多控機械臂物聯網系統設計

王勝++王紅心++湯莉莉++李大江++劉進++王泉濤++黃思嘉++孫江波

摘 要：在工業或日常生活中，智能機械臂因為其仿生性，給予人類巨大的幫助，大量應用于工業生產、科研考察等環境中。本系統采用STM32單片機作為機械臂核心控制器，通過移植操作系統與Qt界面到S3C2440開發板并在其上建立局域網服務器，最終實現了機械臂的多種控制方式，可以通過手機APP端、PC、感應手套對機械臂進行操控，還可以讓其自動運行。同時亦可通過攝像頭對機械臂進行實時監控。

關鍵詞：手勢感應 機械臂 局域網 監控

中圖分類號：TP399；TN923 文獻標識碼：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

從嵌入式技術的出現到現在，為人類帶來了無數的便利，智能生活、智能生產等許多概念讓人類的一系列生活方式因這一技術而改變。在工業或日常生活中，智能機械臂因為其仿生性，給予人類巨大的幫助，大量應用于工業生產、科研考察等環境中。隨著嵌入式技術的發展，工業生產也越來越自動化，若是機械臂與物聯網結合起來，將會使得工業生產與科考技術更加進步，通過多種控制方式與物聯網系統，讓機械臂具備多種功能，適應不同環境與人群，并具備各種數據傳輸功能，可以更好地完成工作需求。

1 總體系統設計方案

本系統使用STM32[1-2]作為機械臂終端的控制核心，通過安裝藍牙HC-05模塊與無線模塊，以便實現手機APP控制與手勢感應控制，同時通過移植linux操作系統與Qt界面[3-5]到S3C2440開發板上，并使用串口與STM32控制的機械臂終端進行通信，添加攝像頭模塊，并建立服務器，為局域網內所有PC機上的Qt客戶端提供控制與監視機械臂的服務。硬件系統框圖如圖1所示。

對于機械臂手勢感應手套，主要是通過一個STM32單片機芯片作為主控制器，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，再通過無線模塊發送到機械臂終端。手勢感應手套硬件設計如圖2所示。

2 系統的主要研究功能與設計要求

本系統的主要研究功能主要概括為以下幾點。

（1）如何設計一個機械臂終端作為藍牙數據接收端，接收數據的同時讓主控芯片判斷數據，然后對機械臂進行操作。

（2）如何設計一個藍牙的手機控制端的通信協議來對機械臂進行控制。

（3）如何設計一個無線手勢感應手套來采集人體手臂的數據，進而實現對機械臂進行控制，其中的無線傳輸協議如何制定。

（4）如何讓機械臂進行自動搬運功能，自動化程序如何設計。

（5）如何使用S3C2440芯片對攝像頭進行控制，并采集圖像數據后顯示于LCD，同時設計一個服務器程序，將圖片信息發送給每一個客戶端，使局域網內的客戶端都可以看到攝像頭采集的數據。

基于以上研究功能，本系統設計要求如下。

（1）通過手機APP可以控制機械臂進行操作。

（2）機械臂可以完成一系列展示動作。

（3）機械臂有攝像頭，可對機械臂或周圍環境進行視頻監控。

（4）可以在局域網內對機械臂進行操控。

（5）在linux或Windows操作系統上設計操控與監視的客戶端軟件。

3 系統的特色和創新點

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

本系統的創新點：采用手勢感應手套對人體的手勢數據進行采集，使得機械臂可以模仿人體手臂動作，可以應用于一些類人的機械控制，減少控制難度。攝像頭可以監控并判斷機械臂是否運動或周圍的環境是否有運動的物體，通過這一功能可以監控機械臂的運動狀態或無人工廠是否有人進入。

4 結語

在設計多控機械臂物聯網系統時，賦予其多種控制方式與多種功能，較之普通的機械臂，有以下優點：

（1）使用手機藍牙進行直接精確控制，使機械臂可以做出不同動作，方便快捷，適合家庭中的民用機械臂使用。

（2）使用電腦Qt客戶端對機械臂進行控制，方便工業生產中的遠程控制。

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

（4）本設計配置了實時監控的攝像頭，在局域網的任意一臺電腦都可以實時監控或控制機械臂，為遠程控制和實時了解信息提供便利。

隨著嵌入式技術的發展，工業生產也越來越自動化，若是機械臂與物聯網結合起來，將會使得工業生產與科考技術更加進步，通過多種控制方式與物聯網系統，讓機械臂具備多種功能，適應不同環境與人群，并具備各種數據傳輸功能，可以更好地完成工作需求。

參考文獻

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