語音控制機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)
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1引言
社會(huì)的進(jìn)步離不開科技的發(fā)展，而近年來智能機(jī)器方面因?yàn)槠淇捎梅秶鷮拸V，可操控性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠效益大而備受關(guān)注，也使各大高校組織，科研機(jī)構(gòu)或企業(yè)主動(dòng)投入大量的人才與資金進(jìn)行大力研發(fā)。而在各類智能機(jī)器人的研發(fā)中，智能機(jī)械手臂的開發(fā)使用獨(dú)樹一幟，機(jī)械手臂能夠不考慮疲倦與危險(xiǎn)，直接提高工作效率，減少工傷事故，同時(shí)具有維修方便，可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用STC15單片機(jī)作為控制平臺(tái)，擁有七自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行調(diào)試與儲(chǔ)存的功能，同時(shí)添加的語音控制模塊也使該設(shè)計(jì)具有人機(jī)對(duì)話功能和語音控制信號(hào)的功能。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活智能，可控性強(qiáng)，對(duì)于機(jī)器人的研究教學(xué)或者工業(yè)開發(fā)模型方面提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的研發(fā)意義。
2系統(tǒng)硬設(shè)計(jì)
2.1器件選擇
2.1.1系統(tǒng)核心處理器
目前在應(yīng)用機(jī)械臂的微控制器有很多種，而在其中使用較為廣泛的是STM32單片機(jī)和STC15單片機(jī)，但由于STM32單片機(jī)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，編程麻煩，很多的模塊并不能被運(yùn)用上，同時(shí)價(jià)格也比較貴一些，所以該系統(tǒng)核心控制處理器采用STC15W4K32S4系列單片機(jī)作為處理器。該處理器的配置強(qiáng)大屬于增強(qiáng)型8051CPU，除去兼容傳統(tǒng)的8051指令代碼，也具有基礎(chǔ)的1T、機(jī)器周期，可擦寫次數(shù)10萬次以上的Flash程序存儲(chǔ)器等等，四組完全獨(dú)立的高速異步串行通信端口：串口1、2、3、4；一組SPI低功耗設(shè)計(jì)為：低速模式，空閑模式，掉電模式；通用I/O口設(shè)置成：準(zhǔn)雙向口/弱上拉模式，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉模式，僅為輸入/高阻模式，開漏模式。
2.1.2舵機(jī)控制電路
系統(tǒng)七自由度機(jī)械手臂控制電路采用6通道15位專門的高精度PWM+2通道CCP來控制；8路PWM可以控制8個(gè)伺服舵機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)動(dòng)作，通過合適的動(dòng)作行為能同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制位置和速度，除此外還能進(jìn)行時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)以便發(fā)送指令功能。
2.1.3語音控制電路
該系統(tǒng)語音識(shí)別模塊選擇采用市面上WEGASUN-M6語音識(shí)別模塊，該模塊具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠使用相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。使用時(shí)只需要通過使用上位機(jī)軟件即可發(fā)送特定的指令，從而能夠直接去設(shè)定用戶需要識(shí)別的關(guān)鍵詞，避免了需要事先對(duì)用戶的訓(xùn)練或者錄音的麻煩，從總體看該語音識(shí)別控制模塊，是非常高效經(jīng)濟(jì)的。
2.2總體設(shè)計(jì)框圖
系統(tǒng)可通過WEGASUN-M6語音識(shí)別指定的語音指令，通過語音控制電路中的UART1接口將命令標(biāo)識(shí)發(fā)送給MCU，系統(tǒng)核心處理器STC15單片機(jī)能通過KeilC開發(fā)環(huán)境去執(zhí)行機(jī)械手臂動(dòng)作的調(diào)試與儲(chǔ)存，MCU可預(yù)先將命令與對(duì)應(yīng)的動(dòng)作一一調(diào)試出來并儲(chǔ)存，等接受到語音命令后讀出相應(yīng)的語音指令集，從而使舵機(jī)控制電路產(chǎn)生PWM波形進(jìn)而控制七自由度機(jī)械手臂，使其能夠完成對(duì)應(yīng)的語音指令動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別控制機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與原理圖
該系統(tǒng)以STC15W4K32S4作為控制平臺(tái)，主要分兩方面來實(shí)現(xiàn)語音控制機(jī)械手臂的系統(tǒng)功能。（1）其控制平臺(tái)可與其外圍電路的接口設(shè)計(jì)電路，這部分由三部分構(gòu)成，分別是：MCU與語音識(shí)別模塊的UART接口電路和MCU與舵機(jī)控制電路的接口及舵機(jī)控制電路與舵機(jī)的連接電路。（2）控制平臺(tái)接收語音控制指令后，采用并行口對(duì)舵機(jī)電路發(fā)送控制指令，語音實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，MCU存儲(chǔ)加載動(dòng)作，最終完成整個(gè)系統(tǒng)功能。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)步驟主要分為以下幾個(gè)部分：（1）啟動(dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行機(jī)械手動(dòng)作初始化；（2）動(dòng)作初始化完成后,存儲(chǔ)初始化動(dòng)作；（3）識(shí)別接收語音控制命令；（4）加載命令對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令序列；（5）發(fā)送其指令序列到舵機(jī)控制電路；（6）完成指令序列對(duì)應(yīng)動(dòng)作。
4系統(tǒng)測(cè)試及其誤差率
語音識(shí)別模塊測(cè)試時(shí)先設(shè)置詞條和反饋語文本，詞條：@WriteKeywords#開燈001|關(guān)燈002|$;反饋語文本：@WriteFlashText#|001馬上開燈|002馬上關(guān)燈$,然后將模塊識(shí)別模式設(shè)置為“對(duì)話模式”，發(fā)送指令@AsrMode#1$,設(shè)置模塊“返回值輸出格式”為“單字節(jié)輸出”模式。當(dāng)用戶喊“開燈”時(shí)，回答“馬上開燈”，LED亮起；當(dāng)用戶喊“關(guān)燈”，回答“馬上關(guān)燈”，LED熄滅。當(dāng)語音模塊成功測(cè)試連接后開始測(cè)試實(shí)驗(yàn)，設(shè)置“拿起”“放下”為語音指令，在進(jìn)行二十五次檢測(cè)中失誤兩次，成功二十三次。成功率達(dá)到百分之九十二。
5結(jié)論
本設(shè)計(jì)主控芯片選取STC15MCU為主控芯片，由其控制七自由度手臂完成簡(jiǎn)單的動(dòng)作和抓取任務(wù)，再結(jié)合舵機(jī)控制電路和語音識(shí)別模塊，機(jī)械手臂可以向上，向下，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，伸手，合手等動(dòng)作；能準(zhǔn)確的接收到使用者的指令，將一個(gè)物體抓取起來，并遞給使用者。關(guān)于機(jī)械手臂在智能機(jī)器人與工業(yè)型機(jī)器人的教學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)展越來越廣泛，必將在不久的將來?yè)碛幸幌兀撓到y(tǒng)可以對(duì)現(xiàn)在的教學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)方向當(dāng)做教學(xué)模型，擁有非常好的實(shí)際作用。
參考文獻(xiàn)
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作者：徐松海 周夢(mèng)婷 何英昊 辜錚 單世民 單位：大連理工大學(xué)城市學(xué)院 遼陽市公安局指揮中心 大連理工大學(xué)
