做一個“揮手機(jī)器人”

鄭祥　李曙強(qiáng)

“揮手機(jī)器人”的想法源自于大腦突然閃過的一個靈感，即當(dāng)用戶舉手揮動手臂的時候，機(jī)器人也會跟著一起揮手，且揮手的方向保持一致，就像跟機(jī)器人一起參加演唱會一樣。

工作原理

每一款手機(jī)都會自帶一個加速度傳感器，即陀螺儀。加速度傳感器可以感知手機(jī)當(dāng)前所處狀態(tài)的X、Y、Z軸的3個分量的加速度，圖1為手機(jī)平放時X、Y、Z軸加速度分量的方向。

當(dāng)手機(jī)搖晃的時候，X、Y、Z軸上的3個加速度分量會發(fā)生相應(yīng)的變化，如下頁表1所示。當(dāng)然，表中的這些數(shù)據(jù)是根據(jù)我們的手機(jī)測試出來的，不同的手機(jī)，測出來的數(shù)據(jù)未必一樣。

其實(shí)我們只需要手機(jī)在垂直狀態(tài)下左右搖晃的傳感器數(shù)據(jù)，從中我們可以發(fā)現(xiàn)，手機(jī)向左或向右搖晃，與X軸加速度分量的變化是一一對應(yīng)的，因此可以根據(jù)X軸加速度分量的變化判斷手機(jī)搖晃的方向，如表2所示。

怎么知道手機(jī)的運(yùn)動方向呢？很簡單，只要隔一定的時間，獲取傳感器數(shù)值，然后相減，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行判斷。具體如下：

定義：Xq為前一位置X軸加速度分量，Xh為當(dāng)前位置X軸加速度分量。

若Xh-Xq>0，則手機(jī)向左搖晃；反之Xh-Xq<0，則手機(jī)向右搖晃。

材料選擇

根據(jù)需求，“揮手機(jī)器人”若要根據(jù)手機(jī)的揮動控制機(jī)器人執(zhí)行“揮手”動作，則手機(jī)與機(jī)器人間需要通訊模塊；而機(jī)器人執(zhí)行“揮手”動作，則需要一個控制器及舵機(jī)等執(zhí)行模塊。

手機(jī)與機(jī)器人之間的通訊方式有很多，我們選擇了最常見的一種通訊方式——藍(lán)牙。手機(jī)在揮動時，通過手機(jī)的藍(lán)牙通訊模塊將相應(yīng)的指令（如“L”，即向左揮手）發(fā)送給“揮手機(jī)器人”的控制器；控制器根據(jù)接收到的指令對“揮手機(jī)器人”的執(zhí)行模塊舵機(jī)做出相應(yīng)的動作。

制作本作品所需要的材料及其說明，如表3所示。

結(jié)構(gòu)搭建

“揮手機(jī)器人”的結(jié)構(gòu)一定要穩(wěn)固，不然在執(zhí)行“揮手”動作時，會影響“揮手機(jī)器人”的平衡。

搭建機(jī)器人“骨架”結(jié)構(gòu)時，我們采用輕巧且又便宜的亞克力板，用激光切割機(jī)進(jìn)行切割。利用這些板子和螺絲螺母，我們很快完成了“揮手機(jī)器人”的“骨架”，并將Arduino Uno控制板、藍(lán)牙通訊模塊、舵機(jī)安裝在機(jī)器人“骨架”上，效果如圖2所示。

代碼編程

1.安卓手機(jī)App編程

手機(jī)若要與Arduino Uno控制板相互通信，則需要借助藍(lán)牙通訊等方式進(jìn)行。App Inventor支持傳感器編程和藍(lán)牙通訊，利用這一圖形化編程平臺，就能制作一個專用的App應(yīng)用程序。下頁圖3所示為App的界面設(shè)計與組件使用情況。

根據(jù)表2所示，根據(jù)手機(jī)當(dāng)前搖晃位置與前一位置的X軸加速度分量的值可以判斷手機(jī)搖晃的方向，因此手機(jī)App應(yīng)用程序只需向Arduino Uno控制板發(fā)送“L”或“R”字符，分別表示“向左”或“向右”的舵機(jī)控制指令，具體編程代碼如下頁圖4所示。

調(diào)用App中的藍(lán)牙客戶端給Arduino Uno控制板發(fā)送“L”或“R”字符指令時，藍(lán)牙通訊模塊須處于連接狀態(tài)，否則提示錯誤；具體編程代碼如圖5所示。

2.“揮手機(jī)器人”控制端編程

當(dāng)Arduino Uno控制板通過藍(lán)牙通訊模塊接收到字符“L”時，則執(zhí)行舵機(jī)轉(zhuǎn)向45度，即機(jī)器人手臂向左擺動；若藍(lán)牙通訊模塊接收到的字符為“R”，則執(zhí)行舵機(jī)轉(zhuǎn)向135度，即機(jī)器人手臂向右擺動。具體代碼如下：

#include

Servo serpin；

unsigned char resaveChar；

void setup（） {

Serial.begin（9600）；

serpin.attach（9）；

serpin.write（90）；

}

void loop（） {

if（Serial.available（））{

resaveChar=Serial.read（）；

if（resaveChar=='R'）{

serpin.write（135）；

delay（100）；

}

if（resaveChar=='L'）{

serpin.write（45）；

delay（100）；

}

}

}

造型制作

“揮手機(jī)器人”的外觀有些單一，為了賦予“揮手機(jī)器人”以人的形象。我們利用卡紙為“揮手機(jī)器人”做了一件外衣，同時為它用超輕粘土捏了一個頭像和兩只手。

運(yùn)行效果

手機(jī)App的運(yùn)行與“揮手機(jī)器人”的工作效果如圖6所示。需要說明的是，我們還在這個機(jī)器人上安裝了3個紅外測障傳感器，在沒有手機(jī)的情況下，也能感測到我們的手勢，實(shí)現(xiàn)同步揮手。

借助“揮手機(jī)器人”的案例制作，我們初步實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)App控制Arduino硬件設(shè)備中的舵機(jī)模塊。除此之外，還可以嘗試用手機(jī)App控制更多的Arduino執(zhí)行模塊，如蜂鳴器、LED燈、繼電器、電機(jī)等，那將會更加有趣。