做一個“揮手機器人”

鄭祥　李曙強

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

工作原理

每一款手機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當前所處狀態的X、Y、Z軸的3個分量的加速度，圖1為手機平放時X、Y、Z軸加速度分量的方向。

當手機搖晃的時候，X、Y、Z軸上的3個加速度分量會發生相應的變化，如下頁表1所示。當然，表中的這些數據是根據我們的手機測試出來的，不同的手機，測出來的數據未必一樣。

其實我們只需要手機在垂直狀態下左右搖晃的傳感器數據，從中我們可以發現，手機向左或向右搖晃，與X軸加速度分量的變化是一一對應的，因此可以根據X軸加速度分量的變化判斷手機搖晃的方向，如表2所示。

怎么知道手機的運動方向呢？很簡單，只要隔一定的時間，獲取傳感器數值，然后相減，根據結果進行判斷。具體如下：

定義：Xq為前一位置X軸加速度分量，Xh為當前位置X軸加速度分量。

若Xh-Xq>0，則手機向左搖晃；反之Xh-Xq<0，則手機向右搖晃。

材料選擇

根據需求，“揮手機器人”若要根據手機的揮動控制機器人執行“揮手”動作，則手機與機器人間需要通訊模塊；而機器人執行“揮手”動作，則需要一個控制器及舵機等執行模塊。

手機與機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——藍牙。手機在揮動時，通過手機的藍牙通訊模塊將相應的指令（如“L”，即向左揮手）發送給“揮手機器人”的控制器；控制器根據接收到的指令對“揮手機器人”的執行模塊舵機做出相應的動作。

制作本作品所需要的材料及其說明，如表3所示。

結構搭建

“揮手機器人”的結構一定要穩固，不然在執行“揮手”動作時，會影響“揮手機器人”的平衡。

搭建機器人“骨架”結構時，我們采用輕巧且又便宜的亞克力板，用激光切割機進行切割。利用這些板子和螺絲螺母，我們很快完成了“揮手機器人”的“骨架”，并將Arduino Uno控制板、藍牙通訊模塊、舵機安裝在機器人“骨架”上，效果如圖2所示。

代碼編程

1.安卓手機App編程

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

根據表2所示，根據手機當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搖晃的方向，因此手機App應用程序只需向Arduino Uno控制板發送“L”或“R”字符，分別表示“向左”或“向右”的舵機控制指令，具體編程代碼如下頁圖4所示。

調用App中的藍牙客戶端給Arduino Uno控制板發送“L”或“R”字符指令時，藍牙通訊模塊須處于連接狀態，否則提示錯誤；具體編程代碼如圖5所示。

2.“揮手機器人”控制端編程

當Arduino Uno控制板通過藍牙通訊模塊接收到字符“L”時，則執行舵機轉向45度，即機器人手臂向左擺動；若藍牙通訊模塊接收到的字符為“R”，則執行舵機轉向135度，即機器人手臂向右擺動。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

“揮手機器人”的外觀有些單一，為了賦予“揮手機器人”以人的形象。我們利用卡紙為“揮手機器人”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。

運行效果

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

借助“揮手機器人”的案例制作，我們初步實現了用手機App控制Arduino硬件設備中的舵機模塊。除此之外，還可以嘗試用手機App控制更多的Arduino執行模塊，如蜂鳴器、LED燈、繼電器、電機等，那將會更加有趣。