CN117656101A - 一种基于stm32的自平衡桌面机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STM32的自平衡桌面机器人系统，包括头部、身体和底部，所述头部由前到后依次为主控板和传感器板，环境光传感器设置于主控板和传感器板顶部，身体包括多个舵机分别控制头部、两处手臂的自由度，动量轮、平衡板、人体接近传感器和电池板，主控板驱动屏幕，控制舵机转动，通过WIFI模块将姿态信号、语音信号无线传输给上位机，环境光传感器判断环境光线的强度，所述底部和身体内部各包括一组线圈，底部沿y轴方向具有一定厚度，沿x轴方向为弧度。本发明安全稳定，成本较低，无需绑定大电池或将机器人和电源进行有线连接；WIFI模块ESP8266提供无线通信功能，舵机支持位置回传，具有极强的的可拓展性。

Description

一种基于STM32的自平衡桌面机器人系统

技术领域

本发明涉及桌面级服务机器人技术领域，尤其涉及一种可在狭小空间使用且具有一定扩展性、基于STM32的自平衡桌面机器人系统。

背景技术

桌面小机器人通常用于桌面或室内环境，具有各种功能，例如互动、娱乐、助手任务等，其核心组成主要有以下两部分：配备各种传感器，如摄像头、声音传感器、手势传感器和红外线传感器，以感知周围环境和与用户进行互动。这些传感器使机器人能够检测声音和声音方向，识别人脸或物体等。具备人机交互界面，桌面级小机器人需要与用户进行互动，通常通过语音识别、语音合成、表情、动作或LED灯等方式与用户交流。这涉及到语言处理、语音识别技术，以及用户界面设计。

桌面小机器人通常可以执行语音识别和语音合成，回答用户的问题、提供信息和执行任务；在屏幕上显示文本、图片或视频，以提供信息、新闻、天气预报和其他实用信息。目前市面上有较多轮式机器人，然而在桌面环境下，机器人的移动性并不至关重要，自平衡机器人反而具有它特定的优势，更具有实用性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可在狭小空间使用且具有一定扩展性、基于STM32的自平衡桌面机器人系统。

技术方案：本发明包括头部、身体和底部，所述头部由前到后依次为主控板和传感器板，环境光传感器设置于主控板和传感器板顶部，身体包括多个舵机分别控制头部、两处手臂的自由度，动量轮、平衡板、人体接近传感器和电池板，主控板驱动屏幕，控制舵机转动，通过WIFI模块将姿态信号、语音信号无线传输给上位机，环境光传感器判断环境光线的强度，所述人体接近传感器设置于身体上部靠近传感器板，所述底部和身体内部各包括一组线圈，底部沿y轴方向具有一定厚度，沿x轴方向为弧度。

进一步地，所述主控板包括MCU STM32F405RGT6并采用了ARM Cortex-M4内核，音频编解码芯片WM8978和咪头。

进一步地，所述传感器板驱动人体接近传感器、环境光传感器以及惯性测量单元，还包括有音频功放芯片、音频编解码芯片以及与身体外部连接的喇叭。

进一步地，所述环境光传感器基于TEMT6000模拟人对环境光线的强度的判断，控制屏幕背光。

进一步地，所述人体接近传感器采用雷达模块LD016探测物体。

进一步地，所述平衡板包括ESP32主控模块、加速度计和陀螺仪传感器模块，用于测量系统的状态参数，并将参数送回到ESP32中进行计算和处理。

进一步地，所述舵机设置有位置反馈，通过WIFI模块ESP8266建立与上位机的无线通讯。

进一步地，所述动量轮垂直y轴方向使用。

进一步地，所述惯性测量单元采用MPU6050测量单元。

进一步地，所述电池板和平衡板中间夹有动量轮。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：具有稳定性与安全性；成本较低，自制机器人系统相较于其他机器人成本非常低；无线充电，无需绑定大电池或将机器人和电源进行有线连接；功能扩展性极强，WIFI模块ESP8266提供无线通信功能，舵机支持位置回传，具有极强的的可拓展性，通过WIFI将上位机数据无线传输，并可以通过屏幕、喇叭、手臂等载体实现多种功能。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为控制器基本架构图；

图3为头部结构示意图；

图4为身体结构示意图；

图5为平衡部分结构示意图；

图6为机器人底部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示为本发明的总体结构图，包括头部、身体和底部，如图3所示，头部由前到后依次为主控板1和传感器板2，环境光传感器3设置于主控板1和传感器板2顶部，身体包括三个舵机10分别控制头部、两处手臂的自由度，动量轮6、平衡板7、人体接近传感器4和电池板8，主控板1驱动屏幕，控制舵机10转动，通过WIFI模块将姿态信号、语音信号无线传输给上位机，环境光传感器3判断环境光线的强度，所述人体接近传感器4检测用户，展示互动和社交技能，如图4所示，所述底部和身体内部各包括一组线圈11。

本发明的控制部分的基本架构如图2所示，主控板1内含有主控芯片STM32F405RGT6、5V及3.3V稳压芯片、音频编解码芯片WM8978等，传感器板2内含有音频功放芯片SC8002B、音频编解码芯片PCM2912A等，平衡板7配备有一个动量轮6，在内部含有主控ESP32芯片、加速度计和陀螺仪传感器MPU6050、电机驱动芯片EG2133，此外，三个舵机10驱动板各含有一个可读取当前舵机内位置状态的芯片、舵机马达驱动芯片FM116B以及一个3.3V稳压芯片。

头部内含有传感器板2以及主控板1，顶部使用环境光传感器3便于监测环境光强，

主控板1内含有MCU STM32F405RGT6，该MCU采用了ARM Cortex-M4内核，具有高性能、高精度、低功耗等特点。Cortex-M4内核具有DSP指令和浮点运算单元，支持高速算术运算和信号处理，最高主频可以达到168MHz，适用于高性能应用。该主控板用于驱动机器人的屏幕，控制舵机转动，通过WIFI模块ESP8266将姿态信号、语音信号等无线传输给上位机，从而实现该机器人强大的扩展功能，并有一个音频编解码芯片WM8978以及一个咪头5，以能够收声并将音频信号转换为数字信号后通过I2S接口送往MCU进行语义识别等处理。

传感器板2除了用于驱动一个人体接近传感器LD016、一个环境光传感器TEMT6000以及一个惯性测量单元MPU6050外，还含有一个音频功放芯片SC8002B、一个音频编解码芯片PCM2912A，并在身体外部连接有一个喇叭9，该结构用于将数字音频信号通过I2S接口进行通讯，使用音频编解码芯片将其转化为模拟信号，再通过功放模块后传输到喇叭发声，这个过程为咪头5在主控板1上的收声过程的逆过程。

环境光传感器3，在机器人头部顶部的原因为能更准确地监测环境光，该环境光探测基于TEMT6000，对可见光照度的反应特性与人眼的特性类似，可以模拟人对环境光线的强度的判断，从而方便进行屏幕背光控制。

机器人身体内部有三个舵机10分别控制头部、两处手臂的三个自由度，一个平衡板7和一个动量轮6，除此以外身体内部和底座内各有一个线圈11用于无线充电，是整个机器人的供电来源，如图4所示。

人体接近传感器4，采用雷达模块LD016探测物体，机器人可以检测用户的手部或身体的接近，以展示互动和社交技能。例如当用户靠近机器人时，可以展示问候动作、表情或声音，并与用户建立更亲近的互动。此外，还可以通过检测手部或身体的接近，来触发机器人特定的功能或行为。当用户接近机器人时，机器人可以自动播放音乐、屏幕显示，以提供更多的信息或娱乐性。通过该传感器的感知，可以增加互动性和功能拓展性，使机器人更好地适应人类的需求和环境。

平衡部分结构示意图如图5所示，电池板8和平衡板7中间夹有动量轮6，平衡板7内含有ESP32主控模块，作为整个平衡系统的核心控制模块，负责采集传感器信息，计算控制算法，控制电机运动等功能。平衡板7上的加速度计和陀螺仪传感器模块用于测量系统的加速度和角速度等状态参数，并将其送回到ESP32中进行计算和处理，使用MPU6050可以获得机器人绕y轴的倾斜角。

还有一个电机驱动模块接收ESP32的控制信号，将其转化为适当的电机电压信号，以驱动电机运动，调整重心位置。

机器人底部结构如图6所示，其特征在于沿y轴方向具有一定厚度，因此不会沿y轴倾斜，沿x轴方向是为弧度，因此机器人会沿x方向倾斜甚至摔倒。由机器人结构可知若要使机器人保持平衡，需要垂直y轴使用动量轮保证其平衡，因此在使用惯性测量单元MPU6050时只需要读取其绕y轴倾斜角即可。

带位置反馈的舵机10，能够提供实时的位置和角度信息，使机器人可以根据其当前状态进行实时调整。并通过WIFI模块ESP8266建立与上位机的无线通讯后，可以实现位姿的双向传递，并由此拓展机器人的功能性，例如在电脑端可以轻松地实现机器人编舞功能等。

本发明在满足平衡的同时解决电源问题的方案为使用线圈11无线充电，通过电磁场而不是物理电缆来传输电能。位于机器人底座内部的发送线圈连接到电源，当电流通过发送线圈时产生一个交变磁场，这个磁场会传播到接收线圈附近。位于机器人身体内部的接收线圈此时处于发送线圈的磁场中时，该磁场会诱发接收线圈产生电流，从而达到无线充电的目的。机器人内部有一个电池板8及三小块可充电电池（对称分布于电池板上），其作用是直接给机器人各个部件供电。而无线供电则是时刻通过电池板电路8为电池充电。这样设计的目的可以保证供电的稳定和连续性。

主控芯片STM32F4的引脚连接方式有多种，其中一种引脚分配如表1所示。其中LCD模块用于屏幕显示信息，通信方式为SPI通信，23号引脚为SPI_MOSI，连接LCD主机输出从机输入；55号引脚用作设置LCD时钟信号；此外，为LCD预留了56、58、59号引脚作为LCD的供电、复位以及片选。FLASH模块的作用为存储数据，22号引脚为SPI_MISO，连接FLASH主机输入从机输出，23号引脚为SPI_MOSI，连接FLASH主机输出从机输入；55号引脚仍用于设置时钟信号。音频处理部分WM8978芯片预留了38、51~53号引脚用作I2S音频总线通信；预留了40、41号引脚用作主控与音频的I2C通信。PORT部分61、62号引脚用于主控与软排线及舵机接口的I2C通信连接。人体接近传感器LD016的TX和RX与主控额14、15号引脚相连接。预留了16、17号引脚与WIFI模块ESP8266中的UART通信TXD和RXD连接，以实现单片机和上位机的无线通信。

ESP32的其中一种引脚分配如表2所示，ADC电压检测直接由6号引脚芯片ADC模块引出，防止高电压信号输入到ESP32的ADC模块中；EG2133电机驱动模块，预留8~10号引脚控制MOS管的导通与截止；30、31号引脚用于连接MPU6050的I2C通信接口，用于生成角度变量和温度数据；29、37号引脚外接AS5600编码器用于测量电机的转速和位置信息。

此外，机器人在实际使用过程中功能扩展性极强，由于机器人可以通过WIFI模块与上位机进行无线通讯，可传输的数据种类和数据量都非常多，有极强的功能扩展性。例如本机器人使用的人体接近传感器，在雷达探测到手部或者身体接近时，可以通过屏幕显示表情，手臂舞动表示欢迎；或是电脑端收到消息时，上位机将这一数据传给机器人，机器人身体左右摇摆以提醒用户收到一条信息；或是按一定规律检测到手部靠近和离开时，则播放音乐、调节音量等等，具备多样的功能扩展可能性。

Claims (10)

1.一种基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：包括头部、身体和底部，所述头部由前到后依次为主控板（1）和传感器板（2），环境光传感器（3）设置于主控板（1）和传感器板（2）顶部，身体包括多个舵机（10）分别控制头部、两处手臂的自由度，动量轮（6）、平衡板（7）、人体接近传感器（4）和电池板（8），主控板（1）驱动屏幕，控制舵机（10）转动，通过WIFI模块将姿态信号、语音信号无线传输给上位机，环境光传感器（3）判断环境光线的强度，所述人体接近传感器（4）设置于身体上部靠近传感器板（2），所述底部和身体内部各包括一组线圈（11），底部沿y轴方向具有一定厚度，沿x轴方向为弧度。

2.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述主控板（1）包括MCU STM32F405RGT6并采用了ARM Cortex-M4内核，音频编解码芯片WM8978和咪头（5）。

3.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述传感器板（2）驱动人体接近传感器（4）、环境光传感器（3）以及惯性测量单元，还包括有音频功放芯片、音频编解码芯片以及与身体外部连接的喇叭（9）。

4.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述环境光传感器（3）基于TEMT6000模拟人对环境光线的强度的判断，控制屏幕背光。

5.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述人体接近传感器（4）采用雷达模块LD016探测物体。

6.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述平衡板（7）包括ESP32主控模块、加速度计和陀螺仪传感器模块，用于测量系统的状态参数，并将参数送回到ESP32中进行计算和处理。

7.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述舵机（10）设置有位置反馈，通过WIFI模块ESP8266建立与上位机的无线通讯。

8.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述动量轮（6）垂直y轴方向使用。

9.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述惯性测量单元采用MPU6050测量单元。

10.根据权利要求1所述的基于STM32的自平衡桌面机器人系统，其特征在于：所述电池板（8）和平衡板（7）中间夹有动量轮（6）。