基于Arduino的CoreXY結(jié)構(gòu)寫字機器人設(shè)計

王力 孫國強 尹綸培

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，物質(zhì)文化不斷豐富，人們對精神追求越來越高，公眾對傳統(tǒng)印刷品印刷文字和圖像的滿意度越來越低。傳統(tǒng)印刷需要大量的墨盒，墨盒的成本非常高，基于此我們團隊設(shè)計并構(gòu)建了這款基于CoreXY的書寫機器人。該系統(tǒng)將圖像上傳到主計算機進行圖像識別，然后根據(jù)相應(yīng)的固件進行轉(zhuǎn)碼并存入Arduino Mega2560，通過串口通信發(fā)給帶有固件的Arduino并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。 Arduino UNO R3控制板處理的信號通過相應(yīng)的控制X軸，Y軸作用于兩個步進電機和舵機形成相應(yīng)的聯(lián)系，從而寫出相應(yīng)的文字和圖像。

關(guān)鍵詞：寫字機器人;Arduino;步進電機;舵機;CoreXY結(jié)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.116

1 引言

CoreXY結(jié)構(gòu)的寫字機器人不需價格高昂的墨盒，一只有墨水的筆和用電腦錄入相應(yīng)的文字便可完成相應(yīng)的書寫。此機器人結(jié)構(gòu)簡單，無需太多的空間便可完成工作，通過對寫字機器人的研究，有助于降低成本并且得到同樣的書寫效果。

本技術(shù)報告主要包括機械系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)，上位機部分和控制部分，并說明我們的設(shè)計思路和解決方案。機械結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計以及硬件系統(tǒng)的互相配合，完成了相應(yīng)功能，在設(shè)計的過程中主要考慮制作的成本、機器的書寫原理和怎樣實現(xiàn)的等問題。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

創(chuàng)樂博DrawRobot負責接受文字及圖像，并將接收到的文字和圖像信息轉(zhuǎn)為G代碼，然后用一塊Arduino Mega 2560，把Arduino Mega2560當作上位機并且與下位機進行通信，將G代碼以兩塊板子的串口通信發(fā)送給控制板。

在下位機中，Arduino UNO R3控制板接受主機通過串口發(fā)送的G代碼，通過畫筆源碼生成的固件將G代碼識別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機的狀態(tài)并將信號發(fā)送到CNC Shield V3擴展板和電機驅(qū)動板A4988[1]。

步進電機是機器人的動力部分。從A4988接收的信號控制電機的正向和反向轉(zhuǎn)速。每次輸出控制脈沖時，步進電機前進或后退。舵機通過信號線接收信號，來旋轉(zhuǎn)機臂，達到抬筆和落筆的目的。

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

四個光軸用作中間結(jié)構(gòu)運動的軌道，一個同步輪固定在三個側(cè)面的每一個上，同步帶固定在一側(cè)。此結(jié)構(gòu)是兩個步進電機的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。每個部分通過足夠長的同步皮帶連接，同步皮帶由四個同步輪分成四個方向并連接。通過步進電機的運動，滑架部分可以移動到-X軸，X軸，-Y軸和Y軸。筆架結(jié)構(gòu)由舵機控制，以提升筆和筆。當舵機旋轉(zhuǎn)時，筆架向上移動兩個光軸以達到抬起筆的目的。當轉(zhuǎn)向器的臂趨于水平時，筆架通過重力作用向下移動，從而達到筆下的目的。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制器模塊

此系統(tǒng)的控制板采用了Arduino UNO R3來控制電機驅(qū)動板的信號。根據(jù)相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)編寫畫筆源碼，然后將執(zhí)行文件燒錄到相應(yīng)的芯片中。用合適的上位機（此系統(tǒng)使用的是創(chuàng)立博）識別將要書寫的內(nèi)容并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的G代碼，z將其存入安將對應(yīng)的信號傳輸?shù)诫姍C，舵機。此外，該控制板也為CNC Shield v3擴展板提供5V的電壓，驅(qū)使舵機的運動。

4.2 算法設(shè)計

手動設(shè)計主機上的文本大小，將文本轉(zhuǎn)換為坐標，將對象轉(zhuǎn)換為路徑，并提取位圖輪廓。逐點比較方法用于機器如果當前點位于圖形內(nèi)部，則下一步是走出去;如果當前點在圖表之外，則下一步是進入內(nèi)部并縮小偏差以獲得非常相似的圖形軌跡，其最大偏差不超過一個脈沖當量[1-6]。

逐點比較方法應(yīng)用于線性插值過程。步進電機的每個步驟必須執(zhí)行四個步驟：偏差確定，坐標進給，新偏差計算和終點比較。第一步是根據(jù)偏差確定筆在線上方的位置。

它也離線;第二步確定控制器根據(jù)判別結(jié)果控制哪一個坐標（X軸或Y軸）移動一步;第三步計算筆移動后的新偏差并將其提供給下一步。為了識別的基礎(chǔ)，遞歸地，當處理開始時，書寫筆移動到加工的起始點;在比較的第四步驟中，當計算偏差時，還執(zhí)行終點比較以確定是否已到達終點。如果已到達，則不執(zhí)行進一步的計算，并發(fā)送信號以停止或轉(zhuǎn)換新塊。其中，遞歸的數(shù)量由count變量確定。當每個插值操作完成時，E減1.當計數(shù)變量E減小到0時，插補程序完成，程序結(jié)束并跳出，等待下一個插補操作。對于不同的象限，不同打擊線的插值公式不同于控制器發(fā)出的控制方向。有必要根據(jù)不同的象限改變方向坐標和方向。

5 結(jié)束語

該作品的設(shè)計為未來書紙資源的有效利用打下了基礎(chǔ)，在完成該作品的同時，不僅提高了學生對集成電路的應(yīng)用能力，也培養(yǎng)了學生良好的動手實踐能力和思考能力，這將對以后的科研之路提供很大的幫助。

參考文獻：

[1]陳玉敏，謝瑋，孟憲民，楊東岳.智能寫字機器人設(shè)計[D].山東：哈爾濱工業(yè)大學（威海校區(qū)），山東卡爾電氣股份有限公司.

[2]廈門智控電子[DB/OL].http：//www.mcustudio.com.cn/showcourse.asp？id=51.

[3]DF創(chuàng)客社區(qū)[DB/OL].http：//mc.dfrobot.com.cn/forum.php？mod=viewthread&tid=27196.

[4]胡壽松.自動控制原理（第3版）[M].國防工業(yè)出版社，1994.

[5]王孝武.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社，2002.

[6]胡漢才.單片機原理及接口技術(shù)[M].清華大學出版社，1996.