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1、120152015 年桂林电子科技大学年桂林电子科技大学 第十四届第十四届“挑战杯挑战杯”全国大学生课外学术科技作品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竞赛校内重点项目立项申报材料作品名称：作品名称： 可代替人工书写的智能机械臂可代替人工书写的智能机械臂 学校全称：学校全称： 桂林电子科技大学桂林电子科技大学 申报者姓名申报者姓名（集体名称）：（集体名称）： 叶添茂、罗相诚、陈弘光、迟皓元、姚超源叶添茂、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 科技发明制作 A 类 科技发明制作 B 类2A A、申报者情况说明：1、必须
2、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姓名叶茂添性别男出生年月1991.9现学历AA 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学制四年申 报 者 情 况作品全称可替代人工书写的智能机械臂姓名性别学号电话所在单位备注罗相诚男130081032915078325121电子工程与自动化陈泓光男130082020615077309602电子工程与自动化迟皓
3、元男130013010315295893302机电工程学院合 作 者 情 况姚超源男130022063213659631550信息与通信学院有无合作者请在此说明：有 无3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、作品设计设计、 、发发明的背景和目的明的背景和目
4、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
5、，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、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9端的硬
6、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
7、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：10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
8、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。112）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
9、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：2max1.53max61.31*10MpaMpaWs=-
10、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
11、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：12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
12、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：13初始化机械手开始是
13、否接收控制终端的数据N N根据数据起始帧 判别是何种操作指令和数据Y Y移动位置跟随触屏 写字命令写字擦除操作抬起写字臂放下写字臂数据解码 生成字模数据Y Y分析规划书写 笔画和顺序计算笔画所有 点的坐标 及对应的舵机 角度数据驱动舵机定位 到指定坐标控制机械臂按 照笔画和坐标 数据进行写字书写完成接收触摸屏上 手动动作经过 点的坐标数据计算舵机角度 数据驱动机械臂定 位坐标及跟随 书写操作驱动机械臂旋 转将擦除头抵 于黑板接收触摸屏上 手动动作经过 点的坐标数据计算舵机角度 数据驱动机械臂定 位坐标及跟随 擦除动作减小 Z 轴坐标 数据计算舵机角度 数据驱动机械臂 抬起笔杆增大 Z 轴坐标
14、数据计算舵机角度 数据驱动机械臂 放下笔杆计算移动数据驱动基体小车 移动N NY YY YY YY YY YY Y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
15、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14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。
16、3、 、创创新点新点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、技术术关关键键和主要技和主要技术术指指标标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。请提供技目前关于机器人的研究已非常多,但是针
