廣東工業(yè)大學(xué)

陳松輝，陳梓華，李安國(guó)，林立惠，張 曈

指導(dǎo)老師：劉建群，于兆勤

1 X-DRAW簡(jiǎn)介

X-DRAW與打印機(jī)不同，是一個(gè)筆式繪圖儀。該繪圖儀可使用圓珠筆、鋼筆、記號(hào)筆、馬克筆等在大部分表面進(jìn)行書寫或繪畫，甚至給它裝上激光發(fā)射器后可代替筆使用。繪圖儀如圖1所示。

圖1 繪圖儀

2 工作原理

2.1 裝置架構(gòu)

通過inkscape平臺(tái)進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作后，inscape可將圖畫轉(zhuǎn)化為G代碼經(jīng)發(fā)送器通過串口發(fā)送給Arduino，Arduino接收并解析G代碼后進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

2.2 機(jī)械原理

X-DRAW的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括控制筆前后左右運(yùn)動(dòng)的滑軌機(jī)構(gòu)以及控制筆上下運(yùn)動(dòng)的抬筆機(jī)構(gòu)。

2.2.1 滑軌機(jī)構(gòu)

X-DRAW的滑軌機(jī)構(gòu)采用corexy結(jié)構(gòu)的變體，其運(yùn)動(dòng)原理如圖3所示

圖中彎曲的箭頭為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，沒有標(biāo)注即電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。直箭頭指明當(dāng)前狀態(tài)下筆頭的運(yùn)動(dòng)方向。

圖2 系統(tǒng)控制流程

圖3 滑軌機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理

當(dāng)電機(jī)A/B兩者的轉(zhuǎn)速一致時(shí)，通過兩個(gè)電機(jī)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)即可控制筆頭向8個(gè)常規(guī)方位運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)A/B兩者的轉(zhuǎn)速不一致時(shí)，即可讓筆頭在這8個(gè)角度以外的所有角度運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)筆頭在各方位上的運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 抬筆機(jī)構(gòu)

X-DRAW的抬筆機(jī)構(gòu)選用凸輪機(jī)構(gòu)，利用SG90舵機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪，通過控制滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)筆進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，其工作示意如圖4所示。

圖4 抬筆機(jī)構(gòu)工作示意

圖5所示為抬筆機(jī)構(gòu)落筆/抬筆的兩種狀態(tài)。

圖5 抬筆機(jī)構(gòu)抬筆/落筆狀態(tài)

2.3 控制原理

控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。

2.3.1 上位機(jī)

上位機(jī)包含了兩大軟件，分別為允許用戶進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作并生成G代碼的inkscape軟件與給下位機(jī)發(fā)送指定G代碼的Grbl Controller G代碼控制器。

（1）Inkscape軟件

Inkscape 是功能強(qiáng)大的矢量圖處理軟件。它允許使用者進(jìn)行充分的藝術(shù)創(chuàng)作，直接導(dǎo)入素材，支持包括形狀、路徑、文本、標(biāo)記、克隆、alpha 混合、變換、漸變、圖案、組合等SVG特性。同時(shí)還支持創(chuàng)作共用的元數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)編輯、圖層、復(fù)雜的路徑運(yùn)算、位圖描摹、文本繞路徑、流動(dòng)文本、直接編輯XML等。它可以導(dǎo)入JPEG，PNG，TIFF等格式，并輸出為PNG和多種矢量格式，支持幾乎所有格式的圖片，并直接導(dǎo)出G代碼。軟件操作界面如圖6所示。

圖6 軟件操作界面

（2）Grbl Controller

Grbl Controller為G代碼控制器，軟件通過串口與下位機(jī)通信，將inkscape生成的G代碼發(fā)送給下位機(jī)。圖7所示為Grbl Controller軟件的操作界面。

圖7 Grbl Controller軟件操作界面

2.3.2 下位機(jī)

下位機(jī)將Arduino作為控制芯片，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信。接收并解析G代碼，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑，之后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。通過給A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過PWM信號(hào)控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)。下位機(jī)硬件連接如圖8所示。

圖8 下位機(jī)硬件連接

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）在筆的固定方式上，創(chuàng)新性使用了夾持的方式，在更換不同類型的筆時(shí)，只需簡(jiǎn)單的按壓筆夾即可更換所需要的筆，無需其他工具。更換示意如圖9所示。

（2）在筆架原有的固定方式上，增加了強(qiáng)磁吸附式固定方式，方便用戶調(diào)整筆的角度。強(qiáng)磁吸附結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 更換示意

圖10 強(qiáng)磁吸附結(jié)構(gòu)

強(qiáng)磁吸附結(jié)構(gòu)由兩塊強(qiáng)磁、中心定位銷釘以及角度控制銷釘組成，允許用戶在0°/22.5°/45°三個(gè)角度之間進(jìn)行調(diào)整，全過程只需三步即可完成，無需擰螺絲或借助工具。調(diào)整示意如圖11所示。

圖11 調(diào)整示意

（3）對(duì)操作頭進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將其分為抬筆模塊和激光模塊，如圖12所示。操作頭與機(jī)架通過燕尾槽連接，如圖13所示，大大方便了模塊之間的更換。

圖12 抬筆模塊與激光模塊

圖13 操作頭與機(jī)架的連接

（4）機(jī)器在閑置時(shí)可以進(jìn)行折疊變形以減少收納空間，十分便攜。這是針對(duì)于X，Y軸固定方式的創(chuàng)新性改進(jìn)，使得改進(jìn)后的裝置只需擰松中間的螺絲即可變形收納。機(jī)器變形前后分別如圖14，圖15所示。

4 應(yīng)用前景

4.1 產(chǎn)品功能

（1）與打印機(jī)繪圖儀不同，該儀器可以模仿人的手寫筆跡。

（2）支持多種類別的筆進(jìn)行書寫，包括圓珠筆、中性筆、鋼筆、馬克筆，甚至直徑較大的白板筆。

（3）在激光模式下，可以進(jìn)行激光雕刻以及灰度打印或制作橡皮章。

（4）支持多圖層打印。

（5）機(jī)械結(jié)構(gòu)為corexy的變體結(jié)構(gòu)，具有一定的學(xué)習(xí)研究?jī)r(jià)值。

（6）模塊化設(shè)計(jì)，有利于玩家升級(jí)開發(fā)，具有一定的娛樂價(jià)值

圖14 機(jī)器變形前

圖15 機(jī)器變形后

4.2 面向群體

（1）學(xué)生可通過X-DRAW學(xué)習(xí)了解corexy的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)算法，給創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目開拓新思路。

（2）老師可將X-DRAW作為教具，講解G代碼以及機(jī)械控制原理等。

（3）DIY愛好者可通過X-DRAW滿足動(dòng)手的欲望，提高動(dòng)手能力。

（4）創(chuàng)客教育團(tuán)隊(duì)可通過X-DRAW培養(yǎng)中小學(xué)生對(duì)于機(jī)械的感性認(rèn)識(shí)，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

（5）研發(fā)人員可利用X-DRAW的滑軌機(jī)構(gòu)進(jìn)行某些試驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)。

（6）需要大量重復(fù)抄寫工作的人員可通過X-DRAW模仿人寫字的字跡進(jìn)行書寫，解放人的雙手。

4.3 與市面現(xiàn)有產(chǎn)品的不同

（1）采用夾持的方式固定筆，換筆極為方便。

（2）采用強(qiáng)磁吸附式固定筆架，方便用戶調(diào)整。

（3）模塊化設(shè)計(jì)，通過燕尾槽的固定方式方便模塊與模塊之間的切換。

（4）可快速進(jìn)行變形收納以節(jié)省空間，十分便攜。