當3D打印遇上人工智能

李上貴

在國家大力提倡“大眾創業，萬眾創新”的環境下，創客運動猶如雨后春筍般涌現，筆者所在學校也創建了創客社團，小創客們正以初生牛犢的探索精神為學校的多元發展注入更多新鮮的活力。下面，筆者以小創客們制作的智能龍舟為例，分享他們的探索創作過程。

● 案例背景

2019年5月，學校創客社團的小創客們受邀組隊參加一個創客活動，活動要求圍繞以下主題進行人工智能作品創作。

作品主題：十九大報告中提到，要“堅定文化自信，推動社會主義文化繁榮興盛”，“深入挖掘中華優秀傳統文化蘊含的思想觀念、人文精神、道德規范，結合時代要求繼承創新，讓中華文化展現出永久魅力和時代風采”。民間藝術是中華優秀傳統文化的重要體現，繼承和發揚民間藝術是我們的歷史使命。你的家鄉有哪些民間藝術？它背后的文化是什么？在人工智能飛速發展的今天，想一想如何結合人工智能讓家鄉的民間藝術更具有時代的特征，從而被更多人了解，讓其更有生命力地傳承下去。

● 初步設想

在接到活動的通知后，學生們開始自行組隊并提出自己的設想，結合學生現有的技術水平、各種可利用的資源和可行性分析，經過篩選，最終確定了智能龍舟創作方向。端午節是我國的傳統節日，在這一傳統節日里很多地方都有賽龍舟的習俗，傳統意義上的龍舟都是通過人力進行驅動的，智能龍舟的設想是在保留傳統龍舟外形的基礎上進行人工智能的升級改造，使其更加智能和更具時代氣息，與本次活動的主題要求也極為匹配。

經過研究討論，學生提出創作的智能龍舟作品應具有以下功能：①通過聲音指令控制船槳的劃行快慢程度;②自動檢測行進的前方是否有障礙物，保障船的安全;③能自行檢測船身的震動，并反饋信息，確保船的平穩行駛;④給龍舟增加聲控動力助推器，使龍舟在賽道上更加如魚得水;⑤語音交互介紹播報。

● 項目分析

要實現以上的創作設想，必須有相關的硬件和軟件支持。硬件部分主要包括龍舟的船身和零部件，還有具有語音識別功能的主控板和各種探測傳感器等。其中，龍舟的船身和零部件沒有現成的模型可以使用，只能根據需求來制作，考慮到學校可以供學生們使用的各種加工器械有限，于是決定選擇目前較為流行的3D打印技術來完成龍舟船體的制作。筆者所在學校在建設創客實驗室時購置了多臺3D打印機，這次的龍舟船體制作正好可以利用3D打印機這一資源。

軟件則需要能具備語音識別的程序編寫平臺。經過對比和測試，這次智能龍舟案例的創作選擇了“創造栗”，“創造栗”是一款針對中小學人工智能科普教育解決方案的產品，包含有人工智能開源硬件和人工智能編程軟件平臺，可實現人工智能的語音識別、圖形圖像識別和人機交互等功能，具有圖形化的編程界面，這非常有利于低年級學生的操作使用。

● 實踐創作

1.利用3D one軟件進行船體的設計

（1）船身主體

在進行智能龍舟的船體設計時，需保留傳統的龍舟外形，同時也需在設計上預留出足夠的空間來裝載主控板和傳感器等元器件，還需要注意在船身的合適位置預留開口，用作帶動軸等零部件的安裝。在船身主體的設計上，先是利用3D one軟件中的草圖繪制功能，根據尺寸大小按比例繪制出船身的輪廓，再利用特征造型模塊中的拉伸功能將船身的平面輪廓變為立體圖形，然后利用組合編輯命令中的減運算，將船體中不需要保留的部分進行掏空處理，經過多次的掏空處理和調整后，龍舟的船體大致可以達到預期的效果，下一步的工作就是利用3D打印機進行打印，輸出實體模型。

（2）船槳

船槳需足夠輕便，能被轉軸帶動，方便安裝和固定，基于以上考慮，在3D one軟件設計時，船槳采用六面體和圓柱體組合而成。為了能與轉軸更好地連接，還在船槳的中間部位掏空一個三角形狀的缺口，同時，將帶動軸的兩端也設計成大小相當的三角形狀，使其與船槳能完美連接，有效解決了后續的安裝和固定的問題。

（3）齒輪

在3D one軟件中，先用圓柱體繪制出尺寸大小合適的圓盤，再通過草圖繪制拉伸的方法制作出其中一個齒輪的凸角，通過基本編輯中的圓形陣列功能繪制出48個相同的凸角，再整合成一個完整的48齒的齒輪，最后用減運算的方法將齒輪的中心位置預留出用于與轉軸銜接的開口。

模型制作好后，要用3D打印機配套的切片軟件對三維模型的數據進行處理，因為3D打印機只能讀取和打印其配套的切片軟件打開的STL文件，因此學生將以上設計好的.Z1文件分別轉化為STL格式文件，再用3D打印機配套的切片軟件進行實物打印輸出。

2.人工智能程序編寫

這次智能龍舟的程序是利用“創造栗”產品所配套的在線編程軟件進行編寫的，需要使用到的核心功能是人工智能模塊中的語音識別。

（1）搭建具有語音識別的程序

設置程序初始化，從人工智能模塊庫中依次調出人工智能初始化和所需使用的語言，目前該編程平臺支持中文和英文兩種語言，為了讓安裝在龍舟上的主控板能學習和識別某項語音指令，需添加對應的語句和識別號，按照對應的識別號1～8，分別輸入“qi dong”“kuai dian”“fei su”“guan bi”等語音指令。接著添加“創建聲學模型”“創建發音字典”“創建語言模型”和“創建解碼器”四個模塊的程序，“創建聲學模型”的作用是協助解碼器分析聲波特征，將聲音識別為連續的音素;“創建發音字典”模塊能將音素生成最大概率的文字;“創建語言模型”則是將最大概率的文字生成詞組或句子;“創建解碼器”這個模塊是語音識別的引擎，作用是將聲波解碼成語句，但需要匯入聲學模型、發音字典和語言模型。最后加上設置靈敏度大小、揚聲器音量和麥克風音量三個模塊語句，這三個模塊的取值范圍均為0～255。通過實際測試發現，設置靈敏度的值越高，主控板對聲音的反應就越靈敏，但這樣極容易受到周圍環境的影響，會影響到具體指令的接收，為了避免這種情況的發生，將本次程序的靈敏度的值設置為100。

以上語音識別的初始化程序基本搭建完成，但為了能更清楚地知道語音初始化程序執行的情況，學生還在初始化的程序后面加入了語音播放文本的語句：“您好！歡迎來到中國智能龍舟邀請賽現場，精彩比賽馬上開始。”這樣，初始化是否完成了，就會心中有數。

（2）搭建語音指令的執行程序

通過if語句與“偵測到聲音”模塊的組合，檢測是否有人說話的聲音，執行“聲波分幀并提取特征向量”和“解碼器{聲學模型、發音字典、語言模型}”模塊，目的是把偵測到的聲波進行分幀處理，然后提取特征向量，再把特征向量導入到解碼器中，通過聲學模型、發音字典和語言模型進行解碼，比對出與發音最為接近的字音。

在初始化程序中定義一個名為“result”的整數變量，并在語音執行程序中將“讀取識別號”賦值為“result”，在其后加入switch語句將“result”的值與case中的數值進行比對，符合即可執行相應部分的程序。根據智能龍舟的最初設想，將執行的程序編寫如下：

①當說出“qi dong”時，執行播報語音“說”這一模塊，播報文本“智能龍舟系統已準備就緒”，同時增加“寫入數字管腳2狀態高”，使船身的LED燈同時亮起來。

②當說出“jie shao long zhou”時，通過“說”模塊播報智能龍舟的介紹語音，需要提前在“說”程序中輸入相關的介紹文本。

③當說出“kai shi bi sai”時，需要讓船槳按一定的節奏擺動起來，這一動作需要借助舵機進行旋轉角度來帶動。為了使整體程序更加簡化和有條理，在處理舵機的程序上，專門針對舵機的擺動角度創建了一個函數，并將這個函數命名為“duo ji”，在“duo ji”里分別加入“轉動舵機管腳7角度為0”和“轉動舵機管腳7角度為20”的程序模塊，在這兩個模塊之間增加延時模塊控制舵機轉角停留的時間，從而達到控制舵機帶動船槳擺動快慢的目的。最后，只需將“duo ji”這個函數的簡化模塊加到執行程序里即可，極大地簡化了程序的編寫篇幅。

④當說出“kuai dian”時，需要讓船槳劃動的速度加快，這一功能就可以參照前面“duo ji”中的程序，只需將“duo ji”函數中的延時模塊時間間隔縮短即可，在這里延時設置為300毫秒。

⑤當說出“fei su”時，需要將安裝在船身尾部位置的助推器打開，學生選擇了減速電機作為船的助推器，在程序編寫時，加入了“說”模塊，讓主控板在接收到指令后，播放語音“好的，明白，馬上開啟飛速模式”，同時增加“寫入脈沖寬度調制管腳～3賦值為255”，讓輸出的電頻信號為最大值，使電機的轉速達到最快。同理，如果想要關閉助推器，說出“guan bi”時，在對應的執行程序加上“寫入脈沖寬度調制管腳～3賦值為0”即可使電機停止轉動，也就是關閉了助推器。

⑥當檢測到船的前方有障礙物時，需要發出提示聲，程序中需用到“如果…執行…”的模塊，在如果后加入條件判斷模塊“紅外線動作感測器管腳5觸發條件有動作”，執行“說：注意，注意，前方有障礙物”模塊。

⑦當船身下沉幅度過大，說明此時船的承載重量較大，需發出提示聲，通過與滑桿配件的結合，在程序中繼續使用“如果…執行…”模塊，如果后面加入“讀取模擬管腳A0>500”語句，執行后面加入“說：注意！注意！船載超重！”。

⑧當風浪過大，影響船身顛簸震動時，需發出提示聲，為了解決這一問題，學生用傾斜開關來處理，在程序上使用“如果+‘讀取數字管腳11=真，執行+說‘注意！注意！當前風浪較大船體容易震動，小心行駛”。

3.整體拼裝及測試

龍舟的船體、零部件和程序準備好之后，就可以進行作品的整體拼裝和測試了。學生先將各元器件逐一固定在船體相應的位置上，再參考編寫的程序腳本，用杜邦線分別將各元器件與主控板上的數字接口、模擬接口連接起來。由于這次智能龍舟作品所用到的元器件比較多，而創造栗主控板上可供使用的接口明顯不夠，所以借助了面包板的辦法來解決接線的問題。元器件安裝好后，再將3D打印機打印出來的齒輪、帶動軸、船槳逐個安裝到預留的位置上。

經過學生的努力，智能龍舟的作品制作完成，通過后期的測試，基本達到了預期目標。這次智能龍舟的制作，是筆者所在學校小創客們一次成功的創作實踐，今后會有越來越多的新技術、新產品出現，希望小創客們能緊跟時代的步伐，積極進取、勇于探索，用自己的聰明才智帶來更多的創意和驚喜。