語音控制機械手臂的設(shè)計
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1引言
社會的進步離不開科技的發(fā)展，而近年來智能機器方面因為其可用范圍寬廣，可操控性強，經(jīng)濟實惠效益大而備受關(guān)注，也使各大高校組織，科研機構(gòu)或企業(yè)主動投入大量的人才與資金進行大力研發(fā)。而在各類智能機器人的研發(fā)中，智能機械手臂的開發(fā)使用獨樹一幟，機械手臂能夠不考慮疲倦與危險，直接提高工作效率，減少工傷事故，同時具有維修方便，可控性強等特點。本設(shè)計采用STC15單片機作為控制平臺，擁有七自由度機械手控制系統(tǒng)，可以進行調(diào)試與儲存的功能，同時添加的語音控制模塊也使該設(shè)計具有人機對話功能和語音控制信號的功能。整個系統(tǒng)設(shè)計靈活智能，可控性強，對于機器人的研究教學(xué)或者工業(yè)開發(fā)模型方面提供一個實驗系統(tǒng)，具有很強的研發(fā)意義。
2系統(tǒng)硬設(shè)計
2.1器件選擇
2.1.1系統(tǒng)核心處理器
目前在應(yīng)用機械臂的微控制器有很多種，而在其中使用較為廣泛的是STM32單片機和STC15單片機，但由于STM32單片機的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，編程麻煩，很多的模塊并不能被運用上，同時價格也比較貴一些，所以該系統(tǒng)核心控制處理器采用STC15W4K32S4系列單片機作為處理器。該處理器的配置強大屬于增強型8051CPU，除去兼容傳統(tǒng)的8051指令代碼，也具有基礎(chǔ)的1T、機器周期，可擦寫次數(shù)10萬次以上的Flash程序存儲器等等，四組完全獨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，強推挽/強上拉模式，僅為輸入/高阻模式，開漏模式。
2.1.2舵機控制電路
系統(tǒng)七自由度機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個伺服舵機進行協(xié)調(diào)動作，通過合適的動作行為能同時實現(xiàn)控制位置和速度，除此外還能進行時間延時斷點以便發(fā)送指令功能。
2.1.3語音控制電路
該系統(tǒng)語音識別模塊選擇采用市面上WEGASUN-M6語音識別模塊，該模塊具有經(jīng)濟實惠使用相對簡單等特點。使用時只需要通過使用上位機軟件即可發(fā)送特定的指令，從而能夠直接去設(shè)定用戶需要識別的關(guān)鍵詞，避免了需要事先對用戶的訓(xùn)練或者錄音的麻煩，從總體看該語音識別控制模塊，是非常高效經(jīng)濟的。
2.2總體設(shè)計框圖
系統(tǒng)可通過WEGASUN-M6語音識別指定的語音指令，通過語音控制電路中的UART1接口將命令標(biāo)識發(fā)送給MCU，系統(tǒng)核心處理器STC15單片機能通過KeilC開發(fā)環(huán)境去執(zhí)行機械手臂動作的調(diào)試與儲存，MCU可預(yù)先將命令與對應(yīng)的動作一一調(diào)試出來并儲存，等接受到語音命令后讀出相應(yīng)的語音指令集，從而使舵機控制電路產(chǎn)生PWM波形進而控制七自由度機械手臂，使其能夠完成對應(yīng)的語音指令動作，實現(xiàn)語音識別控制機械手的實驗?zāi)康摹?/p>
2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計與原理圖
該系統(tǒng)以STC15W4K32S4作為控制平臺，主要分兩方面來實現(xiàn)語音控制機械手臂的系統(tǒng)功能。（1）其控制平臺可與其外圍電路的接口設(shè)計電路，這部分由三部分構(gòu)成，分別是：MCU與語音識別模塊的UART接口電路和MCU與舵機控制電路的接口及舵機控制電路與舵機的連接電路。（2）控制平臺接收語音控制指令后，采用并行口對舵機電路發(fā)送控制指令，語音實現(xiàn)人機交互，MCU存儲加載動作，最終完成整個系統(tǒng)功能。
3系統(tǒng)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)后進行機械手動作初始化；（2）動作初始化完成后,存儲初始化動作；（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)送其指令序列到舵機控制電路；（6）完成指令序列對應(yīng)動作。
4系統(tǒng)測試及其誤差率
語音識別模塊測試時先設(shè)置詞條和反饋語文本，詞條：@WriteKeywords#開燈001|關(guān)燈002|$;反饋語文本：@WriteFlashText#|001馬上開燈|002馬上關(guān)燈$,然后將模塊識別模式設(shè)置為“對話模式”，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，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)語音模塊成功測試連接后開始測試實驗，設(shè)置“拿起”“放下”為語音指令，在進行二十五次檢測中失誤兩次，成功二十三次。成功率達到百分之九十二。
5結(jié)論
本設(shè)計主控芯片選取STC15MCU為主控芯片，由其控制七自由度手臂完成簡單的動作和抓取任務(wù)，再結(jié)合舵機控制電路和語音識別模塊，機械手臂可以向上，向下，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，伸手，合手等動作；能準(zhǔn)確的接收到使用者的指令，將一個物體抓取起來，并遞給使用者。關(guān)于機械手臂在智能機器人與工業(yè)型機器人的教學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)展越來越廣泛，必將在不久的將來擁有一席之地，而該系統(tǒng)可以對現(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，擁有非常好的實際作用。
參考文獻
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作者：徐松海 周夢婷 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)
