太原市成成中學(xué) 袁子茜

一、項目簡介

家庭智能穿衣助手“Charvis（查維斯）”——是一款解決家庭成員穿衣選擇、搭配和找衣煩惱的服務(wù)機器人。它會根據(jù)天氣變化、外出場合、搭配美學(xué)及個人喜好等，為主人推薦最佳衣服及用具，并協(xié)助主人在衣柜里找到選定衣物。節(jié)約時間，提高效率，從容出行，提升穿衣品味。

有了Charvis的幫助，我們可以睜開眼睛就拿到當(dāng)天需要的衣服。讓家庭成員不會再為如何穿衣感到煩惱，不會再為如何搭配感到頭疼。

Charvis由自動收納衣柜、觸摸顯示穿衣鏡、語音交互系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)四部分組成。綜合運用了語音識別與交互、紅外觸摸屏、圖像顯示穿衣鏡、Raspberry Pi卡片電腦、Arduino單片機控制、云服務(wù)器、自動收納柜等硬件技術(shù)。同時涉及到PHP、html、js、css及Arduino編程。是一個結(jié)合多項機器人技術(shù)，復(fù)雜度高，易用性強，創(chuàng)意新穎的家庭服務(wù)機器人。

二、創(chuàng)意提出

太原市的天氣一天一個樣，作為一個對穿衣服不感興趣，隨便抓一件衣服就出門的學(xué)生來說，沒有考慮天氣變化，經(jīng)常會面臨天冷衣服薄，天熱衣服厚的尷尬處境，甚至?xí)?dǎo)致感冒發(fā)燒；同時，穿著講究的媽媽，每天出門前，都會陷入選擇困難癥，看著滿柜的衣服無從取舍，試衣服和找衣服都要花費很長時間，往往在最后一刻才慌亂出門。

為了讓家人在最短時間內(nèi)，搭配出一身既適應(yīng)氣候條件，又美觀得體的衣服，優(yōu)雅從容的出行，我們決定設(shè)計一款智能機器人助手，幫助家人解決上述煩惱。

當(dāng)提到人工智能的時候，不免會聯(lián)想到電影《鋼鐵俠》里的人工智能管家Jarvis，所以我們決定把這個智能穿衣助手命名為Charvis（China+Jarvis），中文名：查維斯。

三、相關(guān)工作介紹

我們通過網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)目前與衣物相關(guān)的主要有三類智能產(chǎn)品：

1.優(yōu)化衣物存放環(huán)境，提高衣物空間利用率的智能產(chǎn)品

實現(xiàn)的智能功能包含智能收納系統(tǒng)（增加升降吊柜，自如升降）、智能環(huán)境優(yōu)化系統(tǒng)（自動除濕恒溫）、自動開啟感應(yīng)系統(tǒng)（用手輕按，柜門靈敏打開）、智能照明系統(tǒng)及智能防護系統(tǒng)（放有指紋鎖的保險柜）等方面。

如頂固智能衣柜，偏重人與衣柜互動的新型關(guān)系，以人為主體，開發(fā)了遙控式智能升降柜，觸碰自動彈出抽屜，帶自動感應(yīng)燈的掛衣桿等產(chǎn)品。

2.解決衣服搭配和穿衣指導(dǎo)的智能產(chǎn)品

如“智能試衣鏡”是香港理工大學(xué)紡織及制衣學(xué)系成功研發(fā)的一種新產(chǎn)品，于顧客試衣的同時提供貼身搭配指引。運用了無線射頻識別技術(shù)（RFID），顧客只要手持衣物走到鏡前，鏡子便會立即感應(yīng)到衣物，與一旁的屏幕顯示出搭配建議及搭配物種類、顏色及價錢等。

“楓葉智能”衣柜智能推拉穿衣鏡，在滿足穿衣鏡基本的功能外，配置了帶天氣預(yù)報智能模塊及LED光纖照明模塊，智能顯示交互界面，實時顯示天氣預(yù)報、日期、時間、室外溫度濕度、室內(nèi)溫度濕度等數(shù)據(jù)。

3.解決衣物整理和自動存儲的智能產(chǎn)品

資料顯示，美國弗吉尼亞州的創(chuàng)業(yè)公司Thread-Robe，研制了自動化衣櫥-結(jié)合無源超高頻率(UHF)RFID技術(shù)，和一個移動應(yīng)用App。有了這個RFID衣櫥，用戶可以將干凈的衣服存放在箱子里，然后通過RFID識別每件衣物，衣櫥會自動將其掛起。當(dāng)客戶需要取用時，RFID衣櫥會自動蒸汽熨燙后提供給用戶。

通過上述學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品和資料極少。而我們想實現(xiàn)的功能，是上述查詢到的產(chǎn)品功能的交叉地帶。要解決衣物和用具的選擇、尋找的問題，就要涉及衣物的存儲、搭配、拿取。

首先，我們需要跨界整合各類技術(shù)，在減小技術(shù)復(fù)雜度的同時降低過高的成本，同時還要保證最終使用效果。需要創(chuàng)新的地方很多，整合難度很大，很有挑戰(zhàn)性。

其次，以上產(chǎn)品更象是一些自動化控制設(shè)備，缺少與人的互動。而我們設(shè)想的是“查維斯”需要在使用過程中，了解家庭成員的喜好，可以更貼心的提供穿衣建議。所以，必須同時增加機器人與人的信息交互，讓機器助手越學(xué)越聰明，真正成為家庭的伙伴。

四、作品描述

1.功能特色

家庭智能穿衣助手“Charvis（查維斯）”是一款解決家庭成員穿衣選擇、搭配和找衣煩惱的服務(wù)機器人。它會根據(jù)天氣變化、外出場合、搭配美學(xué)及個人喜好等，為主人推薦最佳衣服及用具，并協(xié)助主人在衣柜里找到選定衣物。節(jié)約時間，提高效率，從容出行，提升穿衣品味。

有了Charvis的幫助，我們可以睜開眼睛就拿到當(dāng)天需要的衣服。讓家庭成員不會再為如何穿衣感到煩惱，不會再為如何搭配感到頭疼。

圖1 家庭智能穿衣助手主視圖

圖2 家庭智能穿衣助手左視圖

家庭智能穿衣助手“Charvis“具備三項創(chuàng)新：

（1）借助物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)，極為迅速的權(quán)衡氣象（氣溫、天氣、PM2.5）、外出場合、穿衣喜好等多方面信息，而直接給出穿衣搭配選項，解決了家人選擇衣服繁瑣耗時的痛點。

（2）將衣物的選擇和衣物的收納兩大功能融合在一個服務(wù)機器人中，不僅款式推薦的又快又好，并且自動協(xié)助主人尋找衣物，省去了翻箱倒柜的麻煩。

（3）Charvis擺脫了服務(wù)機器人冰冷的形象，更像是家人的友好伙伴。由于綜合運用了語音、圖像、觸摸屏及紅外傳感等技術(shù)手段，使得Charvis在為家人服務(wù)的過程中，與人的交互方式自然而友好。同時，Charvis會記錄家庭成員的選擇喜好數(shù)據(jù)，不斷提高推薦的準確度，提供更加貼心的服務(wù)。

2.基本構(gòu)成

Charvis主要由自動衣柜、觸摸顯示穿衣鏡、語音交互系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

圖3 家庭智能穿衣助手結(jié)構(gòu)圖

（1）自動衣柜

分為衣服收納與用具收納兩大部分。衣服收納部分按照日常穿著的場合不同，對衣物分為了六個存儲空間，方便快速尋找的同時，也方便了分類收藏。用具收納包含了與服裝搭配使用的口罩、手套、圍巾、帽子、雨/陽傘及太陽鏡等。承載衣物與用具的衣架及抽屜均可在程序控制下彈出或收回。

（2）觸摸顯示穿衣鏡

集成了紅外觸摸屏、穿衣鏡、圖像顯示器三種功能。由二手筆記本顯示屏、單向鏡和紅外觸摸屏制作而成，將觸控顯示屏和鏡子功能融為一體。

（3）語音交互系統(tǒng)

由語音識別和語音播放兩部分組成，可實現(xiàn)Charvis與主人的語言互動及語音提醒功能。語音識別采用了成品離線語音識別模塊，無需聯(lián)網(wǎng)即可拾取、解析設(shè)定的常用語音指令。

（4）智能控制系統(tǒng)

硬件部分主要由Raspberry Pi（樹莓派）卡片電腦、Arduino控制板、云服務(wù)器組成。

①Raspberry Pi負責(zé)控制穿衣鏡的內(nèi)容顯示及觸控反饋，控制自動收納衣柜的自主動作；讀取網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)及云服務(wù)器數(shù)據(jù)；讀取語音指令，控制語音播放。

Raspberry Pi上搭建了Apache服務(wù)，用PHP、html、js、css編程搭建系統(tǒng)，利用了magicmirror開源框架，通過penweathermap平臺獲取氣象訊息。

②Arduino板負責(zé)各項傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，控制舵機啟停和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)衣架及抽屜的彈出及收回。

③云服務(wù)器負責(zé)存儲語音指令、各項傳感器數(shù)據(jù)、穿衣場景搭配數(shù)據(jù)、各項穿衣記錄數(shù)據(jù)。

3.工作原理

圖4 家庭智能穿衣助手工作原理圖

（1）通過語音識別模塊或者觸摸控制選擇當(dāng)天出行場合，比如：上學(xué)、休閑、運動。

（2）樹莓派綜合“場合搭配”、“氣象數(shù)據(jù)”、“穿衣記錄”三類數(shù)據(jù)，運算得出3款最佳衣物搭配方案。

（3）樹莓派通過控制“語音模塊”發(fā)出聲音，同時在“觸摸顯示穿衣鏡”上顯示3款推薦搭配方案。

（4）“觸摸顯示穿衣鏡”將選定的衣物搭配數(shù)據(jù)傳輸給Arduino板。

（5）Arduino板控制自動衣柜上指定的舵機運行。

（6）衣柜自動彈出掛有推薦搭配衣物及出行用具。

4.程序原理舉例

（1）主程序：

（2）“出行用具搭配”子程序

五、實驗結(jié)果與分析

本作品完成主要步驟、測試內(nèi)容及結(jié)果：先討論了家庭智能穿衣助手要實現(xiàn)的功能（上文已述）。

確定功能后，構(gòu)思家庭智能穿衣助手的結(jié)構(gòu)，原先準備制作一個實體比例的衣柜，后查看到規(guī)則當(dāng)中有限定條件，即2平米的展臺后，同比例縮小了結(jié)構(gòu)。再用SolidWorks建模，并繪制出結(jié)構(gòu)圖（上文中結(jié)構(gòu)圖）。討論確定后，準備了材料。在材料方面，我們使用的是舊計算機熒幕、淘寶上買的觸摸框和Arduino硬件、樹莓派主機以及做框架的海信空調(diào)包裝盒子（強度、硬度適中，而且容易加工和美化），盡可能的做到舊物利用、環(huán)保等。

實施制作階段，將樹莓派、顯示屏、紅外觸摸框三個組成合魔鏡，實現(xiàn)鏡子和顯示器的結(jié)合。

樹莓派上搭建了Apache服務(wù)，用PHP、html、js、css編程搭建系統(tǒng)，利用了magicmirror開源框架，通過penweathermap平臺獲取氣象訊息，并對其進行二次開發(fā)，將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到云端服務(wù)器，樹莓派再對其數(shù)據(jù)進行實時顯示。

按衣柜結(jié)構(gòu)圖進行組裝，調(diào)試多次，包括電機選型、傳動方式選擇。原先準備用渦輪渦桿推拉衣架，因速度慢，且不能手動推拉抽屜，所以改用齒輪齒條傳輸動力，可以在斷電的情況下手動拿取衣物。齒輪齒條經(jīng)多次設(shè)計，確定了齒輪形狀。齒輪齒條由直流電機驅(qū)動，抽屜后部安裝了兩個串聯(lián)式常閉限位開關(guān)，限制抽屜行程。核心功能實現(xiàn)后，進行整體的安裝。

通過測試，首先，天氣情況在魔鏡上的顯示，大大提高了生活效率，節(jié)省了早上的時間；同時便捷的穿衣指導(dǎo)和提醒，讓我們?nèi)∫挛飼r間比以前節(jié)省了2/3（原來需要看時間查天氣，找衣物、找配飾，不合適的衣服再更換等，5-6個步驟，現(xiàn)在輕輕松松兩步完成，而且語音對話，互動感更強，也能解放你的雙手，做更多事情噢），讓我們的生活更方便、穿衣出行不再愁。

在整個產(chǎn)品構(gòu)思、討論、制作及安裝過程中，遇到了很多問題，如電機選型、齒輪齒條的確定，智能實現(xiàn)的具體功能、衣物的選擇，都是一次次實驗、一次次失敗、一次次再實驗后成功的結(jié)果。同時，編程及建模上也遇到了不少問題，我們通過向老師尋求幫助、查找資料等方式，最終完成了這一項目。

六、結(jié)論

本作品通過軟件的測試和實際的模擬，達成如下結(jié)論：

家庭智能穿衣助手“Charvis（查維斯）”的完成，實現(xiàn)了我們生活中隨天氣變化增減衣物的方便性以及衣物搭配的便捷性。具有很強的穿衣指導(dǎo)性，節(jié)省了時間，提高了生活效率和穿衣質(zhì)量。

1.觸摸屏，穿衣鏡和顯示器的結(jié)合，可以查看天氣情況，可以點擊穿衣搭配；可以顯示穿衣效果。最了解自己的魔鏡。

2.自動衣柜：自動彈出所選衣服，搭配更便捷。

3.操作更智能，交互更人性！查看天氣情況輕輕觸屏，或者語音對話，怎么方便怎么來。

4.我的穿衣助手，最了解我的喜好，可以記錄更多我的搭配，并提供更好建議，讓我的穿衣搭配成為一道亮麗風(fēng)景線。

5.在實用性上解決了每天出門要查看天氣、搭配衣服、尋找衣物、丟三落四的穿衣問題，真正成為了我們生活的助手和管家。

6.低成本、可交互、智能化，實用性，使該作品在家庭中可推廣使用，我們完成作品后，很多看到的同學(xué)、家長、朋友都表示要我們幫他們做一個呢。

7.產(chǎn)品進一步優(yōu)化和改良后，可推廣到市場中去，讓每個家庭生活更開心、和諧。