赖健伟　袁铭润　袁铭泽　张佳薇　刘希明

摘 要：针对我国人口老龄化的问题，设计出一款可以无线遥控的机器人装置。该装置以MK60为控制器，检测手部动作并做出判断，根据不同的手部动作，利用NRF无线传输模块，将不同的命令发送给终端系统，指挥终端机器人的运动。右手控制机器人的移动，左手控制机器人的机械臂的移动，使终端机器人的机械臂跟随人手势的动作，实现远程代替人手部抓取物体的功能，人们可以根据自己的思想远程控制机械臂的运动。本装置的特点在于采用的是直接的手势动作控制，利用复杂的算法，将简单的手势动作进行处理，达到使用方便的目的。由于控制系统的轻便性，简易型，使得装置的入门简单，不仅可以使老年人生活便捷，也可以使用在一些残疾人士或高危工作者的身边，给他们的生活带来安全。

关键词：无线控制；同步；仿生；机械手臂；MK60

引言

随着我国老龄化程度不断加深，人们对老人的服务关注度加大。提高老人的生活质量，成为每个科学技术研究者义不容辞的责任。本文介绍的无线遥控机器人，通过6个MPU6050（左右手上分别佩戴3个）采集手部的姿态，通过MPU6050的信号变化趋势将姿态分为几种不同的动作，根据动作产生命令信息，通过NRF24L01无线传输模块将命令信息发送给终端机器人。通过无线传输实现机械手臂与控制者手臂的动作同步，达到抓取物体的精准控制。该装置附加快捷键抓取物体功能。

相比于传统的辅助机器人，本文介绍的机器人通过采用了简单的控制方式，降低了控制者的学习时间和成本，减少了误操作的可能性，有利于向大众推广。可以帮助老人快捷完成一些生活的小事，提高了老人的自信心和幸福感，也可以保护高危工作者。

1 硬件设计

1.1 控制端硬件设计

控制端需要完成手势动作的检测、机器人视角显示、通过无线模块发送消息等工作。该部分由姿态检测模块、液晶显示模块和电源模块构成。姿态检测模块采用6个MPU6050角度传感器模块对手势动作进行精准的检测，MPU6050輸出三路数据，分别表示三个方向：横滚角、航向角、俯仰角，每一个方向有16位寄存器采集，范围0～65535，将控制精度达到182每度，满足对姿态检测的精度要求。液晶显示模块采用的是1.44寸彩色TFT屏幕，可以实时显示机器人的第一视角，便于控制端的控制。

1.2 终端控制系统硬件设计

终端控制系统是整个系统的主要执行机构，由机械臂控制模块、电机模块、摄像头采集模块构成。

机械臂控制模块由四个舵机构成，本装置采用了S3010舵机，S3010舵机输出扭矩可以达到6.5+1.3[Kg.cm]，动作速度为0.16+0.02[Sec/度]（额定电压6.0V时）。经过实验验证，可以满足系统的设计需求。由于MK60电流输出有限，无法供应舵机的驱动电流，为了满足S3010的驱动电流，并且保护单片机，防止电流倒灌烧坏单片机，设计了稳压电路。

摄像头采集模块的硬件设计主要是信号线的连接，以及电源的输送，摄像头采用的是OV7725摄像头，这款摄像头是并行传输，可以每秒达到30帧，满足设计需求。NRF主要有两个作用：将终端系统的图像传输给控制系统，机器人的环境实时显示在液晶屏幕上面；将控制系统的命令发送，无线传输给终端系统，控制机器人的移动和机械臂的动作。

2 软件设计

2.1 控制端软件设计

控制系统需要将终端系统传输过来的图像显示在液晶屏幕上，并将手势动作采集，处理数据并分类，不同的手势动作对应不同的命令，再将命令发送给终端控制系统。

图像显示程序就是每一幅图片显示在液晶上，每10ms显示一次图像，相当于一秒钟显示100次，而摄像头采集的帧数为30帧，满足要求（显示的帧数大于采集的帧数）。

手势动作的采集，就是处理6个遥控指环的数据，指环为6个，左右各3个，戴在大拇指、中指、小拇指上面，其中，左手小拇指上的为遥控指环1，左手中指上的为遥控指环2，左手大拇指上的为遥控指环3，右手大拇指上的为遥控指环4，右手中指上的为遥控指环5，右手小拇指上的为遥控指环6。遥控指环上面固定一个MPU6050与遥控器终端连接，MPU6050可以采集XYZ方向上面的角度值，当手势发生变化时，遥控终端遥控通过MPU6050的值可以判断手势状态，及时发送给机器人。

当检测到指环遥控器4、指环遥控器5和指环遥控器6的航向角度和俯仰角均变大，横滚角基本不变时，此时手势动作为右手抬起时，发送命令机器人后退；当检测到指环遥控器4、指环遥控器5和指环遥控器6的航向角度和俯仰角均变小，横滚角基本不变时，此时手势动作为右手放下时，发送命令机器人前进；当检测到指环遥控器4、指环遥控器5和指环遥控器6的横滚角和俯仰角均变大，航向角基本不变时，此时手势动作为右手往左抬起时，发送命令机器人左拐；当检测到指环遥控器4、指环遥控器5和指环遥控器6的横滚角和俯仰角均变小，航向角基本不变时，此时手势动作为右手往右抬起时，发送命令机器人右拐；当检测到指环遥控器1、指环遥控器2和指环遥控器3的航向角度和俯仰角均变大，横滚角基本不变时，此时手势动作为左手抬起时，发送命令机械臂抬起；当检测到指环遥控器1、指环遥控器2和指环遥控器3的航向角度和俯仰角均变小，横滚角基本不变时，此时手势动作为左手放下时，发送命令机械臂放下；当检测到指环遥控器1的横滚角和俯仰角均变小，航向角基本不变，指环遥控器2基本上不变，指环遥控器3的横滚角和俯仰角均变大，航向角基本不变，此时手势动作为左手握拳时，发送命令机械臂抓取动作。

2.2 终端控制系统软件设计

终端控制系统利用摄像头采集机器人的周围环境，传输给控制终端实时显示，接收控制终端发送的命令，并做出相应的反映。主要包括电机控制和舵机控制两大部分，其中电机控制利用编码器负反馈调节，使机器人的位置控制更为精准，利用机器人四周的红外测距模块，自动校正，紧急避障功能。

电机控制是根据PID调节进行控制的。以编码器得到的值为真实值，MPU6050拟合得到的值为理想值，真实值向理想值逼近。比例P的引入是为了利用偏差的比例关系调节舵机，减小系统的响应时间。积分I的引入，主要是为减小被控制量的稳态误差，实现系统的无静差跟踪。微分D的引入，只要是为了更好地同时改善系统的稳态性能和动态性能，既能加快系统的响应速度，又能减小系统的稳态误差。

3 系统测试

本装置靠NRF无线模块传输数据，传输距离的大小决定了系统的好坏，由于电磁波和电磁场会对传输产生干扰，不同的环境会有不同的测试效果，在无其他信号源的情况下，最远通信距离达到60m，在有物理干扰或信号的干扰的情况下，最远传输距离缩减为30～40m之间。

4 结束语

利用MK60单片机作为主控芯片，编码器、摄像头、NRF24L01等传感器，实现了一种具有手势无线遥控控制的机器人。该装置体积小，携带方便，对老人的安全提供了保障，利用无线通信技术，使它很容易应用到其他的领域内，如探索未知区域的地势形态，实现实时图像传输，地震中的人员勘查等问题。还可以应用到科学研究中，如太空里采集样本信息。无线控制机器人为残疾人提供便捷的同时，也为每个普通人提供一种崭新的生活方式，让我们更好地享受生活。

参考文献

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