硬笔书写机器人设计*
袁 莉，蔡文霞，张利钦，容旭巍
（石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035）
摘 要： 针对汉字书写初学者易混淆笔划和笔顺次序的现象，设计了一种简单易操作的硬笔书写机器人，机器人可以模拟人手书写汉字的过程，帮助初学者掌握汉字笔划和书写笔顺及用笔力度。机器人主体通过串口和计算机相连，文字在计算机中转换成G代码后发送给机器人控制器，控制器处理代码信息，生成脉冲序列控制带动硬笔运动的步进电机前进或后退，在纸上写出文字。
关键词： 书写机器人；步进电机；Bresenham直线算法
随着人工智能技术的不断发展，各种各样的机器人走进了人类生活的各个领域。在近几年的早教领域，功能强大的早教机器人走进了千家万户，教孩子们说话、唱歌、学英语、下围棋等等，但是能够手把手教孩子书写汉字的机器人很少出现在孩子的书桌上。与复印机和打印机相比，写字机器人最大的优势是可以像人类一样用笔写字，可以还原整个书写过程。在汉语学习中，汉字的笔画众多，且笔顺繁杂，汉字书写对于小朋友或者外籍人士来说都是难点。写字机器人从最基础的握笔姿势到笔画顺序，再到运笔力度等都能给学生很好的指导意见。写字机器人在教育领域或有更大的发挥空间。针对于此，本文设计了一种易操作的硬笔书写机器人，可以教人学习书写汉字。
1 书写机器人总体结构
书写机器人系统主要包括机器人本体和计算机，机器人本体控制部分采用STM32F103C8T6作为主控制器，STM32是以ARM Cortex-Mx为内核，专门为嵌入式应用设计的一种低功耗单片机，工作频率最高可达72MHz。拖动系统采用两相四线42步进电机拖动笔在XY水平坐标平面的移动，选用SG90舵机拖动笔在Z轴上下方向移动，实现抬笔。机械联动机构主要包括直线导轨、滚珠丝杠，传动带、惰轮、滑块、光轴和限位开关等组成，滚珠丝杠将步进电机的圆周运动变为直线运动。电源系统采用12V直流开关电源供电。
2 文字提取和轨迹设计
写字机器人要写出结构美观的汉字，首先要获取准确的汉字信息。机器人汉字信息提取主要有三种途径：已有字库、机器视觉和智能模仿学习。本文选择通过机器视觉技术，计算机接收从摄像头传递来的文字信息，处理为坐标文件后传送给STM32控制器。计算机接收到图像后，首先利用图形处理软件CorelDRAW对其进行处理，处理主要包括去除噪声、倾斜校正、二值化、行列切分、闭运算、细化运算和去毛刺处理，将图像处理成黑白的二值图像，而且要轮廓光滑，突出汉字骨架。二值化的过程是读取字符区各个位置的像素颜色，如果读取出来信息不是白色，则在显示点阵编辑框中相应的位置点划出一个实心圆，如果读取信息为白色，则继续扫描下一个位置，不断执行直至全部区域读取完毕，这样就可以得到对应字符的点阵图。然后需要生成坐标文件，先定义好坐标原点，进行画面位置布局。软件中定义的原点与实际绘画时的零点重合，定位后即可生成坐标文件。坐标文件转换成G代码后，再通过串口传送到STM32控制器中。
TComp,i为补偿后的样品温度值,TTc,i-1和TTc,i为相邻Δt秒内温度传感器的两次采样值。根据绝热加速量热仪的工作原理,反应过程中为保证绝热,系统会控制炉体各部分加热器,使炉体温度紧跟补偿后样品温度TComp,i,但由于炉体加热系统受材质影响,时滞性很大,需要给它增加扰动来提高动态响应。设反应Δt秒后对炉体施加的扰动信号TTarget,Δt秒前炉体温度为TOver,i-1,具体关系为:
为考虑二级风险因素间的相互影响，例如，提供给RBC的原始线路数据错误(e13)，最后将生成的错误静态速度曲线发送给了车载设备，因此，采用ANP来确定二级风险因素的权重。计算过程以“数据及系统资源错误(C1)”为例，构造风险因素比较判断矩阵(见表3—表6)，进而确定风险因素的权重。
写字机器人笔尖沿文字的笔划轨迹运动，轨迹根据计算机提供的字符的矢量数据生成。STM32接收到文字的G代码，在串口中断中先将代码存储进缓冲区字符数组中，第一次填充缓冲区需要将缓冲区填满或者接受到传送完毕的标志才会进行书写。书写的过程就是快速地找到离散的点，设计中选用Bresenham直线算法解决这个问题。Bresenham直线算法是用来描绘由两点所决定的直线的算法，它会算出一条线段在n维光栅上最接近的点，Bresenham直线算法离散化用像素点表示示意图如图1所示。这个算法只用快速的整数加法、减法和位元移位，可以快速确定下一个点。
图1 Bresenham直线算法离散化示意图
图2 步进电机控制结构图
图3 机器人写出的字
3 电机控制设计
STM32F103中有7个定时器，每个定时器均有4个独立可编程通道输出的PWM信号。选用高级定时器TIM1，它由APB2总线提供时钟，设置为72MHz，向上（增）计数，自动装载寄存器ARR-1的值为256，所以，PWM波的占空比的取值范围为0～256，不同占空比的取值存储在每个通道的捕获比较寄存器CCRx中，编程时，通过改变寄存器CCRx的值来改变PWM波的占空比。
电机是机器人驱动部分，由控制器来控制电机正或反转实现机器人末端写字笔的左右或者前后平移和转动。步进电动机是一种由一定频率的脉冲控制的电动机，每输入一个控制脉冲，步进电机就前进或后退一步。它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以广泛应用于数字控制系统。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，可以快速启停、精确步进，因此选用步进电机开环控制系统。步进电动机开环控制系统由于具有结构简单、使用维护方便、可靠性高和制造成本低等优点，步进电机的控制结构图如图2所示。
对于电动汽车出行的最优路径求解过程，实际上是在道路简化模型的基础上，选择一条满足最优规划目标且包含用户所选起始位置和终止位置的线段组合。基于这种思想，在初始条件已明确的情况下，可以列出最优路径规划的约束条件如下：
步进电机驱动器DRV8825接收PWM脉冲信号，按照步进电机分配方式所要求的状态顺序来产生各相控制信号，和 DIR（方向）、EN（使能）信号。当步进电机转过一个步距角时，笔头就会前进或者后退一小段位移。比如步距角1.8°时，笔头前进1mm。如果要求更高的精度，在驱动器DRV8825“STEP”端输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步，将模式选择端MS1、MS2、MS3全部接地，即可使用32细分。如选择1/32步进模式，电机转一圈就要送6400个微步才能完成。书写出来的汉字会更加平滑。
4 测试及结果
经过软硬件的综合调试，写字机器人可以按照正确的笔顺准确写出文字，写出的文字效果如图3所示。通过小朋友使用测试，小朋友可以跟随机器人的书写写出汉字，在协助初学书写者学习写汉字时有一定的效果，值得推广。在此基础上，引入智能模仿学习技术，使机器人具有类人类的学习能力，只需简单示范，机器人就可以写出所需汉字，将其用于教育领域，必将能够提升孩子的学习兴趣和学习乐趣，成为辅助老师教学的好助手。
参考文献：
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[4]李芳，吴仲城.一种机器人仿人书写系统[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，10：351-354.
Abstract: In view of the phenomenon that beginners of Chinese character writing are easy to confuse stroke and stroke order,a simple and easy to operate hard pen writing robot is designed,which can simulate the process of writing Chinese characters by hand,and help beginners master Chinese character strokes,writing skills and pen strength.The main body of the robot is connected to the computer through a serial port,and the text is converted into a G code in the computer and sent to the robot controller,which processes the code information and generates a pulse sequence to control the stepping motor that drives the hard pen forward or backward to write words on paper.
Keywords: writing robot;stepper motor;Bresenham straight line algorithm
中图分类号： TP242
文献标志码： A
文章编号： 2095-2945（2019）32-0089-02
*基金项目： 本文系河北省教育厅河北省高等学校科学技术研究青年基金项目（编号：QN2018321）；石家庄学院科研启动基金一般项目（编号：18YB002）；河北省科技厅河北省重点研发计划自筹项目（编号：17211604）；河北省科学技术厅河北省重点研发计划自筹项目（编号：18211928）阶段性成果之一
作者简介： 袁莉（1978-），女，硕士，讲师，研究方向：电力电子与电机控制；蔡文霞（1979-），女，硕士，讲师，研究方向：机械自动控制；张利钦（1977-），女，硕士，讲师，研究方向：控制算法；容旭巍（1982-），男，硕士，讲师，研究方向：电力电子技术。
标签：书写机器人论文; 步进电机论文; Bresenham直线算法论文; 石家庄学院机电学院论文;