一种写字机械臂的设计与实现

一种写字机械臂的设计与实现

作者：李俊王春城杨晓帅李勇张天泉王敏

来源：《中国新技术新产品》2017年第06期

摘要：本文介绍了一种写字机械臂的设计与实现，通过大量分析、实验，将步进电机运用于写字机械臂，达到机械臂稳定书写文字的要求。基于写字机械臂的硬件和机械装置做了软件设计，找到了一种适合于本机械结构的控制算法，利用上位机与显示屏相结合提高人机交互，最后根据设计结果进行不同方面的分析，探索机械臂在实际生活中新的存在方式，以求在新的领域内机械臂的应用与技术有所突破。

关键词：写字机械臂；步进电机；人机交互

中图分类号：TP242.3 文献标识码：A

0.引言

自从20世纪60年代以来，机器人产品已广泛应用于工业、军事、医药、家庭等领域。早期机器人主要用于工业生产以减少人力劳动，智能化时代，机械臂与医学相结合可使丧失运动能力的人重新正常生活，这则意味着一个全新领域的到来。写字机器臂可以作为3D打印机原型，加入一个Z轴自由度将写字笔换成微型钻头，还可以雕刻立体图案，将写字笔换成激光头也可以作为微型雕刻机来雕刻图形、徽章等艺术品。

在科技日益发达的今天，工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。德国柏林犹太博物馆里展出可抄写圣经的机器人，Sonny Caberwal推出的手写机器人Band，通过特定程序控制的机器人NAO，在展会中展示的会写毛笔字的机械臂以及格力写字机械臂，等等，类似的写字机械臂在国外已取得了一定成果，有些成果甚至已经投入了实际工业生产，但是国内写字机械臂的研究与发展相对比较空白，研究出一种具有书写功能的智能机械装置就显得非常有意义。

1.机械结构设计

采用连杆结构实械传动，利用平行四边形四连杆结构实现机械末端与纸面保持垂直，其机械结构。利用平行四边行两对边相互平行的原理可设计出一种一边固定而另一边保持一定角度的平动机械机构，本设计采用两个平行四边行外加一个等腰三角形作为转角的机械结构，两个平行四边行的短边分别固定到三角形两条短边上，与三角形相接的一条边的对边固定到水平面，我们称这条臂为主臂，另一条为辅臂，此时主臂末端与辅臂末端成一定角度即三角形短边间的角度，此时只需在辅臂末端加一个转角三角形或四边行就可实现机械臂末端与水平面平行。

2.系统硬件设计

本系统采用STM32F103作为主控芯片，人机互动界面用HMI串口屏，通过串口屏功能选择与信息提示提高机械的可使用性。通过USB传输命令给单片机，单片机对接收到的命令进行解析并输出PWM信号；步进电机的驱动为A4988，最高可通过2A的电流，可以正常驱动1.2A的步进电机，采用1/16步进量细分法能够使步进电机具有良好平滑的运行性能。为了使系统能稳定工作，本系统采用双电源供电，将电机供电和芯片供电隔离，提高系统的稳定性。

3.系统软件设计

3.1 软件设计总框架

按照系统要求，选用C语言对单片机进行程序设计，按模块化设计，使得编程思路清晰、优化代码逻辑、调试和维护简单化和便于修改易于移植。

3.2 步进电机控制方法

在正常工作的情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，步进电机按设定方向转动固定角度。通过控制脉冲个数控制角位移量，达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率控制电机转动速度和加速度，达到调速的目的。程序通过控制单片机定时器控制脉冲个数和频率调节步进电机转动速度和角度，使系统运行精确稳定。

3.3 核心控制算法

算法需实现将串口发送位置信息转化为步进电机转动角度。在整个控制程序中，采用三角形正解函数和反解函数，正解函数通过系统预先设定各个电机转过角度，通过正解函数将设定角度值转化为直角坐标系下平面上的点，通过程序设定的特定角度就可以实现在空间中运动任意的轨迹，在该设计中仅用到XOY平面坐标，所以只需要设定XOY平面上的点，实现轨迹都在XOY平面上运动。在反解函数中，已知空间一点，确定各电机转过角度值，在该设计中所有点都在XOY平面上，可将模型简化到XOY平面。反解三角函数可得到3个电机转过角度间的关系，反解三角函数的过程，反解和正解相结合可将设定的点写到纸面。

实现写字功能的步骤：先在XOY平面确定两个点，起点为机械装置当前所处位置点，终点即机械装置需要到达目的点，先假定机械主臂固定不动，辅臂旋转，笔尖从起点向终点运动路径是一条圆弧，而机械臂末端路径期望为一条直线。通过实验发现，在在机械装置转过夹角很小、辅臂长度很大时，机械装置末端路径可近似为一条直线，在该设计中，辅臂长度在设计之初就已经确定好了，那么程序只需控制减小变化角度就可使笔尖路径平滑，实现写字功能。

结语

该机械臂利用上位机取模软件将需要书写的文字转化为G代码，通过串口将G代码命令发送给单片机，单片机解析上位机传来的命令，将具体命令转化为步进电机的转速和步数，通过这种传输和解析的方式可精准有效控制机械臂运动达到需要的效果。通过测试该写字机械臂在书写40×40mm字体时可以很清晰的写出文字，若把笔头部分换为激光头可用于激光雕刻，也可用于3D打印方面，还可将机械臂固定到小车上用于特殊环境下作业。

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