【RT-Thread作品秀】寫字機器人

作者：喬城陽

概述（說明應用產(chǎn)生的背景、實現(xiàn)功能）

寫字機器人在實際生產(chǎn)線上由于效率趕不上打印機，應用不是很廣，然而由于其結構簡單，成本低，并且符合人手寫風格，在學習階段很有價值。寫字機器人設計上包含了路徑規(guī)劃、直線插補、加減速控制等常用電機運動控制算法，在軟件上也會用到DXF文件解析、openCV圖像處理等G代碼生成工具，對后期深入研究激光切割機、雕刻機、3D打印機等大型設備有很好的鋪墊作用。因此我的作品以寫字機器人為題目分享我的制作過程和學習體驗，希望對各位小伙伴的學習有所幫助。

開發(fā)環(huán)境（所采用的軟、硬件方案）

硬件：ART-PI、arduino、TM4C123GXL

RT-Thread版本：3.14

開發(fā)工具及版本：MDK-ARM5.31、VSCode

RT-Thread使用情況概述（簡要總結下應用中RT-Thread使用情況：內(nèi)核部分、組件部分、軟件包部分、內(nèi)核、其他）

內(nèi)核部分：線程調(diào)度，資源分配、同步通信、設備驅(qū)動框架

組件：DFS文件系統(tǒng)、UART串行異步通信、CAN通信

其他：UDP通信、cJSON編解碼

硬件框架（概述應用所采用的硬件方案框圖，并對核心部分做介紹）

軟件框架說明（介紹應用所采用的軟件方案框圖、流程圖等，并加以解說）

在寫字機器人設計上我將其分為三個部分：

圖像處理模塊負責把文本圖像和照片等圖像文件做預處理，去除雜點，然后以合適的算法將圖像二值化，突現(xiàn)主要信息，然后提取輪廓骨架以適合機器書寫。

G代碼生成模塊將圖像輪廓序列化后進行路徑規(guī)劃，選取一個適合的加工精度，然后按數(shù)控加工常用的G代碼規(guī)范生成NC加工文件。另外對于標準的DXF文件則通過文件解析的方法生成G代碼。

運動控制模塊是寫字機器人中最雜的一個模塊，負責各個運動機構的精準快速移動。收到G代碼指令后需要結合前后指令信息生成當前指令的合適初速度、最大運行速度，根據(jù)運動軌跡進行直線插補點，最后按SPTA梯形加減速算法向電機發(fā)出脈沖。

軟件模塊說明（介紹應用軟件關鍵部分的邏輯、采用的實現(xiàn)方式等）

       Grbl是一種高性能低成本的開源CNC控制器，基于ATmega328型芯片輸出高速精準的電機控制脈沖，完美支持各種標準G代碼，并包含了完整的前瞻性加速控制，可以實現(xiàn)平穩(wěn)的加速和無沖擊的轉彎動作。

正是由于grbl的前瞻性速度控制功能，所以要保證grbl控制器內(nèi)一直保持著16-20個G代碼指令。這需要ART-PI通過讀取grbl控制器緩沖區(qū)狀態(tài)，及時發(fā)送G代碼指令，避免出現(xiàn)緩沖溢出和緩沖區(qū)為空等現(xiàn)象出現(xiàn)。

因此需要運行RT-thread實時操作系統(tǒng)，通讀讀取SD卡上的NC文件，并與grbl控制器通信，控制設備正常運行。另外RT-thread也可提供豐富的人機交互功能，將設備工作路徑、進度等狀態(tài)實時顯示在屏幕上，也可以增加暫停續(xù)寫等功能。

演示效果（演示效果請采用3張高清圖片，并錄制一段不少于1min視頻解說應用所實現(xiàn)的效果，視頻上傳至B站或者騰訊視頻或其他視頻平臺，給出鏈接即可）

演示視頻

比賽感悟

       同樣是C代碼，為什么別人寫得那么好，這次比賽用到兩個開源軟件，一個是RT-thread，負責人機交互和發(fā)送控制指令，另一個是grbl，用來完成運動控制。兩款軟件都設計的非常精巧，只需在2kB大小的RAM上運行，而功能卻又非常強大，實現(xiàn)了很多復雜的功能，所有的代碼封裝的很好，模塊啟用只需打開對應的宏定義即可。這次專門去圖書館借閱了RTT相關的圖書，了解線程是如何調(diào)度，設備驅(qū)動應該怎么實現(xiàn)，但是內(nèi)部還是有很多內(nèi)容不理解，后期需要繼續(xù)不斷充實自己。運動控制一直是我的興趣所在，這次也終于有機會把它實現(xiàn)，看著電機在一行行指令的控制下乖乖地轉動，聽著不斷變化著頻率的電機聲音，真正體會到了伺服servo的含義，非常開心~