基于Arduino的“智繪”寫(xiě)繪一體機(jī)器人

卜苗苗 張利強(qiáng) 江國(guó)強(qiáng) 賀斯慧

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

【關(guān)鍵詞】智能寫(xiě)畫(huà);激光雕琢;控制學(xué);模塊化

【中圖分類號(hào)】TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）02-0047-03

0 引言

本項(xiàng)目主要研究繪圖機(jī)器人利用激光在鋼材、釉面、石材等表面的字符標(biāo)記問(wèn)題，較深入地研究了多自由度串連機(jī)器人機(jī)器構(gòu)造、正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、運(yùn)動(dòng)空間、速率雅克比矩陣、動(dòng)力學(xué)及軌跡計(jì)劃問(wèn)題。并對(duì)在空間平面、柱面及球面的多角度操作問(wèn)題做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“模塊化+移動(dòng)+可變比例”的設(shè)計(jì)理念，有固定點(diǎn)和移動(dòng)兩種工作模式。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

跟著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，高技術(shù)及使之產(chǎn)業(yè)化已成為眾人關(guān)注的主題。機(jī)器人技術(shù)是高科技的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，指引著人類進(jìn)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(guó)家制造業(yè)和技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

智繪繪圖機(jī)器人綜合了計(jì)算機(jī)、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(chǎng)景廣泛，除了傳統(tǒng)的紙質(zhì)書(shū)寫(xiě)、繪畫(huà)，還有釉面繪畫(huà)、鋼材噴繪、石材雕刻、玻璃噴繪、墻體噴繪等。而智繪機(jī)器人系統(tǒng)利用重構(gòu)模塊的機(jī)器人，對(duì)于輔助人類書(shū)寫(xiě)、畫(huà)圖、雕刻、提高書(shū)寫(xiě)速度與質(zhì)量具有重要意義，也是對(duì)多種人工智能技術(shù)的創(chuàng)新性與集成性應(yīng)用。

1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

（2）國(guó)內(nèi)關(guān)于寫(xiě)字機(jī)器人的研究。王光健、陳雪華、張學(xué)文對(duì)四自由度書(shū)寫(xiě)機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)研究，并詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、軌跡規(guī)劃、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和文本輪廓提取;王曉麗、宮曉博對(duì)機(jī)器人分別做了寫(xiě)字、繪畫(huà)這方面的實(shí)驗(yàn);此外，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所對(duì)機(jī)器人復(fù)雜軌跡的編程進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了漢字書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)[3]。

（2）國(guó)外關(guān)于寫(xiě)字機(jī)器人的研究。MF Crainic等人提出了一種促進(jìn)證書(shū)或傳統(tǒng)信用證創(chuàng)建的方法。系統(tǒng)使用機(jī)器人手臂RV2AJ和筆在斜坡上書(shū)寫(xiě)。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(shí)現(xiàn)了從機(jī)器人初始點(diǎn)到指定隨機(jī)光滑表面上目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)[4]。

當(dāng)前，寫(xiě)字機(jī)器人存在如下3個(gè)方面的問(wèn)題：{1}寫(xiě)字機(jī)器人不夠智能，并沒(méi)有通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法去學(xué)習(xí)寫(xiě)字，而只是通過(guò)程序控制的自動(dòng)化的寫(xiě)字過(guò)程，只能書(shū)寫(xiě)出程序中已有的字符。系統(tǒng)魯棒性較差，一旦程序出錯(cuò)，就會(huì)影響整個(gè)寫(xiě)字過(guò)程。系統(tǒng)缺乏異常容忍能力，且系統(tǒng)自身并不能找到錯(cuò)誤原因。{2}當(dāng)前的寫(xiě)字機(jī)器人只是在同一水平面簡(jiǎn)單的程序化的進(jìn)行書(shū)寫(xiě)，不能實(shí)施多角度的操作，只局限一個(gè)方向。{3}當(dāng)前的寫(xiě)字機(jī)器人只局限于在紙質(zhì)品上繪畫(huà)，寫(xiě)字操作不夠精細(xì)，且需要人工輔助。

1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目圍繞以下幾個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行研究。{1}機(jī)器控制：結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)、前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)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(jī)器人。{2}對(duì)在空間平面、柱面及球面的多角度繪制。{3}模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同材料、筆觸模塊的相應(yīng)設(shè)計(jì)。{4}中文字體，為了能夠有效地繪制中文字體，需要對(duì)中文字體進(jìn)行建模學(xué)習(xí)。仿生人寫(xiě)字繪畫(huà)的動(dòng)作，使得繪制的作品更具人性。

2 智繪機(jī)器人的硬件部分

2.1 構(gòu)造繪圖機(jī)器人的材料

（1）供電模式。一個(gè)USB接口無(wú)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(jī)器的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。橫向拋光桿安裝在左底座和右底座之間，移動(dòng)中心可移動(dòng)地安裝在橫向拋光桿上。通過(guò)在水平梁中移動(dòng)X軸或通過(guò)驅(qū)動(dòng)滑架模塊和縱梁、滑架模塊、運(yùn)動(dòng)中心和縱梁圍繞Y軸移動(dòng)，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(gè)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(jī)器人的控制

3.1 Arduino控制器

Arduino Uno R3是一款功能強(qiáng)大且易于使用的開(kāi)放式設(shè)計(jì)源代碼。免費(fèi)下載使用開(kāi)發(fā)界面，閃存32 KB存儲(chǔ)空間可滿足設(shè)計(jì)要求，與電機(jī)控制板兼容，使電路更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定，同時(shí)價(jià)格也相對(duì)較低。

3.2 A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

雙極步進(jìn)電機(jī)以全步長(zhǎng)，工作模式細(xì)分為1（000），1/2（100），1/4（010），1/8（110）和1/16（111），輸出驅(qū)動(dòng)性能高達(dá)35 V和±2 A。A4988包括一個(gè)固定的關(guān)斷時(shí)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(jì)

智繪控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制，應(yīng)用“單核多路”的控制方法，即一個(gè)Arduino UN0控制器，操控智繪機(jī)器人系統(tǒng)中若干組成模塊的正常運(yùn)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(jì)片段

4 智繪機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 基本寫(xiě)字繪畫(huà)技能

通過(guò)上機(jī)位調(diào)試及編譯對(duì)Arduino UN0控制，用四路脈沖控制伺服電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)在X、Y軸控制繪畫(huà)筆，繪圖筆會(huì)根據(jù)控制進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，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(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制筆頭完成我們所想要繪制的字和圖案。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)智繪繪圖機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，只需在部分細(xì)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化處理。

4.2 激光雕刻器

（1）激光雕刻器。根據(jù)項(xiàng)目要求，添加了激光雕刻。激光雕刻就像使用計(jì)算機(jī)和打印機(jī)在紙上打印一樣簡(jiǎn)單?？梢栽赪indows環(huán)境下利用多種圖形處理軟件。設(shè)計(jì)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(jī)上。

（2）激光雕刻的特點(diǎn)。{1}雕刻范圍廣泛：具有超強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以在不同材質(zhì)的原料上進(jìn)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(duì)較小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，清潔且無(wú)污染。{4}耗能少：雕刻過(guò)程簡(jiǎn)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(dòng)化程度高：激光雕刻和自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合使控制過(guò)程易于自動(dòng)化。

（3）激光雕刻的參數(shù)。激光頭參數(shù)見(jiàn)表1。

4.3 數(shù)控程序

使用的Codebender是一個(gè)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(guò)對(duì)penUp和penDown變量的修改，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行上下控制，從而達(dá)到繪制筆上下的效果。

5 總結(jié)

本文研究了繪圖機(jī)器人利用激光在鋼材、釉面、石材等表面的字符標(biāo)記問(wèn)題，深入研究了多自由度系列機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、正向和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)、工作空間、速度雅可比行列式、動(dòng)力學(xué)和軌跡規(guī)劃[3]。并對(duì)在空間平面、柱面及球面的多角度操作問(wèn)題做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“模塊化+移動(dòng)+可變比例”設(shè)計(jì)概念，有定點(diǎn)和移動(dòng)兩種工作模式。設(shè)計(jì)擴(kuò)展了應(yīng)用范圍和廣度，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單重復(fù)的工作，為未來(lái)機(jī)器代替人工打下基礎(chǔ)[2]。

智繪繪圖機(jī)器人綜合了計(jì)算機(jī)、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(chǎng)景廣泛，除了傳統(tǒng)的紙質(zhì)書(shū)寫(xiě)、繪畫(huà)，還有釉面繪畫(huà)、鋼材噴繪、石材雕刻、玻璃噴繪、墻體噴繪等。智繪機(jī)器人系統(tǒng)利用重構(gòu)模塊的機(jī)器人，對(duì)于輔助人類書(shū)寫(xiě)、畫(huà)圖、雕刻、提高書(shū)寫(xiě)速度與質(zhì)量具有重要意義，也是對(duì)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(xiàn)

[1]張傳劍，李春梅，韓軍.MOTOMAN UP6機(jī)器人寫(xiě)字功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)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(jī)器人寫(xiě)字學(xué)習(xí)方案[J].中國(guó)科技信息，2017（10）：43-44.

[4]陳玉敏，謝瑋，孟憲民，等.智能寫(xiě)字機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（1）：266-268.