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在智能機器人手臂–第1部分：機械結(jié)構(gòu)和接線中，我們已經(jīng)將機械手臂的本體組裝在一起。機械手臂搭載了一個網(wǎng)絡(luò)攝像頭和一個麥克風(fēng)，以進(jìn)行人臉和物體識別以及語音識別。這款在短短15小時內(nèi)開發(fā)出來的機器人手臂在MakeMIT硬件馬拉松項目中排名前10。

該機器人手臂的主要功能是結(jié)合語音命令檢測彩色物體（例如紅球或藍(lán)球）、拾取物體、進(jìn)行人臉識別，并將物體移交給指定的人物/用戶。為了成功實現(xiàn)這些功能，我們集成了多個平臺，比如OpenCV、Microsoft Cognitive Services Speech、Speaker Recognition API以及Open Weather API。

硬件

根據(jù)第1部分：

Arduino Uno

麥克風(fēng)

網(wǎng)絡(luò)攝像頭

伺服電機

軟件

Arduino IDE

Visual Studio

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

第1步：制作App

我們已經(jīng)設(shè)法打造了一個能夠處理語音命令的機器人手臂。人們說出要求后，該手臂會找到目標(biāo)物體并將其交給指定人物（機器人可以區(qū)分不同的人）。此外，它還可以播放在線音樂或告訴您當(dāng)前的天氣情況。

該應(yīng)用程序的軟件部分用Visual Studio 2015完成。Visual Studio簡單易用，并且提供了很多功能。其中一個功能就是Emgu CV——一個用于調(diào)用OpenCv函數(shù)的包裹函數(shù)庫。此功能通過Visual Studio Windows Forms實現(xiàn)，在處理圖像時非常重要。

如果想啟動項目，您只需在電腦上安裝Emgu CV即可。具體步驟如下:

1. 下載EmguCV
您可以點擊本頁 “構(gòu)建示例”下方的超鏈接下載Emgu CV工程:

圖1: 如何下載EmguCV

2. 添加文件
由于您需要使用添加庫，因此應(yīng)將它們包含在Visual Studio中。OpenCV基于C/C++語言開發(fā)，如果您想在C＃中使用，那么需要添加DLL（動態(tài)鏈接庫）文件——處理視頻時必須包含DLL文件。參考文件位于Visual Studio菜單的Solution Explorer處.

圖2: 參考文件位置

如果您想添加更多文件，請點擊References -> Add references，然后從下載的文件中選擇以下內(nèi)容:

圖3: 參考管理器（Reference Manager）

更多信息可以參考以下鏈接：https://www.emgu.com/wiki/index.php/Setting_up_EMGU_C_Sharp

3. 示例

在下載的庫中，您可以找到更多使用視頻處理（運動檢測、人臉檢測和攝像頭捕捉）的程序代碼示例.

圖4: OpenCV應(yīng)用示例

4. Arduino程序

Arduino代碼具有4個命令：up/down負(fù)責(zé)控制伺服電機；reset是指在出現(xiàn)問題時重置機器人手臂位置；某個部件沒有動作時則使用do nothing。程序具有四個自由度:

circle – 手臂可以旋轉(zhuǎn);

base – 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)攝像頭的傾斜度;

elbow– 旨在獲取手臂的最佳位置;

wrist – 調(diào)整抓握力.

每個伺服電機都有一個給定命令，并且使用不同引腳進(jìn)行控制：Elbow使用引腳7；Base使用引腳8；Circle使用引腳9；Wrist使用引腳10。對于伺服電機控制，C＃應(yīng)用程序通過串行傳輸發(fā)送4個字母，每個狀態(tài)對應(yīng)于一個具體的電機控制指令:

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);

根據(jù)伺服電機的運動角度，代碼分為控制和命令指令。

在Case 1中，Circle（旋轉(zhuǎn)）運動的命令為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，我們考慮基座和肘部的伺服電機，這意味著他們可以上/下（up/down）引導(dǎo)手臂；遇到錯誤時，機器人手臂會把自己設(shè)置為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，我們需要控制爪鉗，這個非常簡單——將其初始位置設(shè)置為posGH = 50;

請將以下代碼添加到Arduino UNO中，以進(jìn)行機器人手臂控制:

// 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

為了制作一個類似的應(yīng)用程序，我們需要知道如何使用C＃編寫應(yīng)用程序。由于Windows Forms App很簡單，并且擁有在線文檔，需要時可以隨時獲取，因此我們采用了該App。對于這個項目，我們需要Visual Studio和.NET framework（您可以在這里下載這兩個程序）。下載并安裝文件后，我們就可以開始制作應(yīng)用程序。

首先，我們需要創(chuàng)建一個新工程。創(chuàng)建新工程的步驟如下：點擊File→New→Project和Windows Forms App(.NET Framework)。

圖5: 如何在Visual Studio中制作App

此時系統(tǒng)會顯示一個帶有窗體的窗口——這是應(yīng)用程序自動生成的格式。右側(cè)（Properties）是表格屬性，您可以根據(jù)自己的偏好進(jìn)行調(diào)整。左側(cè)（Toolbox）提供應(yīng)用程序使用的功能，比如按鈕、復(fù)選框、串口等。

圖6: Visual Studio中的App屬性

對于測試演示，我們可以制作這樣一個應(yīng)用程序：點擊按鈕，系統(tǒng)顯示一條文本信息。

雙擊Toolbox（工具箱）中的按鈕，程序會在左上角自動添加一個按鈕。該按鈕會被命名為“button1”，因為.NET Framework會對按鈕類實例進(jìn)行自動編號。在button1屬性中，我們可以將Text從button1改為Click here！現(xiàn)在，我們需要編寫代碼，以便讓按鈕起作用（雙擊圖形界面上的按鈕）:

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

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

當(dāng)用戶點擊該按鈕時，上述代碼會顯示一個文本。具體結(jié)果如圖7所示。

圖7: 演示App

第3步：App屬性

憑借.NET、OpenCV和Microsoft API的功能，我們能夠制作出完整的應(yīng)用程序。對于該應(yīng)用程序，我們需要按鈕、串口和文本框。

黑色窗口會顯示來自攝像頭的圖像，窗口中還會添加一個鏡頭框，框內(nèi)顯示人物名稱。

左側(cè)的白色窗口可以添加TTS API（文本轉(zhuǎn)語音）的文本，提供反饋以檢查工作，并檢查說出的話語是否與顯示的字詞相符。

圖8: 機器人手臂應(yīng)用程序

第4步：人臉識別

為了獲得更好的程序結(jié)果，您需要在訓(xùn)練模式下添加多個臉部記錄。訓(xùn)練是指通過拍攝多個臉部位置以獲得最佳識別（不同拍攝角度、光線條件等）。您需要按下Record 10 Faces按鈕，通過應(yīng)用程序記錄臉部畫面。

在代碼中，實現(xiàn)這個功能的語句為Face = Parent.faceClassifier；這通過EmguCV平臺完成。人臉檢測通過基于主成分分析（PCA）的復(fù)雜算法實現(xiàn)，系統(tǒng)會將檢測到的臉部與訓(xùn)練后存儲的圖像進(jìn)行多次比較。

圖9: 人臉檢測

藍(lán)色矩形中的圖像是需要存儲的圖像，因為它包含面部的獨特特征。

我們需要在不同的位置和不同的光線下獲取更多的面部特征:

圖10: 添加更多人臉進(jìn)行訓(xùn)練

經(jīng)過一系列面部檢測拍攝，如果您認(rèn)為之前記錄的臉部圖像不利于算法計算，那么可以點擊Restart 1 Face按鈕刪除已經(jīng)保存的文件，系統(tǒng)將不再檢測該臉部信息。

如果要記錄多個人、讓機器人手臂可以區(qū)分許多個人，那么可以使用Delete Data按鈕刪除照片。

圖11:重啟訓(xùn)練模式

錄制更多圖像后，該算法應(yīng)該能夠檢測人臉，并在藍(lán)框上方顯示名稱。機器人可以精確檢測像眼鏡這樣的特征，因為這些特征屬于區(qū)別性特征.

圖12: 訓(xùn)練之后的結(jié)果

第5步：天氣API

通過天氣API，我們可以根據(jù)以下方式收集城市數(shù)據(jù)：城市名稱、城市ID、地理坐標(biāo)甚至郵政編碼。該API的優(yōu)點是免費且易于使用。但是該API有一個限制：使用次數(shù)或者流量不能超過60次/分鐘或50k/天，如果違反該規(guī)定，您的帳戶將被封鎖。

在本教程中，我們選擇根據(jù)城市ID調(diào)用API。每個城市都有一個ID，詳細(xì)信息請參見https://bulk.openweathermap.org/sample/city.list.json.gz。擴展名.json用于在瀏覽器和服務(wù)器之間進(jìn)行交換數(shù)據(jù)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)是文本格式時才能實現(xiàn)通信。

我們已經(jīng)將數(shù)據(jù)用作WebClient類——這使得文件下載更加輕松。在我們的例子中，構(gòu)造函數(shù)WebClient用于初始化一個新的實例:

WebClient client = new WebClient();

我們需要將數(shù)據(jù)編碼為UTF8格式，這意味著系統(tǒng)用8位塊來表示字符，具體指令如下：client.Encoding = System.Text.Encoding.UTF8

如果互聯(lián)網(wǎng)連接出現(xiàn)問題，無法建立連接時，程序會自動顯示消息“Internet Connection failed–throw new WeatherDataServiceException”。通過throw我們可以創(chuàng)建一個異常。

在C＃中，我們可以使用try和catch來解決部分代碼無法成功的情況。

結(jié)合文本轉(zhuǎn)語音API，如果用戶詢問天氣情況，系統(tǒng)會發(fā)出以下聲音：“The weather in Boston is（波士頓的天氣是）…”。

第6步：語音合成

當(dāng)您使用文本轉(zhuǎn)語音API時，您需要一個可以快速處理的文件——這就是我們需要使用服務(wù)器的原因。對于BING API，我們需要授權(quán)令牌，具體信息請參閱https://api.cognitive.microsoft.com/sts/v1.0/issueToken。

該API的有效期為10分鐘。這是一個非常棒的計時器，可以計數(shù)到9，同時每9分鐘更新一次連接。

如下圖所示，您可以看到語音合成的最終結(jié)果是“Testing the app for Device Plus”。

圖13: 測試API

總體來說，這是一個有趣的項目。該項目讓我懂得硬件和軟件之間的良好同步對于實現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。使用Visual Studio的很多庫使項目有點復(fù)雜，但最終結(jié)果令人滿意。

我認(rèn)為這種項目可以通過多種方式進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn)，以滿足每個用戶的需求。

Tiberia Todeila

Tiberia目前是布加勒斯特理工大學(xué)電氣工程學(xué)院的大四學(xué)生。她非常熱衷于智能家居設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)，旨在讓我們的日常生活更加輕松。

審核編輯黃宇