硬筆書寫機(jī)器人設(shè)計(jì)

袁莉 蔡文霞 張利欽 容旭巍

摘? 要：針對(duì)漢字書寫初學(xué)者易混淆筆劃和筆順次序的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單易操作的硬筆書寫機(jī)器人，機(jī)器人可以模擬人手書寫漢字的過程，幫助初學(xué)者掌握漢字筆劃和書寫筆順及用筆力度。機(jī)器人主體通過串口和計(jì)算機(jī)相連，文字在計(jì)算機(jī)中轉(zhuǎn)換成G代碼后發(fā)送給機(jī)器人控制器，控制器處理代碼信息，生成脈沖序列控制帶動(dòng)硬筆運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或后退，在紙上寫出文字。

關(guān)鍵詞：書寫機(jī)器人;步進(jìn)電機(jī);Bresenham直線算法

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0089-02

Abstract： In view of the phenomenon that beginners of Chinese character writing are easy to confuse stroke and stroke order， a simple and easy to operate hard pen writing robot is designed， which can simulate the process of writing Chinese characters by hand， and help beginners master Chinese character strokes， writing skills and pen strength. The main body of the robot is connected to the computer through a serial port， and the text is converted into a G code in the computer and sent to the robot controller， which processes the code information and generates a pulse sequence to control the stepping motor that drives the hard pen forward or backward to write words on paper.

Keywords： writing robot; stepper motor; Bresenham straight line algorithm

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的機(jī)器人走進(jìn)了人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。在近幾年的早教領(lǐng)域，功能強(qiáng)大的早教機(jī)器人走進(jìn)了千家萬戶，教孩子們說話、唱歌、學(xué)英語、下圍棋等等，但是能夠手把手教孩子書寫漢字的機(jī)器人很少出現(xiàn)在孩子的書桌上。與復(fù)印機(jī)和打印機(jī)相比，寫字機(jī)器人最大的優(yōu)勢(shì)是可以像人類一樣用筆寫字，可以還原整個(gè)書寫過程。在漢語學(xué)習(xí)中，漢字的筆畫眾多，且筆順繁雜，漢字書寫對(duì)于小朋友或者外籍人士來說都是難點(diǎn)。寫字機(jī)器人從最基礎(chǔ)的握筆姿勢(shì)到筆畫順序，再到運(yùn)筆力度等都能給學(xué)生很好的指導(dǎo)意見。寫字機(jī)器人在教育領(lǐng)域或有更大的發(fā)揮空間。針對(duì)于此，本文設(shè)計(jì)了一種易操作的硬筆書寫機(jī)器人，可以教人學(xué)習(xí)書寫漢字。

1 書寫機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

書寫機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)器人本體和計(jì)算機(jī)，機(jī)器人本體控制部分采用STM32F103C8T6作為主控制器，STM32是以ARM Cortex-Mx為內(nèi)核，專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的一種低功耗單片機(jī)，工作頻率最高可達(dá)72MHz。拖動(dòng)系統(tǒng)采用兩相四線42步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)筆在XY水平坐標(biāo)平面的移動(dòng)，選用SG90舵機(jī)拖動(dòng)筆在Z軸上下方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抬筆。機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠，傳動(dòng)帶、惰輪、滑塊、光軸和限位開關(guān)等組成，滾珠絲杠將步進(jìn)電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。電源系統(tǒng)采用12V直流開關(guān)電源供電。

2 文字提取和軌跡設(shè)計(jì)

寫字機(jī)器人要寫出結(jié)構(gòu)美觀的漢字，首先要獲取準(zhǔn)確的漢字信息。機(jī)器人漢字信息提取主要有三種途徑：已有字庫(kù)、機(jī)器視覺和智能模仿學(xué)習(xí)。本文選擇通過機(jī)器視覺技術(shù)，計(jì)算機(jī)接收從攝像頭傳遞來的文字信息，處理為坐標(biāo)文件后傳送給STM32控制器。計(jì)算機(jī)接收到圖像后，首先利用圖形處理軟件CorelDRAW對(duì)其進(jìn)行處理，處理主要包括去除噪聲、傾斜校正、二值化、行列切分、閉運(yùn)算、細(xì)化運(yùn)算和去毛刺處理，將圖像處理成黑白的二值圖像，而且要輪廓光滑，突出漢字骨架。二值化的過程是讀取字符區(qū)各個(gè)位置的像素顏色，如果讀取出來信息不是白色，則在顯示點(diǎn)陣編輯框中相應(yīng)的位置點(diǎn)劃出一個(gè)實(shí)心圓，如果讀取信息為白色，則繼續(xù)掃描下一個(gè)位置，不斷執(zhí)行直至全部區(qū)域讀取完畢，這樣就可以得到對(duì)應(yīng)字符的點(diǎn)陣圖。然后需要生成坐標(biāo)文件，先定義好坐標(biāo)原點(diǎn)，進(jìn)行畫面位置布局。軟件中定義的原點(diǎn)與實(shí)際繪畫時(shí)的零點(diǎn)重合，定位后即可生成坐標(biāo)文件。坐標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成G代碼后，再通過串口傳送到STM32控制器中。

寫字機(jī)器人筆尖沿文字的筆劃軌跡運(yùn)動(dòng)，軌跡根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的字符的矢量數(shù)據(jù)生成。STM32接收到文字的G代碼，在串口中斷中先將代碼存儲(chǔ)進(jìn)緩沖區(qū)字符數(shù)組中，第一次填充緩沖區(qū)需要將緩沖區(qū)填滿或者接受到傳送完畢的標(biāo)志才會(huì)進(jìn)行書寫。書寫的過程就是快速地找到離散的點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用Bresenham直線算法解決這個(gè)問題。Bresenham直線算法是用來描繪由兩點(diǎn)所決定的直線的算法，它會(huì)算出一條線段在n維光柵上最接近的點(diǎn)，Bresenham直線算法離散化用像素點(diǎn)表示示意圖如圖1所示。這個(gè)算法只用快速的整數(shù)加法、減法和位元移位，可以快速確定下一個(gè)點(diǎn)。

3 電機(jī)控制設(shè)計(jì)

電機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分，由控制器來控制電機(jī)正或反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端寫字筆的左右或者前后平移和轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種由一定頻率的脈沖控制的電動(dòng)機(jī)，每輸入一個(gè)控制脈沖，步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)或后退一步。它可以直接接收計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，而不需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，所以廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)角位移與控制脈沖間精確同步，可以快速啟停、精確步進(jìn)，因此選用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

STM32F103中有7個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器均有4個(gè)獨(dú)立可編程通道輸出的PWM信號(hào)。選用高級(jí)定時(shí)器TIM1，它由APB2總線提供時(shí)鐘，設(shè)置為72MHz，向上（增）計(jì)數(shù)，自動(dòng)裝載寄存器ARR-1的值為256，所以，PWM波的占空比的取值范圍為0～256，不同占空比的取值存儲(chǔ)在每個(gè)通道的捕獲比較寄存器CCRx中，編程時(shí)，通過改變寄存器CCRx的值來改變PWM波的占空比。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV8825 接收PWM脈沖信號(hào)，按照步進(jìn)電機(jī)分配方式所要求的狀態(tài)順序來產(chǎn)生各相控制信號(hào)，和DIR（方向）、EN（使能）信號(hào)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角時(shí)，筆頭就會(huì)前進(jìn)或者后退一小段位移。比如步距角1.8°時(shí)，筆頭前進(jìn)1mm。如果要求更高的精度，在驅(qū)動(dòng)器DRV8825“STEP”端輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步，將模式選擇端MS1、MS2、MS3全部接地，即可使用32細(xì)分。如選擇1/32步進(jìn)模式，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈就要送6400個(gè)微步才能完成。書寫出來的漢字會(huì)更加平滑。

4 測(cè)試及結(jié)果

經(jīng)過軟硬件的綜合調(diào)試，寫字機(jī)器人可以按照正確的筆順準(zhǔn)確寫出文字，寫出的文字效果如圖3所示。通過小朋友使用測(cè)試，小朋友可以跟隨機(jī)器人的書寫寫出漢字，在協(xié)助初學(xué)書寫者學(xué)習(xí)寫漢字時(shí)有一定的效果，值得推廣。在此基礎(chǔ)上，引入智能模仿學(xué)習(xí)技術(shù)，使機(jī)器人具有類人類的學(xué)習(xí)能力，只需簡(jiǎn)單示范，機(jī)器人就可以寫出所需漢字，將其用于教育領(lǐng)域，必將能夠提升孩子的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)樂趣，成為輔助老師教學(xué)的好助手。

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