Η Envi ολοκληρώθηκε από την ομάδα Coconut Robotics ως λειτουργικό ρομποτικό πρωτότυπο που μπορούσε να κινείται, να πραγματοποιεί βασικές μετρήσεις του εσωτερικού περιβάλλοντος και να επικοινωνεί με τον χρήστη μέσω εφαρμογής για κινητές συσκευές.
Το έργο κατέκτησε την 1η θέση στον 3ο Πανελλήνιο Διαγωνισμό Vodafone Generation Next, τον Ιούλιο του 2021.
Η συμμετοχή και η διάκριση της ομάδας παρουσιάζονται αναλυτικά σε ξεχωριστή ανάρτηση στην κατηγορία «Διακρίσεις».
Από το EnviroSocial στην Envi
Η ιδέα της Envi γεννήθηκε ως συνέχεια της προηγούμενης δουλειάς της Coconut Robotics πάνω στο Environment Gets Social – EnviroSocial.
Στο EnviroSocial, η ομάδα είχε ασχοληθεί με την καταγραφή περιβαλλοντικών δεδομένων στην πόλη μέσω μιας φορητής συσκευής που τοποθετούνταν σε ποδήλατο. Με την Envi, το ενδιαφέρον μεταφέρθηκε από τον εξωτερικό δημόσιο χώρο στο εσωτερικό περιβάλλον του σπιτιού, της σχολικής αίθουσας ή ενός χώρου εργασίας.
Η νέα πρόκληση δεν ήταν μόνο η συλλογή μετρήσεων. Τα παιδιά αναρωτήθηκαν:
Πώς μπορεί ένα ρομπότ να μας ενημερώνει για τις συνθήκες ενός χώρου με τρόπο απλό, φιλικό και διασκεδαστικό;
Η Envi σχεδιάστηκε ως ένα μικρό κινούμενο ρομπότ με «προσωπικότητα». Μπορούσε να λαμβάνει φωνητικές εντολές, να πραγματοποιεί μετρήσεις και να απαντά με διαφορετικές εκφράσεις, συμβουλές και χιουμοριστικά σχόλια.
Σε σχέση με το EnviroSocial, η Envi δεν επιχείρησε να δημιουργήσει ένα δίκτυο συλλογής και διαμοιρασμού περιβαλλοντικών δεδομένων. Αποτελούσε μια πιο παιγνιώδη και προσωποποιημένη εφαρμογή, με έμφαση στην αλληλεπίδραση ανθρώπου και ρομπότ.
Τι μπορούσε να κάνει η Envi
Η λειτουργική εκδοχή της Envi μπορούσε:
- να μετακινείται με τέσσερις τροχούς,
- να επικοινωνεί μέσω Bluetooth με εφαρμογή Android,
- να λαμβάνει φωνητικές εντολές από τον χρήστη,
- να μετρά τη θερμοκρασία και τη σχετική υγρασία,
- να λαμβάνει ενδείξεις από αισθητήρα σκόνης,
- να λαμβάνει ενδείξεις από αισθητήρα ποιότητας αέρα,
- να εκφωνεί τις μετρήσεις και σχετικά μηνύματα,
- να χρησιμοποιεί διαφορετικές φράσεις και χιουμοριστικές απαντήσεις,
- να αναγνωρίζει, σε ελεγχόμενες συνθήκες, πρόσωπα που είχαν προηγουμένως καταχωριστεί στην εφαρμογή,
- να πραγματοποιεί μικρές κινήσεις και περιστροφές κατά την αλληλεπίδραση.
Σχεδιασμός και κατασκευή
Η βάση της Envi αποτελούνταν από μια μεταλλική ρομποτική πλατφόρμα με τέσσερις τροχούς mecanum και τέσσερις κινητήρες.
Οι τροχοί αυτού του τύπου επέτρεπαν στην πλατφόρμα να πραγματοποιεί περισσότερους συνδυασμούς κίνησης από ένα συμβατικό όχημα δύο τροχών. Στην υλοποιημένη εφαρμογή, η ομάδα αξιοποίησε κυρίως μικρές μετακινήσεις και περιστροφές που έδιναν στην Envi έναν περισσότερο εκφραστικό και «ζωντανό» χαρακτήρα.
Το περίβλημα, η οροφή, η βάση του κινητού τηλεφώνου και τα υπόλοιπα εξωτερικά τμήματα σχεδιάστηκαν αρχικά στο Tinkercad και στη συνέχεια επανασχεδιάστηκαν στο Fusion 360.
Τα εξαρτήματα εκτυπώθηκαν στους τρισδιάστατους εκτυπωτές του εργαστηρίου με PLA. Η φυσική κατασκευή περιλάμβανε δύο επίπεδα:
- στο κάτω μέρος το Arduino, τον οδηγό των κινητήρων, το breadboard και τη μονάδα Bluetooth,
- στο επάνω μέρος τους αισθητήρες και τις μπαταρίες.
Επειδή η βάση ήταν μεταλλική, τοποθετήθηκαν μονωτικά τμήματα από κόντρα πλακέ, ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος βραχυκυκλώματος.
Ηλεκτρονικά και αισθητήρες
Κεντρική μονάδα ελέγχου ήταν ένα Arduino Mega. Για την κίνηση χρησιμοποιήθηκε οδηγός κινητήρων L293D και για την επικοινωνία με το κινητό μια μονάδα Bluetooth HC-05.
Η Envi περιλάμβανε:
- αισθητήρα DHT11 για θερμοκρασία και σχετική υγρασία,
- οπτικό αισθητήρα GP2Y1010AU0F για την εκτίμηση της συγκέντρωσης σκόνης,
- αισθητήρα MQ-135 για γενικές μεταβολές στην ποιότητα του αέρα,
- τέσσερις κινητήρες DC,
- δύο χωριστές πηγές τροφοδοσίας για τους κινητήρες και το σύστημα ελέγχου.
Η ομάδα σχεδίασε τις συνδέσεις, συναρμολόγησε τα ηλεκτρονικά και προγραμμάτισε το Arduino ώστε να λαμβάνει εντολές από την εφαρμογή, να ενεργοποιεί τον αντίστοιχο αισθητήρα και να επιστρέφει τη μέτρηση μέσω Bluetooth.
Η εφαρμογή Android
Η εφαρμογή δημιουργήθηκε στο MIT App Inventor και λειτουργούσε ως το πρόσωπο και η φωνή της Envi.
Στην οθόνη του κινητού εμφανίζονταν δύο ψηφιακά μάτια, ενώ η εφαρμογή αξιοποιούσε:
- αναγνώριση φωνής για τις εντολές,
- μετατροπή κειμένου σε ομιλία για τις απαντήσεις,
- Bluetooth για την επικοινωνία με το Arduino,
- την κάμερα του κινητού και το Personal Image Classifier για την αναγνώριση καταχωρισμένων προσώπων.
Ο χρήστης μπορούσε να ζητήσει από την Envi μια μέτρηση θερμοκρασίας, υγρασίας ή σκόνης. Η εφαρμογή μετέτρεπε τη φωνητική εντολή σε κατάλληλο μήνυμα, το έστελνε μέσω Bluetooth στο Arduino και περίμενε την απάντηση.
Όταν λάμβανε τη μέτρηση, δεν εκφωνούσε μόνο τον αριθμό. Επέλεγε και μια σχετική φράση από διαφορετικές λίστες μηνυμάτων, δίνοντας στην Envi περισσότερο συνεπή και παιγνιώδη προσωπικότητα.
Αναγνώριση προσώπων
Για την προσωποποιημένη υποδοχή χρησιμοποιήθηκε το πρόσθετο Personal Image Classifier του App Inventor.
Η ομάδα δημιούργησε ένα μικρό μοντέλο με φωτογραφίες των μελών της. Όταν ενεργοποιούνταν η κάμερα, η εφαρμογή συνέκρινε την εικόνα με τις καταχωρισμένες κατηγορίες και επέλεγε το πρόσωπο με τον μεγαλύτερο βαθμό ομοιότητας, εφόσον ξεπερνούσε ένα προκαθορισμένο όριο.
Η λειτουργία αυτή αποτελούσε εκπαιδευτική επίδειξη ταξινόμησης εικόνας. Δεν ήταν αξιόπιστο σύστημα βιομετρικής ταυτοποίησης και δεν είχε σχεδιαστεί για ασφάλεια, έλεγχο πρόσβασης ή χρήση με μεγάλο αριθμό ανθρώπων.
Ο προγραμματισμός
Το Arduino προγραμματίστηκε στο Arduino IDE.
Ο κώδικας:
- έλεγχε τους τέσσερις κινητήρες,
- λάμβανε εντολές μέσω Bluetooth,
- ενεργοποιούσε τον κατάλληλο αισθητήρα,
- επέστρεφε τις μετρήσεις στην εφαρμογή,
- πραγματοποιούσε μικρές κινήσεις κατά την αλληλεπίδραση,
- έλεγχε περιοδικά την ένδειξη του αισθητήρα ποιότητας αέρα.
Ένα ρομπότ με προσωπικότητα
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά του έργου ήταν η προσπάθεια να μη μοιάζει η Envi με έναν απλό φορητό σταθμό αισθητήρων.
Τα μάτια στην οθόνη, η αναγνώριση των μελών της ομάδας, οι διαφορετικές φράσεις, οι φωνητικές απαντήσεις και οι μικρές χορευτικές κινήσεις δημιουργούσαν μια περισσότερο συναισθηματική σχέση με τον χρήστη.
Η ομάδα διερεύνησε έτσι ένα διαφορετικό ερώτημα:
Μπορεί η προσωποποίηση και το χιούμορ να κάνουν τις περιβαλλοντικές πληροφορίες περισσότερο προσιτές και ενδιαφέρουσες;
Η Envi δεν ήταν επιστημονικό όργανο υψηλής ακρίβειας. Ήταν όμως ένα ολοκληρωμένο εκπαιδευτικό πρωτότυπο που συνέδεσε την περιβαλλοντική παρατήρηση με τον προγραμματισμό, τη ρομποτική, τον τρισδιάστατο σχεδιασμό και την αλληλεπίδραση ανθρώπου–μηχανής.
Πρώτη θέση στο Vodafone Generation Next
Η Envi δημιουργήθηκε από τους μαθητές Γυμνασίου Ασπασία Ντόβα, Θεόφιλο Μαυρόπουλο, Δημήτρη Μπάλκο και Αχιλλέα Παπαθανασίου, με υπεύθυνο εκπαιδευτικό τον Γιάννη Αρβανιτάκη.
Το έργο υποβλήθηκε στον 3ο Πανελλήνιο Διαγωνισμό Vodafone Generation Next και κατέκτησε την 1η θέση τον Ιούλιο του 2021.
Η διάκριση αναγνώρισε τον τρόπο με τον οποίο η ομάδα συνδύασε:
- τη μέτρηση του εσωτερικού περιβάλλοντος,
- τη ρομποτική κίνηση,
- την εφαρμογή για κινητές συσκευές,
- τη φωνητική επικοινωνία,
- την προσωποποίηση,
- και μια ευχάριστη παρουσίαση ενός καθημερινού προβλήματος.
Τι έμαθε η ομάδα
Η ανάπτυξη της Envi απαίτησε τον συνδυασμό:
- έρευνας για τις συνθήκες των εσωτερικών χώρων,
- σχεδιασμού και συναρμολόγησης ρομποτικής πλατφόρμας,
- σύνδεσης και δοκιμής διαφορετικών αισθητήρων,
- τρισδιάστατου σχεδιασμού και εκτύπωσης,
- προγραμματισμού Arduino,
- ανάπτυξης εφαρμογής Android,
- Bluetooth επικοινωνίας,
- αναγνώρισης φωνής και εικόνας,
- σχεδιασμού της εμπειρίας και της προσωπικότητας του ρομπότ.
Η Envi αποτέλεσε μια πιο «light» και επικοινωνιακή συνέχεια του EnviroSocial, αλλά όχι ένα ασήμαντο έργο. Αντί να επεκτείνει την επιστημονική συλλογή δεδομένων, διερεύνησε πώς η τεχνολογία μπορεί να μεταφράζει μετρήσεις σε μια εμπειρία που ο χρήστης καταλαβαίνει, θυμάται και απολαμβάνει.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερες πληροφορίες για το έργο στην ιστοσελίδα της ομάδας Coconut Robotics.
