基于Arduino的機器人寫字系統(tǒng)設(shè)計

陳柯宇，熊宗山

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，四川 綿陽 621000)

0 引言

本次機器人寫字系統(tǒng)設(shè)計的目的是要尋找一種簡單的寫字算法，在設(shè)計和探索過程中，對掌握的知識進行總結(jié)，提高自身的綜合能力。這種簡單的寫字算法，不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的計算方法和公式，對寫字機器人可以起到一定的推廣作用，可以讓更多的機器人愛好者去研究寫字機器人，算法的實現(xiàn)也增加了寫字機器人功能的多樣性。寫字機器人能運用在科研、教學(xué)上，能夠幫助工作任務(wù)繁重的工作者減輕負擔(dān)而新興的電子產(chǎn)品。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能的不斷發(fā)展，促進了智能機器人的發(fā)展進步。本項目設(shè)計的基于Arduino的機器人寫字系統(tǒng)是想在基于當(dāng)代設(shè)計的智能機器人上再設(shè)計一種可寫字的應(yīng)用系統(tǒng)，對我國現(xiàn)有的機器人進行設(shè)計和系統(tǒng)方面的改進和升級，使設(shè)備經(jīng)過后期的調(diào)試能夠通過控制模組進行自動控制筆架模組，可以代替人進行書寫或畫畫，使智能機器人的功能更加健全，朝更加智能化、人性化的方向前進[1]。因此，設(shè)計了基于Arduino的機器人寫字系統(tǒng)，主要針對處理以下問題：

(1)很多企業(yè)都有涉及重復(fù)性較高的文筆工作場合，且人力勞動消耗大，有很多沒必要的人力耗費，文筆工作者最后實現(xiàn)的工作效率、質(zhì)量均不高；

(2)我國研究的智能機器人還未深入涉及這塊領(lǐng)域，且如果要廣泛普及在社會上的使用，耗資巨大，成本高。

1 現(xiàn)狀分析

信息時代的到來，機器人方向作為高科技的重要研究領(lǐng)域，人工智能的家居生活機器人已經(jīng)漸漸進入我們的視線、生活。目前我國機器人寫字系統(tǒng)還未普及使用，雖然在研究和設(shè)計，但有局限性且還未真正意義上實現(xiàn)寫字機器人在人們生活工作中的普及。現(xiàn)在我們接觸到的應(yīng)用于家居生活中的智能機器人最多的就是掃地機器人、語音互動跟隨機器人等。我國的寫字機器人研究主要在矢量化算法和自由度算法，將字軌跡通過運算，轉(zhuǎn)換成機器人要運動的路徑。國外機器人的發(fā)展，目的性很強，主要用于軍事和家務(wù)。目前我國研究的機器人在各方面的設(shè)計和系統(tǒng)還不夠完整，沒有一個具體的用處。可對我國國內(nèi)現(xiàn)有的機器人進行設(shè)計和系統(tǒng)方面的改進和升級，使設(shè)備經(jīng)過后期的調(diào)試能夠通過控制模組進行自動控制筆架模組，作X軸運動或Y軸運動，夾持在筆架模組上的筆可以代替人進行書寫或畫畫，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、動作靈敏、運動位移精度高、壽命長等優(yōu)點，適用于重復(fù)性較高的工作場合[2]。

2 研究內(nèi)容

研究寫字機器人的市場價值，硬件電路設(shè)計及功能實現(xiàn)、起筆、落筆子程序功能實現(xiàn)、電子驅(qū)動子程序功能實現(xiàn)、前進、停止子程序功能實現(xiàn)、轉(zhuǎn)彎子程序功能實現(xiàn)。軟硬件調(diào)試、硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和字體庫的創(chuàng)建，根據(jù)需要的字體創(chuàng)建字體庫。設(shè)計該產(chǎn)品整體外觀設(shè)計和產(chǎn)品市場推廣以及項目實施方案，利用Arduino開發(fā)使用的編程軟件和語言來實現(xiàn)對Atmel公司開發(fā)的芯片做主控制器進行模塊化編程，測試各子程序的功能是否實現(xiàn)、創(chuàng)建字體庫、完成舵機的系統(tǒng)測試與分析、后期檢測、測試總體效果。

研究機器人寫字系統(tǒng)的市場價值和相關(guān)的文獻資料、機器人寫字系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及功能實現(xiàn)、寫字系統(tǒng)硬件部分主要由Atmel公司開發(fā)的芯片做主控制器以及執(zhí)行器部分采用舵機轉(zhuǎn)動機械手臂實現(xiàn)、軟件部分采用Arduino開發(fā)使用的編程軟件和語言；研究機器人寫字系統(tǒng)的程序算法邏輯；研究怎樣盡可能降低成本，簡化設(shè)計模塊，讓該產(chǎn)品更加大眾化，進入大眾的視線；研究科普領(lǐng)域，拓展系統(tǒng)的功能，讓智能機器人實現(xiàn)功能更加完善[3]。

3 系統(tǒng)初步設(shè)計

字體輪廓的高速描繪需要控制系統(tǒng)具有前瞻的功能，以加快寫字時筆在銜接處的運動速度，并且避免了頻繁啟停對舵機的沖擊。字符路徑規(guī)劃的目的是使機器人末端能夠快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定地按照字體的輪廓軌跡運動，為提升傳統(tǒng)多軸聯(lián) 動寫字機器人寫字速度、穩(wěn)定性和精度。

寫字機器人整體控制系統(tǒng)由計算機、控制器、電機驅(qū)動電路和電機4部分組成。計算機作為輔助控制器，主控制器由Arduino系統(tǒng)構(gòu)成，執(zhí)行環(huán)節(jié)則由舵機組成。

(1)經(jīng)過團隊的項目前景預(yù)估及前期市場調(diào)研，得出該產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，可以給企業(yè)帶來較大的商業(yè)利益，同時也為科研力量貢獻出一分力量。

(2)根據(jù)其他相關(guān)資料和科研實驗，確定了該項目的可行性。

(3)初步完成機器人寫字系統(tǒng)核心部分設(shè)計及原理框圖，如圖1所示。

圖1 機器人寫字系統(tǒng)核心部分設(shè)計及原理

由Atmel公司開發(fā)的芯片做主控制器，因此實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)動時具有很高的精度，合理的平面空間定位，通過改變編程語言可以寫出多種不同的字體、字符。

3.1 硬件的設(shè)計思路

整個系統(tǒng)由舵機驅(qū)動、霍爾傳感器感應(yīng)、mini-drive控制板、電池組4部分組成。完成機器人的行進動作。控制板模塊接收程序的命令，通過H橋?qū)Χ鏅C模塊進行控制，起筆和落筆的舵機模塊是由主控板直接控制的，沒有通過H橋。傳感器模塊是由霍爾傳感器完成的，當(dāng)小車運動的時候，霍爾元件就會在磁場中發(fā)生變化，從而記錄小車的行程。電池組模塊驅(qū)動舵機，為控制板提供電源。另外系統(tǒng)還有一些指示燈的模塊，比如電池組指示燈、串口指示燈等[4]。

3.2 電源的預(yù)選及防護

電源需要采用穩(wěn)壓器L4941 LDO，使得輸入輸出的電壓差僅為0.45 V 。但是，如果輸入的電壓小于5.4 V，就沒有穩(wěn)壓效果。原則上輸入的電壓可以在3.5～9 V。用4節(jié)1.5 V的電池就可以工作。電源端有防反接電路，這樣，即使反接也不會燒壞電路，起到了安全保護的作用，硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路

3.3 主程序的設(shè)計

主程序的設(shè)計如圖3所示。在初始化設(shè)置中，設(shè)置中斷引腳，設(shè)置串口的波特率，打開串口，設(shè)置引腳為輸出模式等，循環(huán)體模塊，主要是調(diào)用子函數(shù)，完成想寫的單詞或者句子。

圖3 主程序的設(shè)計

4 結(jié)語

本項目設(shè)計的基于Arduino的機器人寫字系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、動作靈敏、運動位移精度高、壽命長等優(yōu)點，并且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對智能安防系統(tǒng)、智能家電控制系統(tǒng)更趨于利用Arduino易擴展、低成本、使用靈活的優(yōu)勢，并在實際的生活學(xué)習(xí)域進行探索。這種機器人寫字系統(tǒng)可以廣泛地運用在科研、教學(xué)上，寫字機器人是能夠幫助工作任務(wù)繁重的工作者減輕負擔(dān)而新興的電子產(chǎn)品，適用于重復(fù)性較高的工作場合，可解放工作者的雙手，該產(chǎn)品具有非常廣闊的市場前景，在這個過程中不斷更改軟件算法以及硬件設(shè)計，目的是做到最大的兼容性和可拓展性。在科研方面，也有深入研究意義，為后續(xù)研究人員提供合理參考。