基于Arduino的“智繪”寫繪一體機器人

卜苗苗 張利強 江國強 賀斯慧

【摘 要】機器人技術(shù)是當(dāng)今高科技研究的重要方向，世界各國高度關(guān)注。隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，機器人成為工作場所自動化生產(chǎn)線和靈活制造系統(tǒng)不可或缺的一部分。智能機器人系統(tǒng)對于協(xié)助人類書寫、繪圖、雕刻，以及提高書寫速度和質(zhì)量具有重要意義。機器人書寫技術(shù)是一種以機器人為載體，結(jié)合計算機視覺和機器學(xué)習(xí)的技術(shù)，使機器人能夠在教育、培訓(xùn)或?qū)W習(xí)后自主書寫。

【關(guān)鍵詞】智能寫畫;激光雕琢;控制學(xué);模塊化

【中圖分類號】TP242 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）02-0047-03

0 引言

本項目主要研究繪圖機器人利用激光在鋼材、釉面、石材等表面的字符標(biāo)記問題，較深入地研究了多自由度串連機器人機器構(gòu)造、正逆運動學(xué)、運動空間、速率雅克比矩陣、動力學(xué)及軌跡計劃問題。并對在空間平面、柱面及球面的多角度操作問題做了詳細的實驗報告。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用“模塊化+移動+可變比例”的設(shè)計理念，有固定點和移動兩種工作模式。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

跟著知識經(jīng)濟時代的到來，高技術(shù)及使之產(chǎn)業(yè)化已成為眾人關(guān)注的主題。機器人技術(shù)是高科技的一個關(guān)鍵領(lǐng)域，指引著人類進步，已成為制造業(yè)不可或缺的工具和技術(shù)手段，并已成為國家制造業(yè)和技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

智繪繪圖機器人綜合了計算機、控制論、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的應(yīng)用于表面繪制的技術(shù)產(chǎn)品，其應(yīng)用場景廣泛，除了傳統(tǒng)的紙質(zhì)書寫、繪畫，還有釉面繪畫、鋼材噴繪、石材雕刻、玻璃噴繪、墻體噴繪等。而智繪機器人系統(tǒng)利用重構(gòu)模塊的機器人，對于輔助人類書寫、畫圖、雕刻、提高書寫速度與質(zhì)量具有重要意義，也是對多種人工智能技術(shù)的創(chuàng)新性與集成性應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

（2）國內(nèi)關(guān)于寫字機器人的研究。王光健、陳雪華、張學(xué)文對四自由度書寫機器人進行了詳細研究，并詳細分析了運動學(xué)仿真、軌跡規(guī)劃、控制系統(tǒng)設(shè)計和文本輪廓提取;王曉麗、宮曉博對機器人分別做了寫字、繪畫這方面的實驗;此外，南京林業(yè)大學(xué)機器人研究所對機器人復(fù)雜軌跡的編程進行了研究，并進行了漢字書寫實驗[3]。

（2）國外關(guān)于寫字機器人的研究。MF Crainic等人提出了一種促進證書或傳統(tǒng)信用證創(chuàng)建的方法。系統(tǒng)使用機器人手臂RV2AJ和筆在斜坡上書寫。K Tahara和S Arimoto提出了一種迭代學(xué)習(xí)控制方案，該方案獲得了關(guān)節(jié)角度軌跡和坐標(biāo)系的解釋，并實現(xiàn)了從機器人初始點到指定隨機光滑表面上目標(biāo)點的運動[4]。

當(dāng)前，寫字機器人存在如下3個方面的問題：{1}寫字機器人不夠智能，并沒有通過機器學(xué)習(xí)算法去學(xué)習(xí)寫字，而只是通過程序控制的自動化的寫字過程，只能書寫出程序中已有的字符。系統(tǒng)魯棒性較差，一旦程序出錯，就會影響整個寫字過程。系統(tǒng)缺乏異常容忍能力，且系統(tǒng)自身并不能找到錯誤原因。{2}當(dāng)前的寫字機器人只是在同一水平面簡單的程序化的進行書寫，不能實施多角度的操作，只局限一個方向。{3}當(dāng)前的寫字機器人只局限于在紙質(zhì)品上繪畫，寫字操作不夠精細，且需要人工輔助。

1.3 本課題的研究內(nèi)容

本項目圍繞以下幾個方面的內(nèi)容進行研究。{1}機器控制：結(jié)合機械結(jié)構(gòu)、前進和后退運動學(xué)、工作空間、速度雅可比，力學(xué)和軌跡規(guī)劃控制繪圖機器人。{2}對在空間平面、柱面及球面的多角度繪制。{3}模塊化設(shè)計，針對不同材料、筆觸模塊的相應(yīng)設(shè)計。{4}中文字體，為了能夠有效地繪制中文字體，需要對中文字體進行建模學(xué)習(xí)。仿生人寫字繪畫的動作，使得繪制的作品更具人性。

2 智繪機器人的硬件部分

2.1 構(gòu)造繪圖機器人的材料

（1）供電模式。一個USB接口無法提供足夠的電流，所以采用三頭插頭，電壓為225 V，滿足系統(tǒng)電流需求。

（2）基座及硬件的構(gòu)成。機器的結(jié)構(gòu)非常簡單。橫向拋光桿安裝在左底座和右底座之間，移動中心可移動地安裝在橫向拋光桿上。通過在水平梁中移動X軸或通過驅(qū)動滑架模塊和縱梁、滑架模塊、運動中心和縱梁圍繞Y軸移動，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（3）配置電路。由L293D集成電路、28引腳DIP集成電路插座、2個22 pF和1 100 nF電容、10 K電阻和原型PCB板組成電路系統(tǒng)（如圖2所示）。

3 智繪機器人的控制

3.1 Arduino控制器

Arduino Uno R3是一款功能強大且易于使用的開放式設(shè)計源代碼。免費下載使用開發(fā)界面，閃存32 KB存儲空間可滿足設(shè)計要求，與電機控制板兼容，使電路更簡單、更穩(wěn)定，同時價格也相對較低。

3.2 A4988步進電機驅(qū)動芯片

雙極步進電機以全步長，工作模式細分為1（000），1/2（100），1/4（010），1/8（110）和1/16（111），輸出驅(qū)動性能高達35 V和±2 A。A4988包括一個固定的關(guān)斷時間電流調(diào)節(jié)器，可在慢速或混合衰減模式下工作，工作模式如圖3所示。

3.3 繪圖控制系統(tǒng)原理設(shè)計

智繪控制系統(tǒng)采用自動化控制，應(yīng)用“單核多路”的控制方法，即一個Arduino UN0控制器，操控智繪機器人系統(tǒng)中若干組成模塊的正常運作，控制系統(tǒng)原理及硬件組成如圖4所示。

3.4 控制系統(tǒng)代碼設(shè)計片段

4 智繪機器人設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 基本寫字繪畫技能

通過上機位調(diào)試及編譯對Arduino UN0控制，用四路脈沖控制伺服電機控制，步進電機在X、Y軸控制繪畫筆，繪圖筆會根據(jù)控制進行相應(yīng)的移動，在紙上留下痕跡就是我們所需要的字體。修改penUp和penDown的變量，對伺服電機進行調(diào)整，進而控制筆頭完成我們所想要繪制的字和圖案。通過在實驗室對智繪繪圖機器人進行測試，各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，只需在部分細節(jié)上進行優(yōu)化處理。

4.2 激光雕刻器

（1）激光雕刻器。根據(jù)項目要求，添加了激光雕刻。激光雕刻就像使用計算機和打印機在紙上打印一樣簡單。可以在Windows環(huán)境下利用多種圖形處理軟件。設(shè)計和掃描的圖形（如Corel DRAW）和各種CAD文件的矢量化圖形集合可以輕松地“打印”到雕刻機上。

（2）激光雕刻的特點。{1}雕刻范圍廣泛：具有超強的適應(yīng)能力，可以在不同材質(zhì)的原料上進行工作。{2}速度快：激光雕刻比普通雕刻方法快100多倍，確保重復(fù)雕刻的準(zhǔn)確性。{3}精度高：該產(chǎn)品的高精度，精密雕刻可以在受雕刻材料氧化、變形和熱膨脹影響相對較小的區(qū)域內(nèi)進行，清潔且無污染。{4}耗能少：雕刻過程簡單，能力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，原材料損耗少，提高工作效率。{5}自動化程度高：激光雕刻和自動控制技術(shù)的結(jié)合使控制過程易于自動化。

（3）激光雕刻的參數(shù)。激光頭參數(shù)見表1。

4.3 數(shù)控程序

使用的Codebender是一個在線Arduino IDE，它允許直接在瀏覽器中編程Arduino板，并使用Codebender將它們嵌入到Arduino板上。通過對penUp和penDown變量的修改，對伺服電機進行上下控制，從而達到繪制筆上下的效果。

5 總結(jié)

本文研究了繪圖機器人利用激光在鋼材、釉面、石材等表面的字符標(biāo)記問題，深入研究了多自由度系列機器人的機械結(jié)構(gòu)、正向和反向運動學(xué)、工作空間、速度雅可比行列式、動力學(xué)和軌跡規(guī)劃[3]。并對在空間平面、柱面及球面的多角度操作問題做了詳細的實驗報告。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用“模塊化+移動+可變比例”設(shè)計概念，有定點和移動兩種工作模式。設(shè)計擴展了應(yīng)用范圍和廣度，可以進行簡單重復(fù)的工作，為未來機器代替人工打下基礎(chǔ)[2]。

智繪繪圖機器人綜合了計算機、控制論、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成應(yīng)用于表面繪制的技術(shù)產(chǎn)品，其應(yīng)用場景廣泛，除了傳統(tǒng)的紙質(zhì)書寫、繪畫，還有釉面繪畫、鋼材噴繪、石材雕刻、玻璃噴繪、墻體噴繪等。智繪機器人系統(tǒng)利用重構(gòu)模塊的機器人，對于輔助人類書寫、畫圖、雕刻、提高書寫速度與質(zhì)量具有重要意義，也是對多種人工智能技術(shù)的創(chuàng)新性與集成性應(yīng)用。

參 考 文 獻

[1]張傳劍，李春梅，韓軍.MOTOMAN UP6機器人寫字功能設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械制造與自動化，2011，40（2）：119-121.

[2]Crainic M F，Preitl S，Sandru L A，et al.Secure handwriting using a robot arm for educational purpose[C].Methods and Models in Automation and Robotics（MMAR），2014 19th International Conference On.IEEE，2014：58-63.

[3]邊樓偉.Nao機器人寫字學(xué)習(xí)方案[J].中國科技信息，2017（10）：43-44.

[4]陳玉敏，謝瑋，孟憲民，等.智能寫字機器人設(shè)計[J].計算機測量與控制，2016，24（1）：266-268.