基于Arduino的CoreXY结构写字机器人设计

王力 孙国强 尹纶培

摘 要：随着社会的不断发展，物质文化不断丰富，人们对精神追求越来越高，公众对传统印刷品印刷文字和图像的满意度越来越低。传统印刷需要大量的墨盒，墨盒的成本非常高，基于此我们团队设计并构建了这款基于CoreXY的书写机器人。该系统将图像上传到主计算机进行图像识别，然后根据相应的固件进行转码并存入Arduino Mega2560，通过串口通信发给带有固件的Arduino并将其转换为相应的数字信号。 Arduino UNO R3控制板处理的信号通过相应的控制X轴，Y轴作用于两个步进电机和舵机形成相应的联系，从而写出相应的文字和图像。

关键词：写字机器人;Arduino;步进电机;舵机;CoreXY结构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.116

1 引言

CoreXY结构的写字机器人不需价格高昂的墨盒，一只有墨水的笔和用电脑录入相应的文字便可完成相应的书写。此机器人结构简单，无需太多的空间便可完成工作，通过对写字机器人的研究，有助于降低成本并且得到同样的书写效果。

本技术报告主要包括机械系统，硬件系统，上位机部分和控制部分，并说明我们的设计思路和解决方案。机械结构的独特设计以及硬件系统的互相配合，完成了相应功能，在设计的过程中主要考虑制作的成本、机器的书写原理和怎样实现的等问题。

2 系统的整体设计

创乐博DrawRobot负责接受文字及图像，并将接收到的文字和图像信息转为G代码，然后用一块Arduino Mega 2560，把Arduino Mega2560当作上位机并且与下位机进行通信，将G代码以两块板子的串口通信发送给控制板。

在下位机中，Arduino UNO R3控制板接受主机通过串口发送的G代码，通过画笔源码生成的固件将G代码识别转换成相应的电机的状态并将信号发送到CNC Shield V3扩展板和电机驱动板A4988[1]。

步进电机是机器人的动力部分。从A4988接收的信号控制电机的正向和反向转速。每次输出控制脉冲时，步进电机前进或后退。舵机通过信号线接收信号，来旋转机臂，达到抬笔和落笔的目的。

3 机械结构设计

四个光轴用作中间结构运动的轨道，一个同步轮固定在三个侧面的每一个上，同步带固定在一侧。此结构是两个步进电机的并联结构。每个部分通过足够长的同步皮带连接，同步皮带由四个同步轮分成四个方向并连接。通过步进电机的运动，滑架部分可以移动到-X轴，X轴，-Y轴和Y轴。笔架结构由舵机控制，以提升笔和笔。当舵机旋转时，笔架向上移动两个光轴以达到抬起笔的目的。当转向器的臂趋于水平时，笔架通过重力作用向下移动，从而达到笔下的目的。

4 控制系统设计

4.1 控制器模块

此系统的控制板采用了Arduino UNO R3来控制电机驱动板的信号。根据相应的机械结构编写画笔源码，然后将执行文件烧录到相应的芯片中。用合适的上位机（此系统使用的是创立博）识别将要书写的内容并转换为相应的G代码，z将其存入安将对应的信号传输到电机，舵机。此外，该控制板也为CNC Shield v3扩展板提供5V的电压，驱使舵机的运动。

4.2 算法设计

手动设计主机上的文本大小，将文本转换为坐标，将对象转换为路径，并提取位图轮廓。逐点比较方法用于机器如果當前点位于图形内部，则下一步是走出去;如果当前点在图表之外，则下一步是进入内部并缩小偏差以获得非常相似的图形轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量[1-6]。

逐点比较方法应用于线性插值过程。步进电机的每个步骤必须执行四个步骤：偏差确定，坐标进给，新偏差计算和终点比较。第一步是根据偏差确定笔在线上方的位置。

它也离线;第二步确定控制器根据判别结果控制哪一个坐标（X轴或Y轴）移动一步;第三步计算笔移动后的新偏差并将其提供给下一步。为了识别的基础，递归地，当处理开始时，书写笔移动到加工的起始点;在比较的第四步骤中，当计算偏差时，还执行终点比较以确定是否已到达终点。如果已到达，则不执行进一步的计算，并发送信号以停止或转换新块。其中，递归的数量由count变量确定。当每个插值操作完成时，E减1.当计数变量E减小到0时，插补程序完成，程序结束并跳出，等待下一个插补操作。对于不同的象限，不同打击线的插值公式不同于控制器发出的控制方向。有必要根据不同的象限改变方向坐标和方向。

5 结束语

该作品的设计为未来书纸资源的有效利用打下了基础，在完成该作品的同时，不仅提高了学生对集成电路的应用能力，也培养了学生良好的动手实践能力和思考能力，这将对以后的科研之路提供很大的帮助。

参考文献：

[1]陈玉敏，谢玮，孟宪民，杨东岳.智能写字机器人设计[D].山东：哈尔滨工业大学（威海校区），山东卡尔电气股份有限公司.

[2]厦门智控电子[DB/OL].http：//www.mcustudio.com.cn/showcourse.asp？id=51.

[3]DF创客社区[DB/OL].http：//mc.dfrobot.com.cn/forum.php？mod=viewthread&tid=27196.

[4]胡寿松.自动控制原理（第3版）[M].国防工业出版社，1994.

[5]王孝武.现代控制理论基础[M].机械工业出版社，2002.

[6]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].清华大学出版社，1996.