基于Arduino的機器人寫字系統設計

陳柯宇，熊宗山

(綿陽職業技術學院 信息工程系，四川 綿陽 621000)

0 引言

本次機器人寫字系統設計的目的是要尋找一種簡單的寫字算法，在設計和探索過程中，對掌握的知識進行總結，提高自身的綜合能力。這種簡單的寫字算法，不需要學習復雜的計算方法和公式，對寫字機器人可以起到一定的推廣作用，可以讓更多的機器人愛好者去研究寫字機器人，算法的實現也增加了寫字機器人功能的多樣性。寫字機器人能運用在科研、教學上，能夠幫助工作任務繁重的工作者減輕負擔而新興的電子產品。

物聯網技術、人工智能的不斷發展，促進了智能機器人的發展進步。本項目設計的基于Arduino的機器人寫字系統是想在基于當代設計的智能機器人上再設計一種可寫字的應用系統，對我國現有的機器人進行設計和系統方面的改進和升級，使設備經過后期的調試能夠通過控制模組進行自動控制筆架模組，可以代替人進行書寫或畫畫，使智能機器人的功能更加健全，朝更加智能化、人性化的方向前進[1]。因此，設計了基于Arduino的機器人寫字系統，主要針對處理以下問題：

(1)很多企業都有涉及重復性較高的文筆工作場合，且人力勞動消耗大，有很多沒必要的人力耗費，文筆工作者最后實現的工作效率、質量均不高；

(2)我國研究的智能機器人還未深入涉及這塊領域，且如果要廣泛普及在社會上的使用，耗資巨大，成本高。

1 現狀分析

信息時代的到來，機器人方向作為高科技的重要研究領域，人工智能的家居生活機器人已經漸漸進入我們的視線、生活。目前我國機器人寫字系統還未普及使用，雖然在研究和設計，但有局限性且還未真正意義上實現寫字機器人在人們生活工作中的普及。現在我們接觸到的應用于家居生活中的智能機器人最多的就是掃地機器人、語音互動跟隨機器人等。我國的寫字機器人研究主要在矢量化算法和自由度算法，將字軌跡通過運算，轉換成機器人要運動的路徑。國外機器人的發展，目的性很強，主要用于軍事和家務。目前我國研究的機器人在各方面的設計和系統還不夠完整，沒有一個具體的用處。可對我國國內現有的機器人進行設計和系統方面的改進和升級，使設備經過后期的調試能夠通過控制模組進行自動控制筆架模組，作X軸運動或Y軸運動，夾持在筆架模組上的筆可以代替人進行書寫或畫畫，且具有結構緊湊、性能可靠、動作靈敏、運動位移精度高、壽命長等優點，適用于重復性較高的工作場合[2]。

2 研究內容

研究寫字機器人的市場價值，硬件電路設計及功能實現、起筆、落筆子程序功能實現、電子驅動子程序功能實現、前進、停止子程序功能實現、轉彎子程序功能實現。軟硬件調試、硬件調試、軟件調試和字體庫的創建，根據需要的字體創建字體庫。設計該產品整體外觀設計和產品市場推廣以及項目實施方案，利用Arduino開發使用的編程軟件和語言來實現對Atmel公司開發的芯片做主控制器進行模塊化編程，測試各子程序的功能是否實現、創建字體庫、完成舵機的系統測試與分析、后期檢測、測試總體效果。

研究機器人寫字系統的市場價值和相關的文獻資料、機器人寫字系統的軟硬件設計及功能實現、寫字系統硬件部分主要由Atmel公司開發的芯片做主控制器以及執行器部分采用舵機轉動機械手臂實現、軟件部分采用Arduino開發使用的編程軟件和語言；研究機器人寫字系統的程序算法邏輯；研究怎樣盡可能降低成本，簡化設計模塊，讓該產品更加大眾化，進入大眾的視線；研究科普領域，拓展系統的功能，讓智能機器人實現功能更加完善[3]。

3 系統初步設計

字體輪廓的高速描繪需要控制系統具有前瞻的功能，以加快寫字時筆在銜接處的運動速度，并且避免了頻繁啟停對舵機的沖擊。字符路徑規劃的目的是使機器人末端能夠快速、精準、穩定地按照字體的輪廓軌跡運動，為提升傳統多軸聯 動寫字機器人寫字速度、穩定性和精度。

寫字機器人整體控制系統由計算機、控制器、電機驅動電路和電機4部分組成。計算機作為輔助控制器，主控制器由Arduino系統構成，執行環節則由舵機組成。

(1)經過團隊的項目前景預估及前期市場調研，得出該產品具有廣闊的市場前景，可以給企業帶來較大的商業利益，同時也為科研力量貢獻出一分力量。

(2)根據其他相關資料和科研實驗，確定了該項目的可行性。

(3)初步完成機器人寫字系統核心部分設計及原理框圖，如圖1所示。

圖1 機器人寫字系統核心部分設計及原理

由Atmel公司開發的芯片做主控制器，因此實現舵機轉動時具有很高的精度，合理的平面空間定位，通過改變編程語言可以寫出多種不同的字體、字符。

3.1 硬件的設計思路

整個系統由舵機驅動、霍爾傳感器感應、mini-drive控制板、電池組4部分組成。完成機器人的行進動作。控制板模塊接收程序的命令，通過H橋對舵機模塊進行控制，起筆和落筆的舵機模塊是由主控板直接控制的，沒有通過H橋。傳感器模塊是由霍爾傳感器完成的，當小車運動的時候，霍爾元件就會在磁場中發生變化，從而記錄小車的行程。電池組模塊驅動舵機，為控制板提供電源。另外系統還有一些指示燈的模塊，比如電池組指示燈、串口指示燈等[4]。

3.2 電源的預選及防護

電源需要采用穩壓器L4941 LDO，使得輸入輸出的電壓差僅為0.45 V 。但是，如果輸入的電壓小于5.4 V，就沒有穩壓效果。原則上輸入的電壓可以在3.5～9 V。用4節1.5 V的電池就可以工作。電源端有防反接電路，這樣，即使反接也不會燒壞電路，起到了安全保護的作用，硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路

3.3 主程序的設計

主程序的設計如圖3所示。在初始化設置中，設置中斷引腳，設置串口的波特率，打開串口，設置引腳為輸出模式等，循環體模塊，主要是調用子函數，完成想寫的單詞或者句子。

圖3 主程序的設計

4 結語

本項目設計的基于Arduino的機器人寫字系統具有結構緊湊、性能可靠、動作靈敏、運動位移精度高、壽命長等優點，并且隨著網絡技術的廣泛應用，人們對智能安防系統、智能家電控制系統更趨于利用Arduino易擴展、低成本、使用靈活的優勢，并在實際的生活學習域進行探索。這種機器人寫字系統可以廣泛地運用在科研、教學上，寫字機器人是能夠幫助工作任務繁重的工作者減輕負擔而新興的電子產品，適用于重復性較高的工作場合，可解放工作者的雙手，該產品具有非常廣闊的市場前景，在這個過程中不斷更改軟件算法以及硬件設計，目的是做到最大的兼容性和可拓展性。在科研方面，也有深入研究意義，為后續研究人員提供合理參考。