CN114407047A - 一种绘画机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绘画机器人及其控制方法，涉及儿童教育机器人技术领域，包括绘画机器人本体，绘画机器人本体内设有安装架，安装架上分别设有第一步进电机和第二步进电机，第一步进电机的输出轴上设有第一连杆，第二步进电机的输出轴上设有第二连杆，第一连杆上设有第一手臂，第二连杆上设有第二手臂，第一手臂和第二手臂之间设有装夹组件，装夹组件内设有绘画笔。本发明的绘画机器人可丰富现有的儿童教育机器人市场，引导儿童进行学习，提升儿童的学习兴趣；将较为复杂的图画分解为多个步骤完成的绘图线条，实现复杂图画的按顺序绘制，解决了现有绘画机器人对于复杂图画绘制无能为力的难题。
Description
技术领域
本发明涉及儿童教育机器人技术领域，特别是涉及一种绘画机器人及其控制方法。
背景技术
绘画机器人是一种教学指导儿童学习简笔画的机器人玩具，帮助儿童在玩耍的过程中学习。目前，市场上针对儿童学习的绘画机器人种类较少，不能满足客户多样化的需求；现有绘画机器人只能完成一些较为简单的图画绘制，对于较为复杂的图画绘制无能为力；且绘画机器人的绘画精度较低，绘出画面的精细度差。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种绘画机器人及其控制方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种绘画机器人，包括绘画机器人本体，所述绘画机器人本体内设有安装架，所述安装架上分别设有第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机和第二步进电机在安装架上对称分布，所述第一步进电机的输出轴上设有第一连杆，所述第二步进电机的输出轴上设有第二连杆，所述第一连杆上设有第一手臂，所述第二连杆上设有第二手臂，所述第一手臂和第二手臂之间设有装夹组件，装夹组件内设有绘画笔；所述绘画机器人本体内部设有电源，所述绘画机器人本体靠近所述装夹组件一侧设有显示屏和摄像头组件，所述绘画机器人本体远离所述装夹组件一侧设有喇叭，所述绘画机器人本体顶部设有电源开关；所述安装架上设有PCB板，所述PCB板上设有第一MCU、第二MCU和Micro SD卡，所述第一MCU、第二MCU和Micro SD卡之间电连接，所述第二MCU与第一步进电机、第二步进电机、显示屏、摄像头组件和喇叭电连接。第一MCU的型号为ESP32-PICO-D4，集成2.4G Wi-Fi和蓝牙双模式；第二MCU的型号为SOC-156，集成32位MCU和2.4G无线收发电路SOC芯片，支持一对多组网和带ACK的通信模式。第一步进电机和第二步进电机的型号均为深圳一诺微特24BYJ48-787A，步距角为5.625°，减速比为1/64。
优选地，所述安装架靠近所述装夹组件一侧的底部与绘画机器人本体通过转动件转动连接，所述安装架靠近另一端设有抬升组件。
进一步地，所述抬升组件为舵机，所述舵机与所述第二MCU电连接，所述舵机的输出轴上设有转动块，所述绘画机器人本体与所述转动块相对应位置设有支撑块。
优选地，所述转动件为轴承。
优选地，所述Micro SD卡与所述第一MCU通过SDIO通讯，所述第一MCU与所述第二MCU通过串口通讯。
一种绘画机器人的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
(1)上位机制作绘画文件，选取SVG图片，将SVG图片文件分成绘图线条，然后将绘图线条分解成多个绘图元素，得到绘画文件；
(2)上位机通过绘画文件生成参数文件，绘图元素以像素点坐标的方式在XY坐标轴上示出，提取绘图元素的每个像素点坐标，XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标都可以对应为第一手臂和第二手臂的一个旋转角度，依据三角函数将XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标转化为第一手臂和第二手臂的旋转角度，根据XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标计算出第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数，将每个绘图元素上所有像素点坐标对应的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数存储到上位机中，得到参数文件；
(3)上位机制作绘画顺序配置文件，根据绘图线条的先后绘制顺序制作绘画顺序配置文件，绘画顺序配置文件的每一行包括绘图元素的像素点坐标对应的第一步进电机、第二步进电机的正转、反转步距数的参数文件和对应的教学语音文件，绘画顺序配置文件存储到上位机中，将参数文件和对应的教学语音文件放置在同一个文件夹中，最后将含有参数文件和绘画顺序配置文件的文件夹拷贝至绘画机器人本体中Micro SD卡中；绘画顺序配置文件的本质是一个脚本文件,其记录了绘画机器人应该首先绘制哪个图形以及播放哪个音频，绘画机器人执行时读取绘画顺序配置文件即可还原绘画流程。
(4)绘画机器人校准，绘画机器人本体中的第二MCU控制舵机工作，舵机带动转动块向上转动，转动块向上转动使得安装架向下运动，安装架通过轴承绕着绘画机器人本体向下转动与水平面形成倾斜夹角，使得绘画笔离开工作水平面，然后第二MCU控制第一步进电机和第二步进电机带动第一连杆和第二连杆运动，第一连杆和第二连杆带动第一手臂和第二手臂运动，使得绘画笔运动到初始位置；
(5)扫描信息，拿取一张带有图形的二维码卡片，通过摄像头组件扫描对应的二维码信息；
(6)读取绘画顺序配置文件，根据二维码信息，第一MCU从Micro SD卡中获取绘画图片的绘画顺序配置文件存储目录，然后打开绘画顺序配置文件，顺序读取每一行，并执行每一行；
(7)执行绘画步骤，第一MCU读取每行的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数，将存储的多个像素点坐标对应的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数发送至第二MCU，第二MCU分别控制第一步进电机和第二步进电机运转到对应图像位置，第一步进电机和第二步进电机带动绘画笔在绘画纸上绘出图形的线条；第一MCU读取每行对应的教学语音文件发送至第二MCU，第二MCU控制喇叭同步播放教学语音，同时控制显示器显示表意的表情信息；
(8)循环执行绘画步骤，当前一行的第一步进电机、第二步进电机参数文件和教学语音文件执行完成后，第一MCU读取下一行，继续执行步骤(7)中的绘画步骤，直至整个绘画完成。
优选地，步骤(1)中绘图元素包括直线或曲线。
优选地，步骤(1)中SVG图片较为复杂，将SVG图片文件分成多个步骤完成的绘图线条，然后将绘图线条分别分解成多个绘图元素，得到绘画文件，每个步骤生成对应的绘画文件。
优选地，步骤(7)中的表情信息包括聆听、困惑、开心、喜欢、思考、困和疑问。
本发明的有益效果在于：本发明设计的绘画机器人可丰富现有的儿童教育机器人市场，引导儿童进行学习，提升儿童的学习兴趣；将较为复杂的图画分解为多个步骤完成的绘图线条，实现复杂图画的按顺序绘制，解决了现有绘画机器人对于复杂图画绘制无能为力的难题；采用两个步进电机分别控制两个连杆，实现绘画笔的运动轨迹精确控制，绘画精度高，绘出图画的精细度高。
附图说明
图1为本发明的整体第一结构图；
图2为本发明的整体第二结构图；
图3为本发明的内部第一结构图；
图4为本发明的内部第二结构图；
图5为本发明的抬升机构第一结构图；
图6为本发明的抬升机构第二结构图；
图7为本发明的控制流程示意图。
其中：1、电源开关；2、摄像头组件；3、显示屏；4、第一连杆；5、第一手臂；6、装夹组件；7、绘画笔；8、第二手臂；9、第二连杆；10、绘画机器人本体；101、支撑块；11、安装架；12、遥控器；13、PCB板；14、抬升组件；141、转动块；15、电源；16、第一步进电机；17、第二步进电机；19、转动件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图4所示，本发明提供一种绘画机器人，包括绘画机器人本体10，绘画机器人本体10内设有安装架11，安装架11上分别设有第一步进电机16和第二步进电机17，第一步进电机16和第二步进电机17在安装架11上对称分布。第一步进电机16的输出轴上设有第一连杆4，第二步进电机17的输出轴上设有第二连杆9，第一连杆4上设有第一手臂5，第二连杆9上设有第二手臂8。第一手臂5和第二手臂8之间设有装夹组件6，装夹组件6内设有绘画笔7。绘画机器人本体10内部设有电源15，电源15为整个绘画机器人供电，电源15可以为可充电的锂电池。绘画机器人本体10靠近装夹组件6一侧设有显示屏3和摄像头组件2，绘画机器人本体10远离装夹组件6一侧设有喇叭。绘画机器人本体10顶部设有电源开关1。可通过遥控器12控制绘画机器人的工作。
如图3和图4所示，安装架11上设有PCB板13，PCB板13上设有第一MCU、第二MCU和Micro SD卡，第一MCU、第二MCU和Micro SD卡之间电连接。本实施例中，第一MCU与第二MCU通过串口通讯，Micro SD卡与第一MCU通过SDIO通讯。第二MCU与第一步进电机16、第二步进电机17、显示屏3、摄像头组件2和喇叭电连接。本实施例中，第一MCU采用ESP32-PICO-D4，集成2.4G Wi-Fi和蓝牙双模式；第二MCU采用SOC-156，集成32位MCU和2.4G无线收发电路SOC芯片，支持一对多组网和带ACK的通信模式。第一步进电机16和第二步进电机17采用深圳一诺微特24BYJ48-787A，步距角为5.625°，减速比为1/64，实现第一手臂5和第二手臂8的精确控制，绘制出的图画精细度高。
如图3、图5和图6所示，安装架11靠近装夹组件6一侧的底部与绘画机器人本体10通过转动件19转动连接，转动件19为轴承，转动件19还可以为转轴。安装架11靠近另一端设有抬升组件14。抬升组件14为舵机，舵机与第二MCU电连接。舵机的输出轴上设有转动块141，绘画机器人本体10与转动块141相对应位置设有支撑块101。抬升组件14实现绘画笔7与绘画纸的接触与脱离。转动块141向下转动与支撑块101接触将安装架11向上顶起，实现绘画笔7与绘画纸的接触；转动块141向上转动使得安装架11向下运动，实现绘画笔7与绘画纸的脱离。
如图7所示，本发明还提供一种绘画机器人的控制方法，该控制方法包括以下步骤：(1)上位机制作绘画文件，选取SVG图片，将SVG图片文件分成绘图线条，然后将绘图线条分解成多个绘图元素，得到绘画文件，其中，绘图元素包括直线或曲线。当SVG图片较为复杂时，将SVG图片文件分成多个步骤完成的绘图线条，然后将绘图线条分别分解成多个绘图元素，得到绘画文件，每个步骤生成对应的绘画文件。(2)上位机通过绘画文件生成参数文件，绘图元素以像素点坐标的方式在XY坐标轴上示出，像素点坐标使用一对正整数表示，例如，100，200表示在XY坐标轴上x值100，y值200的像素点。提取绘图元素的每个像素点坐标，XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标都可以对应为第一手臂和第二手臂的一个旋转角度，依据三角函数将XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标转化为第一手臂和第二手臂的旋转角度，根据XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标计算出第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数，将每个绘图元素上所有像素点坐标对应的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数存储到上位机中，得到参数文件。通过坐标文件的转换实现机械手臂的精度控制，研发成本低。(3)上位机制作绘画顺序配置文件，根据绘图线条的先后绘制顺序制作绘画顺序配置文件，绘画顺序配置文件的每一行包括绘图元素的像素点坐标对应的第一步进电机、第二步进电机的正转、反转步距数的参数文件和对应的教学语音文件，绘画顺序配置文件存储到上位机中，将参数文件和对应的教学语音文件放置在同一个文件夹中，最后将含有参数文件和绘画顺序配置文件的文件夹拷贝至绘画机器人本体中Micro SD卡中。(4)绘画机器人校准，绘画机器人本体中的第二MCU控制舵机工作，舵机带动转动块向上转动，转动块向上转动使得安装架向下运动，安装架通过轴承绕着绘画机器人本体向下转动与水平面形成倾斜夹角，使得绘画笔离开工作水平面，然后第二MCU控制第一步进电机和第二步进电机带动第一连杆和第二连杆运动，第一连杆和第二连杆带动第一手臂和第二手臂运动，使得绘画笔运动到初始位置。(5)扫描信息，拿取一张带有图形的二维码卡片，通过摄像头组件扫描对应的二维码信息。(6)读取绘画顺序配置文件，根据二维码信息，第一MCU从Micro SD卡中获取绘画图片的绘画顺序配置文件存储目录，然后打开绘画顺序配置文件，顺序读取每一行，并执行每一行。(7)执行绘画步骤，第一MCU读取每行的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数，将存储的多个像素点坐标对应的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数发送至第二MCU，第二MCU分别控制第一步进电机和第二步进电机运转到对应图像位置，第一步进电机和第二步进电机带动绘画笔在绘画纸上绘出图形的线条；第一MCU读取每行对应的教学语音文件发送至第二MCU，第二MCU控制喇叭同步播放教学语音，同时控制显示器显示表意的表情信息，表情信息包括聆听、困惑、开心、喜欢、思考、困和疑问。(8)循环执行绘画步骤，当前一行的第一步进电机、第二步进电机参数文件和教学语音文件执行完成后，第一MCU读取下一行，继续执行步骤(7)中的绘画步骤，直至整个绘画完成。
本发明使用二维码卡片，降低后期卡片的制造成本；教学语音可为中文，也可以为英语，或者其它海外语言，满足不同的使用需求，用户满意度高。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种绘画机器人，其特征在于：包括绘画机器人本体，所述绘画机器人本体内设有安装架，所述安装架上分别设有第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机和第二步进电机在安装架上对称分布，所述第一步进电机的输出轴上设有第一连杆，所述第二步进电机的输出轴上设有第二连杆，所述第一连杆上设有第一手臂，所述第二连杆上设有第二手臂，所述第一手臂和第二手臂之间设有装夹组件，装夹组件内设有绘画笔；所述绘画机器人本体内部设有电源，所述绘画机器人本体靠近所述装夹组件一侧设有显示屏和摄像头组件，所述绘画机器人本体远离所述装夹组件一侧设有喇叭，所述绘画机器人本体顶部设有电源开关；所述安装架上设有PCB板，所述PCB板上设有第一MCU、第二MCU和Micro SD卡，所述第一MCU、第二MCU和Micro SD卡之间电连接，所述第二MCU与第一步进电机、第二步进电机、显示屏、摄像头组件和喇叭电连接。
2.根据权利要求1所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述安装架靠近所述装夹组件一侧的底部与绘画机器人本体通过转动件转动连接，所述安装架靠近另一端设有抬升组件。
3.根据权利要求2所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述抬升组件为舵机，所述舵机与所述第二MCU电连接，所述舵机的输出轴上设有转动块，所述绘画机器人本体与所述转动块相对应位置设有支撑块。
4.根据权利要求2所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述转动件为轴承。
5.根据权利要求1所述的一种绘画机器人，其特征在于：所述Micro SD卡与所述第一MCU通过SDIO通讯，所述第一MCU与所述第二MCU通过串口通讯。
6.一种用于权利要求1所述绘画机器人的控制方法，其特征在于：该控制方法包括以下步骤：
(1)上位机制作绘画文件，选取SVG图片，将SVG图片文件分成绘图线条，然后将绘图线条分解成多个绘图元素，得到绘画文件；
(2)上位机通过绘画文件生成参数文件，绘图元素以像素点坐标的方式在XY坐标轴上示出，提取绘图元素的每个像素点坐标，XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标都可以对应为第一手臂和第二手臂的一个旋转角度，依据三角函数将XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标转化为第一手臂和第二手臂的旋转角度，根据XY坐标轴中绘图元素的每个像素点坐标计算出第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数，将每个绘图元素上所有像素点坐标对应的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数存储到上位机中，得到参数文件；
(3)上位机制作绘画顺序配置文件，根据绘图线条的先后绘制顺序制作绘画顺序配置文件，绘画顺序配置文件的每一行包括绘图元素的像素点坐标对应的第一步进电机、第二步进电机的正转、反转步距数的参数文件和对应的教学语音文件，绘画顺序配置文件存储到上位机中，将参数文件和对应的教学语音文件放置在同一个文件夹中，最后将含有参数文件和绘画顺序配置文件的文件夹拷贝至绘画机器人本体中Micro SD卡中；
(4)绘画机器人校准，绘画机器人本体中的第二MCU控制舵机工作，舵机带动转动块向上转动，转动块向上转动使得安装架向下运动，安装架通过轴承绕着绘画机器人本体向下转动与水平面形成倾斜夹角，使得绘画笔离开工作水平面，然后第二MCU控制第一步进电机和第二步进电机带动第一连杆和第二连杆运动，第一连杆和第二连杆带动第一手臂和第二手臂运动，使得绘画笔运动到初始位置；
(5)扫描信息，拿取一张带有图形的二维码卡片，通过摄像头组件扫描对应的二维码信息；
(6)读取绘画顺序配置文件，根据二维码信息，第一MCU从Micro SD卡中获取绘画图片的绘画顺序配置文件存储目录，然后打开绘画顺序配置文件，顺序读取每一行，并执行每一行；
(7)执行绘画步骤，第一MCU读取每行的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数，将存储的多个像素点坐标对应的第一步进电机和第二步进电机的正转、反转步距数发送至第二MCU，第二MCU分别控制第一步进电机和第二步进电机运转到对应图像位置，第一步进电机和第二步进电机带动绘画笔在绘画纸上绘出图形的线条；第一MCU读取每行对应的教学语音文件发送至第二MCU，第二MCU控制喇叭同步播放教学语音，同时控制显示器显示表意的表情信息；
(8)循环执行绘画步骤，当前一行的第一步进电机、第二步进电机参数文件和教学语音文件执行完成后，第一MCU读取下一行，继续执行步骤(7)中的绘画步骤，直至整个绘画完成。
7.根据权利要求6所述绘画机器人的控制方法，其特征在于：步骤(1)中绘图元素包括直线或曲线。
8.根据权利要求6所述绘画机器人的控制方法，其特征在于：步骤(1)中SVG图片较为复杂，将SVG图片文件分成多个步骤完成的绘图线条，然后将绘图线条分别分解成多个绘图元素，得到绘画文件，每个步骤生成对应的绘画文件。
9.根据权利要求6所述绘画机器人的控制方法，其特征在于：步骤(7)中的表情信息包括聆听、困惑、开心、喜欢、思考、困和疑问。
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