基于iNEMO惯性模块的简易体感遥控机械手装置

程招招+马超+武少卿+刘帅

摘 要：将STM32F103C8T6作为主控制器，结合体感识别技术，设计的机械手臂具有体积小、操作简单、可靠性高、可扩展性强等优点，能够较好地满足对机械手可靠遥控的要求，具有较大的应用推广价值。

关键词：嵌入式控制；体感技术；iNEMO惯性模块；无线控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.011

随着科学技术的快速发展，智能机械手臂装置被广泛应用于实际生产生活当中，基于体感技术的智能机械装置层出不穷。传统的机械手一般都是采用PLC控制的，而本设计则采用模块化机械装置组装机械手，是基于单片机的无线控制，利用STM32F103C8T6作为主控制器，采用iNEMO惯性传感器模块实现体感信息检测、nRF24L01模块完成无线通信和12864液晶显示模块实现状态显示。同时，利用体感识别技术来取代传统的按键控制，有效地减少了硬件设备的投放，简化了系统，具有体积小、操作简单、可靠性强等特点。体感技术的优势在于人们可以用肢体直接与周边的装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人们身临其境地与内容互动。依照体感方式和原理的不同，可以将体感技术分为三大类，即惯性感测、光学感测、惯性及光学联合感测。本设计中采用惯性感测的原理对手部姿势进行检测，从而实现体感控制。

1 系统方案及整体构架

本设计采用ST公司具有Cortex-M3内核的ARM控制器STM32F103C8T6作为主控制器，采用ST公司的iNEMO惯性导航模块进行手部姿态检测，采用nRF24L01无线模块实现指令的发送和数据的接收，采用12864液晶显示模块显示当前的控制指令、机器人状态和剩余电量，采用LED和

蜂鸣器实现提示和报警功能。主控系统软件上使用μC/OS-II实时嵌入式操作系统，能够实现实时性内核、任务管理、时间管理、通信与同步、内存管理等功能。系统的整体架构如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 主控制模块

本设计采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作为主控制器，32位内核，工作频率最高为72 MHz，内置128 K字节的程序存储器，20 K字节的SRAM，包含时钟、复位和电源管理，供电电压为2.0～3.6 V，满足了低功耗的要求。

2.2 传感器处理模块

本设计采用iNEMO惯性导航模块进行手部姿势识别，iNEMO惯性导航模块能够检测9个自由度，利用MEMS传感器和主控芯片STM32F103RET7提供动静态方向和惯性测量功能。集成双轴滚转-俯仰陀螺仪（LPR430AL）、单轴偏航陀螺仪（LY330ALH）、6轴地磁测量模块（LSM303DLH）、压力传感器（LPS001DL）和温度传感器（STLM75）5个意法半导体公司的传感器，运行一个AHRS姿态角运算系统，从而实现对姿态角的实时测量。传感器处理模块如图2所示。

2.3 无线通信模块

无线通信模块通过nRF24L01无线模块实现指令的发送和数据的接收，将接收的数据转化为数据指令，以控制机械手的运动，实现无线控制。采用严格的“一问一答”形式，即每发送一条指令都需要机械手本体返回一帧数据包。发送一条指令后，等待机械手本体返回的数据包，只有获得机械手本体返回的数据包后才可以继续发送指令包。如果机械手本体接收到错误指令（经校验错误的指令），置位通信错误标志位，上传数据包；同时，机械手本体报警，将机械手速度置0，接下来1 s内下位机清除串口DMA，重新接收指令。如果接收到的数据包中通信错误标志位置位，则重新配置nRF24L01无线模块，重新发送指令。

2.4 显示模块

显示模块采用12864液晶模块进行显示，可显示汉字和图形，内置8 192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）和64×256点阵显示RAM（GDRAM），具有并行数据传送方式和串行数据传送方式。其中，串行数据传输方式只用到CS、SID、SCK 3个通信引脚，较并行数据传送方式节省单片机的I/O引脚。本文采用串行传输方式设计。

3 软件系统设计

本系统经上电初始化后，首先采集电池电压，传送采集的数据，通过12864液晶进行显示。如果电量过低，则通过蜂鸣器报警。通过DMA将iNEMO惯性导航模块数据接收到USART1中，经校验后，将数据转化为机械手臂的运动指令，并点亮指示LED灯。系统软件流程如图3所示。

4 结束语

本文讨论了基于STM32F103C8T6的嵌入式体感机械手的设计与实现，并对具体的硬件电路和软件系统进行了详细的介绍。大量实验证明，本体感机械手具有操作简便、可操作性强、通信可靠、稳定性和人性化程度高等优点，在实际应用中取得了良好的效果。

参考文献

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[5]肖广兵.ARM嵌入式开发实例——基于STM32的系统设计[M].北京：电子工业出版社，2013.

〔编辑：刘晓芳〕