基于Arduino手势控制器的设计与实现

耿龙 陈荻莹 韩天野 徐祯 张杨 田英爱

摘   要：在科技迅速发展的新时代，机器人不断影响着人类的工作和生活，未来有望成为影响全球经济发展的关键因素。在机器人的工作中，良好的操作系统能让机器人在使用过程中更加灵活、多变。文章预期设计一种以手势控制为突破口，通过Arduino实现操作形式和多变的手势操纵，让机器人的能力进一步提升，以增加乐趣并提高工作效率。

关键词：Arduino;机器人;手势控制器

以VEX机器人为例，现今VEX机器人主要是以手柄为操控方式，但在实践中却发现，手柄的操作方式过于机械化，机器人缺乏灵动性因此，本团队希望设计一种以手势控制为基础的操作平台，利用手势灵活与多变性提升机器人的灵活度，使之有更高效的工作效率。本项目重点在于完成手势控制器相关程序的设计与实现，Arduino可用于开发交互式物体，接受来自各类开关或传感器的输入，并能控制各种灯光、马达和其他物理输出装置，利用Arduino IDE跨平台、开源的优势实现通过手势控制器发出命令控制机器的目标。

1    项目原理

1.1  Arduino介绍

Arduino是一款电子原型平台，不仅对初学者特别友好，所有东西都是开源的，而且具有便捷、灵活、方便上手的优点。此外，作为一个成熟的平台，其包含了各种型号的Arduino板以及用于编程的Arduino IDE，其中的硬件部分Arduino电路板可以用来做电路连接;软件部分Arduino IDE，则是计算机的程序开发环境，其组合使得软件与硬件能够更安全、便捷地连接到一起[1]。

Arduino可以通过各式各样的传感器去感知外界环境，并且获得控制器的控制，通过控制灯光、马达或其他的装置去改变运行状态。电路板上的微控制器可以通过Arduino编程语言来编写所需的程序，进而将其编译成二进制文件，最终烧录进微控制器，实现软件与硬件的结合。

2    系统总体组成架构方案设计

2.1  硬件描述

手势控制器是感知操作人手势的变化并将对应信号传输给机器人，最终使其运动的配件，是在Arduino UNO控制板的基础上改进而来的，搭载了5个滑动电阻，用于感测手指的运动状态，并搭载了陀螺仪和倾角传感器，用于精确感测整个手掌的运动状态[2]。

手势控制器以单片机为核心，型号为ATmega328P。选择单片机是因为其有众多优点：第一，体积比较小，内部芯片作为计算机系统，结构简单、功能完善，使用起来十分方便，可以模块化应用，与控制器十分契合。第二，较高的集成度，可靠性比较强，即使处于长时间的工作状态也不会发生故障。第三，在应用时低电压、低能耗。第四，对数据的处理能力和运算能力较强，可以在各种环境中应用，且有着较强的控制能力。还内置了陀螺仪加速度传感器，使其能够检测控制器的倾角，扩展手势设计的维度，不再限制于单调的手指控制。单片机上还有5个滑动电位器，由于电位器一般是薄膜（碳膜）电阻，体积和功率都很小，因此十分适合用来感知手指动作。

机器车使用的是履带式铝合金小车，履带使小车有更好的抓地力，且有着不错的灵活性。小车使用的开发板是STM32嵌入式单片机，型号为STM32F103RBT6，优点是高性能、低成本、低功耗，内置蓝牙模块，使其能与手套连接，二次开发等多种接口也让项目开发更加便利。

现有的WiFi控制是同一路由網络下的、上位机对下位机的远程操控，但是上位机端的软件开发和下位机与路由的连接较为困难。针对这个问题，文章选用了匹配较容易、软件开发难度较低的蓝牙模块作为无线传输模块，进行控制系统研究。通信使用基于蓝牙4.0协议的HC-08蓝牙模块，可以和对应的HC-08蓝牙模块达成主从机通信，快速进行信号的传输通信[3]。

2.2  软件描述

本设计，主要就手势控制器对小车的操控部分进行了设计与实现，Arduino开发板测试程序主要在Arduino IDE上执行。部分功能大致思想如下。

前进操作<1>：

if 手心朝下 && 食指张开 && 其余四指紧握

if 手掌倾斜角度 < 30

小车向前直行;

else if 手掌向右倾斜角度 > 30 && 手掌向右倾斜角度 < 60

小车原地顺时针旋转（慢速）;

else if 手掌向右倾斜角度 > 60 && 手掌向右倾斜角度 < 90

小车原地顺时针旋转（快速）;

else if 手掌向左倾斜角度 > 30 && 手掌向左倾斜角度 < 60

小车原地逆时针旋转（慢速）;

else if 手掌向左倾斜角度 > 60 && 手掌向左倾斜角度 < 90

小车原地逆时针旋转（快速）;

else

小车原地不动;

后退操作：

if 手心朝上

if 五指紧握

小车向后直行;

else if 大拇指张开 && 其余四指紧握

小车原地逆时针旋转;

else if 大拇指张开 && 食指张开 && 其余三指紧握

小车原地顺时针旋转;

else

小车原地不动;

3    实验结果

（1）理論可实现手势。已实现功能如表1所示。

（2）测试数据。手势识别准确率如表2所示。

（3）Data。将测量值映射到500～2 500，握紧手时为500，张开时为2 500。手指返回角度的存储如表3所示。

（4）RadianY_last 最终获得的Y轴倾角，如图1所示。

（5）手势操控现存问题。首先，使用滑动变阻器感知手势变化，不能确保完成对精度有较大要求的操作。其次，在实际操作中会因操作人的不同而产生不同的使用感受，如手套佩戴感觉不合适等。最后，使用蓝牙进行信号的通信，遥控距离受限。

4    结语

本项目基于Arduino开发板结合手势设计，完成了以手势控制为基础的操作系统，根据设计需求，可以通过该操作系统利用手势控制机器车的移动。在拥有多种组合手势的前提下，用户可根据自己的喜好来设计手势对应的动作，并且该控制器使用单手操作，避免双手操作带来的不必要麻烦，使得用户在使用中感受到方便，同时提高了用户的参与感，增加了使用的乐趣。针对不同行业的不同需求，该控制器可以重新设计，从而衍生更多的功能，有着很大的发展空间。

[参考文献]

[1]宋楠，韩广义.Arduino开发从零开始学：学电子的都玩这个[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]托尼·奥尔森.Arduino可穿戴设备开发[M].胡训强，译.北京：机械工业出版社，2016.

[3]陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

Abstract：In the new era of rapid development of science and technology， robots continue to affect peoples work and life， and are expected to become a key factor of the global economic development in future. In the work of robots， a good operating system can make the robot more flexible in the use process. This paper expects to design an operation form that takes gesture control as a breakthrough and realizes through Arduino. Through the changeable gesture control， the ability of robots can be further promoted to improve the fun or work efficiency.

Key words：Arduino; robot; gesture controller