专治手残症的毕业设计：特雷·瓦力机器人

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起源

在开始的开始，我打算做一个特雷门琴 Theremin。它是一种奇葩乐器，1919年由俄国物理学家 Theremin 教授发明，也是世界上第一种不需要身体接触就可以演奏的乐器（电子音乐的鼻祖）。

但是，在研究特雷门琴的原理时，被复杂的电路和声学原理吓得有点懵：

认怂了以后，调整原计划为一个简化版本：做一个迷你机器人，如果在机器人面前移动手的位置，机器人就会根据手掌距离自己的距离，发出不同声调的音符。你可以在不碰机器人的情况下，指挥它演奏一段乐曲。

因为既不是完整的特雷门琴，也不是机器人瓦力，只好叫做特雷·瓦力 （英文名 Mini Soundbot 又名迷你骚包）

草得不能再草的草图：

项目计划

期末作业的截止完成时间是 6.22，时间不多，必需做好时间计划。

我把项目分成 4 个部分：设计，编程，外观和测试。从 6.8 正式开始准备，当时只有一张草图，其余都是一片空白，意味着我需要用 10 天时间，把这个课程学到的东西运用到项目中，完成期末作业。要命的是，我离实验室有三个小时的路程 —— 我在广州，实验室在深圳。所有东西必须在出发前计划和设计好，才能保证去实验室的时间真正有所产出。

列出关键任务后，给它们分配具体的时间：

任务 日期 输出
研究特雷门原理 6.9-6.11 原理图，项目结构图
编程 6.12-6.18 在 Arduino 上可以正常运行的程序
电路元器件规划 6.12 PCB 设计文件
电路板设计 6.13 PCB 设计文件
购买元器件和其他材料 6.15 淘宝订单
设计外型组装部分 6.13-6.15 Fusion 360 设计源文件
雕刻电路板 6.18 电路板
焊接元件 6.18 电路板
测试输入和输出组件 6.19 基本功能可运作
制作外壳 6.18-6.19 激光切割和 3D 完成的部件
组装 6.19 把所有部分组装成完整的作品
调试 6.20-6.21 调试和演示准备

过程

1. 整体设计

输入 : 使用超声波测距模块 HC-SR04 检测距离：

输出: 最开始打算用小喇叭，但是效果不好，遂放弃。

改成用软件的方式实现声音的控制，把 macbook 作为扬声器，用程序将距离转换为 C 调音符：

材料和开销

硬件

  • ATTiny 45 芯片
  • 超声波测距模块 HC-SR04
  • AVRISP SMD
  • FTDI-SMD-HEADER
  • 电阻 10.0K OHM 1206 SMD
  • 电容 1UF 1206
  • 杜邦线

软件

外壳

  • 椴木板
  • 3D 打印部件

硬件和外壳部分总共花费约 $17 。

物品 数量 花费
Attiny 45 1 $ 2
HC-SR04 1 $ 1
AVRISPSMD 1 $ 1
FTDI-SMD-HEADER 1 $ 1
RES 10.0K OHM 1206 SMD 2 $ 0.1
CAP CER 1UF 1206 1 $ 0.1
Dupont Line 5 $ 0.1
basswood 2 $ 10
3D Printing PLA 1 $1
glue 1 $ 1
TOTAL $ 17

2. 编程

为了实现用电脑作为声音转化器，我使用开源的 C++ 套件 openFrameworks。这个库简化了很多音频处理的工作。

OpenFrameworks 下载 以及 xcode 安装指南。

openFrameworks 有一个叫做 micknoise/Maximilian的 C++ 插件，专门用来做声音合成以及音乐数字信号处理和转换，这样我就能直接将传感器的信号转换成为可播放的音阶：

下载源代码.

在制作电路之前，我先用 Arduino 来测试基础功能：

Hello world 视频:

3. 电路设计

因为使用了软件实现主要的模拟信号转换，所以电路方面就变得简单很多，只需要实现传感器的数据传输就行：

电路设计源文件 / from box.net.

4. 制作电路板

使用 RSM-20 雕刻电路板并且焊接元器件：

烧程序 sudo make -f hello.HC-SR04.make program-usbtiny

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avr-objcopy -O ihex hello.HC-SR04.out hello.HC-SR04.c.hex;\
	avr-size --mcu=attiny45 --format=avr hello.HC-SR04.out
AVR Memory Usage
----------------
Device: attiny45

Program:     526 bytes (12.8% Full)
(.text + .data + .bootloader)

Data:          2 bytes (0.8% Full)
(.data + .bss + .noinit)


avrdude -p t45 -P usb -c usbtiny -U flash:w:hello.HC-SR04.c.hex

avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e9206
avrdude: NOTE: "flash" memory has been specified, an erase cycle will be performed
         To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
avrdude: reading input file "hello.HC-SR04.c.hex"
avrdude: input file hello.HC-SR04.c.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: writing flash (526 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.92s

avrdude: 526 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against hello.HC-SR04.c.hex:
avrdude: load data flash data from input file hello.HC-SR04.c.hex:
avrdude: input file hello.HC-SR04.c.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: input file hello.HC-SR04.c.hex contains 526 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:

Reading | ################################################## | 100% 1.11s

avrdude: verifying ...
avrdude: 526 bytes of flash verified

avrdude: safemode: Fuses OK (H:FF, E:DF, L:62)

avrdude done.  Thank you.

5. 制作外壳

超声波测距模块长得很像机器人的眼睛，所以干脆给它整了一个机器人 Wall-E 的造型。 在 Fusion 360 里做好部件的设计：

然后导出成 dxf 文件到 Coraldraw 里，发送到 GCC 激光切割机。使用的参数是： speed 2.7 ， power 100：

切割完成：

开始组装：

还补充了一些 3D 打印的小部件：

设计和切割源文件 / from box.net.

测试

看起来万事俱备，测试走起！

Test video for UI when playing

在移动过程中，音符的识别容易抖动，需要做进一步的滤波处理。

演示

期末项目的演示材料

Slide:

Video:

Mini SoundBot - Vimeo

复盘经验

  1. 项目管理

    项目管理很重要，即便只是个人项目。如果没有确切的时间表和关键任务列表，整个过程会变得地狱般忙乱。一旦把看似复杂的整个项目拆解成任务列表，并且明确每个任务的期限，每一步行动就有了目标，也就没有太多的时间去焦虑。更重要的是，把每个任务需要产出的结果和标准给出来，会更明确下一步要做什么，以及做到什么程度就应该继续下一个任务，而不是无休止的纠缠于细节。

  2. 学习了音频和音乐制作的一些原理

    如何通过程序将传感器信号转换成为有规律的音符。音阶和频率都很有意思（有时候也让人摸不着头脑），当然，还有不少音乐制作的基础概念，比如 propagation 传播， amplitude 振幅，frequency 频率和timbre 音色。

  3. 使用第三方框架和插件来提高效率

    在开源的世界和神奇的 github，不用再重复造轮子，有大量的优秀的项目和组件库等着被挖宝，虽然仔细地读文档和看例子挺费时间，但相比自己去实现复杂的功能，这个投入的性价比实在太高了。

待完善部分

  • 程序的稳定性依然有待改善
  • 目前只做到了音阶的转换，但是没有实现特雷门琴的另一个主要特性：用手掌距离的远近控制音量大小
  • 更有趣的做法是，做一个可以自动播放旋律的装置，而不是手工去演奏。

参考

特雷门原理图：

课程资源

致谢

这半年，要感谢很多人：实验室的小伙伴，guru 们，工作上的小伙伴，被我拒绝周末约饭的小伙伴们，谢谢大家对我的理解和支持。

特别感谢在我发出攒学费帖之后，慷慨赞助的各位 （如有遗漏，一定是我人品问题，请原谅）：

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以及给每一篇笔记打赏和留言、给我极大鼓励的朋友们。过程很难熬，好在有你们的鼓励。

鞠躬，谢谢！！

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