21、机器人搭建与模拟库使用指南

机器人搭建与模拟库使用指南

1. 推物机器人的搭建

推物机器人能够借助直流电机沿着轨道前后移动，利用摄像头寻找带有匹配二维码的物体，一旦找到，就可以通过连接在舵机上的机械臂将物品从台子上推下。以下是搭建该机器人的具体步骤：
1. 完成移动机器人配置 ：先完成移动机器人的配置，然后将 Pibow 外壳从机器人底盘上拆卸下来。
2. 安装云台套件 ：
- 裁剪一块纸板，将其固定在底盘上，再使用胶水或双面泡沫胶带把云台套件（Pan - Tilt Kit）安装到纸板上。也可以用短尺子代替纸板。
- 要把云台套件安装在树莓派没有端口的那一侧，这样安装摄像头和舵机就不会挡住端口。
3. 安装摄像头 ：
- 像之前一样，通过对齐魔术贴方块，将 Pibow 外壳重新安装到机器人底盘上。
- 在 Pibow 外壳侧面粘贴一些魔术贴方块，以便将摄像头安装到机器人侧面。
- 把摄像头安装到机器人侧面，安装后摄像头外壳会放置在机器人底盘上，摄像头的排线从顶部引出，这会使拍摄的视频上下颠倒，但可以在软件中通过翻转图像来解决。
4. 制作舵机臂 ：
- 使用云台套件的倾斜舵机作为推动物体的舵机，利用套件上的安装支架的侧片和插槽来固定一个机械臂，以扩大舵机的作用范围。
- 可以用铅笔作为机械臂，将橡皮擦一端朝下，用两个扎带固定铅笔，一个扎带在侧片上方，一个在下方，确保扎带拧紧。

以下是搭建流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[完成移动机器人配置] --> B[拆卸 Pibow 外壳]
    B --> C[裁剪纸板并安装云台套件]
    C --> D[重新安装 Pibow 外壳]
    D --> E[粘贴魔术贴方块]
    E --> F[安装摄像头]
    F --> G[制作舵机臂]

2. 推物机器人轨道的创建

推物机器人需要在轨道上前后移动，我们可以用两根棍子或杆子来创建轨道，并在轨道两端放置书籍以固定轨道。具体步骤如下：
1. 放置轨道材料 ：取两根棍子或杆子，将它们平行放置在桌子上。
2. 调整轨道间距 ：让两根棍子之间的距离尽可能靠近，刚好能贴合机器人的轮胎。同时，将机器人要推的物品沿着桌子边缘放置，使二维码朝向机器人。
3. 固定轨道 ：在轨道两端放置一些书籍，确保轨道在机器人移动时不会移位。
4. 设置标记 ：在轨道起点放置起始标记，在轨道末端放置结束标记。

3. 零食盒的设置

零食盒可以是任何带有所需二维码的容器或包装，二维码应贴在容器正面，尺寸建议为宽和高均为 6 厘米，以便摄像头能轻松读取。二维码要面向机器人，测试表明摄像头与二维码之间保持 8 厘米的距离效果较好。

4. 模拟 CRICKIT 库的安装与使用

模拟 Adafruit Python CRICKIT 库在测试软件时非常有用，它能让我们在没有机器人硬件的情况下运行代码，还能在非树莓派的 Linux 系统上执行代码，提供更好的编码体验。

4.1 安装模拟库

将以下脚本保存为 adafruit_crickit.py 文件：

#!/usr/bin/env python3
import os
from unittest.mock import Mock, PropertyMock
from functools import partial
DEBUG = bool(os.environ.get('ROBO_DEBUG'))
PROP_VALUES = {'touch_1.value': True}
def print_msg(msg):
    if DEBUG:
        print('MOCK_CRICKIT:', msg)
def prop_access(name, *args):
    action = 'set' if args else 'get'
    if action == 'set':
        PROP_VALUES[name] = args[0]
    val = PROP_VALUES.get(name)
    print_msg(f'{action} crickit.{name}: {val!r}')
    return val
def pixel_fill(val):
    print_msg(f'call crickit.onboard_pixel.fill({val!r})')
def add_property(name):
    parent, child = name.split('.')
    property_mock = PropertyMock(side_effect=partial(prop_access, name))
    setattr(type(getattr(crickit, parent)), child, property_mock)
crickit = Mock()
crickit.onboard_pixel.fill = Mock(side_effect=pixel_fill)
names = [
    'onboard_pixel.brightness', 'touch_1.value', 'dc_motor_1.throttle',
    'dc_motor_2.throttle', 'servo_1.angle', 'servo_2.angle',
    'servo_1.actuation_range', 'servo_2.actuation_range']
for name in names:
    add_property(name)
def demo():
    print('starting mock_crickit demo...')
    crickit.onboard_pixel.brightness = 0.01
    crickit.onboard_pixel.fill(0xFF0000)
    crickit.touch_1.value
    crickit.dc_motor_1.throttle = 1
    crickit.dc_motor_2.throttle = -1
    crickit.servo_1.angle = 70
    crickit.servo_1.angle
    crickit.servo_2.angle = 90
    crickit.servo_2.angle
    crickit.servo_1.actuation_range = 142
    crickit.servo_2.actuation_range = 180
if __name__ == "__main__":
    demo()

4.2 运行模拟库示例

设置环境变量并运行脚本：

$ export ROBO_DEBUG=1
$ ./adafruit_crickit.py

输出示例：

starting mock_crickit demo...
MOCK_CRICKIT: set crickit.onboard_pixel.brightness: 0.01
MOCK_CRICKIT: call crickit.onboard_pixel.fill(16711680)
MOCK_CRICKIT: get crickit.touch_1.value: True
MOCK_CRICKIT: set crickit.dc_motor_1.throttle: 1
MOCK_CRICKIT: set crickit.dc_motor_2.throttle: -1
MOCK_CRICKIT: set crickit.servo_1.angle: 70
MOCK_CRICKIT: get crickit.servo_1.angle: 70
MOCK_CRICKIT: set crickit.servo_2.angle: 90
MOCK_CRICKIT: get crickit.servo_2.angle: 90
MOCK_CRICKIT: set crickit.servo_1.actuation_range: 142
MOCK_CRICKIT: set crickit.servo_2.actuation_range: 180

4.3 安装到 Python 虚拟环境

可以将模拟库安装到任意 Python 虚拟环境中，代码和安装程序可在 GitHub（https://github.com/marwano/robo）上找到。在包含 setup.py 脚本的目录下运行以下命令：

(main) robo@robopi:/tmp$ cd mock_crickit
(main) robo@robopi:/tmp/mock_crickit$ pip install .

安装完成后，运行 pip list 可以查看已安装的包：

(main) robo@robopi:/tmp/mock_crickit$ pip list
Package      Version
------------ -------
mock-crickit 1.0
pip          23.1.2
setuptools   59.6.0

4.4 验证模拟库功能

使用以下命令调用 demo 函数来验证库是否正常工作：

(main) robo@robopi:~$ python -m adafruit_crickit

通过使用这个模拟库，项目可以在多种硬件上运行，例如 Linux 系统的笔记本电脑或台式机可以使用附录中提到的操纵杆硬件，任何标准网络摄像头都可以替代树莓派摄像头模块，且无需修改代码，就能实现人脸和二维码检测的计算机视觉功能。

以下是模拟库安装与使用的步骤表格：
| 步骤 | 操作 | 命令示例 |
| ---- | ---- | ---- |
| 1 | 保存脚本 | 将代码保存为 adafruit_crickit.py |
| 2 | 运行示例 | export ROBO_DEBUG=1; ./adafruit_crickit.py |
| 3 | 安装到虚拟环境 | cd mock_crickit; pip install . |
| 4 | 查看安装包 | pip list |
| 5 | 验证功能 | python -m adafruit_crickit |

5. 相关代码与功能索引

在整个机器人搭建与模拟库使用的过程中，涉及到了众多的代码和功能，下面对一些关键的代码和功能进行索引说明。

代码/功能	说明
backward function	控制机器人向后移动的函数
forward function	控制机器人向前移动的函数
detect_face function	用于人脸检测的函数
decode_qr function	用于二维码解码的函数
call_api function	调用 API 的函数
call_robot function	调用机器人相关操作的函数

以下是部分代码功能的 mermaid 流程图，展示了人脸检测和二维码解码的大致流程：

graph LR
    A[开始] --> B[读取图像]
    B --> C{是否为人脸检测}
    C -- 是 --> D[调用 detect_face function]
    D --> E[标记人脸]
    E --> F[输出结果]
    C -- 否 --> G{是否为二维码解码}
    G -- 是 --> H[调用 decode_qr function]
    H --> I[获取解码数据]
    I --> F
    G -- 否 --> J[其他操作]
    J --> F

6. 硬件相关信息

在搭建机器人的过程中，硬件的选择和配置至关重要。以下是一些硬件的相关信息：

硬件名称	说明
Adafruit CRICKIT HAT	用于树莓派的扩展板，可控制电机、舵机等
Anker PowerCore Select 10000 电源银行	为机器人提供电源
电机和底盘套件	构成机器人的移动基础
操纵杆控制器	用于手动控制机器人

7. 常见问题与解决方法

在机器人搭建和模拟库使用过程中，可能会遇到一些常见问题，下面为大家列举并给出解决方法。

问题	解决方法
摄像头拍摄的视频上下颠倒	在软件中通过翻转图像来解决，例如在视频捕获时进行图像翻转操作
模拟库安装失败	检查网络连接，确保在包含 setup.py 脚本的目录下运行 pip install . 命令，也可以查看 GitHub 上的项目说明获取更多帮助
机器人移动异常	检查电机连接是否正常，检查代码中控制电机的参数是否正确

8. 总结

通过以上的步骤和说明，我们完成了推物机器人的搭建、轨道的创建、零食盒的设置，并且学会了如何安装和使用模拟 CRICKIT 库。在搭建过程中，我们需要注意硬件的安装和连接，确保各个部件正常工作。在使用模拟库时，要按照正确的步骤进行安装和验证，以便在没有实际机器人硬件的情况下也能进行代码的测试和开发。

整个过程涉及到了机器人控制、计算机视觉、软件模拟等多个领域的知识和技术，希望大家能够通过这些内容，更好地理解和掌握机器人搭建和开发的相关技能。同时，在实际操作中遇到问题时，可以参考前面提到的常见问题解决方法，或者进一步查阅相关资料进行解决。

以下是整个机器人搭建与模拟库使用的整体步骤列表：
1. 推物机器人的搭建
- 完成移动机器人配置
- 安装云台套件
- 安装摄像头
- 制作舵机臂
2. 推物机器人轨道的创建
- 放置轨道材料
- 调整轨道间距
- 固定轨道
- 设置标记
3. 零食盒的设置
- 准备带二维码的容器
- 调整二维码尺寸和朝向
4. 模拟 CRICKIT 库的安装与使用
- 保存脚本
- 运行示例
- 安装到虚拟环境
- 查看安装包
- 验证功能

通过遵循这些步骤，你可以顺利地完成机器人的搭建和模拟库的使用，开启机器人开发的新旅程。