基于藍牙的語音控制書架機器人設計與實現

孫苗 蘭曉紅 賀轉玲 魏延

摘? 要： 針對傳統方法查找書籍繁瑣、耗時長，開發一套基于藍牙通信的可以通過遠端自然語言控制的具有自動查找定位、可避障移動和自動巡線傳送書籍等功能的小型智能書架機器人系統。該系統主要包含書架機器人本體部分和遠端控制APP部分。書架機器人本體部分通過3D機械設計和開源平臺Arduino編程控制電路運轉;APP部分利用APP Inventor軟件開發一套書架控制手機APP，并采用關鍵字查詢技術查找圖書。經過實驗測試，發現書架機器人系統可以在短時間內準確查找到圖書，并準確送達目的位置。文中設計的書架機器人系統有效解決了在特定場合需要快速定位查找書籍、便捷取放圖書等問題。

關鍵詞： 書架機器人; 藍牙通信; 自然語言控制; 系統設計; 遠程控制; 系統測試

中圖分類號： TN911.23?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）10?0179?05

Design and implementation of speech control bookshelf robot based on Bluetooth

SUN Miao1，2， LAN Xiaohong1， HE Zhuanling3， WEI Yan1

（1. College of Computer and Information Science， Chongqing Normal University， Chongqing 401331， China;

2. Engineering Center of Robotics and Intelligent Equipment， Chongqing Normal University， Chongqing 401331， China;

3. College of Information and Communications， National University of Defense Technology， Xian 710106， China）

Abstract： As the search books is tedious and time?consuming in the traditional methods， a small intelligent bookshelf robot system based on Bluetooth communication and by means of the remote natural language control is developed， which has the functions of automatic searching and locating， obstacle avoiding and moving， and automatic routing and transferring books， etc. The system mainly includes the body pa0072t and the remote control APP of the bookshelf robot. In the robot body part， the circuit operation is controlled by means of the 3D mechanical design and Arduino programming， an open source platform; in the App part， a bookshelf control mobile phone APP is developed by the App Inventor software， and the keyword search technology is used to search books. The experimental testing results show that the bookshelf robot system can find books accurately in a short time and deliver them to the destination accurately. The bookshelf robot system designed in this paper can effectively solve the problems such as quick locating and searching books， convenient picking and placing books in specific occasions.

Keywords： bookshelf robot; Bluetooth communication; natural language control; system design; remote control; system testing

0? 引? 言

隨著機器人技術以及移動互聯網技術的迅速發展[1?2]，智能化研究在日常生活中的應用需求日益增多[3?6]。如今，在教室、書房、辦公室等場所，書籍被堆放在書架上，大多是通過人工查閱的，查找比較困難，拿取也極其不方便，嚴重影響了人們查閱書籍的時效性。如果設計出一種能夠通過自然語音自動查找書籍，并把定位的書籍送到人們手邊的書架機器人，將有效地解決人們在書房中對書籍定位難、查找耗時長等問題。

在查閱圖書過程中，準確定位和取放圖書是常見的問題。針對書籍定位這一問題，張郁松等以物聯網圖書館智能書架的結構化、通用化設計為目標，利用超高頻（UHF）射頻識別（RFID）技術，設計了一種具有實時檢測與定位功能的智能書架，提高查閱書籍的效率[7];舒遠仲等基于改進的RFID室內定位技術設計一款應用于圖書館中的智能書架系統[8]，將書架定位到每一層，精確到書架的最小單元格，并且降低系統的復雜度和成本，有效地提高了讀者借閱圖書的效率和管理員的工作效率，在國內外，很多圖書館為了提高圖書查找效率已經從純手工管理方式過渡到采用條形碼識別、計算機網絡、計算機軟件技術等的數字化管理模式。雖然采用了許多現代化技術，但還是有很多問題困擾著閱讀者。據調研分析，目前存在的問題主要體現在圖書館藏書量大的時候，閱讀者需要花費很多時間去找出自己想要的圖書。即使現有圖書館有圖書檢索查詢系統，但通過圖書檢索查詢系統只能檢索到圖書所在的書架機器人號或樓層，還是需要閱讀者花時間到書架機器人或樓層查找圖書。另外，現有的書架系統不可移動，在找圖書前，閱讀者還需要花費一些時間去找出相應書架。

此外，這些圖書管理及查找系統都是針對較大型圖書館設計的，目前還沒有一款主要針對個人的圖書管理系統。鑒于此，本文設計基于藍牙的語音控制書架機器人系統。該系統可以通過移動終端設備（手機或平板等）用自然語言控制書架的行為，書架行為主要有兩大類型：圖書查找定位行為以及書架運動行為。這樣，每個個體尤其是在校學生就可以擁有一個自己的專屬書架，平時書架可以停放在室內的任何空閑角落，需要拿放圖書時，用自然語言命令書架運動到自己的身邊，同時，也不需要自己查找所需拿取的圖書，只需通過自然語言告訴書架你所要的圖書名稱（支持關鍵字查找），書架自動為你查找該圖書并精確定位該圖書在書架上的位置。從而較好地解決目前大量學習資料存放及查找繁瑣、費時的問題，有效提高了學習效率。

1? 總體開發流程

基于藍牙的語音控制書架機器人系統總體內容主要包含兩部分：書架機器人本體部分和遠端控制APP部分。系統總體開發流程如圖1所示。

書架機器人本體部分包含書架機械結構和控制系統，主要用于存取圖書、定位圖書、與APP端通信和移動書架等功能，如圖2所示。遠端控制APP部分主要是通過移動終端設備（手機、平板等）上開發的APP軟件來管理圖書、控制書架行為等，開發設計的APP界面如圖3所示。

2? 硬件系統設計

2.1? 機械結構設計

由于要考慮書架尺寸和所存放圖書種類、大小的不同，書架機械結構的設計必須符合實際要求。首先采用三維軟件進行建模，然后按照實際需求對建模的結構進行設計分析，之后通過3D打印機將模型打印成型。所設計的書架機器人機械結構主要包含圖書存放機構，具有多個不同大小的存儲格子，可以存放多種圖書;包含可以存放控制系統的夾層;包含可移動的萬向輪，可以保證書架自由全方位移動;包含存放圖書查詢定位的機構，主要用于存放LED指示燈、液晶顯示屏和語音播報小喇叭等。設計完成的三維結構如圖2所示。

這里選用三維建模軟件3DOne對書架機械結構進行設計，是因為3DOne融合了其他軟件的許多功能，而且把很多功能進行圖形簡易化處理，整合了常用的實體造型和草圖繪制等命令，使用起來非常方便、簡單。同時該軟件實現了3D設計與3D打印軟件的直接無縫連接，設計好的三維圖形導出后可以直接連接到3D打印機上進行打印。3DOne操作設計界面如圖4所示。

2.2? 控制系統設計

書架機器人本體的控制系統，采用 Arduino UNO[9?10]開發板作為主控器，開發板使用高速的微處理控制器（ATMEGA328），開發操作界面和環境都較簡單、易理解，而且控制器穩定、運行速度快。Arduino UNO控制器如圖5所示。

書架機器人本體的控制系統外圍模塊主要包括前端避障模塊、巡線模塊、藍牙通信模塊、供電模塊和驅動模塊。書架機器人本體部分控制系統電路原理框圖如圖6所示，主要由控制器通過指令控制各模塊的工作，由于驅動和通信模塊的功能比較容易理解，這里主要介紹一下避障模塊和巡線模塊。

在一般模式下，控制系統處于避障模式，在書架機器人的四周都安裝有用于避障的超聲波傳感器，可以實現全方位避障，例如當前方遇到障礙物，機器人會自動調節后退適當的角度，然后再繼續前行檢測;當選擇巡線模式時，一般用于有固定軌道的場所，書架機器人會沿著黑線（或者白線）做慢速地往復運動，以便于讀者自由取閱圖書。

3? 軟件系統設計

3.1? 開發平臺介紹

本文設計的基于藍牙的語音控制書架機器人系統的書架機器人本體部分和遠端控制手機APP部分主要在開源平臺Arduino IDE和APP Inventor[11]上進行設計和開發。

Arduino IDE可以在多操作系統上運行，是基于processing IDE開發，Arduino的IDE界面是基于開放源代碼。同時，它可以使用C語言進行編程，對于初學者來說，比較容易掌握，而且具有足夠大的靈活性和擴展性。遠端控制APP部分采用的是APP Inventor開發平臺來進行手機APP軟件的開發和設計。Google APP Inventor是一個完全在線開發的Android編程環境，該平臺采用圖形模塊化編程，省去復雜的代碼書寫程序的繁瑣。

3.2? 算法思想

由于基于藍牙的語音控制書架機器人系統分為兩大部分控制系統，根據各自特點需要采用兩個軟件。相應地根據實現的功能不同，需要設計兩套不同的算法。

3.2.1? 書架機器人本體端算法思想

書架機器人本體端程序采用Arduino IDE開發環境編寫，主要完成接收APP程序端控制命令和解析命令，控制書架按命令要求完成相應的動作（移動、查找、定位、巡線等），程序主要算法思想如圖7所示。

3.2.2? 遠端APP算法思想

遠端控制APP實現的功能遠端控制APP部分，如圖2所示，主要功能是通過手機APP實現對圖書的管理，包括圖書取放操作、移動控制模式選擇（語音控制、按鍵操作、巡線模式）和圖書信息維護操作等。圖書信息維護模塊主要完成書架圖書信息增加、刪除、圖書存放位置調整等功能。

手機端APP控制程序采用APP Inventor開發環境編寫，其主要算法思想如圖8所示。

3.2.3? 關鍵技術

書架機器人系統通過一個手機端的控制APP程序向書架機器人發送控制命令，控制命令可以通過自然語言發送也可以通過按鍵發送，書架與APP之間通過藍牙通信，APP還負責書架圖書信息的維護管理。對書籍的查詢主要采用關鍵字查詢方式。按照關鍵字查詢可以分為幾類：按照標題、作者、內容等出現的關鍵字進行查詢。

這里采用搜索引擎的主流檢索方式：基于文本的信息檢索。搜索引擎一般通過用戶提供的指定所需信息的關鍵字，對關鍵字進行后臺處理，返回相應的文檔。搜索引擎重要的一個處理工作是在用戶提交關鍵字之后，采用什么方式快速找到哪些文檔中包含這些關鍵字。由于所查詢的文檔資料數目非常繁多，如果用戶在提交關鍵字之后把每一個文檔都拿出來然后判斷關鍵是不是匹配文檔，這個過程是相當緩慢的。這里采用在信息檢索領域常用的通過關鍵字來索引文檔的“倒排文檔索引” 技術[12]。

在實際的查詢中，盡管每個關鍵字索引的文檔數都比較多，但由于用戶限定的關鍵字個數都比較少，因此只要根據關鍵字的倒排文檔索引進行集合操作，即可得到用戶需要的文檔。

利用倒排文檔索引技術的關鍵字查詢的方式對用戶沒有特殊要求，具有簡單、易用的特點，而且目前關鍵字查詢也在進一步完善，比如模糊查詢[13?14]、語義匹配[15]、查詢改寫[16]等技術[17?18]，讓關鍵字查詢更加便捷和智能，受到很多用戶的青睞。

4? 系統測試

為了驗證本文設計的書架機器人系統的實用性，選取實際應用環境對系統進行測試。書架機器人系統測試實物如圖9所示。

實驗針對存放書籍數量為10本的書架機器人進行測試，主要測試書籍查詢定位和送達成功的準確率和所用的時間。測試數據如表1所示。

由表中數據可知，測試準確率基本達到90%以上，查詢定位和送達書籍所用時間較短，在人們可以接受的范圍內，與傳統書架的查詢方式相對比，具有定位快、用時短、準確率高的特點，具有一定實用價值。

5? 結? 語

本文基于藍牙通信、Arduino IDE和APP Inventor開發平臺，成功搭建語音控制書架機器人系統。該系統由書架機器人本體和遠端控制APP組成，較好地把機器人技術、移動互聯網絡技術應用到了書架設備中，解決了查找圖書耗時耗力的問題，提高了時效性。該系統經過實驗測試，所設計的書架機器人系統在特定環境下可以準確查找定位和推送書籍，具有較好的穩定性和識別準確率，可滿足實際應用需求，有較大的市場前景。但是仍然存在一些不足之處，通過用戶反饋信息，將從以下幾個方面改進完善：優化書架機器人本體的機械結構，使其更加穩固的同時增加存書量;增加一些個性化可選擇功能模塊，滿足現代人的個性化需求。

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