高明華， 楊云秀， 許麗金， 肖佳豪， 朱 琳

(華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330013)

0 引 言

隨著機(jī)械自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手臂在人們視野中開(kāi)始頻繁出現(xiàn)[1]。但多數(shù)機(jī)械手臂應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，按照特定的程序完成工件的抓取，代替人類從事簡(jiǎn)單、重復(fù)的工作或者在高危環(huán)境下作業(yè)[2]。人機(jī)交互概念的出現(xiàn)促使機(jī)械手臂向著智能化發(fā)展，產(chǎn)生了對(duì)智能繪圖儀的研究[3]，涌現(xiàn)了一批寫(xiě)字繪圖機(jī)械手臂[4-7]。書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程涉及圖片處理、信息傳遞、運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論知識(shí)[8]。本系統(tǒng)中上位機(jī)對(duì)圖片進(jìn)行處理后傳遞給下位機(jī)，下位機(jī)主控板Arduino板控制機(jī)械手臂完成繪制。該機(jī)械手臂成本低，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，驗(yàn)證輸出的穩(wěn)定性高、還原度高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由3部分組成：Web、上位機(jī)和下位機(jī)。其中Web主要功能是為用戶提供一個(gè)社交平臺(tái)，用戶可以在Web上注冊(cè)、登錄以及發(fā)表圖文動(dòng)態(tài)，Web對(duì)于管理人員來(lái)說(shuō)是收集用戶需求，即圖片或者文字。上位機(jī)采用微雕大師軟件，對(duì)圖片或者文字進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為G代碼，通過(guò)串口傳輸給Arduino。下位機(jī)則是機(jī)械手臂及其控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，將畫(huà)筆移動(dòng)到平面上的任意位置，舵機(jī)控制畫(huà)筆抬落。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)可以分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中硬件設(shè)計(jì)主要針對(duì)機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)以及下位機(jī)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)包括Web設(shè)計(jì)以及圖片的處理過(guò)程(集中在上位機(jī))。

2 硬件設(shè)計(jì)

書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂包括4個(gè)部分：主框架結(jié)構(gòu)、控制模塊、傳送模塊和執(zhí)行模塊[9]。主框架作為3個(gè)模塊的“身體”部分，電源部分作為3個(gè)模塊的“血液”部分。書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂的供電方式是單獨(dú)的適配器進(jìn)行供電。該適配器為電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)防雨監(jiān)控專用電源，輸入為AC100～260V、50/6 Hz，輸出為DC12V、2A。

2.1 主框架結(jié)構(gòu)

在書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)與搭建過(guò)程中，主框架是由4個(gè)方向均有凹槽的鋁材搭建而成，關(guān)節(jié)部分是由自行設(shè)計(jì)的3D打印件制作而成[10]。書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂框架示意圖如圖2所示。

圖2 書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂示意圖

主框架有7根鋁材，X軸上、中、下各1根，Y軸左右各2根，遍布整個(gè)框架的是同步帶(皮帶)?？刂葡到y(tǒng)固定在X軸上的鋁材上，1個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定在X軸中的鋁材上控制左右運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)同樣固定在X軸中的鋁材上控制抬筆落筆；2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定在Y軸左右兩側(cè)的鋁材上控制前后運(yùn)動(dòng)。

2.2 控制模塊

控制模塊由Arduino UNO板和Arduino CNC V3拓展板組成。

本系統(tǒng)硬件部分所使用的主控板為Arduino Uno板，是一塊基于原始開(kāi)放代碼的Simple I/O 平臺(tái)的微處理器，Arduino屬于開(kāi)源的電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可與大多數(shù)設(shè)備之間發(fā)送和接收消息[11]。

Arduino UNO板的接口眾多，可以匹配一系列的拓展板，而Arduino CNC V3是GBRL(Arduino G代碼處理器)專用的模塊，完全兼容Arduino UNO板和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A4988的接口，借助GBRL再加上一定的處理工作Arduino UNO板即可成為Arduino CNC控制器。

2.3 傳送模塊

傳送模塊由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A4988、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、同步帶(皮帶，6 mm寬)、法蘭軸、軸承、螺絲、墊片和尼龍墊柱等組成。

A4988步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是一款具備轉(zhuǎn)換器,并且提供過(guò)流保護(hù)的雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化半導(dǎo)體(Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,DMOS)微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品在操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)有以下5種步進(jìn)模式：全、半、1/4、1/8和1/16，其細(xì)分設(shè)置與CNC V3板上的3組排針是否短接有關(guān)。

步進(jìn)電機(jī)的位置在前節(jié)中已經(jīng)提及，主要是完成畫(huà)筆在平面上的移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至指定的坐標(biāo)完成繪制[12]。

同步帶遍布整個(gè)框架，作用是當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)X軸的鋁材運(yùn)動(dòng)時(shí)固定鋁材，避免鋁材運(yùn)動(dòng)過(guò)速或者離開(kāi)框架。

法蘭軸和軸承應(yīng)用在固定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(帶輪軸)及畫(huà)筆(升降軸)上，主要負(fù)責(zé)在傳送過(guò)程中有個(gè)滾動(dòng)的過(guò)程，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得平緩，而墊片和尼龍墊柱則是固定法蘭軸和軸承，彌補(bǔ)在寬度上的不足。

2.4 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由舵機(jī)和畫(huà)筆組成，如圖3所示。舵機(jī)由CNC V3板直接控制，舵機(jī)收到的脈沖信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度(具體關(guān)系見(jiàn)表1)，在本系統(tǒng)中舵機(jī)對(duì)畫(huà)筆的控制只有抬落兩種狀態(tài)，因此舵機(jī)只需要向上或下轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，選用的是90°轉(zhuǎn)動(dòng)的舵機(jī)SG90。

本系統(tǒng)對(duì)畫(huà)筆的選擇沒(méi)有硬性的要求(除毛筆外)，只要筆能固定在3D打印件中即可，如簽字筆(各種粗細(xì)的筆尖)、原珠筆、馬克筆、鋼筆甚至粉筆。

圖3 執(zhí)行模塊

脈沖/ms角度/(°)0.501.0451.5902.01352.5180

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中軟件部分主要涉及：①Web平臺(tái)，為用戶提供交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可定制理念；②上位機(jī)，完成對(duì)圖片的處理；③下位機(jī)控制系統(tǒng)，完成控制信息的傳輸。

3.1 Web設(shè)計(jì)

Web作為一個(gè)社交平臺(tái)[13]，是在Myeclipse企業(yè)級(jí)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的。用戶可以通過(guò)該平臺(tái)發(fā)送圖文動(dòng)態(tài)，將繪制的圖案與需求發(fā)布到平臺(tái)上，管理者即可安排相應(yīng)的畫(huà)筆完成繪制。

用戶使用流程為注冊(cè)/登錄，然后發(fā)表圖文動(dòng)態(tài)，評(píng)論回復(fù)他人動(dòng)態(tài)；管理員使用admin賬號(hào)直接登錄，有3部分功能：管理用戶信息、管理圖文動(dòng)態(tài)、管理評(píng)論回復(fù)內(nèi)容。

3.2 圖片處理

3.2.1G代碼

圖像圖像文件格式(Bitmap,BMP)(位圖)是由像素點(diǎn)陣構(gòu)成的圖像,每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的灰度值。首先將位圖轉(zhuǎn)換為黑白圖像，其中黑為1、白為0，一幅圖像轉(zhuǎn)換成一串離散的脈沖信號(hào)。當(dāng)1時(shí)，保持落筆狀態(tài)下繪制；當(dāng)0時(shí)，抬筆并運(yùn)動(dòng)至下一黑色像素位置。

為了完成運(yùn)動(dòng)控制，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中首先將圖像或者文字轉(zhuǎn)為G代碼。G代碼與M代碼廣泛應(yīng)用于數(shù)控中，G代碼通常由字母G和2個(gè)數(shù)字組成，數(shù)字表示指令碼[14]。本系統(tǒng)用到的指令碼有G00快速定位指令、G01直線插補(bǔ)指令、G02圓弧插補(bǔ)指令、G04暫停指令等。

3.2.2上位機(jī)

上位機(jī)的主要功能是將Web收集的圖像進(jìn)行處理[15]，轉(zhuǎn)為G代碼傳輸給下位機(jī)的主控板。本系統(tǒng)中上位機(jī)選用的是微雕大師，同時(shí)具有處理文字以及圖像的功能，上位機(jī)處理流程如圖4所示。輸出圖片形式有4種：實(shí)心(折線、逐行)、輪廓、灰度和逐點(diǎn)繪制；輸出文字有4種：實(shí)心、輪廓、單線、點(diǎn)陣書(shū)寫(xiě)。

圖4 上位機(jī)處理流程

3.2.3主控板

下位機(jī)的主控板Arduino通過(guò)串口接收到G代碼，轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)分別控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。圖片轉(zhuǎn)化與運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 圖片處理過(guò)程

本部分設(shè)計(jì)的完成依托于Arduino IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)。主程序grblUpload主要是對(duì)下位機(jī)軟件的整體頭文件的定義，主要包括coolant_contrl(散熱控制，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)保證散熱處于打開(kāi)狀態(tài))、cpu_map(執(zhí)行繪制，完成定位等)、defaults(默認(rèn)設(shè)置)、eeprom(電可擦除只讀存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)緩沖區(qū))、gcode(G代碼)、grbl、limits(限制引腳更改中斷，去抖動(dòng)處理)、motion_control(運(yùn)動(dòng)控制)、nuts_bolts(螺絲螺母基礎(chǔ))、planner(規(guī)劃)、print(打印)、probe(指針定位)、protocol(處理協(xié)議)、report(回告)、serial(串口)、setting(設(shè)置)、stepper(步進(jìn)控制)、spindle_control(軸控制)、system(系統(tǒng)程序)。其中，圖6是運(yùn)動(dòng)控制流程圖。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制流程圖

4 功能測(cè)試

軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并完成書(shū)畫(huà)任務(wù)。在對(duì)各種輸出方式的測(cè)試中，機(jī)械手臂表現(xiàn)良好，圖7所示為CAD圖的實(shí)心繪制模式下的對(duì)比圖。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)了一款書(shū)畫(huà)機(jī)械手臂，有4種風(fēng)格選擇，可以實(shí)現(xiàn)在任何平面上繪制，甚至可用于公司logo打印、CAD圖輸出、黑板報(bào)制作等。為機(jī)械手臂在工業(yè)生產(chǎn)中切割技術(shù)提供了契機(jī)，也將藝術(shù)與機(jī)械化相結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)物。

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