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教您的孩子如何寫字既有趣又令人沮喪。讓這項活動變得更酷將大大有助于讓您的孩子更加專注于這項任務(wù)。還有什么比機器人更酷的呢?...樂高機器人!
讓我們?yōu)檫@個項目設(shè)定一些目標:
- 搭建樂高打印機。應(yīng)該可以用普通的黑色記號筆書寫。運動應(yīng)該盡可能接近人類。
- 對打印機進行編程以寫入字母表中的字母。筆畫應(yīng)該類似于正常人會做的筆畫。
- 與亞馬遜 Alexa 集成。關(guān)于如何繪制字母的指示應(yīng)由 Alexa 通過語音給出。還可以創(chuàng)建一個測驗?zāi)J剑蛴C隨機抽取一個字母,讓孩子嘗試猜出正確答案。
- 由于電機聲音很大,請避免在 Alexa 說話的同時運行它們。
構(gòu)建打印機
x 和 y 運動是使用與樂高 42097 套裝(緊湊型履帶起重機)中的其中一個可擴展腿類似的構(gòu)造完成的:
![poYBAGOhLyyAbn9YAB1ZHOBeB10626.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhLyyAbn9YAB1ZHOBeB10626.jpg)
其中兩個放在一起,一個在另一個的擴展中:
![pYYBAGOhL1OAaQGhAAneKf046Bw789.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhL1OAaQGhAAneKf046Bw789.jpg)
兩個蝸輪都與同一根軸相連,而這根軸又由大型 EV3 電機驅(qū)動:
![pYYBAGOhL3aAG1DuAAiY1d4NHBE850.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhL3aAG1DuAAiY1d4NHBE850.jpg)
電機不直接驅(qū)動軸,而是通過離合器齒輪(零件號 6198486),然后是普通齒輪(零件號 4514558),然后使用兩個 4 齒齒輪(零件號 4248204)以 90 度角驅(qū)動。
![poYBAGOhL5iARlbjAAkFopxtuRA802.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhL5iARlbjAAkFopxtuRA802.jpg)
這可以保護樂高零件在驅(qū)動電機時不會出現(xiàn)任何錯誤。
筆夾在兩個帶輪胎的大輪子之間:
![poYBAGOhL7yAOEX7AAw5uBU76-c430.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhL7yAOEX7AAw5uBU76-c430.jpg)
移動筆的輪子不是直接驅(qū)動的,而是由四個齒輪組成的鏈條驅(qū)動,以降低轉(zhuǎn)速并增加扭矩:
![pYYBAGOhL-yAO6sbAA3EAgK768E617.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhL-yAO6sbAA3EAgK768E617.jpg)
這是必要的,因為我不能通過直接從中型電機驅(qū)動它來獲得好的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)中的小錯誤(即使是 1 度)意味著筆太低或太高并且沒有接觸到紙。第一個齒輪(來自電機)是 12 齒,驅(qū)動輪子的齒輪是 36,因此轉(zhuǎn)速降低了 3 倍。
“y”部分在輪子上,因為它需要滑動。“x”部分是固定的。
![poYBAGOhMCWAfzznAA5hFDF21Yc158.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhMCWAfzznAA5hFDF21Yc158.jpg)
“Y”,完全組裝:
![pYYBAGOhMGuANo2vAA-vyzzlmu8662.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhMGuANo2vAA-vyzzlmu8662.jpg)
和“X”:
![poYBAGOhMLCAGDL0ABA2bF7uV7k163.jpg](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhMLCAGDL0ABA2bF7uV7k163.jpg)
構(gòu)建軟件
- 設(shè)置您的 EV3 程序塊和 VS 代碼:https ://www.hackster.io/alexagadgets/lego-mindstorms-voice-challenge-setup-17300f
我將 VS Code 配置為將這些類型的文件上傳到 EV3;
"ev3devBrowser.download.include": "{**/*.py,**/*.ini,**/*.sh,,**/*.svg}",
確保列表中有 *.svg,否則您將無法運行程序。
- 字母格式:
我們將使用SVG 格式來表示如何繪制字母表中的字母。
讓我們以字母“B”為例:
![pYYBAGOhMLOAbvJoAAAlWD4Bxww157.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhMLOAbvJoAAAlWD4Bxww157.png)
指示將是這樣的:
- 從頂部開始到底部
- 回到頂部,在中間畫一條曲線
- 然后在底部畫一條曲線
我們可以用這種格式表示這些信息:
"http://www.w3.org/2000/svg" width="100" height="100">
<rect width="100" height="100" fill="beige"/>
<line x1="30" y1="10" x2="30" y2="90" stroke="black" >
line> "M 30 10 A 35 20 0 1 1 30 50" fill="black" fill-opacity="0.1" stroke="black">
"M 30 50 A 40 20 0 1 1 30 90" fill="black" fill-opacity="0.1" stroke="black">
我創(chuàng)建了一個小程序來模擬打印機。這會記錄打印機將執(zhí)行的所有動作,并使用打印機在紙上繪制的內(nèi)容創(chuàng)建圖像。它對實驗有很大幫助,因為它運行起來要快得多。請檢查項目附件中的“Printer Simulation”文件。
讓我們?yōu)樽帜?B 運行它:
![poYBAGOhMLaAJEy1AAAOjT_O-fs531.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhMLaAJEy1AAAOjT_O-fs531.png)
注:(0, 0)原點在左上角,x 向右增長,y 向下增長。有些公式的符號與正常笛卡爾坐標系中的符號相反!
程序剖析(“打印機模擬”python 文件):
- SVG 文件被解析。
- 程序只知道如何解釋和。從 它只知道 M - 移動到,L - 線和 A - 弧。更多信息在這里。
- 線 (draw_line) 是直截了當?shù)摹鶕?jù)線的公式計算導(dǎo)數(shù)(斜率)來計算電機的速度。
- 對于圓弧,首先需要發(fā)生以下事情:
1. 給定兩個點 ((x, y) 和 (dx, dy)),我們必須找到將通過它們且水平半徑為 rad_x 且垂直半徑為 rad_y 的橢圓。
M 和 A 的格式為:
"M x y"
"A rx ry x-axis-rotation large-arc-flag sweep-flag x y"
- 通解(如果存在)由兩個橢圓組成。這些是通過求解兩個二次方程組(橢圓的兩個點的參數(shù)方程)找到的。函數(shù) solve_ellipse 就是這樣做的。我嘗試使用SymPy來求解它,但它在 EV3 程序塊上運行速度非常慢(求解一個方程組大約需要 30 秒)。
- 從這兩個橢圓有四個可能的路徑(?。?/font>使用 large-arc-flag 和 sweep-flag 屬性選擇正確的一個。更多信息在這里。
- 從“開始”角度開始,直到達到“結(jié)束”角度,我們計算x 和 y的導(dǎo)數(shù)以找到電機需要運行的速度,將它們都運行 0.1 秒并重復(fù)該過程。這與PID 算法類似,只是沒有誤差的導(dǎo)數(shù)部分。我們只使用誤差的整數(shù)部分來校正路徑,因為曲線非常簡單并且結(jié)果足夠好。
現(xiàn)在讓我們在真正的打印機上運行它——參見(“使用 EV3 繪制字母 B”python 文件)
Alexa 整合
第 0 步 - 將附件中的所有內(nèi)容復(fù)制到 VS Code 項目。
它應(yīng)該是這樣的:
![pYYBAGOhMLmANlfDAABOGyu1hXE609.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhMLmANlfDAABOGyu1hXE609.png)
確保在 svg 目錄中解壓 SVG zip:
![poYBAGOhMLuAHzcBAAA5JxMXorE585.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhMLuAHzcBAAA5JxMXorE585.png)
忽略 package-lock.json 和 node_modules/
第 1 步 - 連接 EV3 程序塊和 Alexa:https ://www.hackster.io/alexagadgets/lego-mindstorms-voice-challenge-mission-1-f31925
第 2 步 - 在 Alexa 開發(fā)人員控制臺中創(chuàng)建新技能并選擇自定義技能和 Alexa 托管 (Node.js):https ://www.hackster.io/alexagadgets/lego-mindstorms-voice-challenge-mission-3-4ed812
第 3 步 - 轉(zhuǎn)到“構(gòu)建”選項卡并將模型(在附件中提供)復(fù)制到 JSON 編輯器并保存。還要確保您啟用了“自定義界面控制器”和“自動委派”設(shè)置。您可以在“接口”選項卡中找到它們。保存并構(gòu)建模型。
第 4 步 - 轉(zhuǎn)到“代碼”選項卡并創(chuàng)建此圖像中的文件。如果它們已經(jīng)存在,則從 Alexa 創(chuàng)建的 hello world 的附件中復(fù)制代碼。保存并部署。
![poYBAGOhML6AadHNAAAl1bgZjTI665.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/84/B7/poYBAGOhML6AadHNAAAl1bgZjTI665.png)
第 5 步 - 轉(zhuǎn)到“測試”選項卡并啟用技能測試。
第 6 步 - 使用 VS Code 在 EV3 程序塊上運行 script3r.py 文件。(查看鏈接的教程)
有關(guān)代碼的詳細信息:
因為電機噪音很大,我們不希望 Alexa 在電機運行時說話。這就是為什么我們不僅要啟用自定義事件,還要啟用 ini 文件中的語音數(shù)據(jù):
[GadgetSettings]
amazonId = YOUR_OWN_AMAZON_ID
alexaGadgetSecret = YOUR_OWN_SECRET
[GadgetCapabilities]
Custom.Mindstorms.Gadget = 1.0
Alexa.Gadget.SpeechData = 1.0 - viseme
在從 EV3 向 Alexa 發(fā)送“說話”命令后,我們將等待靜音。這是這樣做的:
def on_alexa_gadget_speechdata_speechmarks(self, directive):
try:
if self._waiting_for_speech:
if directive.payload.speechmarksData[-1].value == 'sil':
self._waiting_for_speech = False
except KeyError:
print("Missing expected parameters: {}".format(directive), file=stderr)
由于我們不希望電機控制干擾發(fā)送或接收通知,我們將使用不同的線程:
self._waiting_for_speech = True
threading.Thread(target=self.draw_letter, args=(
payload["letter"], False), daemon=True).start()
我們在新線程中做的第一件事是等待 Alexa 說完:
while self._waiting_for_speech:
sleep(0.1)
在發(fā)送給 Alexa 的每個“說出”命令后,我們都執(zhí)行相同的操作:
self._waiting_for_speech = True
self.send_custom_event('Custom.Mindstorms.Gadget', 'speak', {'txt': pos_title.text})
while self._waiting_for_speech:
sleep(0.1)
意圖
model.js 中定義了三個意圖:
- LearnIntent - 這有一個類型為“Letter”的插槽。可以通過說“畫字母 {Letter},學(xué)習(xí)字母 {Letter},寫字母 {Letter}”開始。此意圖將向 EV3 發(fā)送命令以繪制請求的字母,同時提供有關(guān)如何繪制它的語音指示。
- PlayGameIntent - 沒有插槽。從說“玩游戲”或“測驗”開始。它將隨機選擇字母表中的一個字母并請求 EV3 繪制它。沒有給出語音指示。
- PlayGameAnswerIntent - 有一個“字母”類型的插槽。這是從說出先前意圖的答案開始的。答案可以是:“{Letter}”、“答案是{Letter}”、“字母{Letter}”等
LearnIntent 的用戶、回顯設(shè)備、自定義技能、lambda 函數(shù)和 EV3 程序塊之間的交互:
![pYYBAGOhMMOAImNPAAD2J2SAKLA708.png](https://file.elecfans.com/web2/M00/85/40/pYYBAGOhMMOAImNPAAD2J2SAKLA708.png)
PlayGameIntent/PlayGameAnswerIntent 的交互與 LearnIntent 的交互類似。
附上源碼:
- script3r.py - 這是在 EV3 程序塊上運行的主要文件。
- script3r.ini - 包含 Amazon Gadget 的密鑰及其功能。
- SVG.zip - 包含 svg 格式的所有字母的 zip 文件。它必須在項目的根目錄中提取并與 script3r.py 和 scrip3r.ini 文件一起復(fù)制到 EV3 程序塊上。
- model.json - 此文件包含 Alexa 自定義技能的交互模型。必須在 Alexa Developer Console -> Script3r -> Build -> Interaction Model -> JSON Editor 中復(fù)制過來。復(fù)制后保存并構(gòu)建。
- package.json - 在 Alexa Developer Console -> Script3r -> Code -> Skill Code -> lambda -> package.json 中復(fù)制
- util.js - 包含 lambda 函數(shù)使用的一些實用程序。在 Alexa Developer Console -> Script3r -> Code -> Skill Code -> lambda -> util.js 中復(fù)制這個
- index.js - Alexa 自定義技能的主要代碼。在 Alexa Developer Console -> Script3r -> Code -> Skill Code -> lambda -> index.js 中復(fù)制這個
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