交大創(chuàng)客空間智能服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

裴哲慧 董浩 周琦 趙甲

摘要 隨著創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)在全球范圍內(nèi)的興起，我國(guó)也隨之產(chǎn)生了大量的創(chuàng)客空間。創(chuàng)客空間是創(chuàng)客們?cè)煳锖徒涣鞯木€(xiàn)下場(chǎng)所，由于其開(kāi)放的性質(zhì)，使得在人員管理、工具管理等方面存在問(wèn)題。本文基于交大創(chuàng)客空間的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制作了創(chuàng)客空間智能服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人基于開(kāi)源項(xiàng)目“叮當(dāng)——中文語(yǔ)音對(duì)話(huà)機(jī)器人”，通過(guò)MQTT協(xié)議，以及ESP8266Wi-Fi模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械開(kāi)門(mén)裝置和燈光的控制。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音開(kāi)門(mén)，語(yǔ)音尋找工具，以及語(yǔ)音查詢(xún)天氣等功能。

【關(guān)鍵詞】創(chuàng)客空間 智能服務(wù)機(jī)器人 叮當(dāng)機(jī)器人 樹(shù)莓派 MQTT

交大創(chuàng)客空間于2013年12月在西南交通大學(xué)建立，其秉承開(kāi)放、分享、協(xié)作、創(chuàng)造的理念，致力于構(gòu)建以創(chuàng)新為導(dǎo)向、以興趣為紐帶，鼓勵(lì)跨學(xué)科交流和協(xié)作，為學(xué)生、教師和社會(huì)人士搭建開(kāi)放的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)，培育富有創(chuàng)新精神的團(tuán)隊(duì)，推動(dòng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的不斷提升。

學(xué)校支持創(chuàng)客活動(dòng)的重要工作是進(jìn)行資源的開(kāi)放式管理，這些資源包括場(chǎng)地、設(shè)備、材料等實(shí)體資源，以及創(chuàng)客導(dǎo)師、設(shè)計(jì)服務(wù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)咨詢(xún)等人力、智慧資源。由于在交大創(chuàng)客空間造物交流的人員人數(shù)眾多，時(shí)間不定.所以在人員出入，門(mén)禁管理上存在難題。并且空間面積較大，房間眾多，材料工具等分布在不同房間內(nèi)，因此外來(lái)人員難以快速找到想要材料工具。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并制作了一款創(chuàng)客空間智能服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人采用三層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)門(mén)禁管理和材料尋找等功能。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

為了方便人們使用該機(jī)器人，我們采用了語(yǔ)音交互方式。在門(mén)禁管理中，我們需要說(shuō)出開(kāi)門(mén)密碼，例如“芝麻開(kāi)門(mén)”，門(mén)便在機(jī)械裝置的作用下自動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)將開(kāi)門(mén)時(shí)間，人員信息記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)我們需要用到某種材料卻不知它具體位置時(shí)，我們?cè)儐?wèn)該機(jī)器人，機(jī)器人通過(guò)語(yǔ)音提示，給出我們?cè)摬牧纤诘姆块g號(hào)，并且在材料位置處給出燈光提示。同時(shí)，該機(jī)器人還有一些輔助功能，可以詢(xún)問(wèn)天氣情況，并且可以和其進(jìn)行聊天。

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該機(jī)器人分為控制層、網(wǎng)絡(luò)層和效應(yīng)層。

1.2.1 控制層

控制層主要用于獲取語(yǔ)音命令，并對(duì)語(yǔ)音命令進(jìn)行分析，從而將動(dòng)作通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳給效應(yīng)層。軟件方面，我們基于開(kāi)源項(xiàng)目“叮當(dāng)一一中文語(yǔ)音對(duì)話(huà)機(jī)器人”，通過(guò)開(kāi)發(fā)插件的形式，我們可以快速實(shí)現(xiàn)自己的功能。硬件上，我們選用樹(shù)莓派來(lái)運(yùn)行“叮當(dāng)”服務(wù)，通過(guò)樹(shù)莓派4 麥陣列來(lái)獲取聲音信息。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，將控制層和效應(yīng)層連接起來(lái)。因?yàn)樵摍C(jī)器人并不是一個(gè)獨(dú)立的物體，它不同功能模塊分布在不同的位置，為了將各個(gè)模塊連接起來(lái)，我們離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。為此我們選擇MQTT協(xié)議。該協(xié)議使用發(fā)布/訂閱模式，可以方便的進(jìn)行一對(duì)一，一對(duì)多通信，從而保證機(jī)器人各個(gè)模塊之間協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2.3 效應(yīng)層

該層主要對(duì)命令產(chǎn)生動(dòng)作。動(dòng)作主要分為兩種：語(yǔ)音提示和功能裝置動(dòng)作。機(jī)器人可以通過(guò)語(yǔ)音合成及揚(yáng)聲器向人們進(jìn)行語(yǔ)音提示。功能裝置分為開(kāi)門(mén)裝置和材料燈光指示裝置，全部使用ESP8266 Wi-Fi模塊進(jìn)行控制。開(kāi)門(mén)裝置通過(guò)舵機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置使得門(mén)內(nèi)把手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。材料燈光指示裝置，是使用可編程控制燈帶來(lái)指示材料位置。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)境搭建

我們直接使用“叮當(dāng)”提供的系統(tǒng)鏡像，安裝好系統(tǒng)后，進(jìn)行基本配置，便可以運(yùn)行起叮當(dāng)機(jī)器人。同時(shí)，為了能夠穩(wěn)定的使用MQTT協(xié)議進(jìn)行模塊間通訊，我們?cè)跇?shù)莓派上還搭建了mqtt的服務(wù)器。

2.2 插件開(kāi)發(fā)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)我們功能，我們需要在叮當(dāng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的插件。

在門(mén)禁插件上，當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別出開(kāi)門(mén)命令時(shí)，插件通過(guò)mqtt協(xié)議向‘Open這個(gè)topic發(fā)送開(kāi)門(mén)指令，當(dāng)訂閱這個(gè)topic的ESP8266收到這個(gè)指令時(shí)，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置，使得門(mén)內(nèi)把手旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)，開(kāi)門(mén)成功后，ESP8266通過(guò)mqtt協(xié)議向數(shù)據(jù)庫(kù)增加一條記錄。

在材料尋找插件中，當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別出某一種材料后，首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找該材料所在的房間以及位置編號(hào)，使用語(yǔ)音合成，提示材料的房間號(hào)，同時(shí)將位置編號(hào)發(fā)給控制燈帶的ESP8266芯片，從而使得相應(yīng)位置的燈光閃爍。

另外，我們還使用了詢(xún)問(wèn)天氣的開(kāi)源插件，通過(guò)配置知心天氣API，獲取成都本地的天氣信息，通過(guò)語(yǔ)音將信息輸出。

2.3 功能硬件制作

開(kāi)門(mén)裝置利用ESP8266控制舵機(jī)，機(jī)械方面采用魚(yú)線(xiàn)取代機(jī)械臂，安裝簡(jiǎn)單且容錯(cuò)率高。用膠槍將舵機(jī)固定在門(mén)上，用魚(yú)線(xiàn)連接舵機(jī)和門(mén)把手的3D打印配件，調(diào)節(jié)魚(yú)線(xiàn)長(zhǎng)度以及舵機(jī)片安裝角度，達(dá)到最佳的開(kāi)門(mén)效果。組裝激光切割的亞克力外殼，將鋰電池、降壓模塊、ESP8266依次封裝在亞克力盒中。

材料燈光指示裝置使用RGB全彩燈帶，通過(guò)ESP8266可以精準(zhǔn)控制每個(gè)燈的亮滅。將燈帶安裝到材料位置的上方，每個(gè)燈對(duì)應(yīng)一種材料，這樣當(dāng)收到位置信息時(shí)，便使相應(yīng)位置的燈光亮起，直到人們說(shuō)出“找到了”才會(huì)熄滅。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該創(chuàng)客空間智能服務(wù)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)客空間的門(mén)禁管理，幫助人們輕松找到想要使用的材料，提示天氣信息等。當(dāng)然，現(xiàn)在機(jī)器人的功能還比較少，我們也會(huì)對(duì)其進(jìn)行持續(xù)的開(kāi)發(fā)，使得該機(jī)器人集成的功能更加全面。隨著創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)在全球范圍內(nèi)的擴(kuò)大，我國(guó)的創(chuàng)客空間也會(huì)越來(lái)越多，相信本文的成果可作為創(chuàng)客空間管理工具的一個(gè)參考，提高創(chuàng)客空間的服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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