理工大學信息科學與技術(shù)學院，成都610059)

基于STM 32的語音控制機械手*

易詩，林凡強，周姝穎

(成都理工大學信息科學與技術(shù)學院，成都610059)

智能機器人技術(shù)為近年來研究熱點，機械手在智能機器人教學研究與工業(yè)機器人領(lǐng)域占據(jù)很大比例，本文設(shè)計實現(xiàn)了基于STM32為控制平臺的四自由度機械手控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以調(diào)試，存儲機械手動作，并且使用語音控制模塊，使機械手具備人機對話，語音控制功能。系統(tǒng)高效，靈活，使用方便，對于智能機器人研究教學，工業(yè)機械人控制系統(tǒng)研發(fā)具有重大意義。

智能機器人;STM32;四自由度機械手;語音控制

近年來，智能機器人技術(shù)發(fā)展十分迅猛，在人工智能，工業(yè)生產(chǎn)，消費電子，軍事，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，智能機器人的使用越來越廣泛，功能越加強大。隨著電子信息技術(shù)，計算機科學技術(shù)的發(fā)展，智能機器人可以幫助人類完成越來越多的工作，各大高校，科研機構(gòu)，科技企業(yè)，投入越來越多的資金和人力研究各類智能機器人。

在各類智能機器人中，工業(yè)機械手使用和開發(fā)相當廣泛與重要，本文設(shè)計實現(xiàn)了一種以STM32為控制平臺的語音識別控制機械手，結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)靈活，高效的特點，使機械手的動作調(diào)試，存儲更加簡便，采用語音識別控制模塊使機械手具有人機對話和識別語音控制信號的功能，該系統(tǒng)可以作為工業(yè)機器人開發(fā)模型與智能機器人教學實驗系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件總體設(shè)計

系統(tǒng)核心控制處理器采用STM32F407ZGT6處理器，該處理器配置強大，集成FPU，DSP指令，192KB SRAM，1024KB FLASH，12個16 bit定時器，6個UART接口，2個USB控制器，2個CAN接口，3個12 bit ADC、2個12 bit DAC，1個RTC(帶日歷功能)，1個SDIO接口，1個FSMC接口，1個10/100M以太網(wǎng)MAC控制器，1個攝像頭接口，1個攝像頭接口，1個硬件隨機數(shù)生成器，硬件隨機數(shù)生成器，以及112個通用IO口等。

系統(tǒng)四自由度機械手控制模塊采用32路舵機控制模塊，32路伺服舵機控制器是高效的微伺服電機控制器。可以控制多達32個伺服舵機協(xié)調(diào)動作的模塊，它不但能實現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時間延時斷點發(fā)送指令功能。

系統(tǒng)語音識別模塊采用ASR非自然語音識別模塊，ASR Board是一款基于Arduino的開源語音識別控制板，該模塊只需要通過上位機軟件發(fā)送指令即可設(shè)定要識別的關(guān)鍵詞，不需要用戶事先訓練和錄音，是一款高效的非特定人語音識別控制模塊。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)核心處理器STM32F407執(zhí)行機械手動作的調(diào)試與存儲，ASR語音識別模塊識別語音命令，通過UART1接口發(fā)送命令標識至MCU，MCU中預先將該命令對應(yīng)動作調(diào)試好通過SDIO接口存儲在SD卡文件系統(tǒng)內(nèi)部，接受到語音命令后讀出該命令對應(yīng)的指令集，通過UART2接口發(fā)送至32路舵機控制板，舵機控制板產(chǎn)生4路PMW波形控制四自由度機械手完成該語音命令對應(yīng)動作，以達到語音識別控制的目的，系統(tǒng)人機交互界面以及動作調(diào)試，存儲操作界面由STM32通過FSMC接口在TFT觸摸屏上實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要工作在于STM32控制平臺與其外圍電路的接口設(shè)計，接口電路主要分為MCU與語音識別模塊，32路舵機控制板的UART接口電路，MCU與SD卡的接口電路，MCU與TFT觸摸屏的接口電路設(shè)計。

STM32 MCU與語音識別模塊，32路舵機控制板的通信接口使用UART1與UART2。其接口電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 UART接口電路圖

MCU需要存儲與讀取機械手動作指令，采用SD卡進行指令存儲與讀取，MCU與SD卡通信采用SDIO接口，電路接口設(shè)計如圖3所示。

在系統(tǒng)的顯示界面，動作調(diào)試，存儲操作界面，人機交互，均由MCU連接TFT觸摸屏完成，STM32采用FSMC接口與觸摸屏進行通信，高效高速，使用方便，MCU與觸摸屏接口電路如圖4所示。

STM32機械手控制硬件平臺通過UART接口接收語音控制命令，發(fā)送舵機控制命令，通過TFT觸摸屏實現(xiàn)人機交互平臺顯示及調(diào)試機械手動作，SD卡存儲加載動作，完成整個系統(tǒng)功能。

圖3 MCU與SD卡接口電路圖

圖4 MCU與觸摸屏接口電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計步驟主要分為以下幾個部分:

(1)啟動系統(tǒng)后進行機械手動作調(diào)試。

(2)調(diào)試動作完成后，存儲調(diào)試動作。

(3)識別接收語音控制命令。

(4)加載命令對應(yīng)的動作指令序列。

(5)發(fā)送指令序列至舵機控制板。

(6)完成指令序列對應(yīng)動作。

以上6個步驟為機械手由調(diào)試到最終執(zhí)行控制命令的全部流程，系統(tǒng)啟動后如果直接接受語音命令，完成指定動作，即不需進行調(diào)試存儲動作步驟，直接加載對應(yīng)指令序列執(zhí)行動作，軟件整體設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件整體設(shè)計流程圖

2.2 系統(tǒng)操作界面設(shè)計

系統(tǒng)控制平臺在STM32F407上嵌入UCOS3操作系統(tǒng)，實時多任務(wù)。操作界面使用GUIBuilder設(shè)計實現(xiàn)，觸摸屏人機交互界面設(shè)計美觀，操作便捷，界面設(shè)計如圖6所示。

圖6 人機交互界面

交互界面主要實現(xiàn)通過觸摸屏控制，調(diào)試，存儲機械手動作。滑動控件P0～P3實現(xiàn)對機械手4個舵機的轉(zhuǎn)動角度控制，列表控件實現(xiàn)對存儲動作，加載動作的選擇，一共可以存儲和加載6個動作，按鍵控件RUN實現(xiàn)對調(diào)試好的動作執(zhí)行查看調(diào)試效果，按鍵控件SAVE實現(xiàn)對當前舵機轉(zhuǎn)角的存儲，按鍵控件DELETE實現(xiàn)對存儲動作的刪除。

通過該人機交互界面，可以高效快捷地控制機械手動作，對動作進行設(shè)計，調(diào)試，存儲，與加載執(zhí)行。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)實現(xiàn)后，對語音識別，控制，機械手動作調(diào)試，存儲，加載，執(zhí)行等功能做出了完整的測試。測試方案為，設(shè)置語音命令，并識別發(fā)送控制標識，機械手控制端預先調(diào)試，存儲好命令對應(yīng)動作，接收命令后加載指令序列，執(zhí)行相應(yīng)動作。

(1)語音控制機械手抓取物品測試，將語音識別模塊設(shè)置命令“拿東西”識別到該命令后，模塊應(yīng)答“好的”，發(fā)送命令標識0x01，控制平臺預先調(diào)試，存儲好抓取物品的動作，接收到該命令標識后，加載取物品動作指令序列，發(fā)送至舵機控制板，機械手完成物品的抓取，測試效果如圖7所示。

圖7 語音控制機械手抓取物品測試

(2)語音控制機械手擺放物品測試，將語音識別模塊設(shè)置命令“放東西”識別到該命令后，模塊應(yīng)答“好的”，發(fā)送命令標識0x02，控制平臺預先調(diào)試，存儲好取物品的動作，接收到該命令標識后，加載擺放物品動作指令序列，發(fā)送至舵機控制板，機械手完成物品的擺放，測試效果如圖8所示。

圖8 語音控制機械手擺放物品測試

系統(tǒng)通過測試，語音識別，控制，機械手動作調(diào)試，存儲，加載，執(zhí)行等功能完善，實時高效，操作平臺使用方便快捷。

4 結(jié)論

系統(tǒng)使用STM32 MCU為主控芯片，結(jié)合32路舵機控制板，語音識別模塊，完成了語音控制機械手。系統(tǒng)可以設(shè)置，識別，發(fā)送語音控制命令，進行人機對話，控制機械手動作，機械手控制平臺可以調(diào)試完成各種機械手動作，并對動作進行存儲，加載。該系統(tǒng)具有操作簡便，實時高效，系統(tǒng)件集成化高，功能多樣等特點。對于工業(yè)機器人技術(shù)，智能機器人教學實驗研究等領(lǐng)域具有重大意義和研究潛力。

［1］張洪潤，傅瑾新，呂泉，等.傳感器應(yīng)用設(shè)計300例［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008:10-150.

［2］王燕，戴劍峰，王祥華.STM32的條狀指紋采集與拼接系統(tǒng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12(11):53-56.

［3］李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲器設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2011，30(12):79-81.

［4］張濤，左謹平，馬華玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植［J］.電子技術(shù)，2010，47(3):25-27.

［5］彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:23-26.

［6］劉軍.例說STM32［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011:150.

［7］Smith K R，Samet JM，Romieu I，etal.Indoor Air Pollution in Developing Countries and Acute Lower Respiratory Infection in Children［J］.Thorax，2000，55:518-532.

［8］Fingerprints.FPC1011F Area Sensor Package Product Specification［EB/OL］.http://www.fingerprints.com/wp-content/uploads/ 2013/08/720-FPC1011F3 Product-sheet.pdf，2009-2.

［9］STMicroelectronics.RM0008 STM32F101xx，STM32F102xx，STM32-F103xx，STM32F105xx and STM32F107xx Advanced ARM Based 32 bit MCUs［EB/OL］.http://www.st.com/st-web-ui/static/active/ en/resource/technical/document/reference_manual/CD00171190.pdf，2011-10.

［10］SD Card Association.SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification Version 4.10［EB/OL］.http://www.Sdcard.org/downloads/pls/simplified_specs/part1_410.pdf，2013-1.

［11］華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006:324-385.

［12］蔡自興，徐光祐.人工智能及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學出版社，2004:94-186.

易詩(1983-)，男，四川成都人，碩士，主要從事機器視覺研究，信號與信息處理，嵌入式技術(shù)的研究，549745481 @qq.com。

Voice Control M anipulator Based on STM 32*

YIShi，LIN Fanqiang，ZHOU Shuying

(College of Information Science and Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Intelligent robot technology is a hot research field in recent years，manipulator occupies a large proportion of the robot teaching and research field and industrial robots，This paper designs and implements a four degree of freedom manipulator control system based on STM32.The system can debug，store themanipulatormotion，and use the voice controlmodule，which makes the robot haveman-machine dialogue，voice control function.The system is efficient，flexible，easy to use.This system is great significance to the teaching of intelligent robot research，industrial robot control system research and development.

intelligent robot;STM32;Four degree of freedom manipulator;voice control

C:7230;7820

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.031

TN919.5

:A

:1005－9490(2017)01－0162－04

項目來源:成都理工大學RFID簽到系統(tǒng)項目(13JGY78)

2016-01-04修改日期:2016-02-24