CN109278055A - 一种绘画机器人 - Google Patents

Abstract

一种绘画机器人，包括支撑装置，执行机构包括五连杆机械手和四连杆机械臂，用于根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用五连杆机械手将画笔移动到指定位置绘画；四连杆机械臂用于带动五连杆机械手旋转，实现抬笔或落笔；第一驱动机构与五连杆机械手转动连接，用于控制并驱动五连杆机械手运动方向；第二驱动机构与四连杆机械臂转动连接，用于控制并驱动四连杆机械臂运动方向；用于与上位机通信的控制机构，将上位机发送的代码转换为坐标发送至第一驱动机构和第二驱动机构，驱动执行机构旋转或移动到指定位置进行绘画。本发明弥补了四杆机构的结构误差，实现高精度运动输出，能完成四杆机构不能绘制的复杂的运动轨迹，增大绘画范围。

Description

一种绘画机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种绘画机器人。

背景技术

随着现代工业技术的不断发展，自动化技术应用范围的不断增加，机器人已成为现代工业生产中一个必不可少的部分。绘画机器人，是一种能够模仿人类完成某些绘画动作的类人机器人，绘画机器人可用于各种不同的领域，比如教学、艺术、生活、娱乐等。绘画机器人的出现大大减少了相关人员的工作量，可以实现成批量生产，减少成本与劳动力，提高工作效率。

绘画机器人的研究对人类的生产生活都有很大的作用，绘画机器人可以在不受时间、空间、环境的影响下完成作画，大大节约了人类绘画的时间，在机器人绘画的同时，还可以干一些其他的事，工作效率就大大的提高了。

目前在国内外研制的绘画机器人中大部分都是采用的多自由度机械臂末端执笔，通过计算机控制机械臂的运动，以此达到绘画的目的，绘画机器人的机械臂在一般情况下使用的是电动伺服电机驱动，这种多自由度的机械臂绘画机器人往往体积较大，运转速率和可控性低、反应速度慢，灵敏度较低，也有采用四连杆结构的绘画机器人，但四连杆结构的机器人结构误差大，绘画精准度低，无法实现对图形连续轨迹的控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种绘画机器人，通过单片机将上位机软件发送的代码转换为舵机旋转角度及位置坐标，利用舵机驱动机器人的执行机构进行绘画，选用具有优良机械性能的五连杆机械手执行机构，弥补了四杆机构的结构误差，实现了高精度运动输出，能完成四连杆机构不能绘制的复杂的运动轨迹，增大了绘画范围。

本发明的目的是这样实现的：

一种绘画机器人，包括支撑装置，用于支撑各机构并放置画纸；

执行机构，所述执行机构包括五连杆机械手和四连杆机械臂，所述五连杆机械手位于支撑装置上方，用于根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用五连杆机械手夹持画笔并将画笔移动到指定的位置进行绘画；所述四连杆机械臂位于支撑装置内，用于带动五连杆机械手旋转，实现抬笔或落笔；

第一驱动机构，所述第一驱动机构设于支撑装置后方，与执行机构的五连杆机械手转动连接，用于控制并驱动五连杆机械手的运动方向；

第二驱动机构，所述第二驱动机构设于支撑装置内，与执行机构的四连杆机械臂转动连接，用于控制并驱动四连杆机械臂的运动方向；

控制机构，用于与上位机通信，并将上位机发送的代码转换为坐标发送至第一驱动机构和第二驱动机构，驱动执行机构旋转或移动到指定位置进行绘画，所述控制机构上设置有复位按钮，用于机器人的初始化操作。

优选的，所述支撑装置包括底板、顶板和侧板，所述侧板分别与底板和顶板固定连接，并支撑顶板，所述顶板用于放置画纸。底板是整个结构安装的定位基础，不仅支撑整个机械结构，还是建立设备与工作面之间、设备与设备之间的基础。

优选的，所述第一驱动机构包括舵机a、舵机支架a、舵机支架b、长轴和长轴固定件，所述舵机a固定在舵机支架a上，舵机a与五连杆机械手转动连接，由舵机a作为作动器，带动五连杆机械手运动；所述舵机支架b置于舵机支架a下方的两侧，与舵机支架a插接固定，所述长轴固定件固定在支撑装置的底板，用于连接舵机支架b并将舵机支架b以及长轴固定在底板上，所述长轴依次穿过长轴固定件和舵机支架b，连接舵机支架b并使舵机支架b绕长轴转动。

优选的，所述第二驱动机构包括舵机b、舵机支架c和舵机支架d，所述舵机支架c固定连接在支撑装置的底板，所述舵机b固定在舵机支架c内，所述舵机支架d与舵机支架a插接固定，舵机支架d的一端穿过长轴，另一端与四连杆机械臂连接，由舵机b作为作动器，通过舵机b和舵机支架带动四连杆机械臂转动，进而带动第一驱动机构绕长轴转动，完成画笔的抬笔或落笔。

优选的，所述舵机a数量为2个，并排安装在舵机支架a上，所述舵机b数量为1个，舵机a和舵机b均由控制机构进行控制，控制机构通过调用所述上位机系统中的G代码并将代码转换为舵机a、舵机b的旋转角度及位置，控制所述舵机a和舵机b实现0°-180°旋转。

优选的，所述控制机构为STM32单片机，所述舵机a和舵机b采用MG996R型号。有利于机器人的稳定运行，方便操作和控制。

优选的，所述顶板、底板和侧板之间设置有多个用于加固的脚架，所述脚架呈L型，分别与所述顶板、底板和侧板固定连接。

优选的，所述五连杆机械手的上端处套接有用于夹持画笔的笔架，所述笔架采用抱箍夹持画笔。可快速更换画笔，提高绘画速度。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、采用舵机作为绘画机器人驱动机构，不仅拥有了电动驱动的节能、稳定、运转速率高、可控性高、占地面积小及维修方便等众多优点，还拥有反应灵敏、扭矩合适和可实现连续轨迹的控制等优点；

2、采用STM32f103单片机作为绘画机器人控制机构，能提高绘画机器人机械手的运动平稳性，确保绘画机器人的运动速度以及加速度的连续稳定，通过对舵机的控制，从而控制各执行机构的运动，最后实现绘画功能。

3、采用五连杆机械手和四连杆机械臂作为绘画机器人的执行机构，使机械手具有优良的机械性能，五杆机构能够补偿四杆机构的结构误差，实现了高精度运动输出，能完成复杂的绘画运动规律和运动轨迹，增大了机械手夹持画笔绘画的范围；采用四连杆机械臂作为机器人的腰部，保证了绘画机器人在抬笔、落笔和移动画笔，实现绘画动作的过程中运动的平稳性，能带动整个机器人作旋转运动，最终实现笔端从一个点移动到另一个点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中四连杆机械臂的结构简图；

图3为本发明的控制机构图；

图4为本发明的总体流程示意图。

附图标记

附图中，1为支撑装置，2为五连杆机械手，3为四连杆机械臂，4为第一驱动机构，5为第二驱动机构，6为脚架，

11为底板，12为顶板，13为侧板，22为笔架，

41为舵机a，42为舵机支架a，43为舵机支架b，44为长轴，

45为长轴固定件，51为舵机b，52为舵机支架c，53为舵机支架d

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，一种绘画机器人，包括用于支撑各机构并放置画纸的支撑装置1，所述支撑装置1包括底板11、顶板12和侧板13，所述侧板13分别与底板11和顶板12固定连接，并支撑顶板12，所述顶板12用于放置画纸。底板11是整个结构安装的定位基础，不仅支撑整个机械结构，还是建立设备与工作面之间、设备与设备之间的基础，在本实施例中，所述顶板12、底板11和侧板13之间设置有多个用于加固的脚架6，脚架6呈L型，分别与所述顶板12、底板11和侧板13固定连接。

如图1、图2所示，本发明的绘画机器人还包括执行机构，所述执行机构包括五连杆机械手2和四连杆机械臂3，所述五连杆机械手2位于支撑装置1上方，用于根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用五连杆机械手2夹持画笔并将画笔移动到指定的位置进行绘画，在本实施例中，为快速更换画笔，提高绘画速度，在五连杆机械手2的上端处套接有用于夹持画笔的笔架22，所述笔架22采用抱箍夹持画笔；所述四连杆机械臂3位于支撑装置1内，用于带动五连杆机械手旋转，实现抬笔或落笔；

如图1所示，本发明的绘画机器人还包括第一驱动机构4和第二驱动机构5，所述第一驱动机构4设于支撑装置1后方，与执行机构的五连杆机械手2转动连接，用于控制并驱动五连杆机械手2的运动方向；所述第二驱动机构5设于支撑装置1内，与执行机构的四连杆机械臂3转动连接，用于控制并驱动四连杆机械臂3的运动方向；在本实施例中，所述第一驱动机构4包括舵机a41、舵机支架a42、舵机支架b43、长轴44和长轴固定件45，所述舵机a41固定在舵机支架a42上，舵机a41与五连杆机械手2转动连接，由舵机a41作为作动器，带动五连杆机械手2运动；所述舵机支架b43置于舵机支架a41下方的两侧，与舵机支架a41插接固定，所述长轴固定件45固定在支撑装置的底板11，用于连接舵机支架b43并将舵机支架b43以及长轴44固定在底板11上，所述长轴44依次穿过长轴固定件45和舵机支架b43，连接舵机支架b43并使舵机支架b43绕长轴44转动；所述第二驱动机构5包括舵机b51、舵机支架c52和舵机支架d53，所述舵机支架c52固定连接在支撑装置的底板11，所述舵机b51固定在舵机支架c52内，所述舵机支架d53与舵机支架a42插接固定，舵机支架d53的一端穿过长轴44，另一端与四连杆机械臂3连接，由舵机b51作为作动器，通过舵机b51和舵机支架d53带动四连杆机械臂3转动，进而带动第一驱动机构4绕长轴44转动，完成画笔的抬笔或落笔。

在本实施例中，所述舵机a41使用了2个，并排安装在舵机支架a42上，舵机b51使用1个，舵机a41和舵机b51都采用MG996R型号，舵机a41对五连杆机械手的左、右大臂产生驱动，同时控制左、右大臂的旋转角度，舵机b51对四连杆机械臂的大臂产生驱动，同时产生角度控制。舵机a41和舵机b51均由控制机构进行控制，控制机构通过调用所述上位机系统中的G代码并将代码转换为舵机a41、舵机b51的旋转角度及位置，控制所述舵机a41和舵机b51实现0°-180°旋转，利用舵机特有的性能，能够轻松的实现与控制机构相连，且能够通过控制机构输出的信号准确控制其旋转角度，并且保持该角度不变，保证绘画机器人完成精准绘画。

如图3所示，本发明的绘画机器人还包括控制机构，用于与上位机通信，并将上位机发送的代码转换为坐标发送至第一驱动机构4和第二驱动机构5，驱动执行机构旋转或移动到指定位置进行绘画，所述控制机构上设置有复位按钮，用于机器人的初始化操作，在绘画机器人开始绘画运动之前需要按下复位按钮，保证绘画机器人处于一个初始状态，这样才能更稳妥的保证绘画机器人正常运动。在本实施例中，所述控制机构采用STM32F103单片机，它能够通过定时器、计数器来实现对PWM输出信号的控制，从而完成对舵机a和舵机b相关旋转角度及位置的极为精确的控制，且STM32f103单片机产生的信号几乎不受外界环境因素的干扰，用STM32f103单片机来控制舵机a和舵机b的运动可以实现它对舵机a和舵机b旋转角度及位置的精确控制，保证整个控制系统能够稳定、可靠、精准的正常工作与运动，有利于机器人的稳定运行，方便操作和控制。

如图4所示，绘画机器人的总体流程图运动简述为：插上电源以及USB接口，机器人准备开始运动，按下复位按钮，打开上位机软件，设置参数以及选择端口，选择图片，设置图片尺寸在坐标范围内，点击开始，五连杆机械手正向旋转到指定位置，腰部转动使四连杆机械臂移动到到指定位置，五连杆机械手紧接着逆向旋转，落笔开始绘画；绘画完成后，五连杆机械手正向旋转，腰部的四连杆机械臂逆向旋转，然后五连杆机械手再逆向旋转，抬笔，绘画完成。

本发明的绘画机器人实现绘画的的运动过程：

第一步，将STM32单片机串口与上位机软件Driver串口相连接；

第二步，上位机软件把相关图片处理成G代码，并向STM32单片机发送G代码；

第三步，STM32单片机对串口传来的数据进行处理，把XY坐标提取出来；

第四步，STM32单片机将传来的坐标转化为四杆坐标(即舵机旋转角度及位置)；

第五步，STM32单片机把四杆坐标发送给舵机a或舵机b；

第六步，舵机a或舵机b分别驱动五连杆机械手或四连杆机械臂旋转或移动到指定位置；

第六步，五连杆机械手在舵机a的驱动下开始绘画运动。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种绘画机器人，其特征在于：包括

支撑装置，用于支撑各机构并放置画纸；

执行机构，所述执行机构包括五连杆机械手和四连杆机械臂，所述五连杆机械手位于支撑装置上方，用于根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用五连杆机械手夹持画笔并将画笔移动到指定的位置进行绘画；所述四连杆机械臂位于支撑装置内，用于带动五连杆机械手旋转，实现抬笔或落笔；

第一驱动机构，所述第一驱动机构设于支撑装置后方，与执行机构的五连杆机械手转动连接，用于控制并驱动五连杆机械手的运动方向；

第二驱动机构，所述第二驱动机构设于支撑装置内，与执行机构的四连杆机械臂转动连接，用于控制并驱动四连杆机械臂的运动方向；

控制机构，用于与上位机通信，并将上位机发送的代码转换为坐标发送至第一驱动机构和第二驱动机构，驱动执行机构旋转或移动到指定位置进行绘画，所述控制机构上设置有复位按钮，用于机器人的初始化操作。

2.根据权利要求1所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述支撑装置包括底板、顶板和侧板，所述侧板分别与底板和顶板固定连接，并支撑顶板，所述顶板用于放置画纸。

3.根据权利要求2所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述第一驱动机构包括舵机a、舵机支架a、舵机支架b、长轴和长轴固定件，所述舵机a固定在舵机支架a上，舵机a与五连杆机械手转动连接，由舵机a作为作动器，带动五连杆机械手运动；所述舵机支架b置于舵机支架a下方的两侧，与舵机支架a插接固定，所述长轴固定件固定在支撑装置的底板，用于连接舵机支架b并将舵机支架b以及长轴固定在底板上，所述长轴依次穿过长轴固定件和舵机支架b，连接舵机支架b并使舵机支架b绕长轴转动。

4.根据权利要求3所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述第二驱动机构包括舵机b、舵机支架c和舵机支架d，所述舵机支架c固定连接在支撑装置的底板，所述舵机b固定在舵机支架c内，所述舵机支架d与舵机支架a插接固定，舵机支架d的一端穿过长轴，另一端与四连杆机械臂连接，由舵机b作为作动器，通过舵机b和舵机支架带动四连杆机械臂转动，进而带动第一驱动机构绕长轴转动，完成画笔的抬笔或落笔。

5.根据权利要求4所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述舵机a数量为2个，并排安装在舵机支架a上，所述舵机b数量为1个，舵机a和舵机b均由控制机构进行控制，控制机构通过调用所述上位机系统中的G代码并将代码转换为舵机a、舵机b的旋转角度及位置，控制所述舵机a和舵机b实现0°-180°旋转。

6.根据权利要求5所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述控制机构为STM32单片机，所述舵机a和舵机b采用MG996R型号。

7.根据权利要求6所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述顶板、底板和侧板之间设置有多个用于加固的脚架，所述脚架呈L型，分别与所述顶板、底板和侧板固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述五连杆机械手的上端处套接有用于夹持画笔的笔架，所述笔架采用抱箍夹持画笔。