张昊 张丽 陈芙蓉

（1.山西大同大学物理与电子科学学院 山西省大同市 037009 2.机器人与智能控制大同市重点实验室 山西省大同市 037009）

随着社会的不断进步，人们对机器的需求量也随之上升，无线远程移动控制设计属于当前的一个研究重点内容，因为该项研究可以帮助人们做一些力所不能及的事情。本文所研究的基于单片机下的无线遥控自动翻书机，集各个软硬件于一体，最终通过采用Wi-Fi 传输技术来对机器人进行控制和监控，有效的帮助了残疾人实现阅读的目的。

1 无线遥控自动翻书机械臂的设计发展

最早开始对机械臂进行研究的是欧美国家。最为流行的MANUS 康复机器人手臂产自荷兰Exact Dynamics 公司，康复性机械臂是欧美国家研究的重心，其特点很多，具有灵活的运动性能、紧凑的结构以及较大的工作空间，并将基座作为质量的核心部位，将机械臂刚度予以有效提升。然而却提高了机械臂的造价，并且延长了生产时间。而在我国，机械臂的研发时间相对落后，其研究重点是在增强肢体功能方面。智能轮椅样机是上海电气中央研究院服务机器人研究室和上海交通大学的研究成果，它配备了具有较强操作能力的机械臂装置，具有主动避障的功能。它的缺点是运行缓慢、灵活性较低、体积较大、只能小批量生产等。目前自动翻书装置的翻书原理有两种：利用步进电机带动转杆将书页搓起是其中一种，而另一种翻书原理是运用转杆，将搓起的书页拨到一边。那么翻书过程中往往会出现以下问题，书页由于表面受压力的作用，会在移动的过程中出现空隙，虽然也可以被翻动，然而问题是，如果使用了较大的摩擦力，会导致几页书同时被搓起，并且造成多页书被一次性翻动的现象。如果摩擦力的作用过小，会导致翻页失败，而摩擦力的作用过大，还会损伤到翻动书页的表面。还有一种方法是，运用真空吸盘的杆件，把书页吸起，然后在翻书杆的帮助下完成翻页。尽管这种方法避免多页书被同时翻动，不过真空吸盘工作时比较机械化，皱折、损坏等现象也时有发生。由于翻书杆被固定在一定的高度，灵活性较差，不能随着书籍厚度的变更做出相应的调整，从而不能有效的完成翻书工作。在自动翻书装置研究过程中，往往只考虑了如何正向翻书，忽略生活常理，而没有意识到反向翻书的需求，却不能把握好翻书动作正反相互切换的灵活度。它的缺点还有放书板构造不够简洁，使用不便捷，缺乏较强的感知书籍的尺寸与厚度的能力，并不能实现翻阅所有类型的书籍，自动平衡能力也有待于提升，翻书过程中会出现书籍倾斜的现象，影响了读书阅读的心情以及阅读的效果。

2 基于单片机的无线遥控自动翻书机械臂设计

2.1 电源供电模块设计

在对电源供电模块进行设计的过程中，因为驱动小车电机这一模块本身所需要的电流以及电压等方面都明显比单片机芯片需求要大很多，在这种情况下，本系统在实际设计过程中，其电源供电方式主要是采用了双电源供电的方式。其中，小车电机供电电源主要是7.4V 电源，8000mAh 属于其电池容量，而单片机在实际供电过程中则主要是使用了5V 电源，2000mAh 属于其电池容量。

图1：单片机控制系统流程图

2.2 单片机控制系统设计

也是我们俗称的微型伺服马达，它具有较大的扭力，便于操作，灵活装配的优势。每个微型伺服马达都由反馈可调节电位器（一个）、小型直流马达（一个）、变速齿轮组（一组）和电子控制板（一块）四个部分组成。一个微型伺服马达就像是一个典型的闭环反馈系统，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器来定位，由它将转角坐标转换为比例电压反馈给控制线路板，控制线路板根据电位器的信息，将电压值与输入的电平状态信号进行比较，使电平状态升高，并决定电机转动的方向，最终齿轮组在预定的目标内停止，使正负脉冲保持平衡，与伺服电机相呼应，最终达到精准定位的效果。由单片机中的变速齿轮组的功率与直流马达的输出扭力来控制伺服马达的瞬时速度，当电压驱动稳定的状态下，瞬时速度保持不变。但在齿轮组高速运转时，伺服马达承受力增大，导致瞬时速度降低。也可以通过脉冲宽度调制方法来改变它的平均运动速度。通常小型伺服电机内部包含：地线、控制线和电源线三条主控线，由它们完成电机的供电工作，其中控制线通过地线与电源线的输出得到电源供应，同时将直流马达输入内部，其电压最小为4V，最大不超过6V，为避免使用过程中产生噪音，伺服马达电源与系统处理电源应合理安装，有时，微型伺服电机在超负荷工作状态下，可能将降低电压的供应，导致电机无法正常工作，因此，在安装过程中要保证电压与承载负荷相对应（图1 为单片机的控制系统流程图）。

2.3 显示模块设计

设计单片机过程中，在选择显示模块阶段，通常选择液晶显示模块。通过液晶显示模块的行或者列对驱动器进行控制，并且通过驱动器组成了全点阵液晶显示器。该模块为直接访问的方式，连接了显示器的单片机接口与控制引脚。单片机的模组中有一个引脚，其功能在于可以执行服务指令，具体使用时，通过引脚来输入低脉冲的模组，实现模块复位，但是在低电平输入状态下，应该先输入模块，然后再进行相关操作。

2.4 机械臂模块设计

手指、手腕、手臂与底座共同组成了机械臂。手臂的多级驱动有3 个，其余部分分别有一个舵机（所谓的舵机，也就是微型伺服直流电机）。舵机的功能在于，其能够以左右为旋转方向，进行180。的旋转，机械手末端的2 个手指可通过舵机驱动，实现夹取动作，夹持的距离为0-5.5cm。舵机设有红、黑、黄三线接口，对应的分别为：红色——GND,黑色——控制信号端，黄色——+5V。PWM 发出信号后，控制信号端可以对舵机进行控制完成旋转角度动作。

2.5 灭火模块设计

此装置的主要作用是，在电机长时间高速运转状态下，有可能出现红色预警，此时立即启动灭火模块快速消灭火源。其主要原理是将灭火装置安装在履带式电子智能小车的正上方位置，其中火焰传感器、马达和风扇是模块里最重要的装置，单片机通过火焰传感器的核心（光敏电阻）接受信号，当出现输入电压过高，近红外光超出波长范围，光敏电阻及时将危险信号传递给单片机，单片机识别后将情况反馈给马达，而后由马达带动风扇高速运转将火源消灭。

2.6 电磁炮模块设计

本文将电磁线圈炮作为所使用的电磁炮。组成部分为：长合金铜炮管（100m）、铜线圈（2 砸）、DC500 升压器、并联330μF/450V 电容（5 个）、可控硅、LED 电容电压表。当钢珠发射时，电源向环绕炮膛的固定线圈发出供电指令，形成一个沿炮管运动的磁场，实现了其移动性，这时钢珠内就出现了感应电流，这也会形成一个磁场，使其加速，这样钢珠就通过炮管快速发射。为确保能够实现远程精准打击，本研究还将红外激光发射器装于炮膛上，进而实现击打目标的准确性。

2.7 Wi-Fi模块与通信接口设计

本设计中，实现单片机与无线遥控设备交互信息的前提就是需要连接Wi-Fi，也就是通过TCP 连接将无线遥控设备与单片机进行无线连接通信。Wi-Fi 模块事实上就是加载了Openwrt 系统的无线路由器，它连接摄像头，并在WiFi 网络下实现指令的传送与接收。单片机通过通信接口实现对摄像头、火焰传感器、机械臂舵机、以及小车电机等设备的控制。通信接口由USB、TTL、UART 以及IO 而集成，并且连接了网络接口。

2.8 摄像头模块设计

单片机的无线遥控需要随时能够监控到它的运行状态，才能有效避免在无人检测下出现意外状况。在研究中，我们试用了CMOS作为图像传感器，由于单片机只通过一台摄像机来定位，这便缩小了视觉范围，而CMOS 的优点就是能利用对光谱的敏感，仅凭一个电源就能通过光与电的变换收到信号，它的接收和识别速度非常快，短时间内便能将捕获的信息通过无线网络传导至手机等通讯设备里，以此方法来确保在单片机使用过程中对它的实时监控。

3 基于单片机的无线遥控自动翻书机械臂运行与调试

3.1 嵌入式程序运行

若将控制软件安装于ARM 板中，前期务必做好嵌入式Linux系统移植的搭建工作，由于在运行中，作为控制系统，运行的环境主要受其影响，只有确保控制程序的稳定，才能够保障基于单片机的无线遥控自动翻书机正常运行。因此，在进行具体操作中，首先使用SD-Flasher 工具，该工具的主要用途为在SD 中写入Superboot，然后在SD 卡中建立images 文件夹，在文件夹中写入电容屏的烧写配置文件，此时ARM 板启动的时候运行模式就是SD卡模式，这样就可以实现USB 文件的下载，并与电脑相连。

3.2 单片机程序设计

设计单片机的程序时，编写的环境是基于软件开发下完成的。单片机程序中的子程序均具有各自的功能——对上位机指令进行监听、中断串口、启动小车电机、中断机械臂舵机PWM 以及灭火等。单片机启动完成初始化功能后，接收上位机16 字节数据包。数据包包括8 字节数据位、4 字节包头、4 字节类型位以及4 字节结束位。包头与结束位的作用是便于单片机能够及时识别系统发出的开始与结束的指令；类型位的作用在于能够正确区分指令发出的模块位置；数据位的作用在于明确指令模块的动作方式。单片机完成数据包解析，确定操作者的指令后，然后就可以启动对应的功能模块开始作业。

3.3 系统调试

在设计基于单片机的无线遥控翻书机中，还要对机器进行系统调试，调试的内容为以系统所设置的功能控制连接并调试各个模块。在进行具体调试中，检查机器是否能够正常联网是工作的第一步，然后查看机器的触摸屏与摄像头视频流之间是否能够实现正常收发指令，检查并分析摄像头的成像情况以及其分辨率是否处于正常状态。此外，对机器在不同指令下接收到的任务进行检查，确保系统接收正确的指令。完成调试工作后，重新联机进行试验，确认无误后，结束调试工作。

4 结语

总之，本文重点阐述了基于单片机的无线遥控自动翻书机的主要设计要点，重点研究了翻书机的主要软件与硬件的设计，通过进行反复试验与检查调试工作后，确保无线遥控翻书机能够实现远程操控。在日后对该领域进行研究时，还要进一步加强远程遥控与实时监控的研究，确保在科技的不断进步下，无线遥控翻书机能够得到不断的改进与优化，切实为残疾人提供便利，并且得到广泛应用。