概要

本記事では、Spresenseと感圧センサを組み合わせ、感圧によってPCを操作するデバイスの製作方法をご紹介します。Spresenseで取得した感圧センサの値をシリアル通信でPCに送信し、PC側ではPythonのライブラリpyautoguiを用いて、マウス操作やキーボード入力などを制御します。GUIで作成した設定アプリにより、どの操作を行うかを自由に設定できます。マウス操作、キーボード入力だけでなく、複数のキーの組み合わせやマウスクリックの種類（左クリック、右クリックなど）も設定可能です。これにより、従来のキーボードやマウスとは異なる、カスタマイズされた新しいインターフェースを実現できます。

背景・動機

●従来のPC操作インターフェースであるキーボードやマウス
　〇一般的
　×長時間の使用で手や腕に負担
　×特定の作業においては、より直感的でシンプルな操作が求められる

●左手デバイスの活用
　◎ショートカットのカスタマイズ
　〇入力種類の多さ
　×キーボードから手を離さなくてはならず、腕の動きの負担が追加
　×スペースをとる

★感圧センサデバイス
　◎ショートカットのカスタマイズ
　〇入力種類の多さ
　◎どこでも貼り付けてデバイス化
　◎省スペース

感圧センサを用いることで省スペースで様々なショートカットを設定でき、少ない負担でPC操作が劇的に快適になります。スクロール操作やショートカットキー、定型文の入力、特定のURLへ遷移など、様々な用途に応用可能です。操作内容をGUIで自由に設定できることで、ユーザーそれぞれのニーズに合わせた高度なカスタマイズが可能になります。

部品表

部品名	個数	役割
SPRESENSEメインボード[CXD5602PWBMAIN1]	1	感圧読み取り用
直線型接触位置+感圧センサ（FSLP）	2	感圧センサ

構成図

写真・動画

設定アプリ画面

設定アプリの動作の様子

【感圧センサデバイス】_設定アプリ動画

ここに動画が表示されます

デバイスの動作の様子

【感圧センサデバイス】_動作アプリ動画
　★キーにはスクロール上下を設定
　★押す力によってスクロール速度が変化

ここに動画が表示されます

ソースコード

Spresense側

本コードはFSLP販売元から公開されているデモコードを一部修正したものになります。
デモコード：https://github.com/pololu/fslp-led-strip-arduino-demo


FslpLedStripDemo.ino
// To measure position, the sense line must be connected to a
// pin capable of reading analog voltages.  For pressure,
// the sense line and drive line 2 must be connected to pins
// capable of reading analog voltages.  See the FSLP guide for
// more information.

// LTE Board
// const int fslpSenseLine = A5;
// const int fslpDriveLine1 = PIN_D29;
// const int fslpDriveLine2 = PIN_D30;
// const int fslpBotR0 = PIN_D02;

// Main board
const int fslpSenseLine_1 = A2;
const int fslpBotR0_1 = PIN_D22;

const int fslpSenseLine_2 = A3;
const int fslpBotR0_2 = PIN_D14;


void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  delay(250);
}

void loop()
{
  int position1 = fslpGetPosition(1);
  int position2 = fslpGetPosition(2);

  Serial.print(position1);
  Serial.print(",");
  Serial.print(position2);
  Serial.println();

  delay(100);
}

int fslpGetPosition(int ch)
{
  int fslpSenseLine = A2;
  int fslpBotR0 = PIN_D22;

  if (ch != 1) {
    fslpSenseLine = A3;
    fslpBotR0 = PIN_D14;
  }

  // Step 1
  pinMode(fslpBotR0, OUTPUT);
  digitalWrite(fslpBotR0, LOW);

  // Step 2 - Set up appropriate drive line voltages.
  pinMode(fslpBotR0, INPUT);

  // Step 3 - Wait for the voltage to stabilize.
  delayMicroseconds(10);

  // Step 4 - Take the measurement.
  return analogRead(fslpSenseLine);
}

PC側 (Python)

フォルダツリー
/src
├── config
│ └── config.json
├── setting-app
│ └── setting_app.py
└── device-app
　├── device_app.py
　└── mapping .py

設定ファイル


config.json
{
    "sensor_1": {
        "key": "scroll",
        "input_dict": {
            "hotkeys": [
                "scroll",
                "\u2191"
            ]
        }
    },
    "sensor_2": {
        "key": "scroll",
        "input_dict": {
            "hotkeys": [
                "scroll",
                "\u2193"
            ]
        }
    }
}

設定アプリ


setting_app
import dash
from dash import dcc, html
from dash.dependencies import Output, Input
import plotly.graph_objs as go
import serial
import threading
import time

import dash_mantine_components as dmc
from dash import Dash, _dash_renderer, html
import time
import plotly.graph_objects as go
import numpy as np
import json

####################
# 定数の設定
####################
config_json_path = "../config/config.json"

sensor_name_1 = "sensor_1"
sensor_name_2 = "sensor_2"


# JSONファイルを読み込む
with open(config_json_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
    config = json.load(f)

print("リストが更新されました。")

_dash_renderer._set_react_version("18.2.0")

app = Dash(external_stylesheets=dmc.styles.ALL)

data_value = ""
max_num_plot = 50
list_fslp_led_strip_01 = [0]*max_num_plot
list_fslp_led_strip_02 = [0]*max_num_plot

elements = [
    {"KEY_ID": sensor_name_1, "KEY": config[sensor_name_1]["input_dict"]["hotkeys"],"ID":sensor_name_1},
    {"KEY_ID": sensor_name_2, "KEY": config[sensor_name_2]["input_dict"]["hotkeys"],"ID":sensor_name_2},
]

rows = [
    dmc.TableTr(
        [
            dmc.TableTd(element["KEY_ID"]),
            dmc.TagsInput(
                        id=element["ID"]+"-tagsinput",
                        data=[
                            {
                                "group": "hotkeys",
                                "items": [
                                    {"value": "ctrl", "label": "ctrl"},
                                    {"value": "tab", "label": "tab"},
                                    {"value": "shift", "label": "shift"},
                                    {"value": "alt", "label": "alt"},
                                    {"value": "win", "label": "win"},
                                    {"value": "scroll", "label": "scroll"},
                                    {"value": "↑", "label": "↑"},
                                    {"value": "↓", "label": "↓"},
                                ],
                            },
                            {
                                "group": "input alphabet",
                                "items": [
                                    "a","b","c","d","e",
                                ],
                            },
                        ],
                        value = element["KEY"],
                        w=200,
                    ),
        ]
    )
    for element in elements
]

for element in elements:
    @app.callback(
        Output(element["ID"]+"-tags_input_value", "children"), Input(element["ID"]+"-tagsinput", "value"),Input(element["ID"]+"-tagsinput", "id")    )
    def select_value(value,id):
        sensor_name = id.split("-")[0]
        print(value)
        if "scroll" in value:
            config[sensor_name]["key"]="scroll"
        else:
            config[sensor_name]["key"]="hotkeys"

        config[sensor_name]["input_dict"]["hotkeys"]=value
        

        # 変更をJSONファイルに書き込む
        with open(config_json_path, 'w', encoding='utf-8') as f:
            json.dump(config, f, indent=4)

        return dash.no_update

head = dmc.TableThead(
    dmc.TableTr(
        [
            dmc.TableTh("Element Position"),
            dmc.TableTh("Element Name"),
        ]
    )
)
body = dmc.TableTbody(rows)
caption = dmc.TableCaption("Some elements from periodic table")

def start_serial():
    global ser
    try:
        ser = serial.Serial(
            port='COM9',  # シリアルポート名
            baudrate=115200,  # ボーレート
            timeout=2  # 読み取りタイムアウト（秒）
        )
    except serial.SerialException as e:
        print(f'Error opening serial port: {e}')
        ser = None

def read_serial():
    global ser
    global data_value
    global list_fslp_led_strip_01
    global list_fslp_led_strip_02
    
    server_count = max_num_plot-1
    start_serial()
    sta = time.time()
    if ser is None:
        return
    while True:
        if ser.in_waiting > 0:
            data_value = ser.readline().decode('utf-8').rstrip()
            list_fslp_led_strip_01.append(int(data_value.split(",")[0]))
            list_fslp_led_strip_02.append(int(data_value.split(",")[1]))
            list_fslp_led_strip_01.pop(0)
            list_fslp_led_strip_02.pop(0)
            server_count -=1
            if 0 >= server_count :
                server_count = max_num_plot-1
        else:
            data_value = 0
        time.sleep(0.005)

app.layout = dmc.MantineProvider([
    dmc.Tabs(
        [
            dmc.TabsList(
                [
                    dmc.TabsTab("Settings", value="settings"),
                ]
            ),
            dmc.TabsPanel(
                [
                dmc.Alert(
                    "Hi from Dash Mantine Components. You can create some great looking dashboards using me!",
                    title="Welcome!",
                    color="violet",
                ),
                
                dmc.Group([
                    dmc.Card(
                        children=[
                            dmc.Table([head, body, caption]),
                        ],
                        withBorder=True,
                        shadow="sm",
                        radius="md",
                        w=350,
                        h=400,
                        style={"marginLeft": "10px","marginTop": "10px"},
                    ),
                    dcc.Graph(
                        id = "graph-fslp_led_strip"
                    ),
                ]),
                dcc.Interval(
                    id='data-update',
                    interval=50,  # ミリ秒単位で更新間隔を設定
                    n_intervals=0
                )
                ],
                value="settings",
            ),
            html.Div(id = sensor_name_1+"-tags_input_value"),
            html.Div(id = sensor_name_2+"-tags_input_value")

        ],
        color="blue",
        orientation="horizontal",
        value="settings"
    ),
])

@app.callback(
    Output('graph-fslp_led_strip', 'figure'),
    [Input('data-update', 'n_intervals')]
)
def update_graph(n):
    global list_fslp_led_strip_01
    global list_fslp_led_strip_02
    global max_num_plot

    fig = go.Figure()
    fig.add_trace(go.Scatter(name="sensor1", x=np.arange(max_num_plot), y=list_fslp_led_strip_01, mode='lines',
                             
        line=dict(color='rgba(255, 165, 0, 0.5)')  # Light orange with 50% opacity
        ))
    fig.add_trace(go.Scatter(name="sensor2", x=np.arange(max_num_plot), y=list_fslp_led_strip_02, mode='lines',
        line=dict(color='rgba(128, 0, 128, 0.5)')  # Light purple with 50% opacity
        ))

    fig.update_layout(
        font_size=20,
        hoverlabel_font_size=20,
        plot_bgcolor='rgba(0,0,0,0)',  # Make background transparent
        xaxis=dict(
            showgrid=True,
            gridcolor='lightgrey',  # Light grey gridlines
            showticklabels=False  # Hide y-axis tick labels
        ),
        yaxis=dict(
            range=[0, 1024],
            showgrid=True,
            gridcolor='lightgrey',  # Light grey gridlines
            showticklabels=False  # Hide y-axis tick labels
        ),
        margin=dict(l=40, r=40, t=40, b=40),  # Adjust margins
        legend=dict(
            font=dict(size=15),
            orientation='h',  # Horizontal legend
            x=0.5,  # Center horizontally
            xanchor='center'
        )
    )
    # Making the graph static by disabling interactive icons
    fig.update_layout(
        dragmode=False,  # Disable drag
        hovermode=False,  # Disable hover
    )

    return fig


if __name__ == '__main__':
    thread = threading.Thread(target=read_serial)
    thread.daemon = True
    thread.start()

    app.run_server(debug=False)

キー実行アプリ


mapping.py
import pyautogui

class MappingKey():
    def exe_function(self,key, kwargs):
        hotkeys = kwargs.get("hotkeys", None)
        scroll_amount= kwargs.get("scroll_amount", None)
        if key =="scroll":
            pyautogui.scroll(scroll_amount)
        elif key == "hotkeys" :
            print(hotkeys)
            pyautogui.hotkey(hotkeys)


device_app
import serial
import threading
import time
from mapping import MappingKey
import copy
import json

####################
# 定数の設定
####################
config_json_path = "../config/config.json"

sensor_name_1 = "sensor_1"
sensor_name_2 = "sensor_2"

# JSONファイルを読み込む
with open(config_json_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
    config = json.load(f)


val1 = 0
val2 = 0

mapping = MappingKey()

def start_serial():
    global ser
    try:
        ser = serial.Serial(
            port='COM9',  # シリアルポート名
            baudrate=115200,  # ボーレート
            timeout=2  # 読み取りタイムアウト（秒）
        )
    except serial.SerialException as e:
        print(f'Error opening serial port: {e}')
        ser = None

def read_serial():
    global ser
    global data_value
    global val1
    global val2
    
    start_serial()
    if ser is None:
        return
    while True:
        if ser.in_waiting > 0:
            data_value = ser.readline().decode('utf-8').rstrip()
            val1 = int(data_value.split(",")[0])
            val2 = int(data_value.split(",")[1])
            print(data_value)
        else:
            data_value = 0
        time.sleep(0.005)

def keyboard(sensor_name):
    global val1
    global val2
    kind_key = config[sensor_name]["key"]
    input_dict = config[sensor_name]["input_dict"]
    while(1):
        if sensor_name == sensor_name_1:
            val = val1
        elif sensor_name == sensor_name_2:
            val = val2
        if val>20:
            if kind_key=="scroll":
                amount_to_scroll = int(2**(val/50))+20
                if "↑" in input_dict["hotkeys"]:
                    sign = 1
                elif "↓" in input_dict["hotkeys"]:
                    sign = -1
                input_dict["scroll_amount"]=amount_to_scroll*sign

                mapping.exe_function(kind_key,input_dict)
            if kind_key=="hotkeys":
                mapping.exe_function(kind_key,input_dict)
                time.sleep(0.2)
        time.sleep(0.005)

if __name__ == '__main__':
    thread = threading.Thread(target=read_serial)
    thread.daemon = True
    thread.start()

    thread = threading.Thread(target=keyboard,args=(sensor_name_1,))
    thread.daemon = True
    thread.start()

    thread = threading.Thread(target=keyboard,args=(sensor_name_2,))
    thread.daemon = True
    thread.start()

    while 1:
        time.sleep(1)

設定アプリ(GUI)について

設定アプリでは、以下の機能を実装します。

感圧レベルと操作の対応を視覚的に設定。
マウス操作（左クリック、右クリック、中クリック、移動など）の設定。
キーボード入力（単一キー、複数キーの組み合わせ）の設定。
設定内容の保存と読み込み。

GUIライブラリ（plotly dash）を用いて、これらの機能を実装しました。

技術要素

Spresense メインボード: 感圧センサからの値を取得し、シリアル通信でPCに送信します。
感圧センサ: 圧力に応じて抵抗値が変化するセンサです。今回は、スイッチサイエンスで販売されている「フィルム型力覚センサ」を例に説明します。
PC: Spresenseから送信されたデータを受信し、設定に基づいてpyautoguiを用いてPCを制御します。
シリアル通信: SpresenseとPC間のデータ通信に使用します。USB接続を使用します。
Python (pyautoguiライブラリ): PC側で動作するプログラムを記述するために使用します。pyautoguiは、マウス操作、キーボード入力、画面操作などを自動化するためのライブラリです。
設定アプリ (GUI): 感圧レベルとPC操作の対応を視覚的に設定するためのアプリケーション。plotly dashのGUIライブラリを使用して作成します。
設定ファイル (JSONなど): 設定アプリで設定した内容を保存するためのファイル。

工夫点・苦労点

感圧センサの値を読み取るための工夫（デモコードのAruduino→SPRESENSEへの移行など）。
pyautoguiを用いたスムーズなPC操作の実現。
様々なアプリケーションに対応するための操作マッピングの設計。
ユーザーが簡単に設定を変更できるような直感的なGUIの設計。

今後の展望

複数の感圧センサを用いた、より複雑な操作の実現。
位置検出を用いたジェスチャー認識
特定のアプリケーションに特化したコントローラーの開発。
設定アプリのGUIの具体的なデザインと実装。例えば、スライダーで感圧レベルを調整したり、ドロップダウンリストで操作を選択したりするインターフェースを検討。

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