聯(lián)書寫機器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)淺析
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摘要：為了解決大批量生產(chǎn)需求而采用傳統(tǒng)機器印刷造成字體過于工整、缺乏靈魂，以及手工生產(chǎn)操作需要一定書法基礎(chǔ)并且生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計了一款能模擬人手執(zhí)筆書寫對聯(lián)的機器人，對機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，該機器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產(chǎn)的功能。
關(guān)鍵詞：書寫對聯(lián)機器人；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；控制系統(tǒng)設(shè)計；自動化生產(chǎn)
0引言
智能型機器人的研究是近年來科技界比較熱門的一個方向，因其具有較好的可靠性、適應(yīng)性以及強大的個性功能，正日益成為科研工作者研究的潮流趨勢[1]。對聯(lián)機器人的研究開發(fā)可應(yīng)用于教學(xué)方面，如機械機構(gòu)教學(xué)、控制驅(qū)動教學(xué)、軌跡優(yōu)化教學(xué)等；也可在科技館、學(xué)校等場所進行展覽，激發(fā)年輕一代對機器人技術(shù)的興致愛好；并且對聯(lián)是我國文明的瑰寶，開發(fā)該機器人有利于傳承我國傳統(tǒng)文化和藝術(shù)，是用科技傳承華夏文明的一種手段。本文針對為了解決大批量生產(chǎn)需求而采用傳統(tǒng)機器印刷造成字體過于工整、缺乏靈魂，以及手工生產(chǎn)操作需要一定書法基礎(chǔ)并且生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計了一款能模擬人手執(zhí)筆書寫對聯(lián)的機器人，該機器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產(chǎn)的功能。
1機械系統(tǒng)設(shè)計
1.1機械系統(tǒng)設(shè)計方案確定
寫對聯(lián)機器人采用龍門式工作平臺，機械結(jié)構(gòu)分別由書寫機構(gòu)、送紙機構(gòu)、切紙機構(gòu)及供墨機構(gòu)組成，通過將各機構(gòu)模塊進行有機整合，實現(xiàn)模塊化設(shè)計。
1.2書寫機構(gòu)設(shè)計
書寫機構(gòu)實現(xiàn)的是基本的書寫功能，該機構(gòu)的設(shè)計直接決定了書寫字跡的質(zhì)量及精度，主要由傳動機構(gòu)、導(dǎo)向支承部件、執(zhí)筆器、控制電動機等組成，如圖1所示。根據(jù)其作業(yè)范圍、傳動精度等參數(shù)選擇傳動方式，X軸、Y軸方向運動行程的設(shè)置關(guān)乎字跡規(guī)模大小、字體書寫數(shù)量的問題，因此選擇適合遠距離傳輸且傳動精度高的同步帶傳動作為X軸、Y軸的傳動方式。Z軸方向運動行程的設(shè)置關(guān)乎字跡筆劃粗細的問題，因此選擇傳動行程不大、傳動精度較高的齒輪齒條傳動方式即可；采用滾動直線導(dǎo)軌作為該機構(gòu)的導(dǎo)向支承部件，以便提高傳動精度；執(zhí)筆器采用可調(diào)節(jié)式環(huán)形套夾持毛筆，環(huán)形套安裝在帶有彈簧的緩沖裝置上，再將其固定在直線導(dǎo)軌上，可使毛筆實現(xiàn)Z軸方向上的運動[2]。只需要將Z軸執(zhí)筆器固定在X軸導(dǎo)軌滑塊上，X軸構(gòu)件固定在雙Y軸導(dǎo)軌滑塊上，從而實現(xiàn)毛筆在X軸、Y軸、Z軸方向上的運動，只需要控制對應(yīng)電動機即可實現(xiàn)書寫功能。根據(jù)使用要求設(shè)定機構(gòu)參數(shù)，具體如表1所示。
1.3送紙機構(gòu)設(shè)計
送紙機構(gòu)的作用是供應(yīng)機器生產(chǎn)作業(yè)時所需的對聯(lián)紅紙，主要由卡紙裝置、壓緊裝置、運輸機構(gòu)等組成，如圖2所示。在書寫機器人作業(yè)前將對聯(lián)卷紙從卡紙盒中傳送到特定的工作區(qū)域，在書寫完一個字后輸送到下一個工作區(qū)域中，并在書寫完成后輸出對聯(lián)成品。卡紙裝置采用支撐架、置中壓板、拉桿、壓紙軸等組成，支撐架采用鈑金折彎件組合連接成龍門式結(jié)構(gòu)，在其兩側(cè)安裝拉桿支撐座，設(shè)置成一個可滑動式的雙臂支撐，安裝滾筒式對聯(lián)紅紙原料時只需將卡紙裝置的拉桿一端抽拉出來，將對聯(lián)紅紙穿上后合上，利用兩端置中壓板進行對中調(diào)節(jié)，拉開壓紙軸將對聯(lián)紅紙開口一端壓緊即可完成對聯(lián)紅紙原料的安裝。鑒于需要連續(xù)不斷地傳送對聯(lián)紅紙作業(yè)，故初步選用帶式運輸機進行傳送作業(yè)，帶式運輸機是一種靠摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式輸送物料的機械裝置[3]。傳送帶在此機械系統(tǒng)中的作用是進行傳送對聯(lián)紙和提供工作平臺區(qū)域，鑒于所輸送物料為對聯(lián)紙，其質(zhì)量輕便、分布均勻，故選用普通帶式運輸機結(jié)構(gòu)即可。運輸機主要由頭架、驅(qū)動裝置、尾架、傳動滾筒、傳送帶、張緊裝置等組成[3]。壓緊機構(gòu)在機器作業(yè)時對紙張進行一定的定位壓緊作用，防止相對滑動，以便正常書寫字體。為了適應(yīng)不同規(guī)格的對聯(lián)卷紙的書寫，輔助定位壓緊機構(gòu)是可調(diào)節(jié)裝置，因此需要設(shè)計一款可以應(yīng)對不同寬度規(guī)格的定位壓緊機構(gòu)[4]。故采用主要由導(dǎo)軌副、調(diào)節(jié)板、連接板、帶輥軸定位板等組成的壓緊機構(gòu)，連接板安裝在帶彈簧的螺桿上將帶輥軸定位板進行連接，此時可以通過調(diào)節(jié)螺母來改變預(yù)緊力的大小和高度，但容易造成定位板處在非水平位置，因此在連接板尾部連接導(dǎo)軌副的滑塊，這樣既解決了平面度問題，又能使定位板的上下調(diào)節(jié)更順暢。為了適應(yīng)壓緊不同大小的區(qū)域，只需要將定位板左右移動即可，故在調(diào)節(jié)板上設(shè)置U形槽孔，根據(jù)所需壓緊面積進行調(diào)節(jié)安裝。壓緊機構(gòu)參數(shù)由書寫字體規(guī)模確定，具體參數(shù)如表2所示。
1.4切紙機構(gòu)設(shè)計
切紙機構(gòu)是對聯(lián)書寫機器人重要組成機構(gòu)之一，切紙機構(gòu)的作用是執(zhí)筆器書寫完一聯(lián)對聯(lián)后，切斷分離已書寫好的對聯(lián)，切斷后輸出整幅對聯(lián)，有利于提高寫對聯(lián)的工作效率。該機構(gòu)主要由刀片、刀座、傳動部件、支撐導(dǎo)向部件、驅(qū)動裝置等組成[5]，如圖3所示。由于被切物料為對聯(lián)紅紙，其紙質(zhì)較薄，故只需刀片鋒利即可，不需要過大的切削力，因此采用普通鋼制刀，刀片長度根據(jù)對聯(lián)最大寬度確定，為了提高剛度，采用V字形鋼片。執(zhí)行部件為步進電動機，輸出旋轉(zhuǎn)運動，但刀片則需要直線運動，根據(jù)運動轉(zhuǎn)換原理可選用滾珠絲桿傳動作為傳動部件，為了限制螺母的轉(zhuǎn)動，此處選擇滾動直線導(dǎo)軌作為該機構(gòu)的導(dǎo)向支承部件。
1.5輸墨機構(gòu)設(shè)計
為了使對聯(lián)書寫機器人能夠連續(xù)作業(yè)，毛筆需要持續(xù)的墨水原料供應(yīng)，因此必須設(shè)置一個輸墨機構(gòu)完成該項工作。輸墨機構(gòu)由輸墨泵、儲墨罐、輸墨軟管、毛筆等組成，如圖4所示。通過控制輸墨泵上的步進電動機的動作而使儲墨罐里面的墨水通過輸墨軟管進入特制的具有一定儲墨量的毛筆中，從而完成輸墨工作。泵是將原動機的機械能轉(zhuǎn)化成流體能的一種裝置[6]。該系統(tǒng)的泵體可根據(jù)工作環(huán)境和特點來選用市場上現(xiàn)有的泵體，基于毛筆內(nèi)部儲存空間的大小限制可知，輸送泵每次輸送的流量較小、揚程較大，可采用單管輸送；由于安裝空間的限制，應(yīng)采用體積小、質(zhì)量輕的泵；根據(jù)上述特點選用醫(yī)療器械輸液蠕動泵，該泵體結(jié)構(gòu)由步進電動機、轉(zhuǎn)子環(huán)、輸送軟管、壓緊塊、調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成。儲墨罐是用來儲存墨水并向毛筆供應(yīng)墨水的罐體，罐體容量的大小是對聯(lián)書寫機器人一次性連續(xù)作業(yè)時間的重要影響因素。儲墨罐的形狀對該機器人的影響不大，只要考慮安裝空間條件限制即可，根據(jù)安裝位置初步設(shè)計成矩形形狀，其大小應(yīng)滿足連續(xù)作業(yè)工況時間需要供應(yīng)墨水的容量。毛筆采用市面上常規(guī)的毛筆，唯一不同的是將內(nèi)部打造成與鋼筆內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，內(nèi)部裝置儲墨囊，靠近筆頭處加裝一個海綿墊塊，防止墨水過量滴落，在海綿墊塊上安裝類似鋼筆頭裝置的由無數(shù)毛細管組成的導(dǎo)墨引流塊，讓墨水在每使用一次后補充一次。輸送管根據(jù)流量大小確定塑膠軟管，分別連接毛筆與輸墨泵輸出口、儲墨罐與輸墨泵輸入口。泵體供應(yīng)一次墨水量應(yīng)滿足機器人書寫3個最大規(guī)模字體，經(jīng)試驗得出其泵體設(shè)計參數(shù)如表3所示。
2控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1控制系統(tǒng)設(shè)計方案確定
對聯(lián)書寫機器人的控制系統(tǒng)由計算機軟件、控制器、電動機驅(qū)動及執(zhí)行部件4部分組成[7]。Arduino單片機系統(tǒng)作為主控制器，計算機作為輔助控制器，執(zhí)行部件則由步進電動機組成。通過計算機軟件將輸入的文字信息轉(zhuǎn)化為G代碼后，將生成的G代碼通過串口通信發(fā)送給Arduino控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)識別目標(biāo)文本的坐標(biāo)信息后進行執(zhí)行操作。Arduino控制系統(tǒng)通過串口接收計算機軟件發(fā)送的G代碼后，主控制器會進行識別并轉(zhuǎn)換，運用直線插補和圓弧插補指令輸出控制脈沖從而控制步進電動機，最終達到書寫功能。根據(jù)送紙機構(gòu)、輸墨機構(gòu)、切紙機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點可知，只要控制其對應(yīng)的步進電動機就能實現(xiàn)相應(yīng)的功能。因此，精準(zhǔn)控制步進電動機的動作是該控制系統(tǒng)設(shè)計的重點，由驅(qū)動控制器來控制電動機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)機器人的各項功能[8]。系統(tǒng)主要功能控制流程如圖5所示。
2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計
對聯(lián)書寫機器人執(zhí)行機構(gòu)中步進電動機使用控制脈沖信號進行控制，設(shè)置控制脈沖來使步進電動機工作。系統(tǒng)設(shè)計中可知控制系統(tǒng)通過直線插補和圓弧插補命令進行識別轉(zhuǎn)換輸出控制脈沖信號。要將所需書寫字體轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)能自動識別的G代碼，則需要通過一定的專用輔助軟件進行。市面上有很多種雕刻機軟件均滿足使用要求，本次選用雕刻寫字機專用軟件———奎享雕刻軟件。軟件使用原理如下：在計算機上首先使用雕刻寫字機專用軟件，奎享雕刻軟件將文字字跡信息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的坐標(biāo)點，控制器識別轉(zhuǎn)換坐標(biāo)文件并輸出控制脈沖從而控制步進電動機。將所需書寫的文字信息制作成Word或Excel文檔，選好所需字體并排好版后保存處理；將保存的Word或Excel文檔轉(zhuǎn)換成PDF文檔輸出并保存；打開奎享雕刻軟件，用數(shù)據(jù)線將機器人控制系統(tǒng)與電腦連接，要關(guān)掉其他同類軟件，避免出錯，首先下拉菜單選擇將計算機與控制器實現(xiàn)聯(lián)機操作，并將已經(jīng)保存含有文本信息的PDF文檔導(dǎo)入，選擇制作生成G代碼。最后，將所生成的G代碼文件發(fā)送至Arduino控制系統(tǒng)，從而使機器人開始工作。在計算機軟件上可以根據(jù)需求和書寫效果調(diào)整書寫對聯(lián)的速度，在設(shè)置選項中還可以根據(jù)用戶個人需求設(shè)置相關(guān)參數(shù)。
2.3驅(qū)動裝置設(shè)計
驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器和功率放大電路等。步進電動機驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)[10]?？刂破魍ㄟ^控制脈沖來實現(xiàn)對步進電動機動作的精準(zhǔn)控制，步進電動機通過同步輪、同步帶相互嚙合來傳遞動力和運動的，向步進電動機輸入一定脈沖時，步進電動機轉(zhuǎn)動帶動同步帶前進一定的距離，可精確地控制X軸、Y軸、Z軸方向上前進或者后退的距離。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)過一個步距角時，同步帶則對應(yīng)前進或者后退一段距離，故只需要計算好輸出脈沖的大小即可實現(xiàn)對運動距離的精確控制。要正常運行步進電動機，一個重要條件是通入步進電動機各相繞組的控制脈沖必須有足夠大的頻率。環(huán)形脈沖分配器的作用從Arduino控制系統(tǒng)中接收一定的控制脈沖信號后，按照控制脈沖的要求給步進電動機繞組按照一定的順序通電。因此，控制脈沖每輸入一次，環(huán)形分配器也隨之動作一次，電動機的通電狀態(tài)就改變一次，使電動機轉(zhuǎn)動。只要改變控制脈沖的頻率和方向即可以對電動機進行速度和正反轉(zhuǎn)的控制。要正常運行步進電動機，另一重要條件是通入步進電動機各相繞組的控制脈沖必須有足夠大的功率。由于從環(huán)形分配器輸出的控制電流很小，無法啟動步進電動機，因此必須采用功率放大器對其進行增大至正常驅(qū)動電流大小。考慮到步進電動機的控制，該機器人的步進電動機驅(qū)動模塊采用靜音A4988驅(qū)動模塊。該驅(qū)動模塊包含環(huán)形脈沖分配器和功率放大電路，步進電動機的驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。
3機器人工作原理及運動仿真
3.1機器人工作原理
該對聯(lián)書寫機器人的工作原理：先通過計算機將所要書寫的文字信息轉(zhuǎn)換成控制器所能識別的G代碼并傳送給控制器，再按要求將對聯(lián)紅紙固定在送紙機構(gòu)，對聯(lián)紅紙就會被傳送機構(gòu)輸送到預(yù)定的工作區(qū)域，每書寫完一個字后自動傳送到下一個書寫的工作區(qū)域，在書寫的過程中輸墨機構(gòu)定時供應(yīng)墨水原料，每完成一聯(lián)后在傳送的最末端進行自動切分，從而實現(xiàn)全自動生產(chǎn)對聯(lián)。
3.2機器人運動仿真
1）三維建模。通過相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則、工藝性要求等設(shè)計零部件草圖，利用機械設(shè)計常用軟件SolidWorks完成該機器人零部件結(jié)構(gòu)的繪制并對相關(guān)結(jié)構(gòu)校核后，按照要求完成了對聯(lián)書寫機器人的三維總裝圖，如圖7所示。2）運動仿真。采用SolidWorksMotion模塊對機器人進行運動仿真，它是一款運動仿真插件，可以模擬機構(gòu)系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)特性，集成了干涉檢查、動畫制作、運動仿真等一系列功能[10]。在機器人三維裝配體上設(shè)定與現(xiàn)實對應(yīng)的約束、驅(qū)動力、阻尼、阻力等參數(shù)條件，即可實現(xiàn)對該機器人的運動仿真，得到各部件的位移、速度、加速度等參數(shù)數(shù)據(jù)，還可以輸出對應(yīng)的動畫、圖形及表格數(shù)據(jù)等。同時通過運動仿真中的干涉檢查檢驗機器人設(shè)計模型的準(zhǔn)確性，可以直接在機器人裝配環(huán)境中對干涉零件進行修改，相應(yīng)的零件模型會隨裝配模型改正，可實現(xiàn)零件的動態(tài)交互更新。最后修改完模型后，再次進行運動仿真，直至消除干涉，以避免設(shè)計出現(xiàn)錯誤，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。通過以上操作步驟和干涉檢查，順利完成了該機器人的運動仿真，結(jié)果驗證了機器人設(shè)計模型的準(zhǔn)確性。
4結(jié)語
本文介紹了一款能模擬人手執(zhí)筆書寫對聯(lián)機器人的設(shè)計，首先進行設(shè)計方案的選定，接著對機械系統(tǒng)的書寫機構(gòu)、送紙機構(gòu)、切紙機構(gòu)、輸墨機構(gòu)進行設(shè)計，最后設(shè)計控制系統(tǒng)，并完成了機器人的三維建模與運動仿真，仿真分析結(jié)果驗證了機器人設(shè)計的正確性。該機器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產(chǎn)的功能，其設(shè)計方法對其他書畫機器人的研發(fā)具有重要參考意義。
作者:陳玉蓮 劉文杰 李俊文 單位:廣州理工學(xué)院機電工程學(xué)院