Arduino藍牙手套第二部分-安裝所有零件

Ivan Petrov

Published by Ivan Petrov at 2021.04.22

手指彎曲測量

首先，為了測量手指的彎曲（手指彎折）資訊，我們必須將手指彎曲程度轉換為電位計的旋轉度。我們可以透過簡單的機械系統來實現這一目的，如下圖所示：

圖1：用於測量手指彎曲程度的機械系統示意圖

為了在現實生活中進行應用，我們需要先在實體建模編輯器（如Autodesk Inventor）中進行建模。

圖2：用於測量手指彎曲程度的機械系統模型

接下來，我們需要將模型用3D列印技術製造出來。STL檔是所有3D印表機中常見的3D模型類型。只需要將所有模型分別匯出成STL檔，並發送到3D印表機即可。如想查看已編譯的3D設計檔，請點擊此處。

圖3：手指機械系統的3D列印零件

取用電位計（不帶黑色旋鈕/手柄）、螺絲、螺母以及3D列印零件，然後如圖4所示進行組裝。

圖4：手指基本單元組裝

如圖5所示擰入關節。然後，我們將黑色手柄與擰入的手指關節粘合在一起。

圖5：手指關節組裝細節

圖6：帶有扣件的基本手指單元

將關節擰緊後，我們要將組裝好的手指粘合到手套上。粘合使用的是超強力的多用途膠水。粘合前，表面必須保持清潔和乾燥。然後在兩個表面塗一層薄薄的膠水，等待10到15分鐘後，將表面用力按壓幾秒鐘。如有必要，您可以在每個單元周圍也散佈一些膠水。建議您將其晾乾約24小時。

* 黏貼時請切勿將手指伸入手套，使用紙板或其他材料。

圖7：將基本單元粘合到近端指骨上（在每根手指的底部）

現在我們開始粘合手指關節。去除關節部分和兩一個粘性扣件，然後將他們黏貼在手指的指甲上方（圖8 & 9）。

圖8：粘合手指關節

圖9：手指關節組裝（粘合完成）

將黑色手柄插入電位計孔中，以連接兩個組裝好的零件。

耐心對每根手指再重複9次相同的操作。

整個模組的接線圖如下所示。

圖10：Arduino手套電路圖

現在，我們來對手指進行連線吧！

準備紅色和黑色的電線，以及三根分別帶有白光、黃色和黑色標記的電線。此處強烈建議將顏色編碼，以避免混淆。

如圖11所示，將黑色標記和黃色標記的電線焊接到電位計上。

圖11：焊接電位計

用塑膠紮線帶捆紮電線，以避免其受任何機械外力破壞。

圖12：用紮線帶束緊電線

接下來，您需要將黑色標記的電線與黑色電線以及黃色和白光標記的電線焊接到電阻上。紅色電線必須焊接到電阻的另一端，白光標記的電線連接至Arduino類比輸入端。

圖13：焊接一個手指單元

圖14：將黑色和紅色標記的電線整合

焊接完所有單元後，我們將用熱縮管對電線進行收縮，並用束線帶將電線整合。

圖15：手指與主體連接

圖16：將組裝好的手指與Arduino連接

圖17：處理器主體（Arduino）

圖18：IMU感測器連接

圖19：組裝好的Arduino手套

組裝完成！我們繼續進行程式設計部分。

安裝新版本的 IMU Library 。請參考第一部分瞭解如何安裝該程式館。

打開 bending.ino 並將其上傳到Arduino Uno。

#include "glove.h"

TFinger Finger1 = TFinger(A0);
TFinger Finger2 = TFinger(A1);
TFinger Finger3 = TFinger(A2);
TFinger Finger4 = TFinger(A3);
TFinger Finger5 = TFinger(A4);

void setup()
{
  Serial.begin (9600); // Open the serial port
  Serial.println ("Be ready to set min, in 3...");
  delay(1000);
  Serial.println ("2...");
  delay(1000);
  Serial.println ("1...");
  delay(1000);
  Finger1.setmin();
  Finger2.setmin();
  Finger3.setmin();
  Finger4.setmin();
  Finger5.setmin();
  Serial.println ("Minimum is set");
  Serial.println ("Be ready to set max, in 3...");
  delay(1000);
  Serial.println ("2...");
  delay(1000);
  Serial.println ("1...");
  delay(1000);
  Finger1.setmax();
  Finger2.setmax();
  Finger3.setmax();
  Finger4.setmax();
  Finger5.setmax();
  Serial.println ("Maximum is set");
  Finger1.calibrate();
  Finger2.calibrate();
  Finger3.calibrate();
  Finger4.calibrate();
  Finger5.calibrate();
  Serial.println ("Calibrated");
}

void loop()
{
  Serial.print ( Finger1.read() );
  Serial.print ("\t");
  Serial.print (Finger2.read());
  Serial.print ("\t");
  Serial.print (Finger3.read());
  Serial.print ("\t");
  Serial.print (Finger4.read());
  Serial.print ("\t");
  Serial.print (Finger5.read());
  Serial.println ("\t");
  delay(300);
//  
}

#include "glove.h"

TFinger Finger1 = TFinger(A0);

TFinger Finger2 = TFinger(A1);

TFinger Finger3 = TFinger(A2);

TFinger Finger4 = TFinger(A3);

TFinger Finger5 = TFinger(A4);

void setup()

{

Serial.begin (9600); // Open the serial port

Serial.println ("Be ready to set min, in 3...");

delay(1000);

Serial.println ("2...");

delay(1000);

Serial.println ("1...");

delay(1000);

Finger1.setmin();

Finger2.setmin();

Finger3.setmin();

Finger4.setmin();

Finger5.setmin();

Serial.println ("Minimum is set");

Serial.println ("Be ready to set max, in 3...");

delay(1000);

Serial.println ("2...");

delay(1000);

Serial.println ("1...");

delay(1000);

Finger1.setmax();

Finger2.setmax();

Finger3.setmax();

Finger4.setmax();

Finger5.setmax();

Serial.println ("Maximum is set");

Finger1.calibrate();

Finger2.calibrate();

Finger3.calibrate();

Finger4.calibrate();

Finger5.calibrate();

Serial.println ("Calibrated");

}

void loop()

{

Serial.print ( Finger1.read() );

Serial.print ("\t");

Serial.print (Finger2.read());

Serial.print ("\t");

Serial.print (Finger3.read());

Serial.print ("\t");

Serial.print (Finger4.read());

Serial.print ("\t");

Serial.print (Finger5.read());

Serial.println ("\t");

delay(300);

}

您將會看到如圖20所示的運行結果：

圖20：手指彎折讀取結果

請注意，必須遵循校準程式才能夠對資料進行準確測量。

IMU資料融合

在 Arduino藍牙手套第一部分 – 基礎中，我們介紹了IMU感測器的基礎知識。現在，我們將來學習如何整合陀螺儀和加速度計的資料。

首先，我們返回並查看之前的測量結果。

圖21：IMU感測器讀數

如果仔細研究L3G4200D資料表和IMU程式館，您就會發現MEMS陀螺儀以原始數位單元來測量角速度，而IMU程式館的函數可使數位單元轉換為每秒的角度（dsp）。

例如，陀螺儀返回12492數位值：

如果將陀螺儀配置為“測量範圍±250 dps”，則該值將乘以0.00875 dps/數位，計算得到109.30 dps角速度。（109.30 dps表示具有該角速度的物體繞測量軸旋轉一周大約需要四秒鐘）。
如果將陀螺儀配置為“測量範圍±2000 dps”，則該值將乘以0.07 dps/數位，計算得到874.44 dps的角速度。（874.44 dps表示具有該角速度的物體繞測量軸旋轉一周大約需要2.5秒鐘）。

感測器的靈敏度表示的是該感測器可檢測到的最小變化值。請注意，範圍約大，您從陀螺儀獲得的靈敏度越低。

角速度是透過陀螺儀測量的值。因此，陀螺儀能夠估計人體繞某個軸旋轉的速度。在實際應用中，需要確定我們手套的位置。我們可以透過整合所有角速度值，然後除以時間變化，來估算當前角位置。

因為角速度的測量不是連續的，而是離散的，所以我們會得到一個叫做漂移的誤差。之所以稱為“漂移”，是因為即使身體處於靜止狀態，這些角位置變化的總和也會發生浮動。

我們一起看下面的陀螺儀漂移範例：

#include  // Library for I²C
#include  // Library for working with IMU modules

Gyroscope gyro; // Create an object to work with Gyroscope

// Time Variables
unsigned long starttime;
unsigned long endtime;
float dt;
int ticker = 0;
bool firstcall=true; // Indicator of a first iteration
// Angle Variables
float gyro_rateX, gyro_rateY, gyro_rateZ;
float Pitch=0;
float Roll=0;
float Yaw=0;

void setup ()
{
Serial.begin (9600); // Open the serial port
Serial.println ("Begin init ..."); // Display a message on the beginning of the initialization
gyro.begin (); // Initialize the gyroscope at 100Hz Output Data Rate
gyro.setRange(RANGE_2000); // set the gyroscope at 2000 dps range sensitivity
Serial.println ("Init completed"); // Display a message about the successful initialization
Serial.println ("Gyroscope");
}

void loop ()
{
endtime = micros(); // End time for the current Measurement
if (firstcall)
  {
  firstcall=false;
  }
else
  {
  dt = (float)(endtime - starttime)/1000000; // Get time beetween measurements
  gyro_rateX=gyro.readX_DegPerSec(); // Current Angle rate around the X-axis
  gyro_rateY=gyro.readY_DegPerSec(); // Current Angle rate around the Y-axis
  gyro_rateZ=gyro.readZ_DegPerSec(); // Current Angle rate around the Z-axis
  Pitch += 1 * gyro_rateX * dt; // Current Angle around the X-axis
  Roll += 1 * gyro_rateY * dt; // Current Angle around the Y-axis
  Yaw += 1 * gyro_rateZ * dt; // Current Angle around the Z-axis
  delay (10);
  }
starttime = micros(); // Start time for the next Measurement

if (ticker > 30) // Print Message every 300 ms
  {
	ticker=0;
	Serial.print (Roll); // Output angular velocity around the axis X
	Serial.print ("\t");
	Serial.print (Pitch); // Output of the angular velocity around the Y axis
	Serial.print ("\t");
	Serial.print (Yaw); // Output of the angular velocity about the Z axis
	Serial.print ("\t");
	Serial.println ("");
  }
  else {ticker++;}

}

#include // Library for I²C

#include // Library for working with IMU modules

Gyroscope gyro; // Create an object to work with Gyroscope

// Time Variables

unsigned long starttime;

unsigned long endtime;

float dt;

int ticker = 0;

bool firstcall=true; // Indicator of a first iteration

// Angle Variables

float gyro_rateX, gyro_rateY, gyro_rateZ;

float Pitch=0;

float Roll=0;

float Yaw=0;

void setup ()

{

Serial.begin (9600); // Open the serial port

Serial.println ("Begin init ..."); // Display a message on the beginning of the initialization

gyro.begin (); // Initialize the gyroscope at 100Hz Output Data Rate

gyro.setRange(RANGE_2000); // set the gyroscope at 2000 dps range sensitivity

Serial.println ("Init completed"); // Display a message about the successful initialization

Serial.println ("Gyroscope");

}

void loop ()

{

endtime = micros(); // End time for the current Measurement

if (firstcall)

{

firstcall=false;

}

else

{

dt = (float)(endtime - starttime)/1000000; // Get time beetween measurements

gyro_rateX=gyro.readX_DegPerSec(); // Current Angle rate around the X-axis

gyro_rateY=gyro.readY_DegPerSec(); // Current Angle rate around the Y-axis

gyro_rateZ=gyro.readZ_DegPerSec(); // Current Angle rate around the Z-axis

Pitch += 1 * gyro_rateX * dt; // Current Angle around the X-axis

Roll += 1 * gyro_rateY * dt; // Current Angle around the Y-axis

Yaw += 1 * gyro_rateZ * dt; // Current Angle around the Z-axis

delay (10);

}

starttime = micros(); // Start time for the next Measurement

if (ticker > 30) // Print Message every 300 ms

{

ticker=0;

Serial.print (Roll); // Output angular velocity around the axis X

Serial.print ("\t");

Serial.print (Pitch); // Output of the angular velocity around the Y axis

Serial.print ("\t");

Serial.print (Yaw); // Output of the angular velocity about the Z axis

Serial.print ("\t");

Serial.println ("");

}

else {ticker++;}

}

如果讓IMU感測器保持不動，您將會看到漂移現象（圖22）。

圖22：陀螺儀漂移演示

如上所述，由於有漂移的趨勢，總和將會隨著時間的增加產生誤差。但我們可以透過計算和利用零速率電平來緩解漂移帶來的影響。

有關零速率電平的定義在陀螺儀資料表的“2.6.2 零速率電平”一節中有詳細描述。有這一現象的主要原因是在IMU上外加的機械應力，例如，在印刷電路板上焊接之後殘留的應力。當有了機械應力之後，零速率電平會隨溫度略有改變，所以這一變化也許就可以被忽略了。

圖23：基於零速率電平的陀螺儀測量

您可以點擊此處查看在新版本IMU程式館中的執行細節。

經過這些強化後，我們就可以使用陀螺儀資料了，但是只能短期使用。我們仍需要在長時間內能夠保持穩定的資訊。

加速度計是一種測量加速度的裝置。透過使用加速度計，我們可以根據計算獲得的重力向量來確定感測器工作平面的角度。但是，使用智慧手套時，感測器將測量所有其他加速度，包括手臂的運動，這可能會破壞所測量的重力向量。

低通濾波器可用於從隨機加速度中過濾掉重力向量。加速度計的測量值只適用於長期使用。

將感測器資料融合的最常見方法之一是使用功能強大的Kalman濾波器（很難理解，也很難在Arduino上實現）。

我們使用互補濾波器作為整合IMU資料的解決方案，這種濾波器非常易於理解，且容易在Arduino上實現。互補濾波器基本原理如下：

complementary filter

其中，Roll_i – 上一次反覆運算中計算出的橫滾角

gyroRoll_i+1 – 基於最近一次陀螺儀資料進行的最近一次測量所得到的角度變化

accelRoll_i+1 – 基於最近一次的加速度計資料計算出的橫滾角

Roll_i+1 – 最新計算得到的帶有互補濾波器的橫滾角

該濾波器可以在短期內利用陀螺儀的動態特性，並透過加速度計資料在長期內消除誤差。您可以自己進行測試，只需在Arduino IDE中打開imu_2.ino並將其上傳到您的Arduino IDE即可。

更新資訊發送端

當我們獲取測量資料時，必須使用無線藍牙連接來將資料傳送到PC。

首先，檢查Bluetooth Bee是否已正確配置。將Bluetooth Bee安裝在Xbee USB適配器上，將Bluetooth Bee換為AT模式，然後使用“AT+UART?”指令檢查UART配置。Bluetooth Bee應返回“115200,0,0”（序列傳輸速率115200位/秒，一個停止位，無同位檢查位元）。如果不是，請發送“AT+ UART=115200,0,0”指令來配置Bluetooth Bee，然後再次檢查UART配置。檢查後不要忘記斷路AT模式！

另外需要注意的是位於無線SD擴展板上的“序列選擇”切換，該切換將指定將無線連接所讀取的資料發送到何處。