一種寫字機械臂的設計與實現(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械臂的設計與實現(xiàn)，通過大量分析、實驗，將步進電機運用于寫字機械臂，達到機械臂穩(wěn)定書寫文字的要求?；趯懽謾C械臂的硬件和機械裝置做了軟件設計，找到了一種適合于本機械結構的控制算法，利用上位機與顯示屏相結合提高人機交互，最后根據(jù)設計結果進行不同方面的分析，探索機械臂在實際生活中新的存在方式，以求在新的領域內(nèi)機械臂的應用與技術有所突破。

關鍵詞：寫字機械臂；步進電機；人機交互

中圖分類號：TP242.3 文獻標識碼：A

0.引言

自從20世紀60年代以來，機器人產(chǎn)品已廣泛應用于工業(yè)、軍事、醫(yī)藥、家庭等領域。早期機器人主要用于工業(yè)生產(chǎn)以減少人力勞動，智能化時代，機械臂與醫(yī)學相結合可使喪失運動能力的人重新正常生活，這則意味著一個全新領域的到來。寫字機器臂可以作為3D打印機原型，加入一個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來雕刻圖形、徽章等藝術品。

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

1.機械結構設計

采用連桿結構實械傳動，利用平行四邊形四連桿結構實現(xiàn)機械末端與紙面保持垂直，其機械結構。利用平行四邊行兩對邊相互平行的原理可設計出一種一邊固定而另一邊保持一定角度的平動機械機構，本設計采用兩個平行四邊行外加一個等腰三角形作為轉角的機械結構，兩個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，此時只需在輔臂末端加一個轉角三角形或四邊行就可實現(xiàn)機械臂末端與水平面平行。

2.系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，人機互動界面用HMI串口屏，通過串口屏功能選擇與信息提示提高機械的可使用性。通過USB傳輸命令給單片機，單片機對接收到的命令進行解析并輸出PWM信號；步進電機的驅動為A4988，最高可通過2A的電流，可以正常驅動1.2A的步進電機，采用1/16步進量細分法能夠使步進電機具有良好平滑的運行性能。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)軟件設計

3.1 軟件設計總框架

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

3.2 步進電機控制方法

在正常工作的情況下，電機轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，步進電機按設定方向轉動固定角度。通過控制脈沖個數(shù)控制角位移量，達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率控制電機轉動速度和加速度，達到調(diào)速的目的。程序通過控制單片機定時器控制脈沖個數(shù)和頻率調(diào)節(jié)步進電機轉動速度和角度，使系統(tǒng)運行精確穩(wěn)定。

3.3 核心控制算法

算法需實現(xiàn)將串口發(fā)送位置信息轉化為步進電機轉動角度。在整個控制程序中，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)預先設定各個電機轉過角度，通過正解函數(shù)將設定角度值轉化為直角坐標系下平面上的點，通過程序設定的特定角度就可以實現(xiàn)在空間中運動任意的軌跡，在該設計中僅用到XOY平面坐標，所以只需要設定XOY平面上的點，實現(xiàn)軌跡都在XOY平面上運動。在反解函數(shù)中，已知空間一點，確定各電機轉過角度值，在該設計中所有點都在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個電機轉過角度間的關系，反解三角函數(shù)的過程，反解和正解相結合可將設定的點寫到紙面。

實現(xiàn)寫字功能的步驟：先在XOY平面確定兩個點，起點為機械裝置當前所處位置點，終點即機械裝置需要到達目的點，先假定機械主臂固定不動，輔臂旋轉，筆尖從起點向終點運動路徑是一條圓弧，而機械臂末端路徑期望為一條直線。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在在機械裝置轉過夾角很小、輔臂長度很大時，機械裝置末端路徑可近似為一條直線，在該設計中，輔臂長度在設計之初就已經(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，實現(xiàn)寫字功能。

結語

該機械臂利用上位機取模軟件將需要書寫的文字轉化為G代碼，通過串口將G代碼命令發(fā)送給單片機，單片機解析上位機傳來的命令，將具體命令轉化為步進電機的轉速和步數(shù)，通過這種傳輸和解析的方式可精準有效控制機械臂運動達到需要的效果。通過測試該寫字機械臂在書寫40×40mm字體時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，還可將機械臂固定到小車上用于特殊環(huán)境下作業(yè)。

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