基于Arduino單片機的智能寫字機器人的設(shè)計

李云飛 蔣永康 徐佳

摘要：智能寫字機器人系統(tǒng)由Arduino單片機、步進電機、驅(qū)動擴展板、舵機、支架等組成，通過計算機軟件將輸入的文本信息或者圖片信息轉(zhuǎn)換成包含坐標(biāo)數(shù)據(jù)的G代碼形式，再通過數(shù)據(jù)串口下發(fā)送給Arduino主控制器，Arduino主控制器再通過步進電機控制同步帶的轉(zhuǎn)動從而使筆架部位X，Y軸平面移動，來實現(xiàn)寫字或繪圖功能，同時經(jīng)過簡單的改裝也可以實現(xiàn)平面微型雕刻機的功能。

關(guān)鍵詞：智能寫字機器人;Arduino單片機;步進電機;舵機;精準(zhǔn)控制

1引言

機器人寫作的“先行者”出現(xiàn)在240年前。當(dāng)時生產(chǎn)的書寫機器人是通過凸輪和發(fā)條來實現(xiàn)的，沒有使用計算機，單芯片計算機等。通過在凸輪之間移動，可以實現(xiàn)書寫操作，并且通過改變凸輪的組合，可以實現(xiàn)具有不同字體的書本。在21世紀(jì)的今天隨著物聯(lián)網(wǎng)及智能硬件的快速崛起，智能寫字機器人的技術(shù)開始走進了人們的生活，作是一個人日常生活中必不可少的技能。寫作中使用機器人是研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域。寫字機器人不僅可以代替人類來完成寫作任務(wù)，而且在教學(xué)機器人，研究和科普展覽中也發(fā)揮著重要作用。本次設(shè)計主要是基于單片機制作的寫字機器人。硬件系統(tǒng)的總體控制部分是用到了現(xiàn)如今主流的Arduino單片機， Arduino作為被廣泛應(yīng)用的一款單片機控制器，經(jīng)常被用于書寫繪畫，激光雕刻，醫(yī)學(xué)等類型的機器人設(shè)計中。本文所述的智能寫字機器不僅人是為了希望有一天智能寫字機器人能夠代替人工，解放人們的雙手，更是為了讓更多對于單片機的愛好者能夠從中學(xué)習(xí)，從中汲取知識和經(jīng)驗，為智能機器人領(lǐng)域的研究做出更多的貢獻。

2系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中智能寫字機器人的主要有個人計算機、主控模塊、驅(qū)動模塊、傳動模塊、12V電源。其中個人計算機作為本系統(tǒng)設(shè)計中上位機存在，其余部分作為下位機。通過上位機的個人計算機中的軟件，將文本信息或圖片信息轉(zhuǎn)化成為含有坐標(biāo)信息的G代碼形式，再通過串口下發(fā)給下位機的主控模塊，主控模塊將控制信息發(fā)送至驅(qū)動模塊，使傳動模塊中步進電機轉(zhuǎn)動并帶動同步帶運動，令筆架部位在X，Y軸平面上移動，使其能夠完成寫字繪圖功能。如圖1

所示。

3硬件設(shè)計

本設(shè)計中共有主控模塊、驅(qū)動模塊、傳動模塊、12V電源 4個模塊，其中主控模塊作為本系統(tǒng)設(shè)計中核心部分，驅(qū)動模塊、傳動模塊作為輔助部分，12V電源作為整個系統(tǒng)中的動力來源。

3.1主控模塊

主控模塊選用Arduino單片機作為主要控制器。歐洲開發(fā)團隊開發(fā)的Arduino是一款由方便好用、容易上手的單板微控制器。Arduino具有良好的可擴展性與廣泛且豐富的開源庫，Atmega328是其主要的核心處理器，具有14路數(shù)據(jù)交換接口。Arduino單片機的中央處理器支持32位運算，不僅功能強大，還容易使用。可以與電機控制板屬性互相不沖突，可以讓電路更加方便簡單，反應(yīng)更加靈敏，相同價格的單片機相比更好性能的使用，性價比較高。

Arduino單片機在性能上可以滿足本次系統(tǒng)設(shè)計的需求，而且也在以前的實踐中接觸過，且Arduino單片機也比較容易上手，開源的軟硬件使得資料更加豐富，可以更好地進行設(shè)計。所以經(jīng)過綜合考慮決定選用Arduino單片機作為本次設(shè)計的主控芯片。便于寫字機器人能精確完成寫字任務(wù)。電路原理圖如2圖所示。

3.2驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊是采用CNC Shield V3.0作為驅(qū)動擴展板，主控模塊為其提供一個5V 的直流電電壓，使其最多同時驅(qū)動四路步進電機，本次設(shè)計只需搭配2個A4988步進電機驅(qū)動模塊就可以方便快捷的滿足所需要的驅(qū)動功能。其中A4988步進電機驅(qū)動模塊可以通過調(diào)節(jié)其MS1、MS2、MS3引腳的電平高低選擇步進電機的FULL、HALF、QUARTER、EIGHTH、SIXTEENTH等5種模式。驅(qū)動模塊電路原理圖如圖3所示。

3.3傳動模塊

傳動模塊是由金屬桿、同步帶、2個步進電機、舵機、筆架等構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)是由多根金屬桿組成的主要框架，配合作為主要傳動器件的同步帶與步進電機，控制整體平面結(jié)構(gòu)的移動。其中，同步帶需要環(huán)繞整個框架，步進電機位于X軸的左右倆側(cè)。舵機安裝在Y軸一側(cè)，筆架通過上下板與支撐板固定在舵機上，舵機由擴展板直接控制，實現(xiàn)抬筆與落筆。本系統(tǒng)設(shè)計對筆的選擇沒有太多的要求，只要筆的直徑小于筆架的直徑，使其插入筆架固定即可，像圓珠筆、馬克筆、簽字筆、鋼筆等（各種粗細的筆尖）。整體框架如圖4所示。

4軟件設(shè)計

一個電子產(chǎn)品的設(shè)計過程中，除了要有硬件設(shè)計以外，還有軟件的設(shè)計支撐。軟件設(shè)計的程序好壞，對整個產(chǎn)品的質(zhì)量有著很大的影響。要根據(jù)電子產(chǎn)品的要實現(xiàn)的功能對他進行一定的程序撰寫，在對程序進行調(diào)試，最后燒錄到主控器中，以此來預(yù)期結(jié)果。本設(shè)計的軟件部分采用的開發(fā)環(huán)境是Arduino特有的IDE，它的風(fēng)格極其簡單，而且還有很多的庫文件，這都是因為它的開源特點。

4.1主控制器的固件選擇

Grbl是一個開源的，同時具有高性能并且可以用較低的成本替代并行端口為基礎(chǔ)的數(shù)字控制運動固件。Grbl的編寫語言是C語言，它的源碼本身經(jīng)過了高度優(yōu)化，能夠很好的運行在Arduino控制器上。Grbl不單是利用AVR芯片實現(xiàn)了精準(zhǔn)的定時和異步操作，同時還可以持續(xù)保持在30kHz的頻率穩(wěn)定的輸出無抖動控制脈沖信號。它接受并兼容標(biāo)準(zhǔn)的G代碼，絕大部分主要的G代碼功能命令都可以很好的進行兼容，而且完備的支持了弧線，圓圈和螺旋等運動模式，可以很好的幫助本設(shè)計實現(xiàn)書寫、繪畫的功能。

4.2文本文字書寫與繪畫功能的實現(xiàn)

文字書寫、繪畫功能實現(xiàn)的具體方式，是通過個人計算機作為上位機將文字文本轉(zhuǎn)換成G代碼通過通信串口下發(fā)至下位機去完成全部的書寫流程。為了實現(xiàn)智能寫字機器人的主要書寫以及繪圖功能，本設(shè)計通過復(fù)制現(xiàn)有的計算機字符集，來獲取有關(guān)漢字的信息。在復(fù)制計算機字體時，通常的做法是將漢字信息轉(zhuǎn)換為筆畫信息的坐標(biāo)，檢查最終結(jié)果的軌跡，然后完成文本或者圖畫的書寫與繪制。

首先，在作為上位機的個人計算機中通過Inkscape矢量圖形編輯工具將文本或圖形經(jīng)過文本圖像預(yù)處理、灰度化、二值化后轉(zhuǎn)化成為.nc格式的坐標(biāo)文件再轉(zhuǎn)化為包含坐標(biāo)信息以及運動軌跡的G代碼下發(fā)傳輸至下位機以控制步進電機的運動。

下位機中的Arduino單片機需要將Grbl固件燒錄提前燒錄，在固件安裝完成后Arduino單片機便可以將G-代碼解析編譯。當(dāng)作為主控面板Arduino單片機具有解析編譯G代碼的能力后，便可以使其可以通過步進電機驅(qū)動板分別控制X軸、Y軸步進電機進行直線軌跡運動、圓弧軌跡運動等運動方式，并且可以控制固定記號筆部位電機完成起筆、落筆的動作，使得本設(shè)計實現(xiàn)書寫和繪畫功能。軟件流程圖如圖5所示。

5文字書寫和繪畫功能測試

將寫字機器人的主控制器Arduino單片機通過傳輸線與個人計算機進行連接。并且將提前將準(zhǔn)備好的坐標(biāo)文件傳輸至主控制器，Arduino單片機在收到控制信息后，驅(qū)動步進電機運動以完成文本文字書寫與繪畫功能的實現(xiàn)。在對各種功能模式的測試中，智能寫字機器人在運動過程中表現(xiàn)良好，圖6、圖7分別為文本文字書寫和繪畫功能，最后的運行成果圖。如圖所示。

6結(jié)語

本次設(shè)計中寫字機器人其擁有硬件設(shè)備安裝簡單，價格成本低，結(jié)構(gòu)整齊的特點。書寫繪圖功能準(zhǔn)確的實現(xiàn)是將所要書寫的文字、圖片信息通過Inkscape軟件生成所寫文字、圖片坐標(biāo)信息，再通過個人計算機充當(dāng)上位機，將轉(zhuǎn)換為G代碼的控制信息通過串口下發(fā)給下位機控制器，然后再由步進電機和舵機驅(qū)動X，Y軸傳送皮帶進行運動，使寫字機器人完成書寫或者繪畫過程。該寫字人寫字尺寸能夠根據(jù)紙張大小以及書寫需求進行調(diào)節(jié)，而且落筆是可以通過上位機進行獨立控制的。同時書寫繪畫是每個人生活中必不可少的生活技能，更是有些人們每日生活的必須工作，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，得益于本設(shè)計中主控制器Arduino單片機的價格低廉，性價比高，可擴展性強等優(yōu)點，這種寫字機器人可以幫助從事機械性書寫工作的人們解放雙手，提高效率，不僅如此，在未來可以通過對其的改裝將書寫用的筆頭改為刀頭或激光器還可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的平面雕刻，所以其也可以被廣泛地應(yīng)用在大學(xué)的課堂中以及科學(xué)研究中。

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課題：智能寫字機器人 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃 S202113207021