對聯(lián)書寫機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳玉蓮，劉文杰，李俊文

（廣州理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510540）

0 引言

智能型機(jī)器人的研究是近年來科技界比較熱門的一個方向，因其具有較好的可靠性、適應(yīng)性以及強(qiáng)大的個性功能，正日益成為科研工作者研究的潮流趨勢[1]。對聯(lián)機(jī)器人的研究開發(fā)可應(yīng)用于教學(xué)方面，如機(jī)械機(jī)構(gòu)教學(xué)、控制驅(qū)動教學(xué)、軌跡優(yōu)化教學(xué)等；也可在科技館、學(xué)校等場所進(jìn)行展覽，激發(fā)年輕一代對機(jī)器人技術(shù)的興致愛好；并且對聯(lián)是我國文明的瑰寶，開發(fā)該機(jī)器人有利于傳承我國傳統(tǒng)文化和藝術(shù)，是用科技傳承華夏文明的一種手段。

本文針對為了解決大批量生產(chǎn)需求而采用傳統(tǒng)機(jī)器印刷造成字體過于工整、缺乏靈魂，以及手工生產(chǎn)操作需要一定書法基礎(chǔ)并且生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計(jì)了一款能模擬人手執(zhí)筆書寫對聯(lián)的機(jī)器人，該機(jī)器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產(chǎn)的功能。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定

寫對聯(lián)機(jī)器人采用龍門式工作平臺，機(jī)械結(jié)構(gòu)分別由書寫機(jī)構(gòu)、送紙機(jī)構(gòu)、切紙機(jī)構(gòu)及供墨機(jī)構(gòu)組成，通過將各機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

1.2 書寫機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

書寫機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是基本的書寫功能，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接決定了書寫字跡的質(zhì)量及精度，主要由傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向支承部件、執(zhí)筆器、控制電動機(jī)等組成，如圖1所示。根據(jù)其作業(yè)范圍、傳動精度等參數(shù)選擇傳動方式，X軸、Y軸方向運(yùn)動行程的設(shè)置關(guān)乎字跡規(guī)模大小、字體書寫數(shù)量的問題，因此選擇適合遠(yuǎn)距離傳輸且傳動精度高的同步帶傳動作為X軸、Y軸的傳動方式。Z軸方向運(yùn)動行程的設(shè)置關(guān)乎字跡筆劃粗細(xì)的問題，因此選擇傳動行程不大、傳動精度較高的齒輪齒條傳動方式即可；采用滾動直線導(dǎo)軌作為該機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向支承部件，以便提高傳動精度；執(zhí)筆器采用可調(diào)節(jié)式環(huán)形套夾持毛筆，環(huán)形套安裝在帶有彈簧的緩沖裝置上，再將其固定在直線導(dǎo)軌上，可使毛筆實(shí)現(xiàn)Z軸方向上的運(yùn)動[2]。只需要將Z軸執(zhí)筆器固定在X軸導(dǎo)軌滑塊上，X軸構(gòu)件固定在雙Y軸導(dǎo)軌滑塊上，從而實(shí)現(xiàn)毛筆在X軸、Y軸、Z軸方向上的運(yùn)動，只需要控制對應(yīng)電動機(jī)即可實(shí)現(xiàn)書寫功能。根據(jù)使用要求設(shè)定機(jī)構(gòu)參數(shù)，具體如表1所示。

表1 書寫機(jī)構(gòu)設(shè)定參數(shù)

圖1 書寫機(jī)構(gòu)的組成

1.3 送紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送紙機(jī)構(gòu)的作用是供應(yīng)機(jī)器生產(chǎn)作業(yè)時所需的對聯(lián)紅紙，主要由卡紙裝置、壓緊裝置、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。在書寫機(jī)器人作業(yè)前將對聯(lián)卷紙從卡紙盒中傳送到特定的工作區(qū)域，在書寫完一個字后輸送到下一個工作區(qū)域中，并在書寫完成后輸出對聯(lián)成品。

圖2 送紙機(jī)構(gòu)的組成

卡紙裝置采用支撐架、置中壓板、拉桿、壓紙軸等組成，支撐架采用鈑金折彎件組合連接成龍門式結(jié)構(gòu)，在其兩側(cè)安裝拉桿支撐座，設(shè)置成一個可滑動式的雙臂支撐，安裝滾筒式對聯(lián)紅紙?jiān)蠒r只需將卡紙裝置的拉桿一端抽拉出來，將對聯(lián)紅紙穿上后合上，利用兩端置中壓板進(jìn)行對中調(diào)節(jié)，拉開壓紙軸將對聯(lián)紅紙開口一端壓緊即可完成對聯(lián)紅紙?jiān)系陌惭b。

鑒于需要連續(xù)不斷地傳送對聯(lián)紅紙作業(yè)，故初步選用帶式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行傳送作業(yè)，帶式運(yùn)輸機(jī)是一種靠摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式輸送物料的機(jī)械裝置[3]。傳送帶在此機(jī)械系統(tǒng)中的作用是進(jìn)行傳送對聯(lián)紙和提供工作平臺區(qū)域，鑒于所輸送物料為對聯(lián)紙，其質(zhì)量輕便、分布均勻，故選用普通帶式運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)即可。運(yùn)輸機(jī)主要由頭架、驅(qū)動裝置、尾架、傳動滾筒、傳送帶、張緊裝置等組成[3]。

壓緊機(jī)構(gòu)在機(jī)器作業(yè)時對紙張進(jìn)行一定的定位壓緊作用，防止相對滑動，以便正常書寫字體。為了適應(yīng)不同規(guī)格的對聯(lián)卷紙的書寫，輔助定位壓緊機(jī)構(gòu)是可調(diào)節(jié)裝置，因此需要設(shè)計(jì)一款可以應(yīng)對不同寬度規(guī)格的定位壓緊機(jī)構(gòu)[4]。故采用主要由導(dǎo)軌副、調(diào)節(jié)板、連接板、帶輥軸定位板等組成的壓緊機(jī)構(gòu)，連接板安裝在帶彈簧的螺桿上將帶輥軸定位板進(jìn)行連接，此時可以通過調(diào)節(jié)螺母來改變預(yù)緊力的大小和高度，但容易造成定位板處在非水平位置，因此在連接板尾部連接導(dǎo)軌副的滑塊，這樣既解決了平面度問題，又能使定位板的上下調(diào)節(jié)更順暢。為了適應(yīng)壓緊不同大小的區(qū)域，只需要將定位板左右移動即可，故在調(diào)節(jié)板上設(shè)置U形槽孔，根據(jù)所需壓緊面積進(jìn)行調(diào)節(jié)安裝。壓緊機(jī)構(gòu)參數(shù)由書寫字體規(guī)模確定，具體參數(shù)如表2所示。

表2 壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)定參數(shù)

1.4 切紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切紙機(jī)構(gòu)是對聯(lián)書寫機(jī)器人重要組成機(jī)構(gòu)之一，切紙機(jī)構(gòu)的作用是執(zhí)筆器書寫完一聯(lián)對聯(lián)后，切斷分離已書寫好的對聯(lián)，切斷后輸出整幅對聯(lián)，有利于提高寫對聯(lián)的工作效率。該機(jī)構(gòu)主要由刀片、刀座、傳動部件、支撐導(dǎo)向部件、驅(qū)動裝置等組成[5]，如圖3所示。

圖3 切紙機(jī)構(gòu)的組成

由于被切物料為對聯(lián)紅紙，其紙質(zhì)較薄，故只需刀片鋒利即可，不需要過大的切削力，因此采用普通鋼制刀，刀片長度根據(jù)對聯(lián)最大寬度確定，為了提高剛度，采用V字形鋼片。執(zhí)行部件為步進(jìn)電動機(jī)，輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，但刀片則需要直線運(yùn)動，根據(jù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換原理可選用滾珠絲桿傳動作為傳動部件，為了限制螺母的轉(zhuǎn)動，此處選擇滾動直線導(dǎo)軌作為該機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向支承部件。

1.5 輸墨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使對聯(lián)書寫機(jī)器人能夠連續(xù)作業(yè)，毛筆需要持續(xù)的墨水原料供應(yīng)，因此必須設(shè)置一個輸墨機(jī)構(gòu)完成該項(xiàng)工作。

輸墨機(jī)構(gòu)由輸墨泵、儲墨罐、輸墨軟管、毛筆等組成，如圖4所示。通過控制輸墨泵上的步進(jìn)電動機(jī)的動作而使儲墨罐里面的墨水通過輸墨軟管進(jìn)入特制的具有一定儲墨量的毛筆中，從而完成輸墨工作。

圖4 輸墨機(jī)構(gòu)的組成

泵是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成流體能的一種裝置[6]。該系統(tǒng)的泵體可根據(jù)工作環(huán)境和特點(diǎn)來選用市場上現(xiàn)有的泵體，基于毛筆內(nèi)部儲存空間的大小限制可知，輸送泵每次輸送的流量較小、揚(yáng)程較大，可采用單管輸送；由于安裝空間的限制，應(yīng)采用體積小、質(zhì)量輕的泵；根據(jù)上述特點(diǎn)選用醫(yī)療器械輸液蠕動泵，該泵體結(jié)構(gòu)由步進(jìn)電動機(jī)、轉(zhuǎn)子環(huán)、輸送軟管、壓緊塊、調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成。儲墨罐是用來儲存墨水并向毛筆供應(yīng)墨水的罐體，罐體容量的大小是對聯(lián)書寫機(jī)器人一次性連續(xù)作業(yè)時間的重要影響因素。儲墨罐的形狀對該機(jī)器人的影響不大，只要考慮安裝空間條件限制即可，根據(jù)安裝位置初步設(shè)計(jì)成矩形形狀，其大小應(yīng)滿足連續(xù)作業(yè)工況時間需要供應(yīng)墨水的容量。毛筆采用市面上常規(guī)的毛筆，唯一不同的是將內(nèi)部打造成與鋼筆內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，內(nèi)部裝置儲墨囊，靠近筆頭處加裝一個海綿墊塊，防止墨水過量滴落，在海綿墊塊上安裝類似鋼筆頭裝置的由無數(shù)毛細(xì)管組成的導(dǎo)墨引流塊，讓墨水在每使用一次后補(bǔ)充一次。輸送管根據(jù)流量大小確定塑膠軟管，分別連接毛筆與輸墨泵輸出口、儲墨罐與輸墨泵輸入口。泵體供應(yīng)一次墨水量應(yīng)滿足機(jī)器人書寫3個最大規(guī)模字體，經(jīng)試驗(yàn)得出其泵體設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 泵體設(shè)計(jì)參數(shù)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定

對聯(lián)書寫機(jī)器人的控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件、控制器、電動機(jī)驅(qū)動及執(zhí)行部件4部分組成[7]。Arduino單片機(jī)系統(tǒng)作為主控制器，計(jì)算機(jī)作為輔助控制器，執(zhí)行部件則由步進(jìn)電動機(jī)組成。通過計(jì)算機(jī)軟件將輸入的文字信息轉(zhuǎn)化為G代碼后，將生成的G代碼通過串口通信發(fā)送給Arduino控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)識別目標(biāo)文本的坐標(biāo)信息后進(jìn)行執(zhí)行操作。Arduino控制系統(tǒng)通過串口接收計(jì)算機(jī)軟件發(fā)送的G代碼后，主控制器會進(jìn)行識別并轉(zhuǎn)換，運(yùn)用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)指令輸出控制脈沖從而控制步進(jìn)電動機(jī)，最終達(dá)到書寫功能。根據(jù)送紙機(jī)構(gòu)、輸墨機(jī)構(gòu)、切紙機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，只要控制其對應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。因此，精準(zhǔn)控制步進(jìn)電動機(jī)的動作是該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由驅(qū)動控制器來控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各項(xiàng)功能[8]。系統(tǒng)主要功能控制流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能控制流程圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對聯(lián)書寫機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電動機(jī)使用控制脈沖信號進(jìn)行控制，設(shè)置控制脈沖來使步進(jìn)電動機(jī)工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可知控制系統(tǒng)通過直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)命令進(jìn)行識別轉(zhuǎn)換輸出控制脈沖信號。要將所需書寫字體轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)能自動識別的G代碼，則需要通過一定的專用輔助軟件進(jìn)行。市面上有很多種雕刻機(jī)軟件均滿足使用要求，本次選用雕刻寫字機(jī)專用軟件——奎享雕刻軟件。

軟件使用原理如下：在計(jì)算機(jī)上首先使用雕刻寫字機(jī)專用軟件，奎享雕刻軟件將文字字跡信息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，控制器識別轉(zhuǎn)換坐標(biāo)文件并輸出控制脈沖從而控制步進(jìn)電動機(jī)。將所需書寫的文字信息制作成Word或Excel文檔，選好所需字體并排好版后保存處理；將保存的Word或Excel文檔轉(zhuǎn)換成PDF文檔輸出并保存；打開奎享雕刻軟件，用數(shù)據(jù)線將機(jī)器人控制系統(tǒng)與電腦連接，要關(guān)掉其他同類軟件，避免出錯，首先下拉菜單選擇將計(jì)算機(jī)與控制器實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)操作，并將已經(jīng)保存含有文本信息的PDF文檔導(dǎo)入，選擇制作生成G代碼。最后，將所生成的G代碼文件發(fā)送至Arduino控制系統(tǒng)，從而使機(jī)器人開始工作。在計(jì)算機(jī)軟件上可以根據(jù)需求和書寫效果調(diào)整書寫對聯(lián)的速度，在設(shè)置選項(xiàng)中還可以根據(jù)用戶個人需求設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

2.3 驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)

驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器和功率放大電路等。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[10]?？刂破魍ㄟ^控制脈沖來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)動作的精準(zhǔn)控制，步進(jìn)電動機(jī)通過同步輪、同步帶相互嚙合來傳遞動力和運(yùn)動的，向步進(jìn)電動機(jī)輸入一定脈沖時，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動同步帶前進(jìn)一定的距離，可精確地控制X軸、Y軸、Z軸方向上前進(jìn)或者后退的距離。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角時，同步帶則對應(yīng)前進(jìn)或者后退一段距離，故只需要計(jì)算好輸出脈沖的大小即可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動距離的精確控制。

要正常運(yùn)行步進(jìn)電動機(jī)，一個重要條件是通入步進(jìn)電動機(jī)各相繞組的控制脈沖必須有足夠大的頻率。環(huán)形脈沖分配器的作用從Arduino控制系統(tǒng)中接收一定的控制脈沖信號后，按照控制脈沖的要求給步進(jìn)電動機(jī)繞組按照一定的順序通電。因此，控制脈沖每輸入一次，環(huán)形分配器也隨之動作一次，電動機(jī)的通電狀態(tài)就改變一次，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動。只要改變控制脈沖的頻率和方向即可以對電動機(jī)進(jìn)行速度和正反轉(zhuǎn)的控制。要正常運(yùn)行步進(jìn)電動機(jī)，另一重要條件是通入步進(jìn)電動機(jī)各相繞組的控制脈沖必須有足夠大的功率。由于從環(huán)形分配器輸出的控制電流很小，無法啟動步進(jìn)電動機(jī)，因此必須采用功率放大器對其進(jìn)行增大至正常驅(qū)動電流大小?？紤]到步進(jìn)電動機(jī)的控制，該機(jī)器人的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動模塊采用靜音A4988驅(qū)動模塊。該驅(qū)動模塊包含環(huán)形脈沖分配器和功率放大電路，步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)圖

3 機(jī)器人工作原理及運(yùn)動仿真

3.1 機(jī)器人工作原理

該對聯(lián)書寫機(jī)器人的工作原理：先通過計(jì)算機(jī)將所要書寫的文字信息轉(zhuǎn)換成控制器所能識別的G代碼并傳送給控制器，再按要求將對聯(lián)紅紙固定在送紙機(jī)構(gòu)，對聯(lián)紅紙就會被傳送機(jī)構(gòu)輸送到預(yù)定的工作區(qū)域，每書寫完一個字后自動傳送到下一個書寫的工作區(qū)域，在書寫的過程中輸墨機(jī)構(gòu)定時供應(yīng)墨水原料，每完成一聯(lián)后在傳送的最末端進(jìn)行自動切分，從而實(shí)現(xiàn)全自動生產(chǎn)對聯(lián)。

3.2 機(jī)器人運(yùn)動仿真

1）三維建模。

通過相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工藝性要求等設(shè)計(jì)零部件草圖，利用機(jī)械設(shè)計(jì)常用軟件SolidWorks完成該機(jī)器人零部件結(jié)構(gòu)的繪制并對相關(guān)結(jié)構(gòu)校核后，按照要求完成了對聯(lián)書寫機(jī)器人的三維總裝圖，如圖7 所示。

圖7 機(jī)器人三維總裝圖

2）運(yùn)動仿真。

采用SolidWorks Motion模塊對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動仿真，它是一款運(yùn)動仿真插件，可以模擬機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，集成了干涉檢查、動畫制作、運(yùn)動仿真等一系列功能[10]。在機(jī)器人三維裝配體上設(shè)定與現(xiàn)實(shí)對應(yīng)的約束、驅(qū)動力、阻尼、阻力等參數(shù)條件，即可實(shí)現(xiàn)對該機(jī)器人的運(yùn)動仿真，得到各部件的位移、速度、加速度等參數(shù)數(shù)據(jù)，還可以輸出對應(yīng)的動畫、圖形及表格數(shù)據(jù)等。同時通過運(yùn)動仿真中的干涉檢查檢驗(yàn)機(jī)器人設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性，可以直接在機(jī)器人裝配環(huán)境中對干涉零件進(jìn)行修改，相應(yīng)的零件模型會隨裝配模型改正，可實(shí)現(xiàn)零件的動態(tài)交互更新。最后修改完模型后，再次進(jìn)行運(yùn)動仿真，直至消除干涉，以避免設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯誤，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。通過以上操作步驟和干涉檢查，順利完成了該機(jī)器人的運(yùn)動仿真，結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文介紹了一款能模擬人手執(zhí)筆書寫對聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的選定，接著對機(jī)械系統(tǒng)的書寫機(jī)構(gòu)、送紙機(jī)構(gòu)、切紙機(jī)構(gòu)、輸墨機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并完成了機(jī)器人的三維建模與運(yùn)動仿真，仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性。該機(jī)器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產(chǎn)的功能，其設(shè)計(jì)方法對其他書畫機(jī)器人的研發(fā)具有重要參考意義。