基于Arduino單片機(jī)的智能寫字機(jī)器人的設(shè)計(jì)

李云飛 蔣永康 徐佳

摘要：智能寫字機(jī)器人系統(tǒng)由Arduino單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板、舵機(jī)、支架等組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將輸入的文本信息或者圖片信息轉(zhuǎn)換成包含坐標(biāo)數(shù)據(jù)的G代碼形式，再通過(guò)數(shù)據(jù)串口下發(fā)送給Arduino主控制器，Arduino主控制器再通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制同步帶的轉(zhuǎn)動(dòng)從而使筆架部位X，Y軸平面移動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)寫字或繪圖功能，同時(shí)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改裝也可以實(shí)現(xiàn)平面微型雕刻機(jī)的功能。

關(guān)鍵詞：智能寫字機(jī)器人;Arduino單片機(jī);步進(jìn)電機(jī);舵機(jī);精準(zhǔn)控制

1引言

機(jī)器人寫作的“先行者”出現(xiàn)在240年前。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的書(shū)寫機(jī)器人是通過(guò)凸輪和發(fā)條來(lái)實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有使用計(jì)算機(jī)，單芯片計(jì)算機(jī)等。通過(guò)在凸輪之間移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)書(shū)寫操作，并且通過(guò)改變凸輪的組合，可以實(shí)現(xiàn)具有不同字體的書(shū)本。在21世紀(jì)的今天隨著物聯(lián)網(wǎng)及智能硬件的快速崛起，智能寫字機(jī)器人的技術(shù)開(kāi)始走進(jìn)了人們的生活，作是一個(gè)人日常生活中必不可少的技能。寫作中使用機(jī)器人是研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域。寫字機(jī)器人不僅可以代替人類來(lái)完成寫作任務(wù)，而且在教學(xué)機(jī)器人，研究和科普展覽中也發(fā)揮著重要作用。本次設(shè)計(jì)主要是基于單片機(jī)制作的寫字機(jī)器人。硬件系統(tǒng)的總體控制部分是用到了現(xiàn)如今主流的Arduino單片機(jī)， Arduino作為被廣泛應(yīng)用的一款單片機(jī)控制器，經(jīng)常被用于書(shū)寫繪畫，激光雕刻，醫(yī)學(xué)等類型的機(jī)器人設(shè)計(jì)中。本文所述的智能寫字機(jī)器不僅人是為了希望有一天智能寫字機(jī)器人能夠代替人工，解放人們的雙手，更是為了讓更多對(duì)于單片機(jī)的愛(ài)好者能夠從中學(xué)習(xí)，從中汲取知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，為智能機(jī)器人領(lǐng)域的研究做出更多的貢獻(xiàn)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中智能寫字機(jī)器人的主要有個(gè)人計(jì)算機(jī)、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)模塊、12V電源。其中個(gè)人計(jì)算機(jī)作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中上位機(jī)存在，其余部分作為下位機(jī)。通過(guò)上位機(jī)的個(gè)人計(jì)算機(jī)中的軟件，將文本信息或圖片信息轉(zhuǎn)化成為含有坐標(biāo)信息的G代碼形式，再通過(guò)串口下發(fā)給下位機(jī)的主控模塊，主控模塊將控制信息發(fā)送至驅(qū)動(dòng)模塊，使傳動(dòng)模塊中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，令筆架部位在X，Y軸平面上移動(dòng)，使其能夠完成寫字繪圖功能。如圖1

所示。

3硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中共有主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)模塊、12V電源 4個(gè)模塊，其中主控模塊作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中核心部分，驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)模塊作為輔助部分，12V電源作為整個(gè)系統(tǒng)中的動(dòng)力來(lái)源。

3.1主控模塊

主控模塊選用Arduino單片機(jī)作為主要控制器。歐洲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的Arduino是一款由方便好用、容易上手的單板微控制器。Arduino具有良好的可擴(kuò)展性與廣泛且豐富的開(kāi)源庫(kù)，Atmega328是其主要的核心處理器，具有14路數(shù)據(jù)交換接口。Arduino單片機(jī)的中央處理器支持32位運(yùn)算，不僅功能強(qiáng)大，還容易使用。可以與電機(jī)控制板屬性互相不沖突，可以讓電路更加方便簡(jiǎn)單，反應(yīng)更加靈敏，相同價(jià)格的單片機(jī)相比更好性能的使用，性價(jià)比較高。

Arduino單片機(jī)在性能上可以滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，而且也在以前的實(shí)踐中接觸過(guò)，且Arduino單片機(jī)也比較容易上手，開(kāi)源的軟硬件使得資料更加豐富，可以更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以經(jīng)過(guò)綜合考慮決定選用Arduino單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的主控芯片。便于寫字機(jī)器人能精確完成寫字任務(wù)。電路原理圖如2圖所示。

3.2驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊是采用CNC Shield V3.0作為驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板，主控模塊為其提供一個(gè)5V 的直流電電壓，使其最多同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路步進(jìn)電機(jī)，本次設(shè)計(jì)只需搭配2個(gè)A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊就可以方便快捷的滿足所需要的驅(qū)動(dòng)功能。其中A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以通過(guò)調(diào)節(jié)其MS1、MS2、MS3引腳的電平高低選擇步進(jìn)電機(jī)的FULL、HALF、QUARTER、EIGHTH、SIXTEENTH等5種模式。驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖如圖3所示。

3.3傳動(dòng)模塊

傳動(dòng)模塊是由金屬桿、同步帶、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、筆架等構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)是由多根金屬桿組成的主要框架，配合作為主要傳動(dòng)器件的同步帶與步進(jìn)電機(jī)，控制整體平面結(jié)構(gòu)的移動(dòng)。其中，同步帶需要環(huán)繞整個(gè)框架，步進(jìn)電機(jī)位于X軸的左右倆側(cè)。舵機(jī)安裝在Y軸一側(cè)，筆架通過(guò)上下板與支撐板固定在舵機(jī)上，舵機(jī)由擴(kuò)展板直接控制，實(shí)現(xiàn)抬筆與落筆。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)筆的選擇沒(méi)有太多的要求，只要筆的直徑小于筆架的直徑，使其插入筆架固定即可，像圓珠筆、馬克筆、簽字筆、鋼筆等（各種粗細(xì)的筆尖）。整體框架如圖4所示。

4軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要有硬件設(shè)計(jì)以外，還有軟件的設(shè)計(jì)支撐。軟件設(shè)計(jì)的程序好壞，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量有著很大的影響。要根據(jù)電子產(chǎn)品的要實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)他進(jìn)行一定的程序撰寫，在對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，最后燒錄到主控器中，以此來(lái)預(yù)期結(jié)果。本設(shè)計(jì)的軟件部分采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Arduino特有的IDE，它的風(fēng)格極其簡(jiǎn)單，而且還有很多的庫(kù)文件，這都是因?yàn)樗拈_(kāi)源特點(diǎn)。

4.1主控制器的固件選擇

Grbl是一個(gè)開(kāi)源的，同時(shí)具有高性能并且可以用較低的成本替代并行端口為基礎(chǔ)的數(shù)字控制運(yùn)動(dòng)固件。Grbl的編寫語(yǔ)言是C語(yǔ)言，它的源碼本身經(jīng)過(guò)了高度優(yōu)化，能夠很好的運(yùn)行在Arduino控制器上。Grbl不單是利用AVR芯片實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的定時(shí)和異步操作，同時(shí)還可以持續(xù)保持在30kHz的頻率穩(wěn)定的輸出無(wú)抖動(dòng)控制脈沖信號(hào)。它接受并兼容標(biāo)準(zhǔn)的G代碼，絕大部分主要的G代碼功能命令都可以很好的進(jìn)行兼容，而且完備的支持了弧線，圓圈和螺旋等運(yùn)動(dòng)模式，可以很好的幫助本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)書(shū)寫、繪畫的功能。

4.2文本文字書(shū)寫與繪畫功能的實(shí)現(xiàn)

文字書(shū)寫、繪畫功能實(shí)現(xiàn)的具體方式，是通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)將文字文本轉(zhuǎn)換成G代碼通過(guò)通信串口下發(fā)至下位機(jī)去完成全部的書(shū)寫流程。為了實(shí)現(xiàn)智能寫字機(jī)器人的主要書(shū)寫以及繪圖功能，本設(shè)計(jì)通過(guò)復(fù)制現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)字符集，來(lái)獲取有關(guān)漢字的信息。在復(fù)制計(jì)算機(jī)字體時(shí)，通常的做法是將漢字信息轉(zhuǎn)換為筆畫信息的坐標(biāo)，檢查最終結(jié)果的軌跡，然后完成文本或者圖畫的書(shū)寫與繪制。

首先，在作為上位機(jī)的個(gè)人計(jì)算機(jī)中通過(guò)Inkscape矢量圖形編輯工具將文本或圖形經(jīng)過(guò)文本圖像預(yù)處理、灰度化、二值化后轉(zhuǎn)化成為.nc格式的坐標(biāo)文件再轉(zhuǎn)化為包含坐標(biāo)信息以及運(yùn)動(dòng)軌跡的G代碼下發(fā)傳輸至下位機(jī)以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

下位機(jī)中的Arduino單片機(jī)需要將Grbl固件燒錄提前燒錄，在固件安裝完成后Arduino單片機(jī)便可以將G-代碼解析編譯。當(dāng)作為主控面板Arduino單片機(jī)具有解析編譯G代碼的能力后，便可以使其可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板分別控制X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直線軌跡運(yùn)動(dòng)、圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式，并且可以控制固定記號(hào)筆部位電機(jī)完成起筆、落筆的動(dòng)作，使得本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)書(shū)寫和繪畫功能。軟件流程圖如圖5所示。

5文字書(shū)寫和繪畫功能測(cè)試

將寫字機(jī)器人的主控制器Arduino單片機(jī)通過(guò)傳輸線與個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。并且將提前將準(zhǔn)備好的坐標(biāo)文件傳輸至主控制器，Arduino單片機(jī)在收到控制信息后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)以完成文本文字書(shū)寫與繪畫功能的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)各種功能模式的測(cè)試中，智能寫字機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)良好，圖6、圖7分別為文本文字書(shū)寫和繪畫功能，最后的運(yùn)行成果圖。如圖所示。

6結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)中寫字機(jī)器人其擁有硬件設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，價(jià)格成本低，結(jié)構(gòu)整齊的特點(diǎn)。書(shū)寫繪圖功能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)是將所要書(shū)寫的文字、圖片信息通過(guò)Inkscape軟件生成所寫文字、圖片坐標(biāo)信息，再通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)充當(dāng)上位機(jī)，將轉(zhuǎn)換為G代碼的控制信息通過(guò)串口下發(fā)給下位機(jī)控制器，然后再由步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)X，Y軸傳送皮帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使寫字機(jī)器人完成書(shū)寫或者繪畫過(guò)程。該寫字人寫字尺寸能夠根據(jù)紙張大小以及書(shū)寫需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且落筆是可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制的。同時(shí)書(shū)寫繪畫是每個(gè)人生活中必不可少的生活技能，更是有些人們每日生活的必須工作，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，得益于本設(shè)計(jì)中主控制器Arduino單片機(jī)的價(jià)格低廉，性價(jià)比高，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這種寫字機(jī)器人可以幫助從事機(jī)械性書(shū)寫工作的人們解放雙手，提高效率，不僅如此，在未來(lái)可以通過(guò)對(duì)其的改裝將書(shū)寫用的筆頭改為刀頭或激光器還可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的平面雕刻，所以其也可以被廣泛地應(yīng)用在大學(xué)的課堂中以及科學(xué)研究中。

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課題：智能寫字機(jī)器人 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃 S202113207021