联书写机器人结构及控制系统浅析

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摘要：为了解决大批量生产需求而采用传统机器印刷造成字体过于工整、缺乏灵魂，以及手工生产操作需要一定书法基础并且生产效率低等问题，设计了一款能模拟人手执笔书写对联的机器人，对机器人的机械结构和控制系统进行了设计，该机器人具有送纸、供墨、书写、切纸等自动化生产的功能。

关键词：书写对联机器人；机械结构设计；控制系统设计；自动化生产

0引言

智能型机器人的研究是近年来科技界比较热门的一个方向，因其具有较好的可靠性、适应性以及强大的个性功能，正日益成为科研工作者研究的潮流趋势[1]。对联机器人的研究开发可应用于教学方面，如机械机构教学、控制驱动教学、轨迹优化教学等；也可在科技馆、学校等场所进行展览，激发年轻一代对机器人技术的兴致爱好；并且对联是我国文明的瑰宝，开发该机器人有利于传承我国传统文化和艺术，是用科技传承华夏文明的一种手段。本文针对为了解决大批量生产需求而采用传统机器印刷造成字体过于工整、缺乏灵魂，以及手工生产操作需要一定书法基础并且生产效率低等问题，设计了一款能模拟人手执笔书写对联的机器人，该机器人具有送纸、供墨、书写、切纸等自动化生产的功能。

1机械系统设计

1.1机械系统设计方案确定

写对联机器人采用龙门式工作平台，机械结构分别由书写机构、送纸机构、切纸机构及供墨机构组成，通过将各机构模块进行有机整合，实现模块化设计。

1.2书写机构设计

书写机构实现的是基本的书写功能，该机构的设计直接决定了书写字迹的质量及精度，主要由传动机构、导向支承部件、执笔器、控制电动机等组成，如图1所示。根据其作业范围、传动精度等参数选择传动方式，X轴、Y轴方向运动行程的设置关乎字迹规模大小、字体书写数量的问题，因此选择适合远距离传输且传动精度高的同步带传动作为X轴、Y轴的传动方式。Z轴方向运动行程的设置关乎字迹笔划粗细的问题，因此选择传动行程不大、传动精度较高的齿轮齿条传动方式即可；采用滚动直线导轨作为该机构的导向支承部件，以便提高传动精度；执笔器采用可调节式环形套夹持毛笔，环形套安装在带有弹簧的缓冲装置上，再将其固定在直线导轨上，可使毛笔实现Z轴方向上的运动[2]。只需要将Z轴执笔器固定在X轴导轨滑块上，X轴构件固定在双Y轴导轨滑块上，从而实现毛笔在X轴、Y轴、Z轴方向上的运动，只需要控制对应电动机即可实现书写功能。根据使用要求设定机构参数，具体如表1所示。

1.3送纸机构设计

送纸机构的作用是供应机器生产作业时所需的对联红纸，主要由卡纸装置、压紧装置、运输机构等组成，如图2所示。在书写机器人作业前将对联卷纸从卡纸盒中传送到特定的工作区域，在书写完一个字后输送到下一个工作区域中，并在书写完成后输出对联成品。卡纸装置采用支撑架、置中压板、拉杆、压纸轴等组成，支撑架采用钣金折弯件组合连接成龙门式结构，在其两侧安装拉杆支撑座，设置成一个可滑动式的双臂支撑，安装滚筒式对联红纸原料时只需将卡纸装置的拉杆一端抽拉出来，将对联红纸穿上后合上，利用两端置中压板进行对中调节，拉开压纸轴将对联红纸开口一端压紧即可完成对联红纸原料的安装。鉴于需要连续不断地传送对联红纸作业，故初步选用带式运输机进行传送作业，带式运输机是一种靠摩擦驱动以连续方式输送物料的机械装置[3]。传送带在此机械系统中的作用是进行传送对联纸和提供工作平台区域，鉴于所输送物料为对联纸，其质量轻便、分布均匀，故选用普通带式运输机结构即可。运输机主要由头架、驱动装置、尾架、传动滚筒、传送带、张紧装置等组成[3]。压紧机构在机器作业时对纸张进行一定的定位压紧作用，防止相对滑动，以便正常书写字体。为了适应不同规格的对联卷纸的书写，辅助定位压紧机构是可调节装置，因此需要设计一款可以应对不同宽度规格的定位压紧机构[4]。故采用主要由导轨副、调节板、连接板、带辊轴定位板等组成的压紧机构，连接板安装在带弹簧的螺杆上将带辊轴定位板进行连接，此时可以通过调节螺母来改变预紧力的大小和高度，但容易造成定位板处在非水平位置，因此在连接板尾部连接导轨副的滑块，这样既解决了平面度问题，又能使定位板的上下调节更顺畅。为了适应压紧不同大小的区域，只需要将定位板左右移动即可，故在调节板上设置U形槽孔，根据所需压紧面积进行调节安装。压紧机构参数由书写字体规模确定，具体参数如表2所示。

1.4切纸机构设计

切纸机构是对联书写机器人重要组成机构之一，切纸机构的作用是执笔器书写完一联对联后，切断分离已书写好的对联，切断后输出整幅对联，有利于提高写对联的工作效率。该机构主要由刀片、刀座、传动部件、支撑导向部件、驱动装置等组成[5]，如图3所示。由于被切物料为对联红纸，其纸质较薄，故只需刀片锋利即可，不需要过大的切削力，因此采用普通钢制刀，刀片长度根据对联最大宽度确定，为了提高刚度，采用V字形钢片。执行部件为步进电动机，输出旋转运动，但刀片则需要直线运动，根据运动转换原理可选用滚珠丝杆传动作为传动部件，为了限制螺母的转动，此处选择滚动直线导轨作为该机构的导向支承部件。

1.5输墨机构设计

为了使对联书写机器人能够连续作业，毛笔需要持续的墨水原料供应，因此必须设置一个输墨机构完成该项工作。输墨机构由输墨泵、储墨罐、输墨软管、毛笔等组成，如图4所示。通过控制输墨泵上的步进电动机的动作而使储墨罐里面的墨水通过输墨软管进入特制的具有一定储墨量的毛笔中，从而完成输墨工作。泵是将原动机的机械能转化成流体能的一种装置[6]。该系统的泵体可根据工作环境和特点来选用市场上现有的泵体，基于毛笔内部储存空间的大小限制可知，输送泵每次输送的流量较小、扬程较大，可采用单管输送；由于安装空间的限制，应采用体积小、质量轻的泵；根据上述特点选用医疗器械输液蠕动泵，该泵体结构由步进电动机、转子环、输送软管、压紧块、调节螺钉等组成。储墨罐是用来储存墨水并向毛笔供应墨水的罐体，罐体容量的大小是对联书写机器人一次性连续作业时间的重要影响因素。储墨罐的形状对该机器人的影响不大，只要考虑安装空间条件限制即可，根据安装位置初步设计成矩形形状，其大小应满足连续作业工况时间需要供应墨水的容量。毛笔采用市面上常规的毛笔，唯一不同的是将内部打造成与钢笔内部结构相似，内部装置储墨囊，靠近笔头处加装一个海绵垫块，防止墨水过量滴落，在海绵垫块上安装类似钢笔头装置的由无数毛细管组成的导墨引流块，让墨水在每使用一次后补充一次。输送管根据流量大小确定塑胶软管，分别连接毛笔与输墨泵输出口、储墨罐与输墨泵输入口。泵体供应一次墨水量应满足机器人书写3个最大规模字体，经试验得出其泵体设计参数如表3所示。

2控制系统设计

2.1控制系统设计方案确定

对联书写机器人的控制系统由计算机软件、控制器、电动机驱动及执行部件4部分组成[7]。Arduino单片机系统作为主控制器，计算机作为辅助控制器，执行部件则由步进电动机组成。通过计算机软件将输入的文字信息转化为G代码后，将生成的G代码通过串口通信发送给Arduino控制系统，控制系统识别目标文本的坐标信息后进行执行操作。Arduino控制系统通过串口接收计算机软件发送的G代码后，主控制器会进行识别并转换，运用直线插补和圆弧插补指令输出控制脉冲从而控制步进电动机，最终达到书写功能。根据送纸机构、输墨机构、切纸机构的结构特点可知，只要控制其对应的步进电动机就能实现相应的功能。因此，精准控制步进电动机的动作是该控制系统设计的重点，由驱动控制器来控制电动机正反转和转速来实现机器人的各项功能[8]。系统主要功能控制流程如图5所示。

2.2系统软件设计

对联书写机器人执行机构中步进电动机使用控制脉冲信号进行控制，设置控制脉冲来使步进电动机工作。系统设计中可知控制系统通过直线插补和圆弧插补命令进行识别转换输出控制脉冲信号。要将所需书写字体转换成控制系统能自动识别的G代码，则需要通过一定的专用辅助软件进行。市面上有很多种雕刻机软件均满足使用要求，本次选用雕刻写字机专用软件———奎享雕刻软件。软件使用原理如下：在计算机上首先使用雕刻写字机专用软件，奎享雕刻软件将文字字迹信息转换成对应的坐标点，控制器识别转换坐标文件并输出控制脉冲从而控制步进电动机。将所需书写的文字信息制作成Word或Excel文档，选好所需字体并排好版后保存处理；将保存的Word或Excel文档转换成PDF文档输出并保存；打开奎享雕刻软件，用数据线将机器人控制系统与电脑连接，要关掉其他同类软件，避免出错，首先下拉菜单选择将计算机与控制器实现联机操作，并将已经保存含有文本信息的PDF文档导入，选择制作生成G代码。最后，将所生成的G代码文件发送至Arduino控制系统，从而使机器人开始工作。在计算机软件上可以根据需求和书写效果调整书写对联的速度，在设置选项中还可以根据用户个人需求设置相关参数。

2.3驱动装置设计

驱动装置包括驱动器和功率放大电路等。步进电动机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构[10]。控制器通过控制脉冲来实现对步进电动机动作的精准控制，步进电动机通过同步轮、同步带相互啮合来传递动力和运动的，向步进电动机输入一定脉冲时，步进电动机转动带动同步带前进一定的距离，可精确地控制X轴、Y轴、Z轴方向上前进或者后退的距离。当电动机转过一个步距角时，同步带则对应前进或者后退一段距离，故只需要计算好输出脉冲的大小即可实现对运动距离的精确控制。要正常运行步进电动机，一个重要条件是通入步进电动机各相绕组的控制脉冲必须有足够大的频率。环形脉冲分配器的作用从Arduino控制系统中接收一定的控制脉冲信号后，按照控制脉冲的要求给步进电动机绕组按照一定的顺序通电。因此，控制脉冲每输入一次，环形分配器也随之动作一次，电动机的通电状态就改变一次，使电动机转动。只要改变控制脉冲的频率和方向即可以对电动机进行速度和正反转的控制。要正常运行步进电动机，另一重要条件是通入步进电动机各相绕组的控制脉冲必须有足够大的功率。由于从环形分配器输出的控制电流很小，无法启动步进电动机，因此必须采用功率放大器对其进行增大至正常驱动电流大小。考虑到步进电动机的控制，该机器人的步进电动机驱动模块采用静音A4988驱动模块。该驱动模块包含环形脉冲分配器和功率放大电路，步进电动机的驱动控制结构如图6所示。

3机器人工作原理及运动仿真

3.1机器人工作原理

该对联书写机器人的工作原理：先通过计算机将所要书写的文字信息转换成控制器所能识别的G代码并传送给控制器，再按要求将对联红纸固定在送纸机构，对联红纸就会被传送机构输送到预定的工作区域，每书写完一个字后自动传送到下一个书写的工作区域，在书写的过程中输墨机构定时供应墨水原料，每完成一联后在传送的最末端进行自动切分，从而实现全自动生产对联。

3.2机器人运动仿真

1）三维建模。通过相关结构设计准则、工艺性要求等设计零部件草图，利用机械设计常用软件SolidWorks完成该机器人零部件结构的绘制并对相关结构校核后，按照要求完成了对联书写机器人的三维总装图，如图7所示。2）运动仿真。采用SolidWorksMotion模块对机器人进行运动仿真，它是一款运动仿真插件，可以模拟机构系统的运动学和动力学特性，集成了干涉检查、动画制作、运动仿真等一系列功能[10]。在机器人三维装配体上设定与现实对应的约束、驱动力、阻尼、阻力等参数条件，即可实现对该机器人的运动仿真，得到各部件的位移、速度、加速度等参数数据，还可以输出对应的动画、图形及表格数据等。同时通过运动仿真中的干涉检查检验机器人设计模型的准确性，可以直接在机器人装配环境中对干涉零件进行修改，相应的零件模型会随装配模型改正，可实现零件的动态交互更新。最后修改完模型后，再次进行运动仿真，直至消除干涉，以避免设计出现错误，缩短产品开发周期。通过以上操作步骤和干涉检查，顺利完成了该机器人的运动仿真，结果验证了机器人设计模型的准确性。

4结语

本文介绍了一款能模拟人手执笔书写对联机器人的设计，首先进行设计方案的选定，接着对机械系统的书写机构、送纸机构、切纸机构、输墨机构进行设计，最后设计控制系统，并完成了机器人的三维建模与运动仿真，仿真分析结果验证了机器人设计的正确性。该机器人具有送纸、供墨、书写、切纸等自动化生产的功能，其设计方法对其他书画机器人的研发具有重要参考意义。

作者:陈玉莲 刘文杰 李俊文 单位:广州理工学院机电工程学院