基于Arduino的机器人写字系统设计

陈柯宇，熊宗山

(绵阳职业技术学院 信息工程系，四川 绵阳 621000)

0 引言

本次机器人写字系统设计的目的是要寻找一种简单的写字算法，在设计和探索过程中，对掌握的知识进行总结，提高自身的综合能力。这种简单的写字算法，不需要学习复杂的计算方法和公式，对写字机器人可以起到一定的推广作用，可以让更多的机器人爱好者去研究写字机器人，算法的实现也增加了写字机器人功能的多样性。写字机器人能运用在科研、教学上，能够帮助工作任务繁重的工作者减轻负担而新兴的电子产品。

物联网技术、人工智能的不断发展，促进了智能机器人的发展进步。本项目设计的基于Arduino的机器人写字系统是想在基于当代设计的智能机器人上再设计一种可写字的应用系统，对我国现有的机器人进行设计和系统方面的改进和升级，使设备经过后期的调试能够通过控制模组进行自动控制笔架模组，可以代替人进行书写或画画，使智能机器人的功能更加健全，朝更加智能化、人性化的方向前进[1]。因此，设计了基于Arduino的机器人写字系统，主要针对处理以下问题：

(1)很多企业都有涉及重复性较高的文笔工作场合，且人力劳动消耗大，有很多没必要的人力耗费，文笔工作者最后实现的工作效率、质量均不高；

(2)我国研究的智能机器人还未深入涉及这块领域，且如果要广泛普及在社会上的使用，耗资巨大，成本高。

1 现状分析

信息时代的到来，机器人方向作为高科技的重要研究领域，人工智能的家居生活机器人已经渐渐进入我们的视线、生活。目前我国机器人写字系统还未普及使用，虽然在研究和设计，但有局限性且还未真正意义上实现写字机器人在人们生活工作中的普及。现在我们接触到的应用于家居生活中的智能机器人最多的就是扫地机器人、语音互动跟随机器人等。我国的写字机器人研究主要在矢量化算法和自由度算法，将字轨迹通过运算，转换成机器人要运动的路径。国外机器人的发展，目的性很强，主要用于军事和家务。目前我国研究的机器人在各方面的设计和系统还不够完整，没有一个具体的用处。可对我国国内现有的机器人进行设计和系统方面的改进和升级，使设备经过后期的调试能够通过控制模组进行自动控制笔架模组，作X轴运动或Y轴运动，夹持在笔架模组上的笔可以代替人进行书写或画画，且具有结构紧凑、性能可靠、动作灵敏、运动位移精度高、寿命长等优点，适用于重复性较高的工作场合[2]。

2 研究内容

研究写字机器人的市场价值，硬件电路设计及功能实现、起笔、落笔子程序功能实现、电子驱动子程序功能实现、前进、停止子程序功能实现、转弯子程序功能实现。软硬件调试、硬件调试、软件调试和字体库的创建，根据需要的字体创建字体库。设计该产品整体外观设计和产品市场推广以及项目实施方案，利用Arduino开发使用的编程软件和语言来实现对Atmel公司开发的芯片做主控制器进行模块化编程，测试各子程序的功能是否实现、创建字体库、完成舵机的系统测试与分析、后期检测、测试总体效果。

研究机器人写字系统的市场价值和相关的文献资料、机器人写字系统的软硬件设计及功能实现、写字系统硬件部分主要由Atmel公司开发的芯片做主控制器以及执行器部分采用舵机转动机械手臂实现、软件部分采用Arduino开发使用的编程软件和语言；研究机器人写字系统的程序算法逻辑；研究怎样尽可能降低成本，简化设计模块，让该产品更加大众化，进入大众的视线；研究科普领域，拓展系统的功能，让智能机器人实现功能更加完善[3]。

3 系统初步设计

字体轮廓的高速描绘需要控制系统具有前瞻的功能，以加快写字时笔在衔接处的运动速度，并且避免了频繁启停对舵机的冲击。字符路径规划的目的是使机器人末端能够快速、精准、稳定地按照字体的轮廓轨迹运动，为提升传统多轴联 动写字机器人写字速度、稳定性和精度。

写字机器人整体控制系统由计算机、控制器、电机驱动电路和电机4部分组成。计算机作为辅助控制器，主控制器由Arduino系统构成，执行环节则由舵机组成。

(1)经过团队的项目前景预估及前期市场调研，得出该产品具有广阔的市场前景，可以给企业带来较大的商业利益，同时也为科研力量贡献出一分力量。

(2)根据其他相关资料和科研实验，确定了该项目的可行性。

(3)初步完成机器人写字系统核心部分设计及原理框图，如图1所示。

图1 机器人写字系统核心部分设计及原理

由Atmel公司开发的芯片做主控制器，因此实现舵机转动时具有很高的精度，合理的平面空间定位，通过改变编程语言可以写出多种不同的字体、字符。

3.1 硬件的设计思路

整个系统由舵机驱动、霍尔传感器感应、mini-drive控制板、电池组4部分组成。完成机器人的行进动作。控制板模块接收程序的命令，通过H桥对舵机模块进行控制，起笔和落笔的舵机模块是由主控板直接控制的，没有通过H桥。传感器模块是由霍尔传感器完成的，当小车运动的时候，霍尔元件就会在磁场中发生变化，从而记录小车的行程。电池组模块驱动舵机，为控制板提供电源。另外系统还有一些指示灯的模块，比如电池组指示灯、串口指示灯等[4]。

3.2 电源的预选及防护

电源需要采用稳压器L4941 LDO，使得输入输出的电压差仅为0.45 V 。但是，如果输入的电压小于5.4 V，就没有稳压效果。原则上输入的电压可以在3.5～9 V。用4节1.5 V的电池就可以工作。电源端有防反接电路，这样，即使反接也不会烧坏电路，起到了安全保护的作用，硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路

3.3 主程序的设计

主程序的设计如图3所示。在初始化设置中，设置中断引脚，设置串口的波特率，打开串口，设置引脚为输出模式等，循环体模块，主要是调用子函数，完成想写的单词或者句子。

图3 主程序的设计

4 结语

本项目设计的基于Arduino的机器人写字系统具有结构紧凑、性能可靠、动作灵敏、运动位移精度高、寿命长等优点，并且随着网络技术的广泛应用，人们对智能安防系统、智能家电控制系统更趋于利用Arduino易扩展、低成本、使用灵活的优势，并在实际的生活学习域进行探索。这种机器人写字系统可以广泛地运用在科研、教学上，写字机器人是能够帮助工作任务繁重的工作者减轻负担而新兴的电子产品，适用于重复性较高的工作场合，可解放工作者的双手，该产品具有非常广阔的市场前景，在这个过程中不断更改软件算法以及硬件设计，目的是做到最大的兼容性和可拓展性。在科研方面，也有深入研究意义，为后续研究人员提供合理参考。