豎直平面二維繪圖機器人的設計

王銘 姚澤穎 許超帥 劉野 王艷會

摘 ?要：為解決機器人在繪畫領域中存在的價格高、結構復雜、繪畫區域有限的問題，文章設計了一種基于Arduino的豎直平面二維繪圖機器人，旨在讓機器人更好地應用于繪畫設計領域。該設計的優勢在于電控部分與機械部分可拆卸不受繪圖區域大小的影響。同時，文章對機器人的軟硬件選擇、程序設計以及機器人本體結構進行詳細的介紹。

關鍵詞：Arduino;processing軟件;矢量作圖

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0052-02

Abstract： In order to solve the problems of high price， complex structure and limited painting area of robot in the field of painting， a vertical plane two-dimensional drawing robot based on Arduino is designed in this paper， in order to make the robot better applied in the field of painting design. The advantage of this design is that the detachable parts of the electronic control part and the mechanical part are not affected by the size of the drawing area. At the same time， the software and hardware selection， program design and robot body structure of the robot are introduced in detail in this paper.

Keywords： Arduino; processing software; vector mapping

引言

隨著計算機及其智能硬件的飛速發展，人們在生活和生產過程中越來越多使用機器人來代替人類的工作。繪圖機器人在裝飾設計、素材創作、教育教學、文化娛樂等方面的應用愈加廣泛。本文設計的繪圖機器人克服了傳統繪圖設備價格高、結構復雜、繪圖區域有限的難題，具有成本低、結構簡單、尺寸大小可調節、繪圖性能好的特點，具有十分重要的現實意義和市場價值。

1 系統結構設計

繪圖機器人是由懸吊牽引部分、機電控制部分、數據通信部分組成。上位機選取相應的圖片并加載到控制部分，控制部分由Arduino mega2560承擔，Arduino mega2560接收圖片像素信息后，解析為驅動電機的Dir信號和Step信號，由I/O口控制A4988，驅動左右兩部步進電機轉動。通過兩部步進電機的正反轉動作，帶動懸吊牽引部分按照設定的圖片效果完成繪圖。系統結構如圖1所示。

2 機械部分設計

繪圖機器人的機械部分主要由畫筆支持部分和懸吊牽引部分組成。畫筆支撐部分相當于機器人的手掌， 是一種用來固定畫筆的裝置。畫筆支撐結構的示意圖如圖2所示。該裝置使用2個6003Z的軸承堆疊在一起， 通過固定支撐連接， 使畫筆可準確地保持在固定支撐正中間，并且保證開合角可隨位置的改變而改變。畫筆固定支撐設計可以調整重心從而穩定畫筆，且在繪畫時只露出一點筆徑，保證懸吊牽引部分平衡， 避免抖動。

懸吊牽引部分由步進電機、鏈珠盤、鏈珠、畫筆支撐部分組成。相比于傳統繪圖機器人，該設計在完成豎直平面內的二維繪圖操作的基礎上，對機器人的靈活性與實用性進行了革新，現有的繪圖機器人繪圖支點固定、工作區域受限，使其應用范圍受到影響。而該設計的最大優勢在于，機器人的機械部分可分拆和分裝，牽引電機的固定方式靈活，可安裝在任意作圖區域，結構示意圖如圖3所示，此結構使機器人的繪制范圍不受限制，作圖區域的大小不再成為影響繪圖機器人發展的限制性因素。

3 電控部分設計

本設計的核心控制器是Arduino Mega2560，晶體振蕩器選擇16MHz，使用uart0與上位機通信，I/O口實現對A4988的細分參數配置和驅動控制。電源部分采用兩種供電方式，以適應不同的用電場合。一種是AC220V輸入DC12V輸出的適配器接口，另一種是DC12V60AH電池接口。DC12V直接為步進電機供電，另外DC12V經過穩壓模塊輸出DC5V電壓為Arduino Mega2560供電，正負極分別連接Arduino Mega2560的VIN和GND引腳。

根據設計需求和硬件配置要求，本設計采用步距角為1.8°的兩相混合式步進電機，測試中選擇型號為17SH5413（42BYGH）的兩相四線步進電機，標準模式輸出為200個脈沖轉動一周。電機采用直流12V供電。

在步進電機驅動方面采用了A4988模塊，對A4988驅動模塊編程實現五種不同的步進模式：全步、半步、1/4、1/8、1/16，以達到精確控制的目的。在電路連接上，A4988驅動模塊的 STEP、DIR引腳分別連接Arduino mega2560的PIO。在Arduino中定義兩個object：AccelStepper stepperLeft（1，9，8）和AccelStepper stepperRight（1，7，6）。邏輯上，Arduino的pin8控制左側電機的方向，pin9負責左側電機的脈沖控制，pin7控制右側電機的方向，pin6負責右側電機的脈沖控制。

4 上位機軟件設計

豎直平面二維繪圖機器人采用Processing軟件搭建上位機的界面，Processing是Java語言的延伸，并支持許多現有的Java語言架構。Processing將Java在語法（syntax）上作了簡化，即可以完整地完成Java程序語言編程，又具有許多貼心和人性化的設計。由于其源代碼是開放的，所以可依照自己的需求自由裁剪出最合適的使用模式。

繪圖機器人采用矢量作圖，其本質就是坐標的變換以及坐標的映射。坐標的映射是通過與控制軟件通信獲取到的坐標，將坐標映射為兩根弦的長度。上位機負責把圖片轉化為信息單元點元素，其中包含坐標、大小、灰度值。Arduino mega2560主控板將坐標換算為弦長并輸出。

Arduino Mega2560板與上位機正常通信后，確定做圖區域大小并運行上位機軟件，上位機軟件的控制流程如圖4所示，首先完成串行口的初始化，設置波特率和中斷;然后檢查是否使用上次的系統設置，不使用則重新設置畫板和紙張寬高，確定零點位置，調整筆尖的大小以及電機最大轉速和運行速度，保存系統設置。隨后，載入一張用戶圖片，檢查是否使用上次的圖片設置參數，若不使用則重新設置圖片的大小和繪圖區域，改變“像素”的大小，圖片的對比度，保存這些數據設置，選擇串口連接和繪圖風格，發送到Arduino Mega2560上，驅動電機和舵機開始繪圖。

5 結束語

豎直平面二維繪圖機器人的設計主要圍繞電控設計、跨界軟件編程、機械結構設計三個方面。具有結構簡單、安裝布置靈活的特點，相比于同類產品，不受繪圖區域大小限制且攜帶方便，可以更好的應用在裝飾設計、素材創作、教育教學、文化娛樂等方面。

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