易詩，林凡強(qiáng)，周姝穎

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610059)

基于STM 32的語音控制機(jī)械手*

易詩，林凡強(qiáng)，周姝穎

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610059)

智能機(jī)器人技術(shù)為近年來研究熱點(diǎn)，機(jī)械手在智能機(jī)器人教學(xué)研究與工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域占據(jù)很大比例，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32為控制平臺(tái)的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以調(diào)試，存儲(chǔ)機(jī)械手動(dòng)作，并且使用語音控制模塊，使機(jī)械手具備人機(jī)對(duì)話，語音控制功能。系統(tǒng)高效，靈活，使用方便，對(duì)于智能機(jī)器人研究教學(xué)，工業(yè)機(jī)械人控制系統(tǒng)研發(fā)具有重大意義。

智能機(jī)器人;STM32;四自由度機(jī)械手;語音控制

近年來，智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展十分迅猛，在人工智能，工業(yè)生產(chǎn)，消費(fèi)電子，軍事，環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，智能機(jī)器人的使用越來越廣泛，功能越加強(qiáng)大。隨著電子信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人可以幫助人類完成越來越多的工作，各大高校，科研機(jī)構(gòu)，科技企業(yè)，投入越來越多的資金和人力研究各類智能機(jī)器人。

在各類智能機(jī)器人中，工業(yè)機(jī)械手使用和開發(fā)相當(dāng)廣泛與重要，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以STM32為控制平臺(tái)的語音識(shí)別控制機(jī)械手，結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)靈活，高效的特點(diǎn)，使機(jī)械手的動(dòng)作調(diào)試，存儲(chǔ)更加簡便，采用語音識(shí)別控制模塊使機(jī)械手具有人機(jī)對(duì)話和識(shí)別語音控制信號(hào)的功能，該系統(tǒng)可以作為工業(yè)機(jī)器人開發(fā)模型與智能機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心控制處理器采用STM32F407ZGT6處理器，該處理器配置強(qiáng)大，集成FPU，DSP指令，192KB SRAM，1024KB FLASH，12個(gè)16 bit定時(shí)器，6個(gè)UART接口，2個(gè)USB控制器，2個(gè)CAN接口，3個(gè)12 bit ADC、2個(gè)12 bit DAC，1個(gè)RTC(帶日歷功能)，1個(gè)SDIO接口，1個(gè)FSMC接口，1個(gè)10/100M以太網(wǎng)MAC控制器，1個(gè)攝像頭接口，1個(gè)攝像頭接口，1個(gè)硬件隨機(jī)數(shù)生成器，硬件隨機(jī)數(shù)生成器，以及112個(gè)通用IO口等。

系統(tǒng)四自由度機(jī)械手控制模塊采用32路舵機(jī)控制模塊，32路伺服舵機(jī)控制器是高效的微伺服電機(jī)控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個(gè)伺服舵機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的模塊，它不但能實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令功能。

系統(tǒng)語音識(shí)別模塊采用ASR非自然語音識(shí)別模塊，ASR Board是一款基于Arduino的開源語音識(shí)別控制板，該模塊只需要通過上位機(jī)軟件發(fā)送指令即可設(shè)定要識(shí)別的關(guān)鍵詞，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音，是一款高效的非特定人語音識(shí)別控制模塊。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)核心處理器STM32F407執(zhí)行機(jī)械手動(dòng)作的調(diào)試與存儲(chǔ)，ASR語音識(shí)別模塊識(shí)別語音命令，通過UART1接口發(fā)送命令標(biāo)識(shí)至MCU，MCU中預(yù)先將該命令對(duì)應(yīng)動(dòng)作調(diào)試好通過SDIO接口存儲(chǔ)在SD卡文件系統(tǒng)內(nèi)部，接受到語音命令后讀出該命令對(duì)應(yīng)的指令集，通過UART2接口發(fā)送至32路舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板產(chǎn)生4路PMW波形控制四自由度機(jī)械手完成該語音命令對(duì)應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到語音識(shí)別控制的目的，系統(tǒng)人機(jī)交互界面以及動(dòng)作調(diào)試，存儲(chǔ)操作界面由STM32通過FSMC接口在TFT觸摸屏上實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要工作在于STM32控制平臺(tái)與其外圍電路的接口設(shè)計(jì)，接口電路主要分為MCU與語音識(shí)別模塊，32路舵機(jī)控制板的UART接口電路，MCU與SD卡的接口電路，MCU與TFT觸摸屏的接口電路設(shè)計(jì)。

STM32 MCU與語音識(shí)別模塊，32路舵機(jī)控制板的通信接口使用UART1與UART2。其接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 UART接口電路圖

MCU需要存儲(chǔ)與讀取機(jī)械手動(dòng)作指令，采用SD卡進(jìn)行指令存儲(chǔ)與讀取，MCU與SD卡通信采用SDIO接口，電路接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

在系統(tǒng)的顯示界面，動(dòng)作調(diào)試，存儲(chǔ)操作界面，人機(jī)交互，均由MCU連接TFT觸摸屏完成，STM32采用FSMC接口與觸摸屏進(jìn)行通信，高效高速，使用方便，MCU與觸摸屏接口電路如圖4所示。

STM32機(jī)械手控制硬件平臺(tái)通過UART接口接收語音控制命令，發(fā)送舵機(jī)控制命令，通過TFT觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互平臺(tái)顯示及調(diào)試機(jī)械手動(dòng)作，SD卡存儲(chǔ)加載動(dòng)作，完成整個(gè)系統(tǒng)功能。

圖3 MCU與SD卡接口電路圖

圖4 MCU與觸摸屏接口電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體軟件設(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)作調(diào)試。

(2)調(diào)試動(dòng)作完成后，存儲(chǔ)調(diào)試動(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)送指令序列至舵機(jī)控制板。

(6)完成指令序列對(duì)應(yīng)動(dòng)作。

以上6個(gè)步驟為機(jī)械手由調(diào)試到最終執(zhí)行控制命令的全部流程，系統(tǒng)啟動(dòng)后如果直接接受語音命令，完成指定動(dòng)作，即不需進(jìn)行調(diào)試存儲(chǔ)動(dòng)作步驟，直接加載對(duì)應(yīng)指令序列執(zhí)行動(dòng)作，軟件整體設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 軟件整體設(shè)計(jì)流程圖

2.2 系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制平臺(tái)在STM32F407上嵌入U(xiǎn)COS3操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)多任務(wù)。操作界面使用GUIBuilder設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)美觀，操作便捷，界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互界面

交互界面主要實(shí)現(xiàn)通過觸摸屏控制，調(diào)試，存儲(chǔ)機(jī)械手動(dòng)作?；瑒?dòng)控件P0～P3實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手4個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制，列表控件實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)動(dòng)作，加載動(dòng)作的選擇，一共可以存儲(chǔ)和加載6個(gè)動(dòng)作，按鍵控件RUN實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)試好的動(dòng)作執(zhí)行查看調(diào)試效果，按鍵控件SAVE實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前舵機(jī)轉(zhuǎn)角的存儲(chǔ)，按鍵控件DELETE實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)動(dòng)作的刪除。

通過該人機(jī)交互界面，可以高效快捷地控制機(jī)械手動(dòng)作，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)試，存儲(chǔ)，與加載執(zhí)行。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，對(duì)語音識(shí)別，控制，機(jī)械手動(dòng)作調(diào)試，存儲(chǔ)，加載，執(zhí)行等功能做出了完整的測(cè)試。測(cè)試方案為，設(shè)置語音命令，并識(shí)別發(fā)送控制標(biāo)識(shí)，機(jī)械手控制端預(yù)先調(diào)試，存儲(chǔ)好命令對(duì)應(yīng)動(dòng)作，接收命令后加載指令序列，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

(1)語音控制機(jī)械手抓取物品測(cè)試，將語音識(shí)別模塊設(shè)置命令“拿東西”識(shí)別到該命令后，模塊應(yīng)答“好的”，發(fā)送命令標(biāo)識(shí)0x01，控制平臺(tái)預(yù)先調(diào)試，存儲(chǔ)好抓取物品的動(dòng)作，接收到該命令標(biāo)識(shí)后，加載取物品動(dòng)作指令序列，發(fā)送至舵機(jī)控制板，機(jī)械手完成物品的抓取，測(cè)試效果如圖7所示。

圖7 語音控制機(jī)械手抓取物品測(cè)試

(2)語音控制機(jī)械手?jǐn)[放物品測(cè)試，將語音識(shí)別模塊設(shè)置命令“放東西”識(shí)別到該命令后，模塊應(yīng)答“好的”，發(fā)送命令標(biāo)識(shí)0x02，控制平臺(tái)預(yù)先調(diào)試，存儲(chǔ)好取物品的動(dòng)作，接收到該命令標(biāo)識(shí)后，加載擺放物品動(dòng)作指令序列，發(fā)送至舵機(jī)控制板，機(jī)械手完成物品的擺放，測(cè)試效果如圖8所示。

圖8 語音控制機(jī)械手?jǐn)[放物品測(cè)試

系統(tǒng)通過測(cè)試，語音識(shí)別，控制，機(jī)械手動(dòng)作調(diào)試，存儲(chǔ)，加載，執(zhí)行等功能完善，實(shí)時(shí)高效，操作平臺(tái)使用方便快捷。

4 結(jié)論

系統(tǒng)使用STM32 MCU為主控芯片，結(jié)合32路舵機(jī)控制板，語音識(shí)別模塊，完成了語音控制機(jī)械手。系統(tǒng)可以設(shè)置，識(shí)別，發(fā)送語音控制命令，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，控制機(jī)械手動(dòng)作，機(jī)械手控制平臺(tái)可以調(diào)試完成各種機(jī)械手動(dòng)作，并對(duì)動(dòng)作進(jìn)行存儲(chǔ)，加載。該系統(tǒng)具有操作簡便，實(shí)時(shí)高效，系統(tǒng)件集成化高，功能多樣等特點(diǎn)。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，智能機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域具有重大意義和研究潛力。

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易詩(1983-)，男，四川成都人，碩士，主要從事機(jī)器視覺研究，信號(hào)與信息處理，嵌入式技術(shù)的研究，549745481 @qq.com。

Voice Control M anipulator Based on STM 32*

YIShi，LIN Fanqiang，ZHOU Shuying

(College of Information Science and Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Intelligent robot technology is a hot research field in recent years，manipulator occupies a large proportion of the robot teaching and research field and industrial robots，This paper designs and implements a four degree of freedom manipulator control system based on STM32.The system can debug，store themanipulatormotion，and use the voice controlmodule，which makes the robot haveman-machine dialogue，voice control function.The system is efficient，flexible，easy to use.This system is great significance to the teaching of intelligent robot research，industrial robot control system research and development.

intelligent robot;STM32;Four degree of freedom manipulator;voice control

C:7230;7820

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.031

TN919.5

:A

:1005－9490(2017)01－0162－04

項(xiàng)目來源:成都理工大學(xué)RFID簽到系統(tǒng)項(xiàng)目(13JGY78)

2016-01-04修改日期:2016-02-24