可代替人工书写的智能机械臂.doc

2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料作品名称： 可代替人工书写的智能机械臂 学校全称： 桂林电子科技大学 申报者姓名 （集体名称）： 叶添茂、罗相诚、陈弘光、迟皓元、姚超源 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 R科技发明制作A类 科技发明制作B类A、申报者情况申 报 者 情 况姓名叶茂添性别男出生年月1991.9现学历A A大学本科 B硕士研究生申报单位教学实践部专业通信工程学号1300230427学制四年作品全称可替代人工书写的智能机械臂合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注罗相诚男130081032915078325121电子工程与自动化有无合作者请在此说明： 有 无陈泓光男130082020615077309602电子工程与自动化迟皓元男130013010315295893302机电工程学院姚超源男130022063213659631550信息与通信学院说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称可替代人工书写的智能机械臂作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标1、作品设计、发明的背景和目的教学实践领域，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。然而，板书教学过程中，教师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损害极大；现有的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危害，这类改进有一定的效果，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，很多教师都不愿意使用；第二，教师仍需手动进行书写，工作量依旧很大。那么，在科技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。 为了减少粉笔落下的粉尘对教师身体的危害，也为了减轻教师的工作强度，本作品提供了一种可替代人工书写的智能机械臂。2、基本思路2.1 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。2.1.1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。2.1.2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。1）智能机械臂硬件设计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）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。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。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。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。2.2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。3、创新点1)可以智能分析和书写任何文字。2)不仅能够把在控制端触屏手写的内容高速同步写到黑板上，而且能随手在触摸屏上的运动同步擦除书写痕迹。4、技术关键和主要技术指标4.1技术关键1)机械臂能通过电磁力吸附在导磁性材料制成的黑板上。2)通过算法控制多个舵机联合运动，使得机械臂能在空间实现六自由度运动。3)能智能书写任何文字，书写速度与教师手动书写速度一致。4)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。4.2主要技术指标机器人用途：写字自由度：六个通信方式：蓝牙书写速度：与人手写速度相当书写定位精度：0.1mm驱动方式：舵机驱动重量：1kg作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)目前关于机器人的研究已非常多,但是针对写字机器人的研究却不是很多,下面简单介绍一下主要的研究。李炳银1以机械手写字作为应用对步进电机操纵的机械手的空间位置精度问题进行了讨论;景兴碧，万仁明2采用“华录-863”研制的SCARA机器人对该软笔书法写字系统做了阐述；王光建、陈雪华、张学文3-6等人对四自由度写字机器人做了详细的研究，并对其运动学仿真、轨迹规划、控制系统设计、文字轮廓提取等做了详细的分析；王晓丽7利用MOTOMAN机器人做了写字这方面的实验；宫晓博8对IRB140型机器人做了汉字绘制的研究。南京林业大学的机器人实验室也对MOTOMAN机器人进行了复杂轨迹编程的研究,进行了书写汉字的实验。此外有的学者研制出了用于书法的机械手等。综合前人的研究成果可知，国内外对于应用与替代教师粉笔书写的机器人的研究尚未开启，本作品的研制可为该方面的研究起到积极的推动作用。参考文献1李炳银,谢海鸿,冯心海.机械手写字系统研究.佛山科学技术学院学报J.1999,17(2).2景兴碧,万仁明,张一都,李秀琴.软笔书法机器人J.机器人技术与应用.2000,(6):21-23.3王光建,廖志勇,陈雪华.机器人写字技术及其运动参数.重庆大学学报:自然科学版.2003.12,26(12): 6-9.4王光建,梁锡昌.写字机器人的文字矢量化研究及应用J.现代制造工程.2004,(7): 40-42.5陈方华.四S山度写字机器人的基础研究.重庆大学硕士学位论文.2005.6张学文,陈小安,梁锡昌.写字机器人运动学分析与仿真J.现代制造工程.2009,(10):142-145.7王晓丽.MOTOMAN机器人轨迹规划和控制系统的研究与设计.西安科技大学硕士学位论文.2009.8宫晓博,王建平.IRB140型工业机器人连续轨迹控制的汉字绘制J.现代制造工程.2010,(2):135-137.作品所处阶段A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测1、使用说明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。本机械臂包含命令书写和触摸屏书写两种方式：1）命令书写方式首先打开电源开关1和启动按钮2，给电磁铁3上电，利用磁力将整个机械臂吸附在黑板（黑板材质为铁磁性材料）上；手部电机4带动活动片5松开，将书写笔6放入，把书写笔6的书写端17正对黑板，然后手部电机4带动活动片5夹紧书写笔6；之后，控制驱动电机7带动轮子8使机械臂行走至预定的书写位置；教师在可手持控制终端上选定所需书写的文字，控制终端将所选定的文字在字库中的序数编码发送至机械臂，机械臂的控制模块将序数编码解析生成字模编码，并对书写笔画进行扫描分析，计算出笔画所有点的坐标和对应舵机的角度，再计算得出相应书写控制参数后驱动各个舵机动作。然后，舵机一9通过与之相连接的连接座一10带动舵机二11动作，同理，舵机二通过与之相连接的连接座二12带动舵机三13，舵机三通过与之相连接的连接座三14带动舵机四15，舵机四带动舵机五16，舵机五带动与之相连接的手部运动，书写笔即可完成相应的书写工作。2）触屏跟随书写方式教师在可手持控制终端上触屏书写或画图，可手持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，机械臂的控制模块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，其书写速度与教师在触屏上书写的速度同步。其余功能：“擦除黑板功能”与“触屏跟随书写”原理一致，在“擦除黑板功能”命令下，控制舵机五16驱动手部旋转180度，使擦除端18正对黑板，即可擦除黑板上的书写痕迹。83792110111213141516457图4机械臂结构图2、作品的技术特点和优势、产品的适应范围及推广前景本作品，可以将控制终端命令、书写行为或内容，传输到机械臂，再由机械臂执行或同步，书写在黑板（包括白板）上，减少粉尘对老师的危害，减少教师的工作强度。产品体积小、性能稳定、可靠性高、书写速度媲美人工手动书写速度。由于控制终端可以与机械臂离开足够的距离，在进行教学、上课时，控制终端可以安置在教室的任何地方，特别是如果采用手持终端并且无线连接通信，那么老师就可以不必站在讲台上授课，而是可以站在学生中间，既能使全体学生听到老师的声音，也便于老师观察学生情况，在课堂形成良好互动，取得讲台上课无法获得的效果。本可替代人工书写的智能机械臂，还可以可在诸如高大壁画、天花板作画及雕刻等人不方便进行操作的场合完成自动模仿创作，为人们的工作提供了极大的便利。也可广泛运用在教学实践，创作辅助，科技展览及活动会场设备支持等领域，不仅具有一定的趣味性，而且具有高效性和精确性。本作品除了主要应用于教学书写方面，还可以根据实际情况对其功能进行有效拓展，譬如可代替人工刷漆，不仅可以降低毒性物质对人体的伤害，而且可使刷漆质量得到保障。由于该机械臂的灵活性极强，该机器人亦可以应用于高楼清洗、脏污清理等方面。3、市场分析和经济效益预测目前国内外应用于代替教师利用粉笔书写的机械臂还未有过，本作品的诞生可为该方面的研究起到积极的推动作用，预计会有着良好的市场和经济效益。专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。作品申报书作品名称： 可代替人工书写的智能机械臂 学校全称： 桂林电子科技大学 申报者姓名 （集体名称）： 叶茂添、罗相诚、陈弘光、迟皓元、姚超源 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 R科技发明制作A类 科技发明制作B类A、申报者情况申 报 者 情 况姓名叶茂添性别男出生年月1991.9现学历A A大学本科 B硕士研究生申报单位教学实践部专业通信工程学号1300230427学制四年作品全称可替代人工书写的智能机械臂合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注罗相诚男130081032915078325121电子工程与自动化有无合作者请在此说明： 有 无陈泓光男130082020615077309602电子工程与自动化迟皓元男130013010315295893302机电工程学院姚超源男130022063213659631550信息与通信学院说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称可替代人工书写的智能机械臂作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标1、作品设计、发明的背景和目的教学实践领域，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。然而，板书教学过程中，教师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损害极大；现有的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危害，这类改进有一定的效果，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，很多教师都不愿意使用；第二，教师仍需手动进行书写，工作量依旧很大。那么，在科技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。 为了减少粉笔落下的粉尘对教师身体的危害，也为了减轻教师的工作强度，本作品提供了一种可替代人工书写的智能机械臂。2、基本思路2.1 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。2.1.1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。2.1.2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。1）智能机械臂硬件设计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）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。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。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。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。2.2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。3、创新点1)可以智能分析和书写任何文字。2)不仅能够把在控制端触屏手写的内容高速同步写到黑板上，而且能随手在触摸屏上的运动同步擦除书写痕迹。4、技术关键和主要技术指标4.1技术关键1)机械臂能通过电磁力吸附在导磁性材料制成的黑板上。2)通过算法控制多个舵机联合运动，使得机械臂能在空间实现六自由度运动。3)能智能书写任何文字，书写速度与教师手动书写速度一致。4)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。4.2主要技术指标机器人用途：写字自由度：六个通信方式：蓝牙书写速度：与人手写速度相当书写定位精度：0.1mm驱动方式：舵机驱动重量：1kg作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)目前关于机器人的研究已非常多,但是针对写字机器人的研究却不是很多,下面简单介绍一下主要的研究。李炳银1以机械手写字作为应用对步进电机操纵的机械手的空间位置精度问题进行了讨论;景兴碧，万仁明2采用“华录-863”研制的SCARA机器人对该软笔书法写字系统做了阐述；王光建、陈雪华、张学文3-6等人对四自由度写字机器人做了详细的研究，并对其运动学仿真、轨迹规划、控制系统设计、文字轮廓提取等做了详细的分析；王晓丽7利用MOTOMAN机器人做了写字这方面的实验；宫晓博8对IRB140型机器人做了汉字绘制的研究。南京林业大学的机器人实验室也对MOTOMAN机器人进行了复杂轨迹编程的研究,进行了书写汉字的实验。此外有的学者研制出了用于书法的机械手等。综合前人的研究成果可知，国内外对于应用与替代教师粉笔书写的机器人的研究尚未开启，本作品的研制可为该方面的研究起到积极的推动作用。参考文献1李炳银,谢海鸿,冯心海.机械手写字系统研究.佛山科学技术学院学报J.1999,17(2).2景兴碧,万仁明,张一都,李秀琴.软笔书法机器人J.机器人技术与应用.2000,(6):21-23.3王光建,廖志勇,陈雪华.机器人写字技术及其运动参数.重庆大学学报:自然科学版.2003.12,26(12): 6-9.4王光建,梁锡昌.写字机器人的文字矢量化研究及应用J.现代制造工程.2004,(7): 40-42.5陈方华.四S山度写字机器人的基础研究.重庆大学硕士学位论文.2005.6张学文,陈小安,梁锡昌.写字机器人运动学分析与仿真J.现代制造工程.2009,(10):142-145.7王晓丽.MOTOMAN机器人轨迹规划和控制系统的研究与设计.西安科技大学硕士学位论文.2009.8宫晓博,王建平.IRB140型工业机器人连续轨迹控制的汉字绘制J.现代制造工程.2010,(2):135-137.作品所处阶段A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测1、使用说明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。本机械臂包含命令书写和触摸屏书写两种方式：1）命令书写方式首先打开电源开关1和启动按钮2，给电磁铁3上电，利用磁力将整个机械臂吸附在黑板（黑板材质为铁磁性材料）上；手部电机4带动活动片5松开，将书写笔6放入，把书写笔6的书写端17正对黑板，然后手部电机4带动活动片5夹紧书写笔6；之后，控制驱动电机7带动轮子8使机械臂行走至预定的书写位置；教师在可手持控制终端上选定所需书写的文字，控制终端将所选定的文字在字库中的序数编码发送至机械臂，机械臂的控制模块将序数编码解析生成字模编码，并对书写笔画进行扫描分析，计算出笔画所有点的坐标和对应舵机的角度，再计算得出相应书写控制参数后驱动各个舵机动作。然后，舵机一9通过与之相连接的连接座一10带动舵机二11动作，同理，舵机二通过与之相连接的连接座二12带动舵机三13，舵机三通过与之相连接的连接座三14带动舵机四15，舵机四带动舵机五16，舵机五带动与之相连接的手部运动，书写笔即可完成相应的书写工作。2）触屏跟随书写方式教师在可手持控制终端上触屏书写或画图，可手持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，机械臂的控制模块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，其书写速度与教师在触屏上书写的速度同步。其余功能：“擦除黑板功能”与“触屏跟随书写”原理一致，在“擦除黑板功能”命令下，控制舵机五16驱动手部旋转180度，使擦除端18正对黑板，即可擦除黑板上的书写痕迹。83792110111213141516457图4机械臂结构图2、作品的技术特点和优势、产品的适应范围及推广前景本作品，可以将控制终端命令、书写行为或内容，传输到机械臂，再由机械臂执行或同步，书写在黑板（包括白板）上，减少粉尘对老师的危害，减少教师的工作强度。产品体积小、性能稳定、可靠性高、书写速度媲美人工手动书写速度。由于控制终端可以与机械臂离开足够的距离，在进行教学、上课时，控制终端可以安置在教室的任何地方，特别是如果采用手持终端并且无线连接通信，那么老师就可以不必站在讲台上授课，而是可以站在学生中间，既能使全体学生听到老师的声音，也便于老师观察学生情况，在课堂形成良好互动，取得讲台上课无法获得的效果。本可替代人工书写的智能机械臂，还可以可在诸如高大壁画、天花板作画及雕刻等人不方便进行操作的场合完成自动模仿创作，为人们的工作提供了极大的便利。也可广泛运用在教学实践，创作辅助，科技展览及活动会场设备支持等领域，不仅具有一定的趣味性，而且具有高效性和精确性。本作品除了主要应用于教学书写方面，还可以根据实际情况对其功能进行有效拓展，譬如可代替人工刷漆，不仅可以降低毒性物质对人体的伤害，而且可使刷漆质量得到保障。由于该机械臂的灵活性极强，该机器人亦可以应用于高楼清洗、脏污清理等方面。3、市场分析和经济效益预测目前国内外应用于代替教师利用粉笔书写的机械臂还未有过，本作品的诞生可为该方面的研究起到积极的推动作用，预计会有着良好的市场和经济效益。专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。 作品说明书可替代人工书写的智能机械臂摘 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FlashEEPROMRAMGeneral PurposeI/O pins16 bits resolutionPWM channelsSerialUSARTsADCChannels256KB4KB8KB8612416ATmega2560微控制器作为机械臂的控制核心，主要实现