基于Arduino手勢控制器的設計與實現

耿龍 陳荻瑩 韓天野 徐禎 張楊 田英愛

摘 ? 要：在科技迅速發展的新時代，機器人不斷影響著人類的工作和生活，未來有望成為影響全球經濟發展的關鍵因素。在機器人的工作中，良好的操作系統能讓機器人在使用過程中更加靈活、多變。文章預期設計一種以手勢控制為突破口，通過Arduino實現操作形式和多變的手勢操縱，讓機器人的能力進一步提升，以增加樂趣并提高工作效率。

關鍵詞：Arduino;機器人;手勢控制器

以VEX機器人為例，現今VEX機器人主要是以手柄為操控方式，但在實踐中卻發現，手柄的操作方式過于機械化，機器人缺乏靈動性因此，本團隊希望設計一種以手勢控制為基礎的操作平臺，利用手勢靈活與多變性提升機器人的靈活度，使之有更高效的工作效率。本項目重點在于完成手勢控制器相關程序的設計與實現，Arduino可用于開發交互式物體，接受來自各類開關或傳感器的輸入，并能控制各種燈光、馬達和其他物理輸出裝置，利用Arduino IDE跨平臺、開源的優勢實現通過手勢控制器發出命令控制機器的目標。

1 ? ?項目原理

1.1 ?Arduino介紹

Arduino是一款電子原型平臺，不僅對初學者特別友好，所有東西都是開源的，而且具有便捷、靈活、方便上手的優點。此外，作為一個成熟的平臺，其包含了各種型號的Arduino板以及用于編程的Arduino IDE，其中的硬件部分Arduino電路板可以用來做電路連接;軟件部分Arduino IDE，則是計算機的程序開發環境，其組合使得軟件與硬件能夠更安全、便捷地連接到一起[1]。

Arduino可以通過各式各樣的傳感器去感知外界環境，并且獲得控制器的控制，通過控制燈光、馬達或其他的裝置去改變運行狀態。電路板上的微控制器可以通過Arduino編程語言來編寫所需的程序，進而將其編譯成二進制文件，最終燒錄進微控制器，實現軟件與硬件的結合。

2 ? ?系統總體組成架構方案設計

2.1 ?硬件描述

手勢控制器是感知操作人手勢的變化并將對應信號傳輸給機器人，最終使其運動的配件，是在Arduino UNO控制板的基礎上改進而來的，搭載了5個滑動電阻，用于感測手指的運動狀態，并搭載了陀螺儀和傾角傳感器，用于精確感測整個手掌的運動狀態[2]。

手勢控制器以單片機為核心，型號為ATmega328P。選擇單片機是因為其有眾多優點：第一，體積比較小，內部芯片作為計算機系統，結構簡單、功能完善，使用起來十分方便，可以模塊化應用，與控制器十分契合。第二，較高的集成度，可靠性比較強，即使處于長時間的工作狀態也不會發生故障。第三，在應用時低電壓、低能耗。第四，對數據的處理能力和運算能力較強，可以在各種環境中應用，且有著較強的控制能力。還內置了陀螺儀加速度傳感器，使其能夠檢測控制器的傾角，擴展手勢設計的維度，不再限制于單調的手指控制。單片機上還有5個滑動電位器，由于電位器一般是薄膜（碳膜）電阻，體積和功率都很小，因此十分適合用來感知手指動作。

機器車使用的是履帶式鋁合金小車，履帶使小車有更好的抓地力，且有著不錯的靈活性。小車使用的開發板是STM32嵌入式單片機，型號為STM32F103RBT6，優點是高性能、低成本、低功耗，內置藍牙模塊，使其能與手套連接，二次開發等多種接口也讓項目開發更加便利。

現有的WiFi控制是同一路由網絡下的、上位機對下位機的遠程操控，但是上位機端的軟件開發和下位機與路由的連接較為困難。針對這個問題，文章選用了匹配較容易、軟件開發難度較低的藍牙模塊作為無線傳輸模塊，進行控制系統研究。通信使用基于藍牙4.0協議的HC-08藍牙模塊，可以和對應的HC-08藍牙模塊達成主從機通信，快速進行信號的傳輸通信[3]。

2.2 ?軟件描述

本設計，主要就手勢控制器對小車的操控部分進行了設計與實現，Arduino開發板測試程序主要在Arduino IDE上執行。部分功能大致思想如下。

前進操作<1>：

if 手心朝下 && 食指張開 && 其余四指緊握

if 手掌傾斜角度 < 30

小車向前直行;

else if 手掌向右傾斜角度 > 30 && 手掌向右傾斜角度 < 60

小車原地順時針旋轉（慢速）;

else if 手掌向右傾斜角度 > 60 && 手掌向右傾斜角度 < 90

小車原地順時針旋轉（快速）;

else if 手掌向左傾斜角度 > 30 && 手掌向左傾斜角度 < 60

小車原地逆時針旋轉（慢速）;

else if 手掌向左傾斜角度 > 60 && 手掌向左傾斜角度 < 90

小車原地逆時針旋轉（快速）;

else

小車原地不動;

后退操作：

if 手心朝上

if 五指緊握

小車向后直行;

else if 大拇指張開 && 其余四指緊握

小車原地逆時針旋轉;

else if 大拇指張開 && 食指張開 && 其余三指緊握

小車原地順時針旋轉;

else

小車原地不動;

3 ? ?實驗結果

（1）理論可實現手勢。已實現功能如表1所示。

（2）測試數據。手勢識別準確率如表2所示。

（3）Data。將測量值映射到500～2 500，握緊手時為500，張開時為2 500。手指返回角度的存儲如表3所示。

（4）RadianY_last 最終獲得的Y軸傾角，如圖1所示。

（5）手勢操控現存問題。首先，使用滑動變阻器感知手勢變化，不能確保完成對精度有較大要求的操作。其次，在實際操作中會因操作人的不同而產生不同的使用感受，如手套佩戴感覺不合適等。最后，使用藍牙進行信號的通信，遙控距離受限。

4 ? ?結語

本項目基于Arduino開發板結合手勢設計，完成了以手勢控制為基礎的操作系統，根據設計需求，可以通過該操作系統利用手勢控制機器車的移動。在擁有多種組合手勢的前提下，用戶可根據自己的喜好來設計手勢對應的動作，并且該控制器使用單手操作，避免雙手操作帶來的不必要麻煩，使得用戶在使用中感受到方便，同時提高了用戶的參與感，增加了使用的樂趣。針對不同行業的不同需求，該控制器可以重新設計，從而衍生更多的功能，有著很大的發展空間。

[參考文獻]

[1]宋楠，韓廣義.Arduino開發從零開始學：學電子的都玩這個[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]托尼·奧爾森.Arduino可穿戴設備開發[M].胡訓強，譯.北京：機械工業出版社，2016.

[3]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，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