智能机器人手臂–第2部分：编程-电子发烧友网

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。点击此处阅读本文的第1部分>

在智能机器人手臂–第1部分：机械结构和接线中，我们已经将机械手臂的本体组装在一起。机械手臂搭载了一个网络摄像头和一个麦克风，以进行人脸和物体识别以及语音识别。这款在短短15小时内开发出来的机器人手臂在MakeMIT硬件马拉松项目中排名前10。

该机器人手臂的主要功能是结合语音命令检测彩色物体（例如红球或蓝球）、拾取物体、进行人脸识别，并将物体移交给指定的人物/用户。为了成功实现这些功能，我们集成了多个平台，比如OpenCV、Microsoft Cognitive Services Speech、Speaker Recognition API以及Open Weather API。

硬件

根据第1部分：

Arduino Uno

麦克风

网络摄像头

伺服电机

软件

Arduino IDE

Visual Studio

JARVIS [https://github.com/isacandrei/Jarvis-Rocket]

第1步：制作App

我们已经设法打造了一个能够处理语音命令的机器人手臂。人们说出要求后，该手臂会找到目标物体并将其交给指定人物（机器人可以区分不同的人）。此外，它还可以播放在线音乐或告诉您当前的天气情况。

该应用程序的软件部分用Visual Studio 2015完成。Visual Studio简单易用，并且提供了很多功能。其中一个功能就是Emgu CV——一个用于调用OpenCv函数的包裹函数库。此功能通过Visual Studio Windows Forms实现，在处理图像时非常重要。

如果想启动项目，您只需在电脑上安装Emgu CV即可。具体步骤如下:

1. 下载EmguCV
您可以点击本页 “构建示例”下方的超链接下载Emgu CV工程:

图1: 如何下载EmguCV

2. 添加文件
由于您需要使用添加库，因此应将它们包含在Visual Studio中。OpenCV基于C/C++语言开发，如果您想在C＃中使用，那么需要添加DLL（动态链接库）文件——处理视频时必须包含DLL文件。参考文件位于Visual Studio菜单的Solution Explorer处.

图2: 参考文件位置

如果您想添加更多文件，请点击References -> Add references，然后从下载的文件中选择以下内容:

图3: 参考管理器（Reference Manager）

更多信息可以参考以下链接：https://www.emgu.com/wiki/index.php/Setting_up_EMGU_C_Sharp

3. 示例

在下载的库中，您可以找到更多使用视频处理（运动检测、人脸检测和摄像头捕捉）的程序代码示例.

图4: OpenCV应用示例

4. Arduino程序

Arduino代码具有4个命令：up/down负责控制伺服电机；reset是指在出现问题时重置机器人手臂位置；某个部件没有动作时则使用do nothing。程序具有四个自由度:

circle – 手臂可以旋转;

base – 调整网络摄像头的倾斜度;

elbow– 旨在获取手臂的最佳位置;

wrist – 调整抓握力.

每个伺服电机都有一个给定命令，并且使用不同引脚进行控制：Elbow使用引脚7；Base使用引脚8；Circle使用引脚9；Wrist使用引脚10。对于伺服电机控制，C＃应用程序通过串行传输发送4个字母，每个状态对应于一个具体的电机控制指令:

if(cmd == ‘A’) state = 1; → control(1, posCircle);
if(cmd == ‘B’) state = 2; →control(2, posBase);
if(cmd == ‘C’) state = 3; → control(3, posElbow);
if(cmd == ‘D’) state = 4; →control(4, posGH);

根据伺服电机的运动角度，代码分为控制和命令指令。

在Case 1中，Circle（旋转）运动的命令为left/right（左/右）。

Case 1:

      switch (cmd)
      {
          case '0':
              Left();
              Break;
          case '1':
               //do nothing
              break;
          case '2':
              Right();
              break;
          case '3':
              posCircle = 0;
              break;
      }
      state = 0;
      break;

在Case 2和Case 3中，我们考虑基座和肘部的伺服电机，这意味着他们可以上/下（up/down）引导手臂；遇到错误时，机器人手臂会把自己设置为posBase = 50；或posElbow = 50;

Case 2:

      switch (cmd)
      {
          case '0':
              downBase();
              break;
			  
          case '1':
              //do nothing
              break;
			  
          case '2':
              upBase();
              break;
			  
          case '3':
              posBase = 50;
              break;
      }
      state = 0;
      break;

Case 3:

      switch (cmd)
      {
          case '0':
              downElbow();
              break;
			  
          case '1':
              //do nothing
              break;
			  
          case '2':
              upElbow();
              break;
			  
          case '3':
              posElbow = 50;
              break;
			  
          case '4':
              posElbow = 10;
              break;
      }
      state = 0;
      break;

在Case 4中，我们需要控制爪钳，这个非常简单——将其初始位置设置为posGH = 50;

请将以下代码添加到Arduino UNO中，以进行机器人手臂控制:

// States for the RoboticArm:
//0 Down on the left
//1 Pause
//2 Top on the right
//3 Reset


#include 

Servo Circle; //1
Servo Base; //2
Servo Elbow;  //3
Servo Wrist; //4

int posCircle = 0;
int posBase = 50;
int posElbow = 50;
int posGH = 50;

int state = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Elbow.attach(7);
  Base.attach(8);
  Circle.attach(9);
  Wrist.attach(10);
  delay(1000);
  control(1, posCircle);
  control(2, posBase);
  control(3, posElbow);
  control(4, posGH);
}

void loop() 
{

if(Serial.available() > 0)
{
char cmd = Serial.read();

switch (state) {
    case 0:
     if(cmd == 'A') state = 1;
     if(cmd == 'B') state = 2;
     if(cmd == 'C') state = 3;
     if(cmd == 'D') state = 4;
    
      break;
      
    case 1:
            
             switch (cmd)
             {
              case '0':
              Left();
              break;
			  
              case '1':
              //do nothing
              break;
			  
              case '2':
              Right();
              break;
			  
              case '3':
              posCircle = 0;
              break;
             }
             state = 0;
      break;
      
      case 2:
            
             switch (cmd)
             {
              case '0':
              downBase();
              break;
			  
              case '1':
              //do nothing
              break;
			  
              case '2':
              upBase();
              break;
			  
              case '3':
              posBase = 50;
              break;
             }
             state = 0;
      break;
      
      case 3:
       
             switch (cmd)
             {
              case '0':
              downElbow();
              break;
			  
              case '1':
              //do nothing
              break;
			  
              case '2':
              upElbow();
              break;
			  
              case '3':
              posElbow = 50;
              break;
			  
              case '4':
              posElbow = 10;
              break;
             }
             state = 0;
      break;
      
      case 4:
          
             switch (cmd)
             {
              case '0':
              break;
			  
              case '1':
              break;
			  
              case '2':
              break;
			  
              case '3':
              posGH = 50;
              break;
             }
             state = 0;
      break;
   
  }
  
}
       
}

void control(int motor, int angle)
{
switch (motor) {
    case 1:
    if(angle >= 0) if(angle <= 140) Circle.write(angle + 10);                         
    break;
    
    case 2:
    if(angle >= 0) if(angle <= 60) Base.write(140 - angle);
    break;

    case 3:
    if(angle >= 0) if(angle <= 70) Elbow.write(80 - angle);
    break;

    case 4:
    if(angle >= 0) if(angle <= 65) Wrist.write(75 - angle);
    break; 
  }  
}

void Left()
{
if(posCircle <= 136)
{
  posCircle = posCircle + 4;
}
else posCircle = 140;
control(1, posCircle);
}

void Right()
{
if(posCircle >= 4)
{
  posCircle = posCircle - 4;
}
else posCircle = 0;
control(1, posCircle);
}

///////////////////////////////////
void downElbow()
{
if(posElbow >= 4)
{
  posElbow = posElbow - 4;
}
else posElbow = 0;
control(3, posElbow);
}

void upElbow()
{
if(posElbow <= 66)
{
  posElbow = posElbow + 4;
}
else posElbow = 70;
control(3, posElbow);
}
//////////////////////////////////////
void downBase()
{
if(posBase >= 4)
{
  posBase = posBase - 4;
}
else posBase = 0;
control(2, posBase);
}

void upBase()
{
if(posBase <= 56)
{
  posBase = posBase + 4;
}
else posBase = 60;
control(2, posBase);
}

第2步：如何制作演示App

为了制作一个类似的应用程序，我们需要知道如何使用C＃编写应用程序。由于Windows Forms App很简单，并且拥有在线文档，需要时可以随时获取，因此我们采用了该App。对于这个项目，我们需要Visual Studio和.NET framework（您可以在这里下载这两个程序）。下载并安装文件后，我们就可以开始制作应用程序。

首先，我们需要创建一个新工程。创建新工程的步骤如下：点击File→New→Project和Windows Forms App(.NET Framework)。

图5: 如何在Visual Studio中制作App

此时系统会显示一个带有窗体的窗口——这是应用程序自动生成的格式。右侧（Properties）是表格属性，您可以根据自己的偏好进行调整。左侧（Toolbox）提供应用程序使用的功能，比如按钮、复选框、串口等。

图6: Visual Studio中的App属性

对于测试演示，我们可以制作这样一个应用程序：点击按钮，系统显示一条文本信息。

双击Toolbox（工具箱）中的按钮，程序会在左上角自动添加一个按钮。该按钮会被命名为“button1”，因为.NET Framework会对按钮类实例进行自动编号。在button1属性中，我们可以将Text从button1改为Click here！现在，我们需要编写代码，以便让按钮起作用（双击图形界面上的按钮）:

namespace WindowsFormsApp3
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            MessageBox.Show("App made for DevicePlus");
        }
    }
}

当用户点击该按钮时，上述代码会显示一个文本。具体结果如图7所示。