做一个“挥手机器人”

郑祥　李曙强

“挥手机器人”的想法源自于大脑突然闪过的一个灵感，即当用户举手挥动手臂的时候，机器人也会跟着一起挥手，且挥手的方向保持一致，就像跟机器人一起参加演唱会一样。

工作原理

每一款手机都会自带一个加速度传感器，即陀螺仪。加速度传感器可以感知手机当前所处状态的X、Y、Z轴的3个分量的加速度，图1为手机平放时X、Y、Z轴加速度分量的方向。

当手机摇晃的时候，X、Y、Z轴上的3个加速度分量会发生相应的变化，如下页表1所示。当然，表中的这些数据是根据我们的手机测试出来的，不同的手机，测出来的数据未必一样。

其实我们只需要手机在垂直状态下左右摇晃的传感器数据，从中我们可以发现，手机向左或向右摇晃，与X轴加速度分量的变化是一一对应的，因此可以根据X轴加速度分量的变化判断手机摇晃的方向，如表2所示。

怎么知道手机的运动方向呢？很简单，只要隔一定的时间，获取传感器数值，然后相减，根据结果进行判断。具体如下：

定义：Xq为前一位置X轴加速度分量，Xh为当前位置X轴加速度分量。

若Xh-Xq>0，则手机向左摇晃；反之Xh-Xq<0，则手机向右摇晃。

材料选择

根据需求，“挥手机器人”若要根据手机的挥动控制机器人执行“挥手”动作，则手机与机器人间需要通讯模块；而机器人执行“挥手”动作，则需要一个控制器及舵机等执行模块。

手机与机器人之间的通讯方式有很多，我们选择了最常见的一种通讯方式——蓝牙。手机在挥动时，通过手机的蓝牙通讯模块将相应的指令（如“L”，即向左挥手）发送给“挥手机器人”的控制器；控制器根据接收到的指令对“挥手机器人”的执行模块舵机做出相应的动作。

制作本作品所需要的材料及其说明，如表3所示。

结构搭建

“挥手机器人”的结构一定要稳固，不然在执行“挥手”动作时，会影响“挥手机器人”的平衡。

搭建机器人“骨架”结构时，我们采用轻巧且又便宜的亚克力板，用激光切割机进行切割。利用这些板子和螺丝螺母，我们很快完成了“挥手机器人”的“骨架”，并将Arduino Uno控制板、蓝牙通讯模块、舵机安装在机器人“骨架”上，效果如图2所示。

代码编程

1.安卓手机App编程

手机若要与Arduino Uno控制板相互通信，则需要借助蓝牙通讯等方式进行。App Inventor支持传感器编程和蓝牙通讯，利用这一图形化编程平台，就能制作一个专用的App应用程序。下页图3所示为App的界面设计与组件使用情况。

根据表2所示，根据手机当前摇晃位置与前一位置的X轴加速度分量的值可以判断手机摇晃的方向，因此手机App应用程序只需向Arduino Uno控制板发送“L”或“R”字符，分别表示“向左”或“向右”的舵机控制指令，具体编程代码如下页图4所示。

调用App中的蓝牙客户端给Arduino Uno控制板发送“L”或“R”字符指令时，蓝牙通讯模块须处于连接状态，否则提示错误；具体编程代码如图5所示。

2.“挥手机器人”控制端编程

当Arduino Uno控制板通过蓝牙通讯模块接收到字符“L”时，则执行舵机转向45度，即机器人手臂向左摆动；若蓝牙通讯模块接收到的字符为“R”，则执行舵机转向135度，即机器人手臂向右摆动。具体代码如下：

#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

“挥手机器人”的外观有些单一，为了赋予“挥手机器人”以人的形象。我们利用卡纸为“挥手机器人”做了一件外衣，同时为它用超轻粘土捏了一个头像和两只手。

运行效果

手机App的运行与“挥手机器人”的工作效果如图6所示。需要说明的是，我们还在这个机器人上安装了3个红外测障传感器，在没有手机的情况下，也能感测到我们的手势，实现同步挥手。

借助“挥手机器人”的案例制作，我们初步实现了用手机App控制Arduino硬件设备中的舵机模块。除此之外，还可以尝试用手机App控制更多的Arduino执行模块，如蜂鸣器、LED灯、继电器、电机等，那将会更加有趣。