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摘要：為了解決大批量生產需求而采用傳統機器印刷造成字體過于工整、缺乏靈魂，以及手工生產操作需要一定書法基礎并且生產效率低等問題，設計了一款能模擬人手執筆書寫對聯的機器人，對機器人的機械結構和控制系統進行了設計，該機器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產的功能。

關鍵詞：書寫對聯機器人；機械結構設計；控制系統設計；自動化生產

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]。對聯機器人的研究開發可應用于教學方面，如機械機構教學、控制驅動教學、軌跡優化教學等；也可在科技館、學校等場所進行展覽，激發年輕一代對機器人技術的興致愛好；并且對聯是我國文明的瑰寶，開發該機器人有利于傳承我國傳統文化和藝術，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需求而采用傳統機器印刷造成字體過于工整、缺乏靈魂，以及手工生產操作需要一定書法基礎并且生產效率低等問題，設計了一款能模擬人手執筆書寫對聯的機器人，該機器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產的功能。

1機械系統設計

1.1機械系統設計方案確定

寫對聯機器人采用龍門式工作平臺，機械結構分別由書寫機構、送紙機構、切紙機構及供墨機構組成，通過將各機構模塊進行有機整合，實現模塊化設計。

1.2書寫機構設計

書寫機構實現的是基本的書寫功能，該機構的設計直接決定了書寫字跡的質量及精度，主要由傳動機構、導向支承部件、執筆器、控制電動機等組成，如圖1所示。根據其作業范圍、傳動精度等參數選擇傳動方式，X軸、Y軸方向運動行程的設置關乎字跡規模大小、字體書寫數量的問題，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置關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；采用滾動直線導軌作為該機構的導向支承部件，以便提高傳動精度；執筆器采用可調節式環形套夾持毛筆，環形套安裝在帶有彈簧的緩沖裝置上，再將其固定在直線導軌上，可使毛筆實現Z軸方向上的運動[2]。只需要將Z軸執筆器固定在X軸導軌滑塊上，X軸構件固定在雙Y軸導軌滑塊上，從而實現毛筆在X軸、Y軸、Z軸方向上的運動，只需要控制對應電動機即可實現書寫功能。根據使用要求設定機構參數，具體如表1所示。

1.3送紙機構設計

送紙機構的作用是供應機器生產作業時所需的對聯紅紙，主要由卡紙裝置、壓緊裝置、運輸機構等組成，如圖2所示。在書寫機器人作業前將對聯卷紙從卡紙盒中傳送到特定的工作區域，在書寫完一個字后輸送到下一個工作區域中，并在書寫完成后輸出對聯成品。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構，在其兩側安裝拉桿支撐座，設置成一個可滑動式的雙臂支撐，安裝滾筒式對聯紅紙原料時只需將卡紙裝置的拉桿一端抽拉出來，將對聯紅紙穿上后合上，利用兩端置中壓板進行對中調節，拉開壓紙軸將對聯紅紙開口一端壓緊即可完成對聯紅紙原料的安裝。鑒于需要連續不斷地傳送對聯紅紙作業，故初步選用帶式運輸機進行傳送作業，帶式運輸機是一種靠摩擦驅動以連續方式輸送物料的機械裝置[3]。傳送帶在此機械系統中的作用是進行傳送對聯紙和提供工作平臺區域，鑒于所輸送物料為對聯紙，其質量輕便、分布均勻，故選用普通帶式運輸機結構即可。運輸機主要由頭架、驅動裝置、尾架、傳動滾筒、傳送帶、張緊裝置等組成[3]。壓緊機構在機器作業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。為了適應不同規格的對聯卷紙的書寫，輔助定位壓緊機構是可調節裝置，因此需要設計一款可以應對不同寬度規格的定位壓緊機構[4]。故采用主要由導軌副、調節板、連接板、帶輥軸定位板等組成的壓緊機構，連接板安裝在帶彈簧的螺桿上將帶輥軸定位板進行連接，此時可以通過調節螺母來改變預緊力的大小和高度，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節更順暢。為了適應壓緊不同大小的區域，只需要將定位板左右移動即可，故在調節板上設置U形槽孔，根據所需壓緊面積進行調節安裝。壓緊機構參數由書寫字體規模確定，具體參數如表2所示。

1.4切紙機構設計

切紙機構是對聯書寫機器人重要組成機構之一，切紙機構的作用是執筆器書寫完一聯對聯后，切斷分離已書寫好的對聯，切斷后輸出整幅對聯，有利于提高寫對聯的工作效率。該機構主要由刀片、刀座、傳動部件、支撐導向部件、驅動裝置等組成[5]，如圖3所示。由于被切物料為對聯紅紙，其紙質較薄，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，刀片長度根據對聯最大寬度確定，為了提高剛度，采用V字形鋼片。執行部件為步進電動機，輸出旋轉運動，但刀片則需要直線運動，根據運動轉換原理可選用滾珠絲桿傳動作為傳動部件，為了限制螺母的轉動，此處選擇滾動直線導軌作為該機構的導向支承部件。

1.5輸墨機構設計

為了使對聯書寫機器人能夠連續作業，毛筆需要持續的墨水原料供應，因此必須設置一個輸墨機構完成該項工作。輸墨機構由輸墨泵、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化成流體能的一種裝置[6]。該系統的泵體可根據工作環境和特點來選用市場上現有的泵體，基于毛筆內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，應采用體積小、質量輕的泵；根據上述特點選用醫療器械輸液蠕動泵，該泵體結構由步進電動機、轉子環、輸送軟管、壓緊塊、調節螺釘等組成。儲墨罐是用來儲存墨水并向毛筆供應墨水的罐體，罐體容量的大小是對聯書寫機器人一次性連續作業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，根據安裝位置初步設計成矩形形狀，其大小應滿足連續作業工況時間需要供應墨水的容量。毛筆采用市面上常規的毛筆，唯一不同的是將內部打造成與鋼筆內部結構相似，內部裝置儲墨囊，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毛細管組成的導墨引流塊，讓墨水在每使用一次后補充一次。輸送管根據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。泵體供應一次墨水量應滿足機器人書寫3個最大規模字體，經試驗得出其泵體設計參數如表3所示。

2控制系統設計

2.1控制系統設計方案確定

對聯書寫機器人的控制系統由計算機軟件、控制器、電動機驅動及執行部件4部分組成[7]。Arduino單片機系統作為主控制器，計算機作為輔助控制器，執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化為G代碼后，將生成的G代碼通過串口通信發送給Arduino控制系統，控制系統識別目標文本的坐標信息后進行執行操作。Arduino控制系統通過串口接收計算機軟件發送的G代碼后，主控制器會進行識別并轉換，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。根據送紙機構、輸墨機構、切紙機構的結構特點可知，只要控制其對應的步進電動機就能實現相應的功能。因此，精準控制步進電動機的動作是該控制系統設計的重點，由驅動控制器來控制電動機正反轉和轉速來實現機器人的各項功能[8]。系統主要功能控制流程如圖5所示。

2.2系統軟件設計

對聯書寫機器人執行機構中步進電動機使用控制脈沖信號進行控制，設置控制脈沖來使步進電動機工作。系統設計中可知控制系統通過直線插補和圓弧插補命令進行識別轉換輸出控制脈沖信號。要將所需書寫字體轉換成控制系統能自動識別的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換成對應的坐標點，控制器識別轉換坐標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文檔轉換成PDF文檔輸出并保存；打開奎享雕刻軟件，用數據線將機器人控制系統與電腦連接，要關掉其他同類軟件，避免出錯，首先下拉菜單選擇將計算機與控制器實現聯機操作，并將已經保存含有文本信息的PDF文檔導入，選擇制作生成G代碼。最后，將所生成的G代碼文件發送至Arduino控制系統，從而使機器人開始工作。在計算機軟件上可以根據需求和書寫效果調整書寫對聯的速度，在設置選項中還可以根據用戶個人需求設置相關參數。

2.3驅動裝置設計

驅動裝置包括驅動器和功率放大電路等。步進電動機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構[10]。控制器通過控制脈沖來實現對步進電動機動作的精準控制，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。當電動機轉過一個步距角時，同步帶則對應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。環形脈沖分配器的作用從Arduino控制系統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，環形分配器也隨之動作一次，電動機的通電狀態就改變一次，使電動機轉動。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動模塊采用靜音A4988驅動模塊。該驅動模塊包含環形脈沖分配器和功率放大電路，步進電動機的驅動控制結構如圖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，再按要求將對聯紅紙固定在送紙機構，對聯紅紙就會被傳送機構輸送到預定的工作區域，每書寫完一個字后自動傳送到下一個書寫的工作區域，在書寫的過程中輸墨機構定時供應墨水原料，每完成一聯后在傳送的最末端進行自動切分，從而實現全自動生產對聯。

3.2機器人運動仿真

1）三維建模。通過相關結構設計準則、工藝性要求等設計零部件草圖，利用機械設計常用軟件SolidWorks完成該機器人零部件結構的繪制并對相關結構校核后，按照要求完成了對聯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，可以模擬機構系統的運動學和動力學特性，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定與現實對應的約束、驅動力、阻尼、阻力等參數條件，即可實現對該機器人的運動仿真，得到各部件的位移、速度、加速度等參數數據，還可以輸出對應的動畫、圖形及表格數據等。同時通過運動仿真中的干涉檢查檢驗機器人設計模型的準確性，可以直接在機器人裝配環境中對干涉零件進行修改，相應的零件模型會隨裝配模型改正，可實現零件的動態交互更新。最后修改完模型后，再次進行運動仿真，直至消除干涉，以避免設計出現錯誤，縮短產品開發周期。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，結果驗證了機器人設計模型的準確性。

4結語

本文介紹了一款能模擬人手執筆書寫對聯機器人的設計，首先進行設計方案的選定，接著對機械系統的書寫機構、送紙機構、切紙機構、輸墨機構進行設計，最后設計控制系統，并完成了機器人的三維建模與運動仿真，仿真分析結果驗證了機器人設計的正確性。該機器人具有送紙、供墨、書寫、切紙等自動化生產的功能，其設計方法對其他書畫機器人的研發具有重要參考意義。

作者:陳玉蓮 劉文杰 李俊文 單位:廣州理工學院機電工程學院