基 于 Arduino 的 書 畫 機 械 手 臂 設 計

高明華， 楊云秀， 許麗金， 肖佳豪， 朱 琳

(華東交通大學 信息工程學院，南昌 330013)

0 引 言

隨著機械自動化的廣泛應用，機械手臂在人們視野中開始頻繁出現[1]。但多數機械手臂應用于工業生產中，按照特定的程序完成工件的抓取，代替人類從事簡單、重復的工作或者在高危環境下作業[2]。人機交互概念的出現促使機械手臂向著智能化發展，產生了對智能繪圖儀的研究[3]，涌現了一批寫字繪圖機械手臂[4-7]。書畫機械手臂設計與實現過程涉及圖片處理、信息傳遞、運動學等理論知識[8]。本系統中上位機對圖片進行處理后傳遞給下位機，下位機主控板Arduino板控制機械手臂完成繪制。該機械手臂成本低，經過多次試驗，驗證輸出的穩定性高、還原度高。

1 系統設計

本系統主要由3部分組成：Web、上位機和下位機。其中Web主要功能是為用戶提供一個社交平臺，用戶可以在Web上注冊、登錄以及發表圖文動態，Web對于管理人員來說是收集用戶需求，即圖片或者文字。上位機采用微雕大師軟件，對圖片或者文字進行處理，轉換為G代碼，通過串口傳輸給Arduino。下位機則是機械手臂及其控制系統，步進電機驅動模塊驅動步進電機正反轉，將畫筆移動到平面上的任意位置，舵機控制畫筆抬落。系統框圖如圖1所示：

圖1 系統框圖

整個系統可以分為硬件設計與軟件設計兩部分，其中硬件設計主要針對機械手臂的結構以及下位機各個模塊的設計;軟件設計包括Web設計以及圖片的處理過程(集中在上位機)。

2 硬件設計

書畫機械手臂包括4個部分：主框架結構、控制模塊、傳送模塊和執行模塊[9]。主框架作為3個模塊的“身體”部分，電源部分作為3個模塊的“血液”部分。書畫機械手臂的供電方式是單獨的適配器進行供電。該適配器為電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)防雨監控專用電源，輸入為AC100～260V、50/6 Hz，輸出為DC12V、2A。

2.1 主框架結構

在書畫機械手臂的設計與搭建過程中，主框架是由4個方向均有凹槽的鋁材搭建而成，關節部分是由自行設計的3D打印件制作而成[10]。書畫機械手臂框架示意圖如圖2所示。

圖2 書畫機械手臂示意圖

主框架有7根鋁材，X軸上、中、下各1根，Y軸左右各2根，遍布整個框架的是同步帶(皮帶)。控制系統固定在X軸上的鋁材上，1個步進電動機固定在X軸中的鋁材上控制左右運動，舵機同樣固定在X軸中的鋁材上控制抬筆落筆；2個步進電動機固定在Y軸左右兩側的鋁材上控制前后運動。

2.2 控制模塊

控制模塊由Arduino UNO板和Arduino CNC V3拓展板組成。

本系統硬件部分所使用的主控板為Arduino Uno板，是一塊基于原始開放代碼的Simple I/O 平臺的微處理器，Arduino屬于開源的電子開發平臺，可與大多數設備之間發送和接收消息[11]。

Arduino UNO板的接口眾多，可以匹配一系列的拓展板，而Arduino CNC V3是GBRL(Arduino G代碼處理器)專用的模塊，完全兼容Arduino UNO板和步進電動機驅動模塊A4988的接口，借助GBRL再加上一定的處理工作Arduino UNO板即可成為Arduino CNC控制器。

2.3 傳送模塊

傳送模塊由步進電動機驅動模塊A4988、步進電動機、同步帶(皮帶，6 mm寬)、法蘭軸、軸承、螺絲、墊片和尼龍墊柱等組成。

A4988步進電動機驅動模塊是一款具備轉換器,并且提供過流保護的雙重擴散金屬氧化半導體(Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,DMOS)微步驅動器，該產品在操作雙極步進電動機時有以下5種步進模式：全、半、1/4、1/8和1/16，其細分設置與CNC V3板上的3組排針是否短接有關。

步進電機的位置在前節中已經提及，主要是完成畫筆在平面上的移動，運動至指定的坐標完成繪制[12]。

同步帶遍布整個框架，作用是當步進電動機轉動時帶動X軸的鋁材運動時固定鋁材，避免鋁材運動過速或者離開框架。

法蘭軸和軸承應用在固定步進電動機(帶輪軸)及畫筆(升降軸)上，主要負責在傳送過程中有個滾動的過程，使得整個運動過程變得平緩，而墊片和尼龍墊柱則是固定法蘭軸和軸承，彌補在寬度上的不足。

2.4 執行模塊

執行模塊由舵機和畫筆組成，如圖3所示。舵機由CNC V3板直接控制，舵機收到的脈沖信號控制舵機轉動相應的角度(具體關系見表1)，在本系統中舵機對畫筆的控制只有抬落兩種狀態，因此舵機只需要向上或下轉動相應的角度，選用的是90°轉動的舵機SG90。

本系統對畫筆的選擇沒有硬性的要求(除毛筆外)，只要筆能固定在3D打印件中即可，如簽字筆(各種粗細的筆尖)、原珠筆、馬克筆、鋼筆甚至粉筆。

圖3 執行模塊

脈沖/ms角度/(°)0.501.0451.5902.01352.5180

3 軟件設計

本系統中軟件部分主要涉及：①Web平臺，為用戶提供交流平臺，實現可定制理念；②上位機，完成對圖片的處理；③下位機控制系統，完成控制信息的傳輸。

3.1 Web設計

Web作為一個社交平臺[13]，是在Myeclipse企業級平臺上開發的。用戶可以通過該平臺發送圖文動態，將繪制的圖案與需求發布到平臺上，管理者即可安排相應的畫筆完成繪制。

用戶使用流程為注冊/登錄，然后發表圖文動態，評論回復他人動態；管理員使用admin賬號直接登錄，有3部分功能：管理用戶信息、管理圖文動態、管理評論回復內容。

3.2 圖片處理

3.2.1G代碼

圖像圖像文件格式(Bitmap,BMP)(位圖)是由像素點陣構成的圖像,每個像素都對應相應的灰度值。首先將位圖轉換為黑白圖像，其中黑為1、白為0，一幅圖像轉換成一串離散的脈沖信號。當1時，保持落筆狀態下繪制；當0時，抬筆并運動至下一黑色像素位置。

為了完成運動控制，在轉換過程中首先將圖像或者文字轉為G代碼。G代碼與M代碼廣泛應用于數控中，G代碼通常由字母G和2個數字組成，數字表示指令碼[14]。本系統用到的指令碼有G00快速定位指令、G01直線插補指令、G02圓弧插補指令、G04暫停指令等。

3.2.2上位機

上位機的主要功能是將Web收集的圖像進行處理[15]，轉為G代碼傳輸給下位機的主控板。本系統中上位機選用的是微雕大師，同時具有處理文字以及圖像的功能，上位機處理流程如圖4所示。輸出圖片形式有4種：實心(折線、逐行)、輪廓、灰度和逐點繪制；輸出文字有4種：實心、輪廓、單線、點陣書寫。

圖4 上位機處理流程

3.2.3主控板

下位機的主控板Arduino通過串口接收到G代碼，轉化為脈沖信號。脈沖信號分別控制步進電動機驅動模塊以及舵機進行相應的運動。圖片轉化與運動實現之間的關系如圖5所示。

圖5 圖片處理過程

本部分設計的完成依托于Arduino IDE開發平臺。主程序grblUpload主要是對下位機軟件的整體頭文件的定義，主要包括coolant_contrl(散熱控制，當程序運行時保證散熱處于打開狀態)、cpu_map(執行繪制，完成定位等)、defaults(默認設置)、eeprom(電可擦除只讀存儲器，數據緩沖區)、gcode(G代碼)、grbl、limits(限制引腳更改中斷，去抖動處理)、motion_control(運動控制)、nuts_bolts(螺絲螺母基礎)、planner(規劃)、print(打印)、probe(指針定位)、protocol(處理協議)、report(回告)、serial(串口)、setting(設置)、stepper(步進控制)、spindle_control(軸控制)、system(系統程序)。其中，圖6是運動控制流程圖。

圖6 運動控制流程圖

4 功能測試

軟件的設計與實現驅動機械手臂開始運動，并完成書畫任務。在對各種輸出方式的測試中，機械手臂表現良好，圖7所示為CAD圖的實心繪制模式下的對比圖。

5 結 語

本文中設計了一款書畫機械手臂，有4種風格選擇，可以實現在任何平面上繪制，甚至可用于公司logo打印、CAD圖輸出、黑板報制作等。為機械手臂在工業生產中切割技術提供了契機，也將藝術與機械化相結合實現數字化產物。

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