手機加速度感測器與藍芽控制科學怪蟲

前一陣子也看到有位工程師(不折不扣的Mirai Suenaga控)放棄其千萬年薪(應該是勇敢的去開創自己的新世界，賺更多)，並立志要將他心中的Mirai Suenaga變成智能娃娃(Small Doll)，其過程感人肺腑(害歐吉尚也想買一個)。


Source: Smart Doll by Danny Choo (CC BY-NC-SA 2.0)


根據資策會與主計處的產業研究報告，台灣於2014年出生率與死亡率交叉，至2030年後將出現18萬名勞工的短缺! 這對許多亞洲國家(日本首當其衝)而言，為了舒緩未來短缺的勞動人口與高齡照護等工作，機器人工業幾乎是不得不的趨勢！ 當你邁入高齡，陪在你身旁的肯定是Robi或Doll之類的，可能不會是自己孩子喔?!

因此，歐吉尚認為這個發明(Smart Doll)相當不得了! 首先呢，將微縮的個人電腦(PC)人型化、變成寵物或是玩偶，再結合語多種感測器(如溫/濕度、Image、IrDA、Bluetooth、GPS、Accelerator)、WebCam、影像/語音識別等等，讓日常生活中許多控制變的更互動、豐富而有趣。

想想看，將來GPS、時鐘、媒體儲存播放系統等等將不再只是平面的冰冷顯示器，而是一位會用溫柔語音告訴你氣候、時間、新聞、與一天行程，並使用豐富的肢體動作指引你汽車方向、走過頭或走錯路還會罵你(喔不! 是安慰你)的可愛少女。平時她會用內建的Camera幫你拍照、錄影、紀錄你平常沒注意的生活點滴，還會自動幫你Summarize你每日、每月或每年的精彩剪輯，與你分享(如果有投影機的話)。出國旅遊時，她可以幫你翻譯，告訴你哪裡有好玩的，大眾運輸怎麼搭較省錢，一邊呱噪的講解當地的歷史人文，當一位稱職的導遊。她跟你一起去上課(幫你筆記)，一起去購物(告訴你哪裡買更便宜)，直到你生活跟本少不了她!

 
Source: Smart Doll (圖為Smart Doll發明人Danny Choo)


…好了! 做完白日夢! 又離題了! 各位有沒有發覺? 當我們在指責別人或大環境如何、如何的時候，別人是怎麼充分利用時間，如何去努力實踐自己理想並改善人們生活方式的嗎? 所以趕快加把勁，讓自己跟上世界的脈動吧!

在Basic Stamp、Arduino微控制器與許多搭配的感測器火紅之後，Raspberry Pi(算是一款價格低廉、功能齊全的PC)、BeagleBone(根本是一款內含Linux的強大PC)等IoT應用開發板如雨後春筍出現，連微軟都出來攪局了。最近，又看到淘寶有在賣用Raspberry Pi板組裝的「Programmable DIY Robot」。

Source: RAPIRO


因此，繼上一回使用手機內建的加速度儀(Acceleration Sensor)，透過藍芽並迅速產生對應需要較敏捷操控訊號的裝置(例如四驅車或四軸飛行器等)與相關的手機App撰寫之後，今天重點擺在如何實作具有「類關節」，可用手機加速度儀App透過藍芽控制的生物。而「機器蟲」又是入門之中最簡單的，只要兩顆伺服馬達(~90元台幣/每顆)、一些膠帶再剪一些鐵絲即可搞定!




一些前置作業(知識):




BOM表 (把虛擬通路也一起放進來Survey)
項目(不含運費)
台灣(台幣)
淘寶(人民幣)
Arduino UNO R3
290~450
12~40
Bluetooth HC-06
210~350
17~30
L293D Board (H-橋式電機驅動器)
180~250
12~21
2顆伺服馬達
70~90(每顆)
12~16(每顆)
美勞或植栽用鋁線(書局有賣)
20
NA




科學怪蟲組裝測試:
將兩顆伺服馬達以90度相位差對接，如圖，左側(Severo1)規劃為前腳，右側(Severo2)規劃為後腳。其中，因為馬達的組成多少有些電磁干擾，建議使用厚一點的泡棉隔開，以免誤動作。之後再以膠帶補強接點。
 

 


身體完成之後，用美勞或植栽用的鋁線製作蟲的四肢。我買的線太細了，因此將其纏繞並彎曲成彈性與剛性適中的狀態，才能夠支撐Blumodunio外加電池的龐大身軀跟重量。下圖為綁上四肢後的側視圖，其中呈狗腿式彎曲的是蟲的後腿，較短的則是前腳。
 

下圖分別為為府視與底部(可以看清楚蟲的屁股弧度與兩顆伺服電機的配置)，其中，鋁絲做的四肢是用實心線(用剝皮鉗去皮)綑綁固定住的! 蟲的背部(上方)貼了一塊厚泡棉，用來拖住以Blumodunio板的身體與大腦(Arduino程式)。
 


 
蟲的四肢最後再纏上電火布(黑色)，以增加其腳步運行時的磨擦力，最後來一張前視定裝照。




Android App手機程式規劃
沿用之前的活用手機加速度感測器與藍芽控制的程式，懶的寫程式的朋友可以使用下面的QR Code下載執行檔，安裝方式請參閱前幾回的Android與Arduino的藍芽通訊。




Arduino Uno端系統與程式規劃--科學怪蟲的四肢活動測試(使用手機App控制前)
Arduino系統端的程式則分析上述的「加速度值」來判斷要前進(手機前傾)或後退(手機後傾)。各別對應為兩顆伺服馬達的轉速與轉角。比較麻煩的是，蟲四肢的形狀除了要能支撐重量，也跟程式規劃伺服馬達運轉角度有關，這裡最花時間，可能要調整蠻多次才能符合需求(至少要能前進跟後退)。Arduino程式、蟲腳的形狀、伺服馬達的的左/右擺幅也要配合程式運作，不斷的修改與調整。

函式bugInit用來規劃伺服馬達運轉角度，前腳使用Servo1，用來將身體略為抬起，因此角度不宜過大，而後腳使用Servo2，用來將身體推進(或退)，所以角度會大一些。程式透過序列埠讀取指令，「i」表示初始化(bugInit)、「f」表示前進(bugForward)、「b」表示後退(bugBackward)而「x」則表示暫停。當蟲停止後，須重設(bugInit)之後才能前進或後退。至於序列埠與藍芽控制的部分，請參考活用手機加速度感測器與藍芽控制，不再贅述。

Arduino程式--科學怪蟲的四肢活動測試(使用手機App控制前) 
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>

#define MAX_UARTCMDLEN 128

// Pin10/SERVO1_PWM, and Pin9/SERVO2_PWM for L293D motor shield
#define SERVO_FRONT 9
#define SERVO_BACK 10
#define BUG_FORWARD 1
#define BUG_BACKWARD 2

// 伺服器馬達 紅色(VDD), 棕色(GND), 橙色(Signal)
Servo frontServo;  // front leg
Servo backServo;  // back leg

// up to 128 bytes UART command received from the Android system
byte uartCmdBuff[MAX_UARTCMDLEN];
int uartCmdLen = 0; // received BT command length

// define bug's movement
int frontRUp;
int frontLUp;
int backRForward;
int backLForward;

void setup() {
    Serial.begin(9600); // connect to the HC_06, after downloading the software
    bugInit(10,30); // 初始化蟲的前後腳轉動角度大小
}

void loop() {
    if ( listenSerialCmd()>0 )
        executeSerialCmd();
}

void executeSerialCmd() { // update bug's status
    char cmd[MAX_UARTCMDLEN];
    char* token = NULL;
    char* p = NULL;
           
    // parse UART command
    sprintf(cmd,"%s",uartCmdBuff);
    if ( (p=strchr(cmd,','))==NULL )
        return;
    *p = '\0';
   
    switch( cmd[0] ) {
        case 'i':
            bugInit(10,20);
            break;
        case 'f':
            bugForward(500);
            break;
        case 'b':
            bugBackward(500);
            break;
        case 'x':
            bugStop();
            break;
        default:
            break;
    }
    delay(200);
}

int listenSerialCmd() {
    char tmp; 
    uartCmdLen = 0;
    memset(uartCmdBuff,0,MAX_UARTCMDLEN);
    while( Serial.available()>0 ) {
        if( (tmp=Serial.read())=='O' ){
            uartCmdLen = 0;
        }
        uartCmdBuff[(uartCmdLen++)%MAX_UARTCMDLEN] = tmp;
        delay(5); // wait RX signal
    }
    return uartCmdLen;
}

void bugInit(int afront,int aback) {
    frontServo.attach(SERVO_FRONT);
    backServo.attach(SERVO_BACK);
    frontServo.write(90);
    backServo.write(90);
    frontRUp = 90-afront;
    frontLUp = 90+afront;
    backRForward = 90-aback;
    backLForward = 90+aback;
}

void bugStop() {
    frontServo.write(90);
    backServo.write(90);
    delay(500);
    frontServo.detach();
    backServo.detach();
}

void bugForward(int dvalue) {
    int backDelay = (500-dvalue)<200?200:(500-dvalue);
    int frontDelay = (200-dvalue/2)<100?100:(200-dvalue/2);
    backServo.write(90-30); // R
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90-10); // R
    delay(frontDelay);
    backServo.write(90+40); // L
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90+10); // L
    delay(frontDelay);
}

void bugBackward(int dvalue) {
    int backDelay = (500-dvalue)<200?200:(500-dvalue);
    int frontDelay = (200-dvalue/2)<100?100:(200-dvalue/2);
    backServo.write(90+40); // 90+aback
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90-10);
    delay(frontDelay);
    backServo.write(90-30); // 90-aback
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90+10);
    delay(frontDelay);
}






Arduino Uno端系統與程式規劃--使用手機加速度儀與藍芽控制
沿用之前的活用手機加速度感測器與藍芽控制，手機傳給Arduino的指令格式也不變，藍芽控制指令由偵測加速度儀變化產生，以「accel」命令開頭緊接著x、y與z三軸的加速值(目前z軸不使用)，格式如下:

<Command>,<xAccel -10~10>,<yAccel -10~10>,<zAccel>
例如:
accel,0,-5,9   x、y與z三軸的加速值分別為0,-5,9 (手機往前傾)
accel,0,5,9    x、y與z三軸的加速值分別為0,5,9 (手機往後傾)
accel,-5,0,9   x、y與z三軸的加速值分別為-5,0,9 (手機往右傾)
accel,5,0,9    x、y與z三軸的加速值分別為5,0,9 (手機往左傾)


Arduino程式--科學怪蟲的四肢活動測試(使用手機App控制前) 
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>

#define MAX_UARTCMDLEN 128

// Pin10/SERVO1_PWM, and Pin9/SERVO2_PWM for L293D motor shield
#define SERVO_FRONT 9
#define SERVO_BACK 10
#define BUG_FORWARD 1
#define BUG_BACKWARD 2

// 伺服器馬達 紅色(VDD), 棕色(GND), 橙色(Signal)
Servo frontServo; // front leg
Servo backServo; // back leg

// up to 128 bytes UART command received from the Android system
byte uartCmdBuff[MAX_UARTCMDLEN];
int uartCmdLen = 0; // received BT command length

// define bug's movement
int frontRUp;
int frontLUp;
int backRForward;
int backLForward;
int bugDir = BUG_FORWARD; // bug's move direction
int bugSpeed = 10;
int gAccel[3] = {0,0,0}; // accel x,y,z values

void setup() {
    Serial.begin(9600); // connect to the HC_06, after downloading the software
    bugInit(10,30);
}

void loop() {
    if ( listenSerialCmd()>0 )
        executeSerialCmd();
    moveBug();
}

void executeSerialCmd() { // update bug's status
    char cmd[MAX_UARTCMDLEN];
    char* token = NULL;
    char* p = NULL;
    int accel[3] = {0,0,0}; // accel x,y,z values
    int bugSpeed = 0;
           
    // parse UART command
    sprintf(cmd,"%s",uartCmdBuff);
    if ( (p=strchr(cmd,','))==NULL )
        return;
    *p = '\0';
    Serial.println(cmd);
   
    // check if the accel command, the format is <accel,x,y,z,>
    if ( strcmp(cmd,"accel") )
        return;
   
    // get speed
    for ( int ii=0; ii<3; ii++ ) {
        token = p+1;
        if ( (p=strchr(token,','))==NULL )
            break;
        *p = '\0';
        accel[ii] = atoi(token);
    }
   
    if ( !(accel[0]!=gAccel[0] || accel[1]!=gAccel[1]) )
        return; // no change (ignore z axis)
   
    gAccel[0] = accel[0];
    gAccel[1] = accel[1];
    gAccel[2] = accel[2];
     
    // update speed, forward/backward depends on the yAccel
    bugSpeed = abs(accel[1])*10; // 0~200
  
    // update bug's status
    bugDir = accel[1]<0?BUG_FORWARD:BUG_BACKWARD; // update direction 
    if ( bugDir==BUG_FORWARD )
        bugForward(bugSpeed);
    else
        bugBackward(bugSpeed);
   
    delay(200);

  #if 0 // debugging
    switch( cmd[0] ) {
        case 'i':
            bugInit(10,20);
            break;
        case 'f':
            bugForward(500);
            break;
        case 'b':
            bugBackward(500);
            break;
        case 'r':
            bugRight();
            break;   
        case 'l':
            bugLeft(500);
            break;        
        case 'x':
            bugStop();
            break;
        default:
            break;
    }
    delay(200);
  #endif
}

int listenSerialCmd() {
    char tmp; 
    uartCmdLen = 0;
    memset(uartCmdBuff,0,MAX_UARTCMDLEN);
    while( Serial.available()>0 ) {
        if( (tmp=Serial.read())=='O' ){
            uartCmdLen = 0;
        }
        uartCmdBuff[(uartCmdLen++)%MAX_UARTCMDLEN] = tmp;
        delay(5); // wait RX signal
    }
    return uartCmdLen;
}

void bugInit(int afront,int aback) {
    frontServo.attach(SERVO_FRONT);
    backServo.attach(SERVO_BACK);
    frontServo.write(90);
    backServo.write(90);
    frontRUp = 90-afront;
    frontLUp = 90+afront;
    backRForward = 90-aback;
    backLForward = 90+aback;
}

void bugStop() {
    frontServo.write(90);
    backServo.write(90);
    delay(500);
    frontServo.detach();
    backServo.detach();
}

void bugForward(int dvalue) {
    int backDelay = (500-dvalue)<200?200:(500-dvalue);
    int frontDelay = (200-dvalue/2)<100?100:(200-dvalue/2);
    backServo.write(90-30); // R
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90-10); // R
    delay(frontDelay);
    backServo.write(90+40); // L
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90+10); // L
    delay(frontDelay);
}

void bugBackward(int dvalue) {
    int backDelay = (500-dvalue)<200?200:(500-dvalue);
    int frontDelay = (200-dvalue/2)<100?100:(200-dvalue/2);
    backServo.write(90+40); // 90+aback
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90-10);
    delay(frontDelay);
    backServo.write(90-30); // 90-aback
    delay(backDelay);
    frontServo.write(90+10);
    delay(frontDelay);
}




電池的部分，一般的9V方電是疊層電池，容量很小且不適合大電流放電，大多用於一些小電流高電壓的場合，例如室內無線電話機。9V電池短路電流一般約200mA（好的能達到1A），而1.5V的五號電池約3A，因此當需要啟動電流較大的終端設備時，9V電池支持不了那麼大電流，而且會很快沒電，因此建議買一個四顆1.5V串接的電池盒來接。

覺得這隻蟲過大嗎? 大家有福了，最近 Kickstarter 發表了「晶片般大小的Arduino」，比官方的Nano還小! 而且竟然還內建OLED顯示器! 正式迎接IoT時代，百家爭鳴，各式各樣紛紛出籠的「改變群眾生活方式的創意」。不禁要問：「你Arduino了沒?」!

Source KickStarter






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