CN107390630A - 一种绘画机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绘画机器人控制系统，该绘画机器人控制系统包括：与上位机通信的第一控制器，所述第一控制器通过第一电机驱动走纸机构，所述走纸机构用于控制绘画纸在绘画板上移动；与所述上位机通信的第二控制器，所述第二控制器通过第二电机驱动X轴移动机构，所述X轴移动机构用于控制绘画模块在水平方向上移动；与所述上位机通信的主控制板，所述主控制板用于控制所述绘画模块的舵机，所述舵机用于驱动画笔进行绘画；所述第一控制器，所述第二控制器与所述主控制板均由所述上位机指令统一控制。采用本发明的技术方案，低成本、结构简单、易于维护、学习成本低、使用成本低、便于搭建、兼容性高。

Description

一种绘画机器人控制系统

技术领域

本发明涉及绘画机器人领域，更具体的，涉及一种绘画机器人控制系统。

背景技术

近些年半导体技术取得长足发展，信息化大行其道，计算机与相关硬件技术的发展得到了人们的大量重视。机器人的价值也得以被挖掘出来，迎来了发展的春天，不仅局限于工业生产，机器人越来越深入地走进了人们的日常生活中。机器人在各个领域承担起了越来越重要的工作，小到室内的扫地机器人、玩具机器狗，大到工业上的生产机器人。机器人在为人们创造更多价值的同时，也将人们从繁重的劳动中一点点解放出来。绘画作为人类天生的基本技能之一，在人们的生活与生产中一直起着十分重要的作用。不仅是在生产力方面，在艺术领域绘画更是占有主导地位。在工业生产、服装设计、工程设计、影视创作、艺术创作、教育教学等等领域都需要使用到各种各样的绘画技术。这些技术都有着技巧要求大、学习成本高、时间成本高、人力成本高的特点。且不同的领域对绘画技术又有着不同的要求。这对于初学者非常不友好，学会一种绘画技术往往需要付出极大地成本，而且并不能保证付出的巨额成本是有效的。学会一种绘画技能甚至会成为是一个人一生的目标或职业。人们已经注意到了这一点，在近些年的研究中已经诞生了一些如制图仪、大型打印机的辅助制图设备来降低绘画技术的入门成本，提高效率解放劳动力。但这些设备往往需要专业技术的支持，需要购买设备相对应的配套耗材。普通设计者很难自行使用，这使其购买、学习、使用、维护成本都十分高昂。且与传统绘画技术相仿，每种设备对应各自的领域，各种设备间的通用性很差。同时大部分设备对生产力的提升也并不明显。

因此,在现有技术中，大型打印设备或者绘画仪器的购买、使用、维护等成本都十分高昂。因此提供一种低成本、结构简单、易于维护、学习成本低、使用成本低、便于搭建、兼容性高，并具有良好性能的绘画机器人是本领域嗜待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于公开一种绘画机器人控制系统，用于解决现有技术中存在的，大型打印设备或者绘画仪器的购买、使用、维护等成本都十分高昂的问题。

为实现上述目的，本发明公开一种绘画机器人控制系统，并采用如下技术方案:

一种绘画机器人控制系统包括：与上位机通信的第一控制器，所述第一控制器通过第一电机驱动走纸机构，所述走纸机构用于控制绘画纸在绘画板上移动；与所述上位机通信的第二控制器，所述第二控制器通过第二电机驱动X轴移动机构，所述X轴移动机构用于控制绘画模块在水平方向上移动；与所述上位机通信的主控制板，所述主控制板用于控制所述绘画模块的舵机，所述舵机用于驱动画笔进行绘画；所述第一控制器，所述第二控制器与所述主控制板均由所述上位机指令统一控制。

进一步地，所述第一控制器与所述第二控制器通过CAN总线串联，由所述第一控制器或所述第二控制器与所述上位机通过USB接口相连接。

进一步地，在所述上位机的控制系统中，将所述第一控制器的编号与所述第二控制器的编号设置为不同，用于对所述第一控制器与所述第二控制器分别控制。

进一步地，所述舵机的数量为2个，所述舵机由所述主控制板控制，所述主控制板通过调用所述上位机控制系统中的2个Servo对象进行分别控制2个所述舵机，并通过调用所述控制系统中的Serial对象与所述上位机通信，使得在所述主控制板收到不同字符串后，控制所述舵机进行0度到90度运行。

进一步地，所述控制系统中包括总控制区，设置区，手动模式区，Servo随动模式区，电机信息区及执笔模块区。

进一步地，所述设置区用于控制电机的节点及电机的移动模式，通过控制电机的节点向不同的电机发送指令。

进一步地，所述手动模式区的工作流程为：接收用户手动输入的目标移动距离与移动方向；对所述移动方向进行判断，得到一判断结果；根据所述判断结果执行绘画介质与绘画模块的移动；更改所述第一电机的节点为1并启动连接设置，更改所述第二电机的节点为2，并启动连接设置；根据预设标准分别对所述第一电机与所述第二电机进行标度变换，得到一变换结果；根据所述变换结果分别执行所述第一电机与所述第二电机的移动操作。

进一步地，所述预设标准包括：所述第一电机的第一预设标准，所述第一预设标准为1mm等于14464qc；所述第二电机的第二预设标准，所述第二预设标准为1mm等于63291qc。

进一步地，所述Servo随动模式区用于通过采集鼠标的X坐标与Y坐标，并对所述X坐标与所述Y坐标分别进行预设倍数的放大操作，并将放大结果作为所述第一电机与所述第二电机的目标移动点。

进一步地，所述执笔模块区用于：根据用户选择的功能，调用C#中.NET的串口通信功能，并向所述串口输出4对字符串，所述4对字符串分别对应为：提笔功能，下笔功能，切换画笔1功能，切换画笔2功能；并且，通过按键对所述提笔功能，所述下笔功能，所述切换画笔1功能与所述切换画笔2功能分别进行了互锁处理。

本发明提供的绘画机器人控制系统软硬件设计主要分为绘画模块控制系统设计、移动机构控制系统设计与上位机控制软件设计。绘画模块控制系统硬件包括一台Arduino主控板与两台舵机。移动机构控制系统硬件包括两台Epos2控制器与两台电机。Epos2控制器间通过CANOPEN接口进行主从连接，主控制器由USB接口与上位机进行连接与通信。Arduino主控板由串行接口与上位机进行连接与通信。由运行在上位机的绘画机器人控制软件统一控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的一种绘画机器人控制系统的示意图；

图2为本发明实施例所述的一种绘画机器人控制系统的具体示意图；

图3为本发明实施例所述的上位机控制系统的主界面示意图；

图4为本发明实施例所述的设置区的界面示意图；

图5为本发明实施例所述的绘画机器人控制软件手动模式区意图；

图6为本发明实施例所述的所述手动模式区的工作流程图；

图7为本发明实施例所述的所述执笔模块操作界面示意图；

图8为本发明实施例所述的所述电机信息区示意图；

图9为本发明实施例所述的双笔直角折线绘制示意图；

图10为本发明实施例所红色的斜线绘制示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1为本发明实施例所述的一种绘画机器人控制系统的示意图。

参见图1所示，一种绘画机器人控制系统包括：与上位机10通信的第一控制器11，所述第一控制器11通过第一电机12驱动走纸机构13，所述走纸机构13用于控制绘画纸在绘画板上移动；与所述上位机10通信的第二控制器14，所述第二控制器14通过第二电机15驱动X轴移动机构16，所述X轴移动机构16用于控制绘画模块17在水平方向上移动；与所述上位机10通信的主控制板18，所述主控制板18用于控制所述绘画模块17的舵机(图1中未示)，所述舵机用于驱动画笔进行绘画；所述第一控制器11，所述第二控制器14与所述主控制板18均由所述上位机指令统一控制。

在本实施例中，绘画机器人控制系统的软硬件设计主要分为绘画模块控制系统设计、移动机构控制系统设计与上位机控制软件设计，因此，第一控制器11，所述第二控制器14与所述主控制板18均由所述上位机指令统一控制。

具体参见图2所示。绘画模块控制系统硬件包括一台Arduino主控板(图2中未示)与两台舵机(图2中未示)。移动机构控制系统硬件包括两台Epos2控制器与两台电机。Epos2控制器间通过CANOPEN接口进行主从连接，主控制器由USB接口与上位机进行连接与通信。Arduino主控板由串行接口与上位机进行连接与通信。由运行在上位机的绘画机器人控制软件统一控制。

优选地，所述第一控制器11与所述第二控制器14通过CAN总线串联，由所述第一控制器11或所述第二控制器14与所述上位机10通过USB接口相连接。

在本实施例的技术方案中，选择由一台Epos2控制器作为主控制器，即第一控制器11或第二控制器14均可以作为主控制器，通过J9的USB接口直接与上位机10连接，实现系统的监控和数据采集。而将另一台Epos2控制器通过J7的CANopen接口串联至主Epos2控制器的相同接口，在两端加以120欧姆的电阻，并修改控制器的编号以便在软件中进行区分。

优选地，所述舵机的数量为2个，所述舵机由所述主控制板18控制，所述主控制板18通过调用所述上位机控制系统中的2个Servo对象进行分别控制2个所述舵机，并通过调用所述控制系统中的Serial功能与所述上位机通信，使得在所述主控制板18收到不同字符串后，控制所述舵机进行0度到90度运行。

优选地，所述控制系统中包括总控制区，设置区，手动模式区，Servo随动模式区，电机信息区及执笔模块区。

图3为本发明实施例所述的上位机控制系统的主界面示意图。

具体的，参见图3所示，总控制区负责整个系统的设置与控制。承担着系统运行前的连接设定，包括控制器型号、连接协议、连接接口、端口号、波特率等参数，系统启停，系统运行中的复位、急停电机、关闭系统的功能。贯穿整个软件的使用。总控制区的各功能拥有软件的最高优先级。

图4为本发明实施例所述的设置区的界面示意图。

参见图4所示，设置区可以选择电机的节点与电机的移动模式。不同的节点对应不同电机的CAN-ID。通过更改节点便可以对不同的电机分别发送指令。在绘画机器人中的应用就是分别控制两台电机的运转来控制绘画模块相对绘画介质的位置。电机的移动模式分为步进移动与目标移动两种模式，步进移动模式下输入目标移动距离后，电机将以当前的脉冲数为起点移动设定的脉冲数。目标移动模式下输入目标脉冲数后，无论电机当前在何脉冲数都将直接移动至设定的脉冲数。在步进模式下绘画模块将以现在位置为起点移动设定的距离，在目标移动模式绘画模块将直接移动至设定的位置点。对节点与移动模式的设置都是全局控制，在手动模式、随动模式下均有效。

图5为本发明实施例所述的绘画机器人控制软件手动模式区意图。

具体的，手动模式区，在电机移动模式为步进移动模式的情况下，手动输入需要移动的距离。通过鼠标或键盘选择方向进行移动。在目标模式下则将移动至相对绘画介质坐标原点两侧的设定位置。在此模式下可对电机进行十分精确的控制。手动模式是整个绘画机器人上位机控制软件设计中最重要的一个模块，承担起对绘画机器人最重要功能的控制，同时也是其他功能设计的基础，操作界面如图5。用户在软件中输入的目标移动距离会以字符串的形式储存在文本框TargetPosi tion.TEXT中，当用户按下4个移动方向中的任意按钮后，软件会先将控制节点更改为与方向对应的Epos控制器CAN-ID，并启动该节点下的通讯。然后开始执行位移指令，对文本框TargetPosition.TEXT中的字符串进行格式与标度的变换。先将数据格式改为int型方便运算，后对新的变量按照不同方向进行对应的标度变换。对X轴移动机构多次测量后得出当电机运行63291脉冲数时绘图模块在绘图介质上移动1mm。对Y轴绘画介质移动机构多次测量后得出当电机运行14464脉冲数时绘画介质移动约1mm。以此变换将用户输入的目标移动距离转换为不同电机的移动脉冲数，向控制器下达移动指令。

优选地，所述手动模式区的工作流程为：接收用户手动输入的目标移动距离与移动方向；对所述移动方向进行判断，得到一判断结果；根据所述判断结果执行绘画介质与绘画模块的移动；更改所述第一电机的节点为1并启动连接设置，更改所述第二电机的节点为2，并启动连接设置；根据预设标准分别对所述第一电机与所述第二电机进行标度变换，得到一变换结果；根据所述变换结果分别执行所述第一电机与所述第二电机的移动操作。

参见图6所示，所述手动模式区的工作流程具体包括：

步骤60：开始；

步骤61：输入目标移动距离与方向；

步骤62：分别在移动绘画介质与移动绘画模块两个目标上对方向进行判断；

步骤63：更改节点1，启动连接；

步骤64：更改节点2，启动连接；

步骤65：对移动绘画介质进行标度变换；

步骤66：对移动绘画模块进行标度变换；

步骤67：移动电机。

优选地，所述预设标准包括：所述第一电机的第一预设标准，所述第一预设标准为1mm等于14464脉冲数；所述第二电机的第二预设标准，所述第二预设标准为1mm等于63291脉冲数。

优选地，所述Servo随动模式区用于通过采集鼠标的X坐标与Y坐标，并对所述X坐标与所述Y坐标分别进行预设倍数的放大操作，并将放大结果作为所述第一电机与所述第二电机的目标移动点。

更具体的，手动模式区，在电机移动模式为步进移动模式的情况下，手动输入需要移动的距离。通过鼠标或键盘选择方向进行移动。在目标模式下则将移动至相对绘画介质坐标原点两侧的设定位置。在此模式下可对电机进行十分精确的控制。手动模式是整个绘画机器人上位机控制软件设计中最重要的一个模块，它承担起对绘画机器人最重要功能的控制，同时也是其他功能设计的基础。用户在软件中输入的目标移动距离会以字符串的形式储存在文本框TargetPosi tion.TEXT中，当用户按下4个移动方向中的任意按钮后，软件会先将控制节点更改为与方向对应的Epos控制器CAN-ID，并启动该节点下的通讯。然后开始执行位移指令，对文本框TargetPosition.TEXT中的字符串进行格式与标度的变换。先将数据格式改为int型方便运算，后对新的变量按照不同方向进行对应的标度变换。对X轴移动机构多次测量后得出当电机运行63291脉冲数时绘图模块在绘图介质上移动1mm。对绘画介质移动机构多次测量后得出当电机运行14464脉冲数时绘画介质移动约1mm。以此变换将用户输入的目标移动距离转换为不同电机的移动脉冲数，向控制器下达移动指令。

进一步地，所述执笔模块区用于：根据用户选择的功能，调用C#中.NET的串口通信功能，并向所述串口输出4对字符串，所述4对字符串分别对应为：提笔功能，下笔功能，切换画笔1功能，切换画笔2功能；并且，通过按键对所述提笔功能，所述下笔功能，所述切换画笔1功能与所述切换画笔2功能分别进行了互锁处理。

图7为本发明实施例所述的所述执笔模块操作界面示意图。

参见图7所示，执笔模块区是通过对绘画模块上两台舵机的控制实现绘画模块提笔、下笔与切换画笔的功能，为了方便控制我们将该模块整合进了绘画机器人上位机控制软件中。在上文绘画模块控制系统软件设计中提到，将对舵机设置与控制的程序烧录在Arduino主控板中，由主控板直接控制，这很大地减轻了上位机控制软件在该模块的程序量，有利于提高控制软件的运行效率与稳定性。为了实现上位机与Arduino主控板的串口通讯，调用了C#中.NET提供的串口通信功能：System.IO.Ports。该框架不仅能访问计算机上的串口，还可以与串口设备通讯，可以很好地实现设计功能。在软件中创建SerialPort对象指向主控板的串口号、调节波特率，实现上位机与Arduino主控板的通讯。在软件界面设计中为该模块添加2对共4个单选框。分别对应提笔、下笔、切换画笔1和切换画笔2的动作。同时为了防止在下笔状态下用户误触换笔，软件对按键进行了互锁处理，在下笔状态下不能进行画笔的切换，以免损坏绘画作品与绘画机器人。当用户选择对应的功能后软件会向串口输出对应的字符串(“0”、“1”、“2”、“3”)，作为主控板的控制信号，主控板程序监测到字符串后执行相应的动作。

另外，图8为本发明实施例所述的所述电机信息区示意图。

参见图8所示，电机信息区负责显示当前操作模式、当前动作下电机的启动时的脉冲数与电机的实际脉冲数。由于数据采集周期与Epos Studio软件实时数据的延迟。电机信息区显示的电机实际位置与电机的真实位置会有轻微的延迟，操作界面如图8。

在完成绘画机器人整体搭建后通过两个实验测试绘画机器人的性能能否达到设计目标，试验中的硬件设定方面在保证系统平稳运行的情况下，将Epos2控制器电源供电调整至13.2V，在该电压下MAXON电机可以达到最高4000rpm的转速，保证了绘画机器人运行的高效率。舵机由NANO R3主控板直接供给5V电压。绘画介质选择标准A4打印纸。试验中的硬件设定方面将绘画机器人X轴移动机构电机速度调整至4000rpm，绘画介质移动机构电机速度调整至200rpm。在该设置下绘画模块在两个方向上的相对移动速度可以达到同步。

第一个实验为双笔水平竖直绘制实验。由两支画笔绘制一段直角折线，先有铅笔绘制在转折处更换中性笔。该实验主要测试绘画机器人分别在两个绘画方向上的运行情况与换笔、下笔机构的运行情况，如图9，图9为本发明实施例所述的双笔直角折线绘制示意图。

第二个实验为斜线绘制实验，该实验主要测试绘画机器人两个方向上的协调控制与下笔机构的运行情况，如图10，图10为本发明实施例所红色的斜线绘制示意图。

从实验结果可以看出绘画机器在两个方向上可以做到同步协调控制，互不干扰。移动速度基本可以达到同步能够进行复杂度高的绘画作业，可以满足整体设计目标。

本发明提供的绘画机器人控制系统软硬件设计主要分为绘画模块控制系统设计、移动机构控制系统设计与上位机控制软件设计。绘画模块控制系统硬件包括一台Arduino主控板与两台舵机。移动机构控制系统硬件包括两台Epos2控制器与两台电机。Epos2控制器间通过CANOPEN接口进行主从连接，主控制器由USB接口与上位机进行连接与通信。Arduino主控板由串行接口与上位机进行连接与通信。由运行在上位机的绘画机器人控制软件统一控制。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种绘画机器人控制系统，其特征在于，包括：

与上位机通信的第一控制器，所述第一控制器通过第一电机驱动走纸机构，所述走纸机构用于控制绘画纸在绘画板上移动；

与所述上位机通信的第二控制器，所述第二控制器通过第二电机驱动X轴移动机构，所述X轴移动机构用于控制绘画模块在水平方向上移动；

与所述上位机通信的主控制板，所述主控制板用于控制所述绘画模块的舵机，所述舵机用于驱动画笔进行绘画；

所述第一控制器，所述第二控制器与所述主控制板均由所述上位机指令统一控制。

2.根据权利要求1所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述第一控制器与所述第二控制器通过CAN总线串联，由所述第一控制器或所述第二控制器与所述上位机通过USB接口相连接。

3.根据权利要求2所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，在所述上位机的控制系统中，将所述第一控制器的编号与所述第二控制器的编号设置为不同，用于对所述第一控制器与所述第二控制器分别控制。

4.根据权利要求1所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述舵机的数量为2个，所述舵机由所述主控制板控制，所述主控制板通过调用所述上位机控制系统中的2个Servo对象进行分别控制2个所述舵机，并通过调用所述控制系统中的Serial对象与所述上位机通信，使得在所述主控制板收到不同字符串后，控制所述舵机进行0度到90度运行。

5.根据权利要求3所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统中包括总控制区，设置区，手动模式区，Servo随动模式区，电机信息区及执笔模块区。

6.根据权利要求5所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述设置区用于控制电机的节点及电机的移动模式，通过控制电机的节点向不同的电机发送指令。

7.根据权利要求5所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述手动模式区的工作流程为：

接收用户手动输入的目标移动距离与移动方向；

对所述移动方向进行判断，得到一判断结果；

根据所述判断结果执行绘画介质与绘画模块的移动；

更改所述第一电机的节点为1并启动连接设置，更改所述第二电机的节点为2，并启动连接设置；

根据预设标准分别对所述第一电机与所述第二电机进行标度变换，得到一变换结果；

根据所述变换结果分别执行所述第一电机与所述第二电机的移动操作。

8.根据权利要求7所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述预设标准包括：

所述第一电机的第一预设标准，所述第一预设标准为1mm等于14464qc；

所述第二电机的第二预设标准，所述第二预设标准为1mm等于63291qc。

9.根据权利要求5所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述Servo随动模式区用于通过采集鼠标的X坐标与Y坐标，并对所述X坐标与所述Y坐标分别进行预设倍数的放大操作，并将放大结果作为所述第一电机与所述第二电机的目标移动点。

10.根据权利要求5所述的绘画机器人控制系统，其特征在于，所述执笔模块区用于：

根据用户选择的功能，调用C#中.NET的串口通信功能，并向所述串口输出4对字符串，所述4对字符串分别对应为：提笔功能，下笔功能，切换画笔1功能，切换画笔2功能；

并且，通过按键对所述提笔功能，所述下笔功能，所述切换画笔1功能与所述切换画笔2功能分别进行了互锁处理。