多合—繪圖機器人的原理與實現(xiàn)

譚梓煒

摘要：多合—繪圖機器人是一款可以在物體表面上畫畫或雕刻并適合多場景的機器人。它可以搭建成如下四種模型：多自由度的機器手臂（mScara）、墻壁繪畫機器人（mSpider）、畫蛋機器人（mEggBot）、無線藍牙三輪機器人（mCar）。當然，mDrawBot的作用不僅僅局限于繪畫這一領域，也同樣適應于其他領域，如創(chuàng)建，激光雕刻等等。在本文中，筆者所想要闡釋的是多合—繪圖機器人的原理以及實現(xiàn)的過程。

關鍵詞：機器臂；畫墻機器人；畫蛋機器人；地面繪畫機器人

一、多合—繪圖機器人的結(jié)構(gòu)以及原理

機器人作為現(xiàn)代高科技技術的典型以及代表，受到各個國家政府的高度重視。制作成熟的機器人不僅僅代表著國家的科技實力，同時也能夠大大提升工業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著機器人應用領域越來越廣泛，各個高校也逐步開設了機器人課程，致力于機器人的研發(fā)以及探索。機器人除了應用于工業(yè)領域，也同樣適用于繪畫等藝術領域。雖然，計算機早已經(jīng)實現(xiàn)了繪畫這一功能，但是通過計算機進行繪畫有很多局限之處，仍然需要不斷的突破和改進。王斐在《機器人畫家10分鐘肖像》一文中指出，機器人可以擔任藝術家這一身份進行創(chuàng)作，它可以通過對模特面部特征的認定以及識別，來進行繪畫。[1]而多合—繪圖機器人可以在物體表面上進行繪畫，使得機器人在繪畫這一領域更進了一步。

（一）、多合一繪圖機器人的結(jié)構(gòu)

在上面的論述中，筆者已經(jīng)述及多合—繪圖機器人的四種形態(tài)，那么這四種形態(tài)具體又是怎么運行的呢？這四種形態(tài)又是如何分配其具體的職責來實現(xiàn)畫圖的整個過程的呢？下面將逐一介紹：

1、機器手臂（mScara）

張學文在《四自由度教學型機器人運動軌跡控制技術研究》一文中指出，一般而言，機器人的機械系統(tǒng)主要由三個部分組成，分別是機器手臂、機身以及末端操作。[2]當然，多合—繪圖機器人也不例外，它是由兩個自由度組成，靈活性比較強，和其他機器人的手臂相比，多合一繪圖機器人手臂有著明顯的優(yōu)勢，它可以根據(jù)不同的畫筆以及繪畫對象來調(diào)整繪畫的方式，比如說如果你在機器人的手臂上安裝畫筆，它就可以在紙面上進行繪畫；如果你在手臂上放一支激光筆，它就變成激光雕刻師等等。當然，要使機器人能夠正常地操作繪畫，也有相應的驅(qū)動器。多合—繪圖機器人的驅(qū)動裝置就是由步進電機驅(qū)動的，保證了繪畫的準確性。

2、墻壁繪畫機器人（mSpider）

mSpider是一個墻壁繪畫機器人，是多合一繪圖機器人的其中一種形態(tài)。正如上面所論述的那樣，多合一繪圖機器人可以組裝成四種形態(tài)，而這四種形態(tài)的重要區(qū)別之處在于機器人繪畫的對象不同。mSpider能夠繪畫的物體表面是墻壁上或者類似白板的平面物體表面上。控制墻壁繪畫機器人的驅(qū)動電機也是步進電機，通過兩個步進電機抽拉與畫筆裝置連接的細線，達到準確定位的作用。通過點與點的連接繪畫形成圖案，因此，按照這個邏輯，如果有足夠大的畫布，mSpider就可以畫出相應大的畫面。

3、畫蛋機器人（mEggBot）

就一般繪畫機器人而言，只能在平面的物體上進行繪畫。而多合一繪圖機器人的mEggBot打破了局限于平面作畫的這一束縛，能夠在球體甚至不太容易作畫的物體，例如雞蛋、鴨蛋、乒乓球等物體曲面，進行繪畫。就繪畫成果而言，并不是單調(diào)簡單的，而是可以繪出多種顏色多種線條的高難度繪畫過程。具有很強的主觀能動性和適應性。

4、地面繪畫機器人（mCar）

和其他三個組成部分不同，mCar是一款機器人三輪車。其驅(qū)動器也主要是依賴于步進電機，我們可以通過藍牙無線控制機器人三輪車的運動軌跡，根據(jù)自己的運動軌跡來進行繪畫。如果我們將地面繪畫機器人置于地面并在其上面安裝一支畫筆，那么mCar就可以在地面上進行繪畫，從理論上而言，如果地面上沒有其他物體的阻擋，地面繪畫機器人就可以在地面上暢通無阻地進行創(chuàng)作。

（二）多合—繪圖機器人的原理

上述我們主要介紹了多合—繪圖機器人可以搭建四種不同功能的形態(tài)，每個形態(tài)所擔任的工作都有所不同，下面我們就具體介紹一下這四個部分的內(nèi)在原理是怎樣的。

在使用多合—繪圖機器人之前，你必須在自己的電腦上安裝mDraw軟件，在軟件安裝成功之后，你就可以導入任何的圖片并點擊命令按鈕進行確認，從而使得機器人進行繪畫。mDraw是一款專業(yè)功能非常強大的軟件，它具有很強的針對性和適應性，它是專門為多合—繪圖機器人而設計的，集成了四種形態(tài)的控制方式。與此同時，這款軟件的功能非常強大和豐富，比如可以伸縮圖像的比例，支持自己個性化的參數(shù)設置從而繪出獨一無二的作品，同時你還可以設置機器人繪畫的范圍，使得機器人在規(guī)定的范圍內(nèi)進行繪畫等等。當然，具體的安裝步驟，可以參考其自帶的安裝說明書。如果你不想利用Makeblock這個指定的組裝模塊，你同樣可以自由選擇Arduino UNO組裝模塊，不過這個組裝模塊，相比Makeblock這個組裝模塊而言，接線更加復雜，難度更大。組裝過程會略微復雜。

二、多合—繪圖機器人的實現(xiàn)過程

上面部分，我們簡單介紹了多合—繪圖機器人的組成形態(tài)和原理，下面我們主要介紹多合—繪圖機器人的實現(xiàn)過程。機器手臂和市面上普通的寫字機器人在整體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，有著極大的相似性。計算機，作為輔助性的控制器，主要將輸入的文本以及圖像轉(zhuǎn)化成為G代碼，當然這也需要專業(yè)的軟件來進行此項任務的操作，這款軟件的名稱為Inkscape。在計算機上，用計算機自帶的記事本的方式打開，就可以看到文本以及圖像的一個坐標值，并通過上位機軟件和下位機通信的連接，實現(xiàn)寫字和繪畫的這一過程。[3]

在上面的論述中，我們發(fā)現(xiàn)不管是三輪機器人也好，還是墻壁繪畫機器人也好，都是通過驅(qū)動器步進電機來實現(xiàn)的。步進電機可以實現(xiàn)機器人對距離的精準控制，從而可以使得繪圖機器人在規(guī)定的范圍內(nèi)進行繪畫和寫字。當然，步進電機的運行需要將細分設置好，從而保障步進電機的正常運行。

三、總結(jié)

在本文中，主要介紹了多合—繪圖機器人的原理以及實現(xiàn)過程。在第一部分主要介紹了多合—繪圖機器人的四種形態(tài)：由機器手臂、墻壁繪畫機器人、畫蛋機器人、地面繪畫機器人這四個形態(tài)合成。當然，每個部分的主要功能也有所區(qū)別。多合—繪圖機器人不僅僅具備繪畫的這個功能，也不僅僅擔任的是藝術家這一角色，除此之外，還可以應用于其他的領域和專業(yè)。多合—繪圖機器人可以重復使用實驗，可以利用這個特性創(chuàng)建新的功能，從而應用到工業(yè)的建設中。除此之外，你還可以在此基礎上，添加一些電子模塊和機械零件，比如說加上Makeblock機械零件和模塊，就可以變成制圖儀，雕刻機，卡片掃描儀等等?？傊@個機械模塊的擴展性非常強大，你可以利用你的想象力，在此基礎上，進行不斷地加工與創(chuàng)造，滿足不同的需求。

隨著科學技術的不斷升級換代，人們對機器人的要求也越來越高，除了應用于實用領域的機器人之外，還將視野擴大至藝術這一領域，如畫蛋機器人的出現(xiàn)，使得從以往單一的平面作畫轉(zhuǎn)到曲面上的作畫，這些都是科學技術上的一大進步。因此，我們也深知，要想在這個領域有所建樹，也需在以后的實際過程中不斷總結(jié)和學習。

參考文獻：

[1]王斐 機器人畫家10分鐘繪肖像[J]科海故事博覽 2012年.

[2]張學文 四自由度教學型機器人運動軌跡控制技術研究[D]重慶大學 2009年

[3]陳玉敏 智能寫字機器人的設計計算機測量與控制 2016年