一種寫字機械臂的設計與實現

李俊++王春城++楊曉帥++李勇++張天泉++王敏

摘 要：本文介紹了一種寫字機械臂的設計與實現，通過大量分析、實驗，將步進電機運用于寫字機械臂，達到機械臂穩定書寫文字的要求。基于寫字機械臂的硬件和機械裝置做了軟件設計，找到了一種適合于本機械結構的控制算法，利用上位機與顯示屏相結合提高人機交互，最后根據設計結果進行不同方面的分析，探索機械臂在實際生活中新的存在方式，以求在新的領域內機械臂的應用與技術有所突破。

關鍵詞：寫字機械臂；步進電機；人機交互

中圖分類號：TP242.3 文獻標識碼：A

0.引言

自從20世紀60年代以來，機器人產品已廣泛應用于工業、軍事、醫藥、家庭等領域。早期機器人主要用于工業生產以減少人力勞動，智能化時代，機械臂與醫學相結合可使喪失運動能力的人重新正常生活，這則意味著一個全新領域的到來。寫字機器臂可以作為3D打印機原型，加入一個Z軸自由度將寫字筆換成微型鉆頭，還可以雕刻立體圖案，將寫字筆換成激光頭也可以作為微型雕刻機來雕刻圖形、徽章等藝術品。

在科技日益發達的今天，工業機器人作為先進制造業中不可替代的重要裝備和手段，已成為衡量一個國家制造業水平和科技水平的重要標志。德國柏林猶太博物館里展出可抄寫圣經的機器人，Sonny Caberwal推出的手寫機器人Band，通過特定程序控制的機器人NAO，在展會中展示的會寫毛筆字的機械臂以及格力寫字機械臂，等等，類似的寫字機械臂在國外已取得了一定成果，有些成果甚至已經投入了實際工業生產，但是國內寫字機械臂的研究與發展相對比較空白，研究出一種具有書寫功能的智能機械裝置就顯得非常有意義。

1.機械結構設計

采用連桿結構實械傳動，利用平行四邊形四連桿結構實現機械末端與紙面保持垂直，其機械結構。利用平行四邊行兩對邊相互平行的原理可設計出一種一邊固定而另一邊保持一定角度的平動機械機構，本設計采用兩個平行四邊行外加一個等腰三角形作為轉角的機械結構，兩個平行四邊行的短邊分別固定到三角形兩條短邊上，與三角形相接的一條邊的對邊固定到水平面，我們稱這條臂為主臂，另一條為輔臂，此時主臂末端與輔臂末端成一定角度即三角形短邊間的角度，此時只需在輔臂末端加一個轉角三角形或四邊行就可實現機械臂末端與水平面平行。

2.系統硬件設計

本系統采用STM32F103作為主控芯片，人機互動界面用HMI串口屏，通過串口屏功能選擇與信息提示提高機械的可使用性。通過USB傳輸命令給單片機，單片機對接收到的命令進行解析并輸出PWM信號；步進電機的驅動為A4988，最高可通過2A的電流，可以正常驅動1.2A的步進電機，采用1/16步進量細分法能夠使步進電機具有良好平滑的運行性能。為了使系統能穩定工作，本系統采用雙電源供電，將電機供電和芯片供電隔離，提高系統的穩定性。

3.系統軟件設計

3.1 軟件設計總框架

按照系統要求，選用C語言對單片機進行程序設計，按模塊化設計，使得編程思路清晰、優化代碼邏輯、調試和維護簡單化和便于修改易于移植。

3.2 步進電機控制方法

在正常工作的情況下，電機轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，步進電機按設定方向轉動固定角度。通過控制脈沖個數控制角位移量，達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率控制電機轉動速度和加速度，達到調速的目的。程序通過控制單片機定時器控制脈沖個數和頻率調節步進電機轉動速度和角度，使系統運行精確穩定。

3.3 核心控制算法

算法需實現將串口發送位置信息轉化為步進電機轉動角度。在整個控制程序中，采用三角形正解函數和反解函數，正解函數通過系統預先設定各個電機轉過角度，通過正解函數將設定角度值轉化為直角坐標系下平面上的點，通過程序設定的特定角度就可以實現在空間中運動任意的軌跡，在該設計中僅用到XOY平面坐標，所以只需要設定XOY平面上的點，實現軌跡都在XOY平面上運動。在反解函數中，已知空間一點，確定各電機轉過角度值，在該設計中所有點都在XOY平面上，可將模型簡化到XOY平面。反解三角函數可得到3個電機轉過角度間的關系，反解三角函數的過程，反解和正解相結合可將設定的點寫到紙面。

實現寫字功能的步驟：先在XOY平面確定兩個點，起點為機械裝置當前所處位置點，終點即機械裝置需要到達目的點，先假定機械主臂固定不動，輔臂旋轉，筆尖從起點向終點運動路徑是一條圓弧，而機械臂末端路徑期望為一條直線。通過實驗發現，在在機械裝置轉過夾角很小、輔臂長度很大時，機械裝置末端路徑可近似為一條直線，在該設計中，輔臂長度在設計之初就已經確定好了，那么程序只需控制減小變化角度就可使筆尖路徑平滑，實現寫字功能。

結語

該機械臂利用上位機取模軟件將需要書寫的文字轉化為G代碼，通過串口將G代碼命令發送給單片機，單片機解析上位機傳來的命令，將具體命令轉化為步進電機的轉速和步數，通過這種傳輸和解析的方式可精準有效控制機械臂運動達到需要的效果。通過測試該寫字機械臂在書寫40×40mm字體時可以很清晰的寫出文字，若把筆頭部分換為激光頭可用于激光雕刻，也可用于3D打印方面，還可將機械臂固定到小車上用于特殊環境下作業。

參考文獻

[1]王光建，廖志勇，陳雪華.機器人寫字技術及其運動參數[J].重慶大學學報（自然科學版），2003，26（12）：6-9.

[2]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報，2014，50（9）：1-13.

[3]張西蒙.假肢的一萬種可能[J].三月風，2014（5）：32-35.

[4]陳玉敏，謝瑋，孟憲民.智能寫字機器人設計[J].計算機測量與控制，2016，24（1）：266-268.

[5]秦偉.機器·人·中國制造——2014中國機器人產業推進大會暨首屆中國（廣州）工業機器人峰會召開[J].裝備制造，2015（1）：26-27.

[6]孔慶玲.博物館機器人可手抄經書一筆一畫寫3萬字母[DB/OL].中國新聞網：http：//www.chinanews.com/gj/2014/07-11/6377036.shtml，2014-07-11/2016-12-16.

[7]http：//www.uggd.com/news/hynews/2015-02- 27/323139.html，2015-02-27/2016-12-16.梁嘉琪.把3D打印機改成書寫機器人替人手寫信件[DB/OL].

[8]高宇馨.這有一只差生機器人[N].好奇心日報，2015-06-10.

[9]陳華.“世界杯”讓機器人話題大熱[N].工人日報，2015-07-24（001）.

[10]楊亮，李慧藍，輝龍.董明珠：格力機器人，要做成極品[N].南方都市報，2015-12-16.

[11]蔡漢明，錢永恒. Dobot型機器人運動學分析與仿真[J].機電工程，2016，33（10）：1217-1220.

[12]牛立剛，張月瑩，胡志勇，等.基于Arduino的USARTHMI智能串口觸摸屏的應用[J].機電信息，2016（15）：122-123.

[13]譚秀騰，郭小定，李小龍，等.基于ARM的桌面型3D打印機控制系統設計[J].應用科技，2014，41（5）：57-66.

[14]吳斌，劉宗行，青舟.用C語言實現高效嵌入式編程[J].傳感器世界，2002（3）：20-26.

[15]高琴，劉淑聰，彭宏偉.步進電機控制系統的設計及應用[J].制造業自動化，2012（1）：150-152.