智能寫字機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析

秦磊 郭松梅

摘要：此文章我著重探究智能寫字機(jī)器人的設(shè)計(jì)，分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對智能寫字機(jī)器人的整個(gè)控制系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)過程的有初步了解，再對智能寫字機(jī)器人硬件及軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)分析。希望通過我的文章讓其他人對智能寫字機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)有更加深入的了解，同時(shí)也希望為后期的智能寫字機(jī)器人的功能得到更好的發(fā)揮進(jìn)獻(xiàn)自己綿薄之力。

關(guān)鍵詞：智能;寫字機(jī)器人;設(shè)計(jì)及分析

由于信息技術(shù)時(shí)代的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)實(shí)生活中越來越多領(lǐng)域應(yīng)用到高新技術(shù)，為人們的日常生產(chǎn)和生活創(chuàng)造了便利的條件。我認(rèn)為機(jī)器人是高新技術(shù)的標(biāo)志性產(chǎn)品，可以應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活所涉及到的方方面面中去，它正在一步步變成加快經(jīng)濟(jì)前進(jìn)的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備。其中的智能寫字機(jī)器人不僅用于教學(xué)實(shí)踐中，而且在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用也非常廣泛，這些成為我們后續(xù)智能機(jī)器人主要研究方向。

一、智能寫字機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我所設(shè)計(jì)的智能寫字機(jī)器人，它的控制系統(tǒng)由輔助控制計(jì)算機(jī)、核心控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)回路這四個(gè)部分組成。首先就輔助控制器和上位機(jī)而言，所需的文本用計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為其控制系統(tǒng)識別的代碼，將文本輸出為.nc類型的文件，再用計(jì)算機(jī)的記事本軟件將文件打開，便可以獲得此文本的坐標(biāo)信息。隨后通過專業(yè)軟件（Grbl Controller）和下位機(jī)的成功連接，同時(shí)將代碼傳送給單片機(jī)和可視化界面，從而文本中的信息可通過單片機(jī)來執(zhí)行，寫字進(jìn)程通過可視化界面模擬出來。下位機(jī)的單片機(jī)系統(tǒng)通過上機(jī)位獲得代碼，然后識別和轉(zhuǎn)換此代碼，同時(shí)我通過直線和圓弧插補(bǔ)程序來控制電機(jī)的狀態(tài)。智能寫字機(jī)器人通過電機(jī)部分來執(zhí)行操作，系統(tǒng)中的電機(jī)在控制器的操控下來完成正、反轉(zhuǎn)等多種多樣的操作，進(jìn)而控制寫字筆去完成不同位置及方向的移動(dòng)。智能寫字機(jī)器人寫字的時(shí)候，通過控制系統(tǒng)中的脈沖去實(shí)完成步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)和后退。

二、智能寫字機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

我的設(shè)計(jì)理念是要想實(shí)現(xiàn)智能寫字機(jī)器人的功能，最為重要因素是操控其行走的距離。我所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)，主要根據(jù)控制器輸出脈沖去完成步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際動(dòng)作，然后步進(jìn)電機(jī)與聯(lián)軸器絲杠相連接，確保絲杠前進(jìn)距離的精準(zhǔn)度。與此同時(shí)，我們也能根據(jù)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)步距角的這個(gè)操作去實(shí)現(xiàn)絲杠前進(jìn)或后退的距離，根據(jù)上述硬件基礎(chǔ)，要想輸出距離得到有效控制，我們只需要通過精準(zhǔn)計(jì)算輸出的脈沖就可以實(shí)現(xiàn)了。智能寫字機(jī)器人控制器用USB與計(jì)算機(jī)連接起來，可以產(chǎn)生5 V電源和PC段的串行連結(jié)。而微控制器芯片的20個(gè)引腳的作用是方便連接并操控其它部位及器件。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行按照特定順序和頻率將脈沖信號輸入到控制繞組中。分配器接收方向電平和控制脈沖信號，并產(chǎn)生控制繞組信號，具體按步進(jìn)電機(jī)分配方式要求來實(shí)現(xiàn)。所以需要確定脈沖分配器的信號數(shù)量。運(yùn)行中，脈沖會(huì)出現(xiàn)輸出信號變化，引起輸出狀態(tài)的變化，轉(zhuǎn)速由高變低，啟停以及高低等變化。脈沖發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)器控制的基本流程：首先計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)處理后，位移和速度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾螜C(jī)中。其次單機(jī)輸出控制脈沖，分配器將信號進(jìn)行分配和傳輸給功率并放大電路。最好將放大后的信號出送給多相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)末端運(yùn)動(dòng)。

三、智能寫字機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)用過程中，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作由脈沖實(shí)現(xiàn)控制，控制系統(tǒng)中的脈沖與電機(jī)運(yùn)行的前進(jìn)距離相對應(yīng)。控制系統(tǒng)中給出相應(yīng)的坐標(biāo)，處理中心結(jié)合直線補(bǔ)差算法控制器對坐標(biāo)與行進(jìn)動(dòng)作進(jìn)行處理，控制脈沖信號輸入到驅(qū)動(dòng)設(shè)備內(nèi)，驅(qū)使進(jìn)步電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載荷完成直線的繪制任務(wù)，這是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上的基礎(chǔ)。智能寫字機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)用中，是由計(jì)算機(jī)對書寫的文本文字轉(zhuǎn)換，從而得到坐標(biāo)，使用矢量圖形處理軟件Inkscape根據(jù)處理后文本的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對輸入文字編輯框中字符區(qū)在任何位置上像素顏色信息進(jìn)行識別和讀取。讀出的信息，一般為白色和其他顏色。背景默認(rèn)不是白色的文本信息，需要在相應(yīng)位置點(diǎn)劃出一個(gè)圓;白色背景信息直接跳過，對下一個(gè)位置繼續(xù)掃描，不斷執(zhí)行，直至掃描全部完成，輸出相應(yīng)字符的點(diǎn)陣圖。Inkscape軟件使用mm作為單位對圖形尺寸單位進(jìn)行設(shè)置，將需要書寫的文字輸入到系統(tǒng)里面，用軟件將書寫對象轉(zhuǎn)化成書寫行走路徑并提取出相應(yīng)的位圖輪廓，最后導(dǎo)出.nc格式的坐標(biāo)文件。基于坐標(biāo)文件可以對控制器輸出控制脈沖以控制步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)動(dòng)作。直線筆畫是構(gòu)成漢字的基本要素，但是機(jī)器人設(shè)計(jì)無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)為利用折線軌跡近乎直線運(yùn)動(dòng)，因此需要在過程中對行進(jìn)的路線進(jìn)行插補(bǔ)。智能寫字機(jī)器人采用逐點(diǎn)比對法書寫進(jìn)行插補(bǔ)，書寫過程中，系統(tǒng)自動(dòng)比較瞬時(shí)坐標(biāo)和系統(tǒng)識別文字圖形的軌跡，判斷偏差是否存在，如果發(fā)現(xiàn)偏差，下一步的動(dòng)作要向偏差相反的方向運(yùn)動(dòng)， 逐漸得到相對近似的圖形軌跡。一般情況，文字書寫偏差要保持一個(gè)脈沖當(dāng)量以內(nèi)。

智能寫字機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作主要有為坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給、坐標(biāo)偏差計(jì)算、偏差判別以及書寫終點(diǎn)對比。首先是書寫當(dāng)前位置進(jìn)行判斷，確定落筆點(diǎn)在需要書寫直線上的位置。其次根據(jù)坐標(biāo)控制不同的坐標(biāo)方向移動(dòng)，完成進(jìn)給，進(jìn)給后再次計(jì)算移動(dòng)的坐標(biāo)位置，同時(shí)為后面提供依據(jù)。最后要及時(shí)比較行進(jìn)終點(diǎn)進(jìn)行，確認(rèn)書寫動(dòng)作是否順利到達(dá)終點(diǎn)，完成筆畫書寫。除了直線插補(bǔ)，對于文字中撇捺之類的曲線筆畫，需呈現(xiàn)為圓弧，采用圓弧插補(bǔ)法，結(jié)合寫字點(diǎn)坐標(biāo)、圓心、半徑等數(shù)值，利用偏差判別式得到實(shí)際尺寸，如果得出的偏差點(diǎn)在弧外或者弧上，行進(jìn)動(dòng)作向內(nèi)，反之向外。

結(jié)語

智能寫作機(jī)器設(shè)計(jì)中主要的部分包括軟件和硬件兩部分，硬件部分分為控制器、驅(qū)動(dòng)線路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，軟件部分有核心控制軟件與直線、圓弧插補(bǔ)等，通過軟硬件的配合實(shí)現(xiàn)直線變化和撇捺圓弧的準(zhǔn)確書寫，能夠準(zhǔn)確完成漢字的書寫動(dòng)作。 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，智能機(jī)器人科技上會(huì)有更大的發(fā)展，智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)會(huì)不斷創(chuàng)新，對于智能機(jī)器人品質(zhì)在要求上也會(huì)不斷提升，與此同時(shí)也會(huì)遇到更多復(fù)雜的問題，所以更需要設(shè)計(jì)人員不斷強(qiáng)化對智能寫字機(jī)器人的研究， 設(shè)計(jì)出更加合理的方案，能夠更好滿足智能機(jī)器人用戶的要求。

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