多功能智能机械臂
设计者：
摘  要：未来属于科技的时代，一切都将向着智能化发展。传统的黑板板书教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，但其人性化较差，粉尘对授课人危害极大。鉴于此，本作品研制了一个多功能智能机械臂，该机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作，书写速度与手动书写相媲，操作简单，工作灵活，稳定性高，紧跟时代步伐。
关键词：智能；机械臂；书写擦除
1 研制背景及意义
教学实践领域，在以多媒体教学为主流的环境下，传统的黑板板书教学方式仍占有举足轻重的地位。该教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，能起到很好的教学目的。
板书教学过程中，授课者要利用粉笔手动书写，幅面改变时需用黑板刷手动擦除，费时费力，粉笔落下的粉尘对人的身体健康有害等实际问题；诸多研究皆是通过改良擦除黑板的方式或者
提高擦除效率来减少粉尘对老师的待危害，这类改进起到了一定的作用，但是还是存在以下两点主要问题。第一，黑板擦除装置机构复杂，操作繁琐，很多授课者都不愿意使用；第二，授课者仍然还得手动进行书写，工作量依旧很大。在竞争日渐激烈的今天，辛勤工作的老师不仅想提升教学质量，而且期待能减少工作强度，将更多的精力用在教学科研中。
针对上述问题，本作品采用高级的技术及算法，研制了一个多功能智能机械臂，此机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作。授课教师利用控制终端进行简单的操作，控制机械臂使其在竖直的黑板上随意移动，通过操作控制终端实现自动写字，画图和擦除黑板等功能，这样，充分体验了智能化未来化科技化的优点。智能机械手书写高效且定位精准，成本不高让它有很好的普及性应用前景。科技化的教室可以大大激发学生的学习兴趣。机械手是社会智能化发展的一种产物，将它引入课堂是未来发展的需要，可以让学生体现梦幻般的课堂生活。
2 原理分析与硬件电路图
本作品主要由可手持控制终端和多功能智能机械臂组成。可手持控制终端由教师操作，可进行书写和画图等诸多操作的控制，多功能智能机械臂执行相应的书写、画图操作，可手持控
制终端和多功能智能机械臂之间采用蓝牙通信。
2.1 可手持控制终端
可手持控制终端主要包括控制通信部分、操作按键部分和触摸屏。教师在触摸屏上进行书写操作，控制通信部分将书写指令数据以蓝牙方式发送给智能机械臂，由机械臂完成书写操作。可手持控制终端的硬件电路如图1所示：
图1 可手持控制终端的硬件电路图
图中，微控制器采用Atmel公司的ATmega128，16枚按键分别是字库目录索引的“上”、“下”、“左”、“右”，字库汉字选择的“上”、“下”、“左”、“右”，“写字”，“擦除”，“前移”，“后移”，“触屏跟随”，“抬起”，“放下”，“发送”。连接器J1、J2是与触摸屏的连接接口，J6是与蓝牙模块的通信接口，ATmega128与蓝牙模块的采用串口通信方式。
2.2 多功能智能机械臂
对智能机械臂的基本要求是能够快速、准确地夹持着笔芯书写文字或描绘图形，这就要求智能机械臂具有高精度、高灵敏性、灵活的自由度、完善的定位功能、和一定的承载能力，以及占用操作空间小、运动灵活等特性。实现这些特性的前提是确保机械臂具有足够的自由度，一般工业机械手最高是6个自由度，本设计机械臂同样采用6自由度。
2.2.1多功能智能机械臂硬件设计机械论文
多功能智能机械臂由五大部分组成：机械臂基体、吸附部分、驱动部分、MCU控制和通信部分和书写擦除部分。其模型结构图如图2所示：
图2 多功能智能机械臂模型结构图
图中，各组成部分的主要硬件结构和功能如下：
（1）机械臂基体：采用四轮小车结构，各轮外圈由橡胶包覆，基体外壳由钛合金板铆接而成。主要承载整个机械臂的重量。
（2）吸附部分：由多个电磁吸盘组成，其使得整个机械臂能够吸附在黑板上；
（3）驱动部分：由电机和行走轮构成，主要实现机械臂的运动。
（4）MCU控制和通信部分：接收控制终端以蓝牙方式发送的命令数据，解析生成各类操作指令，包括命令写字、触屏跟随写字、抬起笔、放下笔、擦除、移动调整书写位置等指令，并根据指令进行字模解码、坐标计算定位、舵机操作角度计算、舵机驱动 等计算和控制功能。
（5）书写擦除部分：由舵机一、连接座一、舵机二、连接座二、舵机三、连接座三、舵机四、连接座四、舵机五、连接座五、电机、夹持机构、书写擦除笔组成。其主要执行书写及擦除动作。
除MCU控制和通信部分外，其余四部分构成智能机械臂的机械结构部分。
2.2.2 机械臂机械结构设计
智能机械臂的设计使用高速的舵机结构加上铝合金的手臂，可以达到高速反应的能力，6个自由度的机械臂可以完成空间任意坐标的定位，从而根据坐标移动，可以写出任何的文字、曲线。一般老师在黑板上面画的曲线往往很不公整，采用智能机械手代替以后，通过进一步优化硬件和程序，能够让机械手画出来一条完美的曲线，书写美观工整。
所使用高速舵机的最大扭力确定为20kg/cm，最大堵转功率15w，扭力计算公式如下：
P（有效）=F(扭力) * V（速度）
舵机转速减小时功率增大，F(扭力)随之增大，所以舵机有良好的抗负载能力，对于较大的负载也能承受。
机械臂上面采用的6061铝管在工作时候需要承受的最大应力计算如下：
机械臂采用（x，y，z）空间坐标的形式，其中坐标的计算采用到三角函数、反三角函数等等，通过利用三角函数计算每一个关节的空间坐标，叠加下去，算出来全部6个关节的空间坐标，从而得到实际笔头的工作坐标，实现精准的（x，y，z）定位。有了完善的定位功能之后，便可以实现任何的书写操作。
2.2.3 MCU控制和通信硬件设计
智能机械臂的核心控制部分采用Atmel公司的ATmega2560微控制器。其主要硬件资源如表1所示：
表1 ATmega2560主要硬件资源
Flash
EEPROM
RAM
General Purpose
I/O pins
16 bits resolution
PWM channels
Serial
USARTs
ADC
Channels
256KB
4KB
8KB
86
12
4
16
ATmega2560微控制器作为机械臂的控制核心，主要实现以下三部分功能：
（1）与手持控制终端进行蓝牙通信，接收相关的指令和数据；
（2）数据解码计算，根据指令判别操作类型，计算得出相关操作参数；
（3）控制机械臂的舵机，驱动机械臂执行相关动作。
ATmega2560的蓝牙通信和舵机控制接口电路如图3所示：
图3 ATmega2560的通信和控制接口
图中，连接器J1是ATmega2560与蓝牙模块的通信接口，采用的是串口通信方式。连接器J2、J3、J4、J5、J6、J7是ATmega2560控制舵机的接口，ATmega2560控制输出6路PWM波，驱动机械臂的6只舵机实现6个自由度的动作。
2.2.4 机械臂工作原理分析
6个自由度包括了x、y、z、x旋转、y旋转、z旋转，通过调节每个自由度的转动角度，弯曲机械臂的不同关节以得到不同的坐标值，驱动全部关节协同动作即可实现三维立体空间的精准定位。
在工作过程中，本设计智能机械臂首先将接收到的数据解码生成目标坐标值，然后进行反向计算，利用三角函数，反三角函数来计算得出目标坐标值对应的每个关节需要旋转的角度值，再发送指令驱动舵机动作，舵机即旋转相应的角度从而达到目标位置。
舵机接收信号的速度是300次/秒，具有极高的反应速度，通过不断修整轨迹，可以画出一条完美的线，高质量完成写字、画图等操作。
3 软件设计与流程
本设计多功能智能机械臂主要实现的功能包括：（1）移动位置；（2）命令写字；（3）跟随触屏写字；（4）擦除；（5）抬起写字臂；（6）放下写字臂。其主要工作流程如图4所示：
图4 多功能智能机械臂软件设计流程图
由流程图可见，软件设计的主要思想是，教师在可手持控制终端上以“命令写字”的方式选择所需书写的文字，或以“跟随触屏写字”方式描绘书写任意线条或图形，在“发送”命令下，书写指令将被发送到智能机械臂。教师亦可进行移动、擦除、抬笔、放笔等操作。
“命令书写”和“触屏跟随写字”作为本设计智能机械臂的主要功能，其主要软件设计思想如下：
（1）命令书写方式
教师在可手持控制终端上选定所需书写的汉字，控制终端将所选定的汉字在字库中的序数编码发送至机械臂，机械臂的控制处理部分解析生成字模编码，并对书写笔画进行扫描分析，以计算出笔画所有点的坐标和对应舵机的角度，计算得出相应书写控制参数后驱动舵机进行书写操作。
（2）触屏跟随写字方式
教师在控制终端上触屏书写或画图，控制终端能够及时将触屏书写或画图操作中点的坐标数
据发送至机械臂，机械臂控制部分根据坐标数据计算舵机角度，驱动舵机定位到书写位置，并跟随控制终端进行跟随写字。
其余功能中，“擦除”和“触屏跟随写字”原理一致，只是在“擦除”命令下，机械臂会将擦除头旋转向下即可在教师的手动控制下完成擦除操作。“移动”是对机械臂基体小车的控制。“抬笔”、“放笔”是控制机械臂的Z轴值，以在诸如执行移动操作时不会损坏笔头。
4 创新点
1)采用自动高效分析文字的方法，可以自行分析和书写任何文字。
2)可以在竖直的黑板上行走定位。
3)采用空间立体X、Y、Z坐标的标准形式进行定位。
4)采用高性能高速度的舵机完成机械手的转动，让机械手更加灵活，反应更加灵
  敏。
5）能够把在控制端触屏手写的内容高速同步写到黑板上，实现人机互动。
6)能随手在触摸屏上的运动同步擦除书写痕迹。