多合—绘图机器人的原理与实现
作者：谭梓炜
来源：《东方教育》2016年第09期
        摘要：多合—绘图机器人是一款可以在物体表面上画画或雕刻并适合多场景的机器人。它可以搭建成如下四种模型：多自由度的机器手臂（mScara）、墙壁绘画机器人（mSpider）、画蛋机器人（mEggBot）、无线蓝牙三轮机器人（mCar）。当然，mDrawBot的作用不仅仅局限于绘画这一领域，也同样适应于其他领域，如创建，激光雕刻等等。在本文中，笔者所想要阐释的是多合—绘图机器人的原理以及实现的过程。
        关键词：机器臂；画墙机器人；画蛋机器人；地面绘画机器人
        一、多合—绘图机器人的结构以及原理
        机器人作为现代高科技技术的典型以及代表，受到各个国家政府的高度重视。制作成熟的机器人不仅仅代表着国家的科技实力，同时也能够大大提升工业的生产效率。随着机器人应用领域越来越广泛，各个高校也逐步开设了机器人课程，致力于机器人的研发以及探索。机器人
除了应用于工业领域，也同样适用于绘画等艺术领域。虽然，计算机早已经实现了绘画这一功能，但是通过计算机进行绘画有很多局限之处，仍然需要不断的突破和改进。王斐在《机器人画家10分钟肖像》一文中指出，机器人可以担任艺术家这一身份进行创作，它可以通过对模特面部特征的认定以及识别，来进行绘画。[1]而多合—绘图机器人可以在物体表面上进行绘画，使得机器人在绘画这一领域更进了一步。
        （一）、多合一绘图机器人的结构
        在上面的论述中，笔者已经述及多合—绘图机器人的四种形态，那么这四种形态具体又是怎么运行的呢？这四种形态又是如何分配其具体的职责来实现画图的整个过程的呢？下面将逐一介绍：
        1、机器手臂（mScara）
        张学文在《四自由度教学型机器人运动轨迹控制技术研究》一文中指出，一般而言，机器人的机械系统主要由三个部分组成，分别是机器手臂、机身以及末端操作。[2]当然，多合—绘图机器人也不例外，它是由两个自由度组成，灵活性比较强，和其他机器人的手臂相比，
多合一绘图机器人手臂有着明显的优势，它可以根据不同的画笔以及绘画对象来调整绘画的方式，比如说如果你在机器人的手臂上安装画笔，它就可以在纸面上进行绘画；如果你在手臂上放一支激光笔，它就变成激光雕刻师等等。当然，要使机器人能够正常地操作绘画，也有相应的驱动器。多合—绘图机器人的驱动装置就是由步进电机驱动的，保证了绘画的准确性。
        2、墙壁绘画机器人（mSpider）
        mSpider是一个墙壁绘画机器人，是多合一绘图机器人的其中一种形态。正如上面所论述的那样，多合一绘图机器人可以组装成四种形态，而这四种形态的重要区别之处在于机器人绘画的对象不同。mSpider能够绘画的物体表面是墙壁上或者类似白板的平面物体表面上。控制墙壁绘画机器人的驱动电机也是步进电机，通过两个步进电机抽拉与画笔装置连接的细线，达到准确定位的作用。通过点与点的连接绘画形成图案，因此，按照这个逻辑，如果有足够大的画布，mSpider就可以画出相应大的画面。
        3、画蛋机器人（mEggBot）
        就一般绘画机器人而言，只能在平面的物体上进行绘画。而多合一绘图机器人的mEggBot打破了局限于平面作画的这一束缚，能够在球体甚至不太容易作画的物体，例如鸡蛋、鸭蛋、乒乓球等物体曲面，进行绘画。就绘画成果而言，并不是单调简单的，而是可以绘出多种颜多种线条的高难度绘画过程。具有很强的主观能动性和适应性。
        4、地面绘画机器人（mCar）
spider软件        和其他三个组成部分不同，mCar是一款机器人三轮车。其驱动器也主要是依赖于步进电机，我们可以通过蓝牙无线控制机器人三轮车的运动轨迹，根据自己的运动轨迹来进行绘画。如果我们将地面绘画机器人置于地面并在其上面安装一支画笔，那么mCar就可以在地面上进行绘画，从理论上而言，如果地面上没有其他物体的阻挡，地面绘画机器人就可以在地面上畅通无阻地进行创作。
        （二）多合—绘图机器人的原理
        上述我们主要介绍了多合—绘图机器人可以搭建四种不同功能的形态，每个形态所担任的工作都有所不同，下面我们就具体介绍一下这四个部分的内在原理是怎样的。
        在使用多合—绘图机器人之前，你必须在自己的电脑上安装mDraw软件，在软件安装成功之后，你就可以导入任何的图片并点击命令按钮进行确认，从而使得机器人进行绘画。mDraw是一款专业功能非常强大的软件，它具有很强的针对性和适应性，它是专门为多合—绘图机器人而设计的，集成了四种形态的控制方式。与此同时，这款软件的功能非常强大和丰富，比如可以伸缩图像的比例，支持自己个性化的参数设置从而绘出独一无二的作品，同时你还可以设置机器人绘画的范围，使得机器人在规定的范围内进行绘画等等。当然，具体的安装步骤，可以参考其自带的安装说明书。如果你不想利用Makeblock这个指定的组装模块，你同样可以自由选择Arduino UNO组装模块，不过这个组装模块，相比Makeblock这个组装模块而言，接线更加复杂，难度更大。组装过程会略微复杂。
        二、多合—绘图机器人的实现过程
        上面部分，我们简单介绍了多合—绘图机器人的组成形态和原理，下面我们主要介绍多合—绘图机器人的实现过程。机器手臂和市面上普通的写字机器人在整体的结构构造上，有着极大的相似性。计算机，作为辅助性的控制器，主要将输入的文本以及图像转化成为G代码，当然这也需要专业的软件来进行此项任务的操作，这款软件的名称为Inkscape。在计算
机上，用计算机自带的记事本的方式打开，就可以看到文本以及图像的一个坐标值，并通过上位机软件和下位机通信的连接，实现写字和绘画的这一过程。[3]
        在上面的论述中，我们发现不管是三轮机器人也好，还是墙壁绘画机器人也好，都是通过驱动器步进电机来实现的。步进电机可以实现机器人对距离的精准控制，从而可以使得绘图机器人在规定的范围内进行绘画和写字。当然，步进电机的运行需要将细分设置好，从而保障步进电机的正常运行。
        三、总结
        在本文中，主要介绍了多合—绘图机器人的原理以及实现过程。在第一部分主要介绍了多合—绘图机器人的四种形态：由机器手臂、墙壁绘画机器人、画蛋机器人、地面绘画机器人这四个形态合成。当然，每个部分的主要功能也有所区别。多合—绘图机器人不仅仅具备绘画的这个功能，也不仅仅担任的是艺术家这一角，除此之外，还可以应用于其他的领域和专业。多合—绘图机器人可以重复使用实验，可以利用这个特性创建新的功能，从而应用到工业的建设中。除此之外，你还可以在此基础上，添加一些电子模块和机械零件，比如说加上Makeblock机械零件和模块，就可以变成制图仪，雕刻机，卡片扫描仪等等。总之，这
个机械模块的扩展性非常强大，你可以利用你的想象力，在此基础上，进行不断地加工与创造，满足不同的需求。
        随着科学技术的不断升级换代，人们对机器人的要求也越来越高，除了应用于实用领域的机器人之外，还将视野扩大至艺术这一领域，如画蛋机器人的出现，使得从以往单一的平面作画转到曲面上的作畫，这些都是科学技术上的一大进步。因此，我们也深知，要想在这个领域有所建树，也需在以后的实际过程中不断总结和学习。
        参考文献：
        [1]王斐 机器人画家10分钟绘肖像[J]科海故事博览 2012年.
        [2]张学文 四自由度教学型机器人运动轨迹控制技术研究[D]重庆大学 2009年
        [3]陈玉敏 智能写字机器人的设计计算机测量与控制 2016年