基于單片機的無線遙控自動翻書機械臂設計

張昊 張麗 陳芙蓉

（1.山西大同大學物理與電子科學學院 山西省大同市 037009 2.機器人與智能控制大同市重點實驗室 山西省大同市 037009）

隨著社會的不斷進步，人們對機器的需求量也隨之上升，無線遠程移動控制設計屬于當前的一個研究重點內容，因為該項研究可以幫助人們做一些力所不能及的事情。本文所研究的基于單片機下的無線遙控自動翻書機，集各個軟硬件于一體，最終通過采用Wi-Fi 傳輸技術來對機器人進行控制和監控，有效的幫助了殘疾人實現閱讀的目的。

1 無線遙控自動翻書機械臂的設計發展

最早開始對機械臂進行研究的是歐美國家。最為流行的MANUS 康復機器人手臂產自荷蘭Exact Dynamics 公司，康復性機械臂是歐美國家研究的重心，其特點很多，具有靈活的運動性能、緊湊的結構以及較大的工作空間，并將基座作為質量的核心部位，將機械臂剛度予以有效提升。然而卻提高了機械臂的造價，并且延長了生產時間。而在我國，機械臂的研發時間相對落后，其研究重點是在增強肢體功能方面。智能輪椅樣機是上海電氣中央研究院服務機器人研究室和上海交通大學的研究成果，它配備了具有較強操作能力的機械臂裝置，具有主動避障的功能。它的缺點是運行緩慢、靈活性較低、體積較大、只能小批量生產等。目前自動翻書裝置的翻書原理有兩種：利用步進電機帶動轉桿將書頁搓起是其中一種，而另一種翻書原理是運用轉桿，將搓起的書頁撥到一邊。那么翻書過程中往往會出現以下問題，書頁由于表面受壓力的作用，會在移動的過程中出現空隙，雖然也可以被翻動，然而問題是，如果使用了較大的摩擦力，會導致幾頁書同時被搓起，并且造成多頁書被一次性翻動的現象。如果摩擦力的作用過小，會導致翻頁失敗，而摩擦力的作用過大，還會損傷到翻動書頁的表面。還有一種方法是，運用真空吸盤的桿件，把書頁吸起，然后在翻書桿的幫助下完成翻頁。盡管這種方法避免多頁書被同時翻動，不過真空吸盤工作時比較機械化，皺折、損壞等現象也時有發生。由于翻書桿被固定在一定的高度，靈活性較差，不能隨著書籍厚度的變更做出相應的調整，從而不能有效的完成翻書工作。在自動翻書裝置研究過程中，往往只考慮了如何正向翻書，忽略生活常理，而沒有意識到反向翻書的需求，卻不能把握好翻書動作正反相互切換的靈活度。它的缺點還有放書板構造不夠簡潔，使用不便捷，缺乏較強的感知書籍的尺寸與厚度的能力，并不能實現翻閱所有類型的書籍，自動平衡能力也有待于提升，翻書過程中會出現書籍傾斜的現象，影響了讀書閱讀的心情以及閱讀的效果。

2 基于單片機的無線遙控自動翻書機械臂設計

2.1 電源供電模塊設計

在對電源供電模塊進行設計的過程中，因為驅動小車電機這一模塊本身所需要的電流以及電壓等方面都明顯比單片機芯片需求要大很多，在這種情況下，本系統在實際設計過程中，其電源供電方式主要是采用了雙電源供電的方式。其中，小車電機供電電源主要是7.4V 電源，8000mAh 屬于其電池容量，而單片機在實際供電過程中則主要是使用了5V 電源，2000mAh 屬于其電池容量。

圖1：單片機控制系統流程圖

2.2 單片機控制系統設計

也是我們俗稱的微型伺服馬達，它具有較大的扭力，便于操作，靈活裝配的優勢。每個微型伺服馬達都由反饋可調節電位器（一個）、小型直流馬達（一個）、變速齒輪組（一組）和電子控制板（一塊）四個部分組成。一個微型伺服馬達就像是一個典型的閉環反饋系統，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器來定位，由它將轉角坐標轉換為比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板根據電位器的信息，將電壓值與輸入的電平狀態信號進行比較，使電平狀態升高，并決定電機轉動的方向，最終齒輪組在預定的目標內停止，使正負脈沖保持平衡，與伺服電機相呼應，最終達到精準定位的效果。由單片機中的變速齒輪組的功率與直流馬達的輸出扭力來控制伺服馬達的瞬時速度，當電壓驅動穩定的狀態下，瞬時速度保持不變。但在齒輪組高速運轉時，伺服馬達承受力增大，導致瞬時速度降低。也可以通過脈沖寬度調制方法來改變它的平均運動速度。通常小型伺服電機內部包含：地線、控制線和電源線三條主控線，由它們完成電機的供電工作，其中控制線通過地線與電源線的輸出得到電源供應，同時將直流馬達輸入內部，其電壓最小為4V，最大不超過6V，為避免使用過程中產生噪音，伺服馬達電源與系統處理電源應合理安裝，有時，微型伺服電機在超負荷工作狀態下，可能將降低電壓的供應，導致電機無法正常工作，因此，在安裝過程中要保證電壓與承載負荷相對應（圖1 為單片機的控制系統流程圖）。

2.3 顯示模塊設計

設計單片機過程中，在選擇顯示模塊階段，通常選擇液晶顯示模塊。通過液晶顯示模塊的行或者列對驅動器進行控制，并且通過驅動器組成了全點陣液晶顯示器。該模塊為直接訪問的方式，連接了顯示器的單片機接口與控制引腳。單片機的模組中有一個引腳，其功能在于可以執行服務指令，具體使用時，通過引腳來輸入低脈沖的模組，實現模塊復位，但是在低電平輸入狀態下，應該先輸入模塊，然后再進行相關操作。

2.4 機械臂模塊設計

手指、手腕、手臂與底座共同組成了機械臂。手臂的多級驅動有3 個，其余部分分別有一個舵機（所謂的舵機，也就是微型伺服直流電機）。舵機的功能在于，其能夠以左右為旋轉方向，進行180。的旋轉，機械手末端的2 個手指可通過舵機驅動，實現夾取動作，夾持的距離為0-5.5cm。舵機設有紅、黑、黃三線接口，對應的分別為：紅色——GND,黑色——控制信號端，黃色——+5V。PWM 發出信號后，控制信號端可以對舵機進行控制完成旋轉角度動作。

2.5 滅火模塊設計

此裝置的主要作用是，在電機長時間高速運轉狀態下，有可能出現紅色預警，此時立即啟動滅火模塊快速消滅火源。其主要原理是將滅火裝置安裝在履帶式電子智能小車的正上方位置，其中火焰傳感器、馬達和風扇是模塊里最重要的裝置，單片機通過火焰傳感器的核心（光敏電阻）接受信號，當出現輸入電壓過高，近紅外光超出波長范圍，光敏電阻及時將危險信號傳遞給單片機，單片機識別后將情況反饋給馬達，而后由馬達帶動風扇高速運轉將火源消滅。

2.6 電磁炮模塊設計

本文將電磁線圈炮作為所使用的電磁炮。組成部分為：長合金銅炮管（100m）、銅線圈（2 砸）、DC500 升壓器、并聯330μF/450V 電容（5 個）、可控硅、LED 電容電壓表。當鋼珠發射時，電源向環繞炮膛的固定線圈發出供電指令，形成一個沿炮管運動的磁場，實現了其移動性，這時鋼珠內就出現了感應電流，這也會形成一個磁場，使其加速，這樣鋼珠就通過炮管快速發射。為確保能夠實現遠程精準打擊，本研究還將紅外激光發射器裝于炮膛上，進而實現擊打目標的準確性。

2.7 Wi-Fi模塊與通信接口設計

本設計中，實現單片機與無線遙控設備交互信息的前提就是需要連接Wi-Fi，也就是通過TCP 連接將無線遙控設備與單片機進行無線連接通信。Wi-Fi 模塊事實上就是加載了Openwrt 系統的無線路由器，它連接攝像頭，并在WiFi 網絡下實現指令的傳送與接收。單片機通過通信接口實現對攝像頭、火焰傳感器、機械臂舵機、以及小車電機等設備的控制。通信接口由USB、TTL、UART 以及IO 而集成，并且連接了網絡接口。

2.8 攝像頭模塊設計

單片機的無線遙控需要隨時能夠監控到它的運行狀態，才能有效避免在無人檢測下出現意外狀況。在研究中，我們試用了CMOS作為圖像傳感器，由于單片機只通過一臺攝像機來定位，這便縮小了視覺范圍，而CMOS 的優點就是能利用對光譜的敏感，僅憑一個電源就能通過光與電的變換收到信號，它的接收和識別速度非常快，短時間內便能將捕獲的信息通過無線網絡傳導至手機等通訊設備里，以此方法來確保在單片機使用過程中對它的實時監控。

3 基于單片機的無線遙控自動翻書機械臂運行與調試

3.1 嵌入式程序運行

若將控制軟件安裝于ARM 板中，前期務必做好嵌入式Linux系統移植的搭建工作，由于在運行中，作為控制系統，運行的環境主要受其影響，只有確保控制程序的穩定，才能夠保障基于單片機的無線遙控自動翻書機正常運行。因此，在進行具體操作中，首先使用SD-Flasher 工具，該工具的主要用途為在SD 中寫入Superboot，然后在SD 卡中建立images 文件夾，在文件夾中寫入電容屏的燒寫配置文件，此時ARM 板啟動的時候運行模式就是SD卡模式，這樣就可以實現USB 文件的下載，并與電腦相連。

3.2 單片機程序設計

設計單片機的程序時，編寫的環境是基于軟件開發下完成的。單片機程序中的子程序均具有各自的功能——對上位機指令進行監聽、中斷串口、啟動小車電機、中斷機械臂舵機PWM 以及滅火等。單片機啟動完成初始化功能后，接收上位機16 字節數據包。數據包包括8 字節數據位、4 字節包頭、4 字節類型位以及4 字節結束位。包頭與結束位的作用是便于單片機能夠及時識別系統發出的開始與結束的指令；類型位的作用在于能夠正確區分指令發出的模塊位置；數據位的作用在于明確指令模塊的動作方式。單片機完成數據包解析，確定操作者的指令后，然后就可以啟動對應的功能模塊開始作業。

3.3 系統調試

在設計基于單片機的無線遙控翻書機中，還要對機器進行系統調試，調試的內容為以系統所設置的功能控制連接并調試各個模塊。在進行具體調試中，檢查機器是否能夠正常聯網是工作的第一步，然后查看機器的觸摸屏與攝像頭視頻流之間是否能夠實現正常收發指令，檢查并分析攝像頭的成像情況以及其分辨率是否處于正常狀態。此外，對機器在不同指令下接收到的任務進行檢查，確保系統接收正確的指令。完成調試工作后，重新聯機進行試驗，確認無誤后，結束調試工作。

4 結語

總之，本文重點闡述了基于單片機的無線遙控自動翻書機的主要設計要點，重點研究了翻書機的主要軟件與硬件的設計，通過進行反復試驗與檢查調試工作后，確保無線遙控翻書機能夠實現遠程操控。在日后對該領域進行研究時，還要進一步加強遠程遙控與實時監控的研究，確保在科技的不斷進步下，無線遙控翻書機能夠得到不斷的改進與優化，切實為殘疾人提供便利，并且得到廣泛應用。