描述

主意

如今，我們都面臨著 Covid-19 大流行；我們知道有多種感染方式，其中之一是觸摸被感染者或觸摸被感染者觸摸過(guò)的東西。事實(shí)上，病毒在某些表面上可以抵抗幾個(gè)小時(shí)。

在我們的日常生活中，我們觸摸了許多以前被別人觸摸過(guò)的物體。例如，當(dāng)我們進(jìn)入電梯時(shí)，我們必須按一個(gè)按鈕來(lái)選擇所需的樓層。

該項(xiàng)目針對(duì)所有在傳統(tǒng)鍵盤(pán)上中繼的機(jī)器（電梯自助加油站、公共飲水機(jī)）進(jìn)行教學(xué)，在這些機(jī)器中，用戶必須物理觸摸鍵盤(pán)的按鈕，從而使自己和他人面臨被感染的風(fēng)險(xiǎn)。該適配器可以針對(duì)每種鍵盤(pán)布局進(jìn)行配置，并且必須安裝在傳統(tǒng)鍵盤(pán)的頂部。它提供了一個(gè)免觸摸界面（紅外傳感器矩陣），用戶無(wú)需觸摸設(shè)備，因?yàn)楫?dāng)距離 2-3 厘米時(shí)檢測(cè)到手指的存在；然后適配器將負(fù)責(zé)按下物理按鈕。另一種交互是通過(guò)藍(lán)牙：在這種情況下，用戶必須通過(guò)掃描相關(guān)的二維碼將手機(jī)連接到適配器，然后他才能通過(guò)應(yīng)用程序與鍵盤(pán)交互，它在顯示器上再現(xiàn)了原始鍵盤(pán)的數(shù)字副本。如果您按下應(yīng)用程序中的按鈕，適配器將按下機(jī)器鍵盤(pán)上的該按鈕。

這個(gè)項(xiàng)目可以幫助防止病毒傳播的方式是它消除了機(jī)器和用戶之間的聯(lián)系。

這個(gè)項(xiàng)目也可以被看作是從今天我們?nèi)匀恍枰c機(jī)器進(jìn)行物理交互的世界到未來(lái)可能的世界的“橋梁”，在這個(gè)世界中，每次交互都是非接觸式的，甚至可能是由我們的思想控制的機(jī)器。

框圖

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主控制器是一個(gè) Arduino MKR 1010 WiFi，它負(fù)責(zé)通過(guò) BLE 與手機(jī)上的應(yīng)用程序通信并讀取 IR 矩陣（免觸摸界面）。它還通過(guò) I2C 與 Arduino Pro Micro 通信。

輔助控制器是 Arduino Pro Micro。這個(gè)小控制器處理電機(jī)和編碼器。它的工作是從主控制器接收目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，然后移動(dòng)軸以到達(dá)這些目標(biāo)位置。

該應(yīng)用程序是使用 Flutter 開(kāi)發(fā)的，該框架允許在 Dart 中編寫(xiě)應(yīng)用程序，然后為許多不同的操作系統(tǒng)（IOS、OSX、Android 等）生成應(yīng)用程序文件。

硬件

硬件是使用 Fusion 360 開(kāi)發(fā)的。它由一個(gè) 3 軸系統(tǒng)組成：X 軸和 Y 軸由兩個(gè)直流有刷電機(jī)移動(dòng)，Z 軸 I 由步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)。伺服電機(jī)上連接著物理按下鍵盤(pán)上按鈕的尖端。

除不銹鋼棒、螺釘和螺栓、電機(jī)等外，所有硬件均使用 PLA 進(jìn)行了 3D 打印。

通過(guò)查看 Fusion360 設(shè)計(jì)，可以輕松組裝硬件。https://a360.co/2YJQkPy這是在瀏覽器中查看設(shè)計(jì)和下載的鏈接

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這張圖片顯示了按下物理按鈕的尖端在哪里。

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軸編碼器

X軸和Y軸的編碼器集成在結(jié)構(gòu)中。特別是在每個(gè)齒輪支架上都有 2 個(gè)紅外發(fā)射器和 2 個(gè)接收器，并且齒輪具有間隙，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，從一個(gè) IR 接收器產(chǎn)生輸出，該輸出相對(duì)于另一個(gè) 90 度異相。

Z 軸不需要編碼器，因?yàn)樗呀?jīng)集成在伺服電機(jī)中。

Y軸一體式編碼器

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X軸一體式編碼器

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藍(lán)牙連接

要將應(yīng)用程序與鍵盤(pán)適配器連接，用戶只需掃描相關(guān)的二維碼。標(biāo)簽充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的參考點(diǎn)。

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給鍵盤(pán)拍照：一旦用戶給鍵盤(pán)拍照，圖像處理過(guò)程就開(kāi)始了。特別是應(yīng)用了高斯模糊濾波器，然后是邊緣檢測(cè)算法，最后是閉合路徑搜索算法。結(jié)果是包含鍵盤(pán)按鈕邊界的圖像。

處理后的鍵盤(pán)圖像。以紅色突出顯示按鈕邊界

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用戶必須選擇檢測(cè)到的閉合路徑邊界中的哪些是真正的按鈕。事實(shí)上，圖像中可能還有其他接近的路徑幾何形狀。選擇路徑后，必須提供按鈕的標(biāo)簽。

配置按鈕時(shí)，其邊界變?yōu)闇\藍(lán)色

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選擇所有按鈕后，需要按右上角的“下一步”按鈕保存配置，并在“保存”按鈕上仔細(xì)檢查布局后應(yīng)用更改。

配置檢查頁(yè)面

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紅外傳感器矩陣

墻壁頂部的孔用于插入紅外發(fā)射器和接收器

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紅外傳感器矩陣是無(wú)觸摸交互方式。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)可以在手指（或更一般地說(shuō)是一個(gè)物體）觸摸按鈕之前檢測(cè)到它。紅外發(fā)射器和接收器安裝在結(jié)構(gòu)墻壁頂部的孔中。在矩陣結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相鄰側(cè)有紅外發(fā)射器，在另外兩側(cè)有紅外接收器。

矩陣不是由主控制器（Arduino MKR 1010）直接控制的，因?yàn)橛?10 個(gè)發(fā)射器和 10 個(gè)接收器需要控制，并且需要大量的 GPIO。取而代之的是兩個(gè)電路：一個(gè)用于控制 IR 發(fā)射器，另一個(gè)用于控制接收器。第一個(gè)由兩個(gè) 3-8 通道解碼器組成，第二個(gè)由兩個(gè) 8-3 通道解復(fù)用器組成。這大大減少了控制矩陣所需的 GPIO 數(shù)量至僅 5 個(gè)（4 個(gè)輸出用于選擇激活哪對(duì) IR，1 個(gè)用于讀取所選對(duì)接收器的值）。

矩陣紅外發(fā)射器選擇器

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矩陣紅外接收器選擇器

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存儲(chǔ)鍵盤(pán)布局配置

鍵盤(pán)配置需要永久存儲(chǔ)在內(nèi)存中，以便在啟動(dòng)時(shí)加載。不幸的是，Arduino MKR 1010 的微控制器沒(méi)有集成的 EEPROM 存儲(chǔ)器，所以我決定使用一個(gè)外部的，它通過(guò) I2C 總線與主控制器通信。EEPROM IC 是 STMicroelectronics 24C04WP。它有 4kbit（512 字節(jié)）的可用內(nèi)存，足以存儲(chǔ)多達(dá) 45 個(gè)按鈕。

為什么是兩個(gè)微控制器而不是一個(gè)？

劃分BLE控制和通過(guò)電機(jī)和編碼器的運(yùn)動(dòng)的選擇來(lái)自第一次測(cè)試。事實(shí)上，原始設(shè)置全部由 Arduino MKR 1010 管理。該配置的問(wèn)題在于，與兩個(gè)連續(xù)編碼器中斷例程之間的時(shí)間相比，某些 BLE 中斷例程太慢；因此缺少一些編碼器 ISR，導(dǎo)致軸未對(duì)準(zhǔn)。相反，單獨(dú)的控制器只負(fù)責(zé)處理電機(jī)和編碼器，因此更加準(zhǔn)確

電路實(shí)現(xiàn)

該電路已在原型板上實(shí)現(xiàn)。

電路板正面（使用 Arduino MKR 1010）

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等等，但是 Arduino Micro 在哪里？好吧，對(duì)于一些空間限制，Arduino Micro 就在 Arduino MKR 的下方！

電路板正面（不帶 Arduino MKR 1010）

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我真的希望您喜歡我的項(xiàng)目，并且覺(jué)得它有趣或有用。我也希望將來(lái)這個(gè)項(xiàng)目可以幫助對(duì)抗病毒的傳播。

感謝您的閱讀！