一種寫字機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李俊++王春城++楊曉帥++李勇++張?zhí)烊?+王敏

摘 要：本文介紹了一種寫字機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過大量分析、實(shí)驗(yàn)，將步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用于寫字機(jī)械臂，達(dá)到機(jī)械臂穩(wěn)定書寫文字的要求?；趯懽謾C(jī)械臂的硬件和機(jī)械裝置做了軟件設(shè)計(jì)，找到了一種適合于本機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制算法，利用上位機(jī)與顯示屏相結(jié)合提高人機(jī)交互，最后根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行不同方面的分析，探索機(jī)械臂在實(shí)際生活中新的存在方式，以求在新的領(lǐng)域內(nèi)機(jī)械臂的應(yīng)用與技術(shù)有所突破。

關(guān)鍵詞：寫字機(jī)械臂；步進(jìn)電機(jī)；人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

自從20世紀(jì)60年代以來，機(jī)器人產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)藥、家庭等領(lǐng)域。早期機(jī)器人主要用于工業(yè)生產(chǎn)以減少人力勞動(dòng)，智能化時(shí)代，機(jī)械臂與醫(yī)學(xué)相結(jié)合可使喪失運(yùn)動(dòng)能力的人重新正常生活，這則意味著一個(gè)全新領(lǐng)域的到來。寫字機(jī)器臂可以作為3D打印機(jī)原型，加入一個(gè)Z軸自由度將寫字筆換成微型鉆頭，還可以雕刻立體圖案，將寫字筆換成激光頭也可以作為微型雕刻機(jī)來雕刻圖形、徽章等藝術(shù)品。

在科技日益發(fā)達(dá)的今天，工業(yè)機(jī)器人作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。德國柏林猶太博物館里展出可抄寫圣經(jīng)的機(jī)器人，Sonny Caberwal推出的手寫機(jī)器人Band，通過特定程序控制的機(jī)器人NAO，在展會(huì)中展示的會(huì)寫毛筆字的機(jī)械臂以及格力寫字機(jī)械臂，等等，類似的寫字機(jī)械臂在國外已取得了一定成果，有些成果甚至已經(jīng)投入了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，但是國內(nèi)寫字機(jī)械臂的研究與發(fā)展相對比較空白，研究出一種具有書寫功能的智能機(jī)械裝置就顯得非常有意義。

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用連桿結(jié)構(gòu)實(shí)械傳動(dòng)，利用平行四邊形四連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械末端與紙面保持垂直，其機(jī)械結(jié)構(gòu)。利用平行四邊行兩對邊相互平行的原理可設(shè)計(jì)出一種一邊固定而另一邊保持一定角度的平動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)平行四邊行外加一個(gè)等腰三角形作為轉(zhuǎn)角的機(jī)械結(jié)構(gòu)，兩個(gè)平行四邊行的短邊分別固定到三角形兩條短邊上，與三角形相接的一條邊的對邊固定到水平面，我們稱這條臂為主臂，另一條為輔臂，此時(shí)主臂末端與輔臂末端成一定角度即三角形短邊間的角度，此時(shí)只需在輔臂末端加一個(gè)轉(zhuǎn)角三角形或四邊行就可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端與水平面平行。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，人機(jī)互動(dòng)界面用HMI串口屏，通過串口屏功能選擇與信息提示提高機(jī)械的可使用性。通過USB傳輸命令給單片機(jī)，單片機(jī)對接收到的命令進(jìn)行解析并輸出PWM信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)為A4988，最高可通過2A的電流，可以正常驅(qū)動(dòng)1.2A的步進(jìn)電機(jī)，采用1/16步進(jìn)量細(xì)分法能夠使步進(jìn)電機(jī)具有良好平滑的運(yùn)行性能。為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，本系統(tǒng)采用雙電源供電，將電機(jī)供電和芯片供電隔離，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)總框架

按照系統(tǒng)要求，選用C語言對單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，按模塊化設(shè)計(jì)，使得編程思路清晰、優(yōu)化代碼邏輯、調(diào)試和維護(hù)簡單化和便于修改易于移植。

3.2 步進(jìn)電機(jī)控制方法

在正常工作的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度。通過控制脈沖個(gè)數(shù)控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。程序通過控制單片機(jī)定時(shí)器控制脈沖個(gè)數(shù)和頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度，使系統(tǒng)運(yùn)行精確穩(wěn)定。

3.3 核心控制算法

算法需實(shí)現(xiàn)將串口發(fā)送位置信息轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在整個(gè)控制程序中，采用三角形正解函數(shù)和反解函數(shù)，正解函數(shù)通過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)過角度，通過正解函數(shù)將設(shè)定角度值轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系下平面上的點(diǎn)，通過程序設(shè)定的特定角度就可以實(shí)現(xiàn)在空間中運(yùn)動(dòng)任意的軌跡，在該設(shè)計(jì)中僅用到XOY平面坐標(biāo)，所以只需要設(shè)定XOY平面上的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)軌跡都在XOY平面上運(yùn)動(dòng)。在反解函數(shù)中，已知空間一點(diǎn)，確定各電機(jī)轉(zhuǎn)過角度值，在該設(shè)計(jì)中所有點(diǎn)都在XOY平面上，可將模型簡化到XOY平面。反解三角函數(shù)可得到3個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)過角度間的關(guān)系，反解三角函數(shù)的過程，反解和正解相結(jié)合可將設(shè)定的點(diǎn)寫到紙面。

實(shí)現(xiàn)寫字功能的步驟：先在XOY平面確定兩個(gè)點(diǎn)，起點(diǎn)為機(jī)械裝置當(dāng)前所處位置點(diǎn)，終點(diǎn)即機(jī)械裝置需要到達(dá)目的點(diǎn)，先假定機(jī)械主臂固定不動(dòng)，輔臂旋轉(zhuǎn)，筆尖從起點(diǎn)向終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑是一條圓弧，而機(jī)械臂末端路徑期望為一條直線。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在在機(jī)械裝置轉(zhuǎn)過夾角很小、輔臂長度很大時(shí)，機(jī)械裝置末端路徑可近似為一條直線，在該設(shè)計(jì)中，輔臂長度在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)確定好了，那么程序只需控制減小變化角度就可使筆尖路徑平滑，實(shí)現(xiàn)寫字功能。

結(jié)語

該機(jī)械臂利用上位機(jī)取模軟件將需要書寫的文字轉(zhuǎn)化為G代碼，通過串口將G代碼命令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)解析上位機(jī)傳來的命令，將具體命令轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和步數(shù)，通過這種傳輸和解析的方式可精準(zhǔn)有效控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)達(dá)到需要的效果。通過測試該寫字機(jī)械臂在書寫40×40mm字體時(shí)可以很清晰的寫出文字，若把筆頭部分換為激光頭可用于激光雕刻，也可用于3D打印方面，還可將機(jī)械臂固定到小車上用于特殊環(huán)境下作業(yè)。

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