基于Arduino的繪畫教學機器人

劉璟瑤 楊斌 陳濤 朱策 梁永超

（天津市南開大學濱海學院 天津市 300270）

1 引言

現(xiàn)今，隨著各種先進技術裝備的應用普及以及相關國家政策的扶持，貧困偏遠地區(qū)的生活越來越好，但在保障物質生活的前提下，似乎卻忽略了青少年的美育教育，貧困地區(qū)教育師資匱乏、教育水平參差不齊、教育區(qū)域不公平問題十分嚴重。目前社會十分注重美育教育，國家也大力開展了扶貧工作，要求加大對鄉(xiāng)村教師隊伍建設的傾斜和支持力度，繼續(xù)實施鄉(xiāng)村教師發(fā)展協(xié)作攻堅行動。智能繪畫教學機器人以Arduino 為核心，結合圖像識別等技術實現(xiàn)了更加自然科學的人機互動教學模式，代替了專業(yè)美術老師的角色。通過精密的算法提升繪畫效果，并在教學過程中引入趣味小故事，使孩子們能在美術學習的同時感受其中的快樂，使偏遠地區(qū)孩子們獲得學習美術基礎教育的機會。

2 機器人總體設計

繪畫教學機器人是由圖像處理部分、機械控制部分、圖像處理算法組成。首先將攝像頭采集的三通道彩色圖像轉換為單通道的灰度圖像，采用自適應閾值算法，將得到的灰度圖像轉換為二值圖像，然后使用圖像細化方法提取二值圖像的骨架信息，控制部分由Arduino 承擔，Arduino 接收圖片像素信息后，解析為驅動電機的Dir 信號和Step 信號，由I/O 口控制ULN2003,驅動左右兩部步進電機轉動通過兩部步進電機的正反轉動作，帶動筆架部分，機器人進行自主繪畫。系統(tǒng)原理圖如圖1 所示、流程圖如圖2 所示。

3 機器人硬件設計

3.1 筆架控制設計

繪畫教學機器人用Arduino 控制兩個步進電機驅動ULN2003，其機械結構主要由畫筆支持部分和懸吊牽引部分組成。畫筆的支撐部分相當于機器人的手掌，用來固定其裝置。畫筆支持結構模型如圖3 所示。該裝置通過固定支架連接，使畫筆能準確地保持在固定支架的中間位置，并能隨著位置的變化而改變開閉角度。畫筆固定支撐設計，可調整畫筆重心，使畫筆穩(wěn)定，作畫時畫筆直徑顯小，從而保證懸浮牽引部分的平衡，避免晃動。

筆架控制部分由步進電機、舵機、畫筆支撐部分組成。與傳統(tǒng)的繪圖機器人相比，本設計在完成垂直平面二維繪圖操作的基礎上，創(chuàng)新了機器人的靈活性和實用性。現(xiàn)有的繪圖機器人具有固定的繪圖支點和有限的工作區(qū)域，影響了其應用范圍。本設計的最大優(yōu)勢是，機器人的機械部分可以拆卸和組裝，牽引電機十分靈活，可以安裝在任何繪圖區(qū)域，這樣機器人的吸引范圍并不局限，并且繪圖區(qū)域的大小不再是一個限制因素而影響繪畫機器人的發(fā)展。

3.2 電機控制部分設計

本設計的核心控制器是Arduino,晶體振蕩器選擇16MHz。ULN2003 也是一個7 路反向器電路，即當輸入端為高電平時，ULN2003 輸出端為低電平；當輸入端為低電平時，ULN2003 輸出端為高電平。

圖1：系統(tǒng)原理圖

圖2：程序流程圖

圖3：畫筆支持結構模型

圖4：ULN2003 引腳功能說明圖

圖5：8BYJ-48 步進電機結構

圖6：繪畫教學機器人部分原理圖

電源部分采用5V 供電，DC 5V 直接為步進電機供電，另外DC5V 經過穩(wěn)壓模塊輸出DC5V 電壓為Arduino 供電，正負極分別連接ArduinoMega2560 的VIN 和GND 引腳。根據設計需求和硬件配置要求，我們采用28BYJ-48 步進電機，其步進角為5.625/64 度。如果需要轉動1 圈，那么需要360/5.625*64=4096 個脈沖信號。

步進電機變速比64：1，繞線軸直徑35mm，繪圖筆的平均移動速度13.7mm/秒，一般速度 9～27mm/秒。（筆架距離電機的不同速度會變化，橫移豎移的速度也不同。）圖4 圖5 分別為ULN2003 引腳功能說明圖與28BYJ-48 步進電機結構；圖6 為繪畫教學機器人的部分原理圖。

3.3 圖像處理

圖7：圖像識別

圖8：程序設計原理圖1

圖9：程序設計原理圖2

圖10：拉線出口位置

輪廓是圖像的重要特征之一，圖像輪廓的提取是實現(xiàn)精準畫圖的關鍵技術。由于物體與背景在某些圖像特征上存在差異，我們采用了OpenCV 進行圖片邊緣檢測，并使圖像分離出來，為了能獲得更好的圖像效果以及同時兼容OpenCV，所以我們采用了樂視體感攝像頭連接樹莓派和Arduino。

整個圖像處理流程為，首先將攝像頭采集的三通道彩色圖像轉換為單通道的灰度圖像，采用自適應閾值算法，將得到的灰度圖像轉換為二值圖像，為了得到單像素寬的圖像輪廓，我們利用了圖像細化方法提取二值圖像的骨架信息。

為了使繪制出來的圖像處于畫布中心，我們對圖像進行位置限定和裁剪，只保留有效的圖像部分，最后我們將得到的圖像與參考坐標進行映像，從而得到Gcode 文件，下一步Arduino 將控制電機按著Gcode 代碼進行繪圖。圖7 為攝像頭識別后的圖像。

4 機器人程序設計

4.1 計算原理

圖11：繪圖受力參數(shù)分析圖

圖12：區(qū)域說明

圖13：最終實現(xiàn)結果

機器人使用了相對好控制的步進電機，力道可以滿足其需求。一般空調的導風板都是用這種電機拉動的。接好線用程序就可以控制它轉，一行代碼，轉一下，循環(huán)2048 次，轉一圈。如果用 35mm 的線軸，轉一步，可以拉動 0.027mm 的線。

如圖8 所示，兩個步進電機在 AB 點，電機轉動線軸，收放兩條線，筆就會跟著移動。只要讓 A 電機拉線，B 電機放線，筆就可以移動到要的位置。

要從 D 移動到 D’的位置，只需要計算出AD 和 AD’的差，BD 和 BD’的差，計算放線和收線的長度，最后計算電機正轉或是反轉、所轉的步數(shù)。如圖9 所示。

4.2 畫筆移動過程

兩條拉線拴在筆架上，另一端繞在線軸上，由步進電機驅動，放線或收線。拉線在支架的出口位置是AB 點（如圖10 所示）線軸到支架的距離不用計算。此兩點的距離是程序中的X_SEPARATION 參數(shù)（單位mm）。需要測量實際寬度后修改X_SEPARATION 值。此段中心為X 軸原點，原則上左負LIMXMIN、右正LIMXMAX。

開機時筆架停留的位置是Y 軸原點。筆架到AB 的垂直距離為LIMYMIN，數(shù)值需要提前測量好，并且每次開機盡量保證讓筆尖在此位置，誤差過大會產生畸變，X 軸皆然。向下是LIMYMAX，只要線軸和幅面足夠長，LIMYMAX 可以無限制大。一般情況下，讓筆在畫面中心，將LIMYMIN 和LIMYMAX 設置的一樣大。

為了能夠靈活繪制任意圖形，需要對繪圖機器人的移動進行精細控制。所以需要對繪圖機器人進行幾何結構建模。我們以兩個懸掛點以及懸掛點到筆架的距離作為參考，可以得到他在畫布上的參考坐標系，從而我們可以確定電機的轉動角度與繪圖機器人運動參數(shù)之間的關系。其繪圖受力參數(shù)分析圖如圖11 所示。

圖像并不能無限擴大，理論上圖像只受AB 點的距離影響，越寬圖像越大。實際上，并不能如此理想。筆架離AB 的垂直距離越近，電機的拉力就要越大，最后接近無限大。很顯然步進電機達不到。所以圖像的最高點不能達到LIMYMIN 的位置。也不能太靠兩側，因為橫相的拉力又變得過于微弱。所以最佳的繪圖區(qū)域見下圖標注。超出最佳區(qū)域后，會有一定的畸變，越超區(qū)畸變越大，如圖12 所示。

5 最終結果、功能實現(xiàn)

我們最終實現(xiàn)了繪畫教學機器人的功能，其以Arduino 為核心，用夾子將兩個電機夾在白板上，在電機上纏繞上繩子，引出兩條拉線拴在筆架上，另一端繞在線軸上，由步進電機驅動，放線或收線，控制筆繪畫。用攝像頭連接樹莓派和Arduino，攝像頭識別圖像后從而在白板上最佳區(qū)域內繪制出相應的圖案。

該機器人的特色就是：電控部分與機械部分可拆卸不受繪圖區(qū)域大小的影響。步進電機體積小，接線方便，程序簡單，兼容性強，導電能力好，應用廣泛，耐用壽命長。兩側有繞線架可粘貼在任何墻壁、畫板的上角，無需登梯爬高，并且攝像頭能夠自主識別圖案，進行繪畫。我們積極響應國家政策，很好地將繪畫機器人運用到教學白板上，更加智能化、專業(yè)化地教授孩子們進行繪畫創(chuàng)作，激發(fā)孩子們的繪畫興趣。

6 結束語

隨著科技與美術行業(yè)的發(fā)展，人類的生活越來越智能化，青少年更應該全方面發(fā)展，基礎的美術教育尤為重要。繪畫教學機器人與美術教育相結合起來，積極響應國家政策——教育強國，大力發(fā)展青少年的教育水平，實現(xiàn)多方位發(fā)展，實現(xiàn)美育教育的公平化、智能化，有效地改善了當今美術老師資源短缺問題，為中國美育事業(yè)獻出自己的一份力量，在這個過程當中也能夠提高孩子們的繪畫興趣。