智能寫字機器人的設計分析

秦磊 郭松梅

摘要：此文章我著重探究智能寫字機器人的設計，分析系統的設計，對智能寫字機器人的整個控制系統組成和實現過程的有初步了解，再對智能寫字機器人硬件及軟件的設計進行重點分析。希望通過我的文章讓其他人對智能寫字機器人的基本設計有更加深入的了解，同時也希望為后期的智能寫字機器人的功能得到更好的發揮進獻自己綿薄之力。

關鍵詞：智能;寫字機器人;設計及分析

由于信息技術時代的持續發展，現實生活中越來越多領域應用到高新技術，為人們的日常生產和生活創造了便利的條件。我認為機器人是高新技術的標志性產品，可以應用到我們日常生產生活所涉及到的方方面面中去，它正在一步步變成加快經濟前進的關鍵生產設備。其中的智能寫字機器人不僅用于教學實踐中，而且在生產實際中應用也非常廣泛，這些成為我們后續智能機器人主要研究方向。

一、智能寫字機器人系統的設計

我所設計的智能寫字機器人，它的控制系統由輔助控制計算機、核心控制器、驅動電機和相應的驅動回路這四個部分組成。首先就輔助控制器和上位機而言，所需的文本用計算機轉換為其控制系統識別的代碼，將文本輸出為.nc類型的文件，再用計算機的記事本軟件將文件打開，便可以獲得此文本的坐標信息。隨后通過專業軟件（Grbl Controller）和下位機的成功連接，同時將代碼傳送給單片機和可視化界面，從而文本中的信息可通過單片機來執行，寫字進程通過可視化界面模擬出來。下位機的單片機系統通過上機位獲得代碼，然后識別和轉換此代碼，同時我通過直線和圓弧插補程序來控制電機的狀態。智能寫字機器人通過電機部分來執行操作，系統中的電機在控制器的操控下來完成正、反轉等多種多樣的操作，進而控制寫字筆去完成不同位置及方向的移動。智能寫字機器人寫字的時候，通過控制系統中的脈沖去實完成步進電機的前進和后退。

二、智能寫字機器人的硬件設計

我的設計理念是要想實現智能寫字機器人的功能，最為重要因素是操控其行走的距離。我所設計的整個系統，主要根據控制器輸出脈沖去完成步進電機的實際動作，然后步進電機與聯軸器絲杠相連接，確保絲杠前進距離的精準度。與此同時，我們也能根據步進電機旋轉步距角的這個操作去實現絲杠前進或后退的距離，根據上述硬件基礎，要想輸出距離得到有效控制，我們只需要通過精準計算輸出的脈沖就可以實現了。智能寫字機器人控制器用USB與計算機連接起來，可以產生5 V電源和PC段的串行連結。而微控制器芯片的20個引腳的作用是方便連接并操控其它部位及器件。步進電機運行按照特定順序和頻率將脈沖信號輸入到控制繞組中。分配器接收方向電平和控制脈沖信號，并產生控制繞組信號，具體按步進電機分配方式要求來實現。所以需要確定脈沖分配器的信號數量。運行中，脈沖會出現輸出信號變化，引起輸出狀態的變化，轉速由高變低，啟停以及高低等變化。脈沖發電機和啟動器控制的基本流程：首先計算機控制系統處理后，位移和速度等數據傳輸到單機中。其次單機輸出控制脈沖，分配器將信號進行分配和傳輸給功率并放大電路。最好將放大后的信號出送給多相步進電機，驅動末端運動。

三、智能寫字機器人的軟件設計

機器人在實際運用過程中，在執行機構內步進電機動作由脈沖實現控制，控制系統中的脈沖與電機運行的前進距離相對應?？刂葡到y中給出相應的坐標，處理中心結合直線補差算法控制器對坐標與行進動作進行處理，控制脈沖信號輸入到驅動設備內，驅使進步電機帶動負載荷完成直線的繪制任務，這是系統的軟件設計上的基礎。智能寫字機器人實際的運用中，是由計算機對書寫的文本文字轉換，從而得到坐標，使用矢量圖形處理軟件Inkscape根據處理后文本的坐標數據，對輸入文字編輯框中字符區在任何位置上像素顏色信息進行識別和讀取。讀出的信息，一般為白色和其他顏色。背景默認不是白色的文本信息，需要在相應位置點劃出一個圓;白色背景信息直接跳過，對下一個位置繼續掃描，不斷執行，直至掃描全部完成，輸出相應字符的點陣圖。Inkscape軟件使用mm作為單位對圖形尺寸單位進行設置，將需要書寫的文字輸入到系統里面，用軟件將書寫對象轉化成書寫行走路徑并提取出相應的位圖輪廓，最后導出.nc格式的坐標文件?；谧鴺宋募梢詫刂破鬏敵隹刂泼}沖以控制步進電機的行進動作。直線筆畫是構成漢字的基本要素，但是機器人設計無法準確實現直線運動，需要設計為利用折線軌跡近乎直線運動，因此需要在過程中對行進的路線進行插補。智能寫字機器人采用逐點比對法書寫進行插補，書寫過程中，系統自動比較瞬時坐標和系統識別文字圖形的軌跡，判斷偏差是否存在，如果發現偏差，下一步的動作要向偏差相反的方向運動， 逐漸得到相對近似的圖形軌跡。一般情況，文字書寫偏差要保持一個脈沖當量以內。

智能寫字機器人在運行時，步進電機的動作主要有為坐標運動進給、坐標偏差計算、偏差判別以及書寫終點對比。首先是書寫當前位置進行判斷，確定落筆點在需要書寫直線上的位置。其次根據坐標控制不同的坐標方向移動，完成進給，進給后再次計算移動的坐標位置，同時為后面提供依據。最后要及時比較行進終點進行，確認書寫動作是否順利到達終點，完成筆畫書寫。除了直線插補，對于文字中撇捺之類的曲線筆畫，需呈現為圓弧，采用圓弧插補法，結合寫字點坐標、圓心、半徑等數值，利用偏差判別式得到實際尺寸，如果得出的偏差點在弧外或者弧上，行進動作向內，反之向外。

結語

智能寫作機器設計中主要的部分包括軟件和硬件兩部分，硬件部分分為控制器、驅動線路、驅動電機等，軟件部分有核心控制軟件與直線、圓弧插補等，通過軟硬件的配合實現直線變化和撇捺圓弧的準確書寫，能夠準確完成漢字的書寫動作。 隨著經濟社會的發展，智能機器人科技上會有更大的發展，智能機器人的設計會不斷創新，對于智能機器人品質在要求上也會不斷提升，與此同時也會遇到更多復雜的問題，所以更需要設計人員不斷強化對智能寫字機器人的研究， 設計出更加合理的方案，能夠更好滿足智能機器人用戶的要求。

參考文獻：

[1] 李青云， 趙其昕， 王龍. 寫字機器人的設計優化研究[J]. 輕工科技， 2020.000（7）：3.

[2] 陳柯宇，熊宗山. 基于Arduino的機器人寫字系統設計[J]. 無線互聯科技， 2020， 191（19）：5.

[3] 賀冬冬， 劉婧芳， 張良安，等. 并聯機器人智能輸入寫字功能的設計[J]. 機床與液壓， 2018， 46（9）：4.