机械与机器设计小组项目：跨境 AI 写字机 - "The WordMiser Oracle"

本周的小组作业见：https://fabacademy.org/2025/labs/chaihuo/docs/week12/week12_group_assignment/

项目概述

"The WordMiser Oracle"（惜字如金预言机）是一个跨境协作项目，将深圳柴火创客空间的 SenseCAP Watcher AI 助手与澳门科学馆的机械写字机连接起来，创造了一个独特的交互体验。

项目的核心理念是创建一个"惜字如金"的 AI 预言机，它必须将回答限制在25个字符内，并由机械写字机物理书写出来。这种设计旨在提醒人们在信息爆炸的时代，精炼的表达往往比冗长的内容更有价值。

项目通过 MQTT 协议实现两地之间的实时通信：

深圳端：使用 SenseCAP Watcher AI 助手接收用户问题并生成简短回答
澳门端：设计机械写字机接收 AI 生成的文本并将其物理书写在纸上

The WordMiser Oracle 的系统结构图

团队成员

郭俊傑 (Chon Kit Kuok): 负责写字机硬件与程序设计
陈朗维 (Long Wai Chan): 负责机械结构设计
刘洪泰 (Hongtai Liu): 负责 SenseCAP Watcher AI 编程
冯磊 (Lei Feng)：负责 MQTT 文本到 G-code 转换程序设计

第一阶段：机器设计与构建

在第一阶段，我们的目标是构建基本的写字/绘图机器，具备接收文本或图像并进行书写/绘制的功能。

机器结构选择

经过研究比较不同类型的机器结构后，我们选择了笛卡尔坐标机器人结构（Cartesian coordinate robot structure），因为 X 和 Y 轴的控制是分离的，便于控制和编程。

硬件组件

为了节省时间专注于改进和应用，我们尽可能使用实验室中现有的资源组装机器：

组件	规格	数量
铝型材	20 × 20 × 25cm	2
铝型材	20 × 40 × 35cm	2
铝型材	20 × 40 × 29.7cm	2
步进电机	Nema 17	3
微控制器	Arduino Nano	1
步进电机驱动器	A4988	2
Arduino CNC 扩展板	Rev2.7	1

组装写字机的硬件

Machine design_v1

固件与控制

我们使用 GRBL 作为控制 CNC 机器的固件。GRBL 是一个流行的开源固件，用于使用 Arduino 控制 CNC 机器。它可以解释 G-code命令并相应地控制步进电机。

上传 GRBL 固件的步骤

从 GitHub 下载 GRBL 固件
将库添加到 Arduino IDE
上传固件到 Arduino 开发板

连接 CNC 扩展板

按照连接图，我们将步进电机、舵机和限位开关连接到 CNC 扩展板，然后连接 12V 电源驱动步进电机。

G-code 通过 PC 的 USB 发送到 Arduino 开发板，再通过 CNC 扩展板控制步进电机

机器测试

我们使用 Universal G-Code Sender (UGS) 软件测试机器。UGS 是一个免费的 CNC 控制器软件，兼容 GRBL、TinyG、Smoothieware 和 G2core 等多种固件选项。

UGS 软件的界面

通过 UGS，我们可以：

连接机器
手动控制机器移动
运行 G-code文件
调整移动分辨率

G-code测试

我们测试了一些基本的 G-code命令：

G00：快速定位（通常用于起点定位）
G01：线性插值（进给）
G21：公制系统
G28：返回参考点
M03：顺时针启动主轴（在本项目中用于放下笔）
M05：关闭主轴（在本项目中用于抬起笔）

图像转换为 G-code

我们使用 G-codePlot 扩展将图像矢量转换为 G-code。这是一个用于将图像矢量转换为 G-code的 Inkscape 扩展。

使用 G-codePlot 扩展将图像转为 G-code

然后，我们在机器上测试相关G-code能否运行。

在UGS介面上的G-code模拟

test_drawing.mp4

验证了我们设计的机器可以透过 Serial 串口接收 G-code 后画出图形，接下来我们将针对 G-code 传输的部份进行探讨。

第二阶段：无线通信实现

MQTT 通信协议

由于在尝试使用开发板直接连接到 Arduino Nano 时遇到了电压不匹配的问题（ESP32 的电压为 3.3V，而 Arduino Nano 的电压为 5V），我们决定建立 MQTT 服务，在深圳柴火创客空间和澳门科学馆之间传输数据。

SenseCAP Watcher 通过 MQTT 协议将回答的文本内容发送到 MQTT 服务器

SenseCAP Watcher AI 编程

SenseCAP Watcher 设备作为 AI 助手，其主要硬件规格如下：

MCU：ESP32 系列芯片
显示：1.45英寸圆形 LCD
音频输入：数字麦克风
音频输出：扬声器
输入设备：多功能滚动按钮
通信接口：Wi-Fi / BLE / MQTT

我们将 XIAOZHI AI 框架移植到 SenseCAP Watcher 上，这是一个轻量级 AI 框架，支持：

离线语音识别
本地推理和命令解析
访问在线大型语言模型
MQTT 通信扩展

MQTT 配置

我们配置了 MQTT 客户端：

服务器地址：broker.emqx.io
主题：fablab/chaihuo/machine/text
端口：1883
认证（用户名/密码）：无

AI 响应处理

AI 生成响应后，我们将其包装成标准格式，然后通过 MQTT 发布到特定主题。

MQTT 文本到 G-code转换

冯磊开发了 MQTT 文本到 G-code的转换程序，主要功能模块包括：

MQTT 客户端模块：
- 连接到 MQTT 服务器
- 订阅 fablab/chaihuo/machine/text 主题接收来自深圳端的文本消息
- 实现断线重连、连接状态监控和错误处理
文本到 G-code转换模块：
- 基于 Stypox/text-to-G-code 库适配和优化
- 包含完整的字符映射和绘制路径定义
- 生成带有抬笔(z-up)和落笔(z-down)命令的完整 G-code序列
GRBL 通信模块：
- 实现与 GRBL 控制器的串口通信
- 处理命令队列管理和发送节流
- 适配非标准 GRBL 响应模式
主程序流程控制：
- 整合以上模块，形成完整的工作流程
- 管理程序状态和错误处理
配置与命令行界面：
- 通过 config.yaml 文件提供完整的配置选项
- 支持精确控制笔的高度参数和进给速率

MQTT G-code转换程序的 GitHub 仓库：MQTT-text-G-code-GRBL

运行项目程序，如果收到 MQTT 的内容“Life is a journey of growth. ”，在编程环境的输出区可以看到以下的内容：

cpp


--- MQTT Message Received ---
Topic: fablab/chaihuo/machine/text
Raw Payload: b'Life is a journey of growth.'
Decoded Text Payload: Life is a journey of growth.
Checking Serial Port: ser=Exists, is_open=True
Converting text to G-code...
Warning: Character '.' not found in definitions. Skipping.
Processing 377 G-code line(s) generated from text:
[G-code->GRBL] G0 F1500.0 X0.00 Y6.04        
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] M03 S150
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] G1 F1500.0 X0.00 Y0.00
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] G1 F1500.0 X3.56 Y0.00
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] M05 F1500.0
[GRBL<-] ok
    
...Omit intermediate content
    
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] G1 F1500.0 X122.24 Y0.00
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] M05 F1500.0
[GRBL<-] ok
[G-code->GRBL] G0 F1000.0 X123.74 Y0.00
[GRBL<-] ok
Finished processing G-code from message.
Sending post-message G-code (input did not end with newline)...
[G-code->GRBL] G1 F500.0 X0.00 Y-8.00
[GRBL<-] ok
Successfully sent post-message command: G1 F500.0 X0.00 Y-8.00
--- End MQTT Message Processing ---
Disconnected from MQTT broker with reason code Unspecified error
Successfully connected to MQTT broker with reason code Success
Subscribed to topic: fablab/chaihuo/machine/text

项目演示

项目工作流程如下：

在深圳柴火创客空间，用户通过 SenseCAP Watcher 向 AI 提问：What's the meaning of life?

AI 生成简短回答（限制在 25 个字符内）：“Life is a journey of growth.”并通过 MQTT 发送。

澳门科学馆的程序接收文本并转换为 G-code。

写字机执行 G-code指令，将回答物理书写在纸上。

项目总结与反思

"The WordMiser Oracle" 项目不仅是一次技术挑战，更是一次关于"如何在数字时代重新思考通信价值"的探索。通过物理书写这种相对"慢"的媒介，我们希望提醒人们在这个信息爆炸的时代，有时"少即是多"，精炼的表达可能比冗长的内容更有价值。

项目成功地实现了跨境技术协作，将 AI、物联网和机械控制技术融合在一起，创造了一个独特的交互体验。

未来改进方向

支持更多字符和符号的绘制
优化绘写路径算法，提高书写速度和质量
开发更友好的用户界面，增强系统的可用性
增加更多错误恢复机制，提高系统在复杂环境下的稳定性
改善機身硬件的結構，增大書寫範圍

个人贡献

郭俊傑 (Chon Kit Kuok)

写字机硬件与程序设计
MQTT 数据接收器

陈朗维 (Long Wai Chan)

机械结构设计
硬件连接与升级

刘洪泰 (Hongtai Liu)

SenseCAP Watcher AI 编程

冯磊 (Lei Feng)

MQTT 文本到 G-code转换程序设计
- 文本到 G-code转换
- MQTT 传输
项目视频导演与后期制作

参考资源

GRBL: https://github.com/robottini/grbl-servo
Universal G-Code Sender: https://winder.github.io/ugs_website/
G-codePlot: https://github.com/arpruss/G-codeplot
SenseCAP Watcher: https://www.seeedstudio.com/watcher
XIAOZHI AI: https://github.com/78/xiaozhi-esp32
MQTT-text-G-code-GRBL: https://github.com/mouseart/MQTT-text-G-code-GRBL

机械与机器设计小组项目：跨境 AI 写字机 - "The WordMiser Oracle" ​

项目概述 ​

团队成员 ​

第一阶段：机器设计与构建 ​

机器结构选择 ​

硬件组件 ​

固件与控制 ​

上传 GRBL 固件的步骤 ​

连接 CNC 扩展板 ​

机器测试 ​

G-code测试 ​

图像转换为 G-code ​

第二阶段：无线通信实现 ​

MQTT 通信协议 ​

SenseCAP Watcher AI 编程 ​

MQTT 配置 ​

AI 响应处理 ​

MQTT 文本到 G-code转换 ​

项目演示 ​

项目总结与反思 ​

未来改进方向 ​

个人贡献 ​

郭俊傑 (Chon Kit Kuok) ​

陈朗维 (Long Wai Chan) ​

刘洪泰 (Hongtai Liu) ​

冯磊 (Lei Feng) ​

参考资源 ​