我在《对编程感兴趣的程序员是否都对电路、单片机也怀有浓厚的兴趣？ 》展示了前两年制作的一个写生机器人，不少网友表示感兴趣，故撰本文回顾制作历程及感悟。
1. 起源
在 2014 年，当时我已经开发软件算有二十多年（第一个主导的商业游戏项目《王子传奇》在1995年台湾发行）。然而，除了懂得一些简单的、中学物理课学到的电子知识，从来没接触过硬件开发。和读计算机相关专业的朋友不一样，我本科读的是认知科学（cognitive science，在香港大学属社会科学院），完全没有硬件方面的课。
因此，那个时候想学习一下硬件开发，扩阔视野。
最初，我在网上买了一套一百多块的 Arduino 入门套装，按着 [1] 的例子学习，如控制 LED／7段 LED、处理按钮／电位器输入、控制电机／舵机等。有赖 Arduino 团队的努力，开发环境和 API 都十分简单易用，熟悉 C/C++的程序员可轻松入门。
但经验告诉我，
要提升一门技术的水平，最好是从做一个项目中学习。
当时，我工作的部门（腾讯／IEG 互动娱乐事业群／研发部）正宣传举办第一届的《Intel杯创新大赛》，让IEG 同事创作作品，范围包括智能硬件、VR／AR 等，每年举办两次。我便鼓起勇气参加了。那么，做什么好呢？
2. 构思
我先考虑自己懂什么，以及想做些什么。
最后的构思源于以下的经历：
- 本科专业是认知科学，研究信息如何在大脑中形成及转录过程的跨领域学科；
- 对计算机图形学比较了解，有幸成为知乎计算机图形学的优秀回答者；
- 在《程序员可以学画画吗？ 》提及我在业余学过基本素描和油画；
- 我想做一些会动的东西，因为以前做的软件，即使有动画及互动内容，都是困于屏幕之中。
我曾在 YouTube 看过一个绘画机器人的艺术项目 [2]，我觉得和我上述的经历吻合，引发了一些思考。
我以前学画的时候，也会想一些问题，也和老师讨论过。
绘画是越写实越好么？不是。要写实的话，摄影更写实。绘画和摄影有相似的地方，但不能互相取代。
绘画（以下主要指写生）和摄影的主要区别是什么？画家在构图后，还可以选择要表达的重点。另外，写生是一个较长期的渐进过程，从整体粗略至局部细致，过程中不断观察比对画作和对象。这和摄影通常一次曝光（通常是几十分之一秒），然后显影很不一样。
也因此，同一对象、同一灯光、同一构图下，即使不同的摄影师也几乎得到相同的作品。而画家则会因当时对对象的不同观察和想法、不同的手法表现，得出独一无二的作品。这也许存在争议，纯粹是个人的一个想法。
我当时想到，如果要做一个机器人模仿人类进行写生，要怎么做才可以重现出这种区别，创作出独一无二的作品，而不只是用相机拍下然后打印？我想到 3 点：
- 模仿人的多关节肢体，使用真实绘画素材（如铅笔、走珠笔、绘图笔、秀丽笔、油漆笔），而非用打印机。虽然用 XY plotter 也可用上绘画素材，但完全不像人的手。
- 模仿人的视觉系统，可以持续观察写生对象及当前的画作，进行对比。
- 模仿人的渐进写生过程，而非完全的机械式输入处理输出。而且，对象可能会随时间改变（如人像、风景），作品可包含这些时间的变化。
我没怎么想商业价值，觉得这个机器人更像是一个互动的装置艺术。我希望每张作品都是独一无二的艺术品。
记得以前读认知科学时，要评估一些认知能力模型是否好，其中一个方法是用计算机去模拟出来，看看能否模仿生物的那些能力。所以从研究的角度来说，这个项目也许涉及艺术风格的模仿及研究。
不过，我并没有把上述的所有构思都实现。基于时间和能力所限，只是做一个非常简化的版本。
3. 设计
如果只做算法部分，或可购买现成的机器臂，或是组装现成的套件。但我没学过机械设计，希望借这个项目尝试一下。
当时常见到的玩具机器人和机器臂，一般都使用舵机（摇控模型的直流伺服电机／RC servo）作为致动器（actuator），而 [1] 的机器臂也是用这种构造。这种机器臂构造简单，控制也容易（用 PWM 信号控制目标角度），但缺点也是很明显的，角度不够精确，也难以控制转动的速度，画出来的作品抖动明显。
我从 [3] 学习到一些致动器原理及传动系统，似乎步进电机（stepper motor）是更好的选择，可以用一个脉冲控制电机旋转一个很小的角度。那么我可以用编程的方法，精准地控制旋转速度。
我没有读机器臂相关的书，只是从需求去设计：
- 画在 A3 大小的纸张。一般的玩具机器臂没有这么大的移动范围。
- 容易制作。因为没有技术、设备。
- 成本比较低。
我想，最简单需要一个水平二维移动的手，再加上一个垂直移动的持笔装置。二维移动需要至少两个自由度（degree of freedom, DOF），加上垂直移动共 3 个 DOF。那么，需要模拟上臂、下臂和手三部分。
构造上，最简单的是把电机放到关节上，但步进电机一般比舵机重，而机器臂也要足够长，会不会太重？太重有两个问题：上臂的关节要承受因重力而生的大力矩，底座要很重才能平衡。
因此，我想到的方案是把电机都放在底座，通过带子传动。后来知道这些构件称为同步轮（synchornized wheel）和同步带（synchronized belt）。我想到这个设计还有 4 个好处：
- 手臂不用放置电机，使手臂轻很多，旋转两个关节所需的力矩变小。
- 上臂的关节不用直接使用步进电机的输出轴，而可以用上更粗、更坚固的轴，令系统更强健。
- 系统中最重的部件（步进电机）位于底座，而且可放在手臂的另一端，令重心接近第一关节，更稳定。
- 采用不同大小的同步轮，可作进一步减速，提升精确性。
要做设计，首先要知道有什么零件可以使用。我在网上找寻合适的零件，包括电机、传动和结构上的。我发现最平宜的结构是用板材配合立柱，用螺丝紧固。
然后绘画各部分的草图：
我最不了解的是各种轴承（bearing），没想到会这样复杂，不确定是否需要这么多轴承。设计时要匹配各种轴承的尺寸，我通过不断搜寻轴承目录，试各种尺寸的组合，才得出设计方案。同步轮也有同样问题，设计都是要配合现成能买到的规格。
另外，垂直移动的持笔装置也是设计的难点。我看到一些持笔装置是用舵机的，感觉不能很精确控制高度，而且持笔不够稳固。如果要用秀丽笔控制高度来画不同粗细，最好还是精确一点。最后我的方案是用直线轴承，轴承中放置铝管，铝管中固定笔枝，再配合小型的直线步进电机。直线步进电机常见于光驱，控制激光的轨道位置，可以非常精确。因为笔支不重，细小的直线步进电机已经足够，而且它的控制也和其他步进电机一样简单。
我没学过机械制图，只有 3dsMax、SketchUp的使用经验。我找了一下流行的相关设计软件，最后下载了 SolidWorks 的试用版本来学习。 SolidWorks 确实是十分容易使用，我花了两周左右（如没记错）的工余时间便学习并画出以下的设计图和渲染圖：
不过，我还是不太了解 SolidWorks 的约束系统，第一次画图应该有很多问题。而设计时，很多数值（例如光轴要多粗的、板材要多厚的、电机要多大力矩的）我也没有深究，应该都是高于实际的要求。我并没有做力学方面的模拟，做了的话应该可以再降低成本。
4. 机器臂制作
我在网上找公司按图切割铝合金板，并购买所有的部件。制作中还需要一些工序，所以后来也购买了电钻床和夹钳等工具。
如同模型一样，组装这个机器臂是很好玩的环节。在设计时，我并没有很在意组装次序，所以组装时发现确实是有点难度，试过错放漏放部件，要拆掉重来。
持笔的铝管需要固定笔枝，我采用的是在管铝上攻丝，这样也方便更换笔枝。第一次手工攻丝还是觉得有点难度，记得做了两枝铝管才成功。
主要部分完成组装后，就接上电机控制器和 Arduino 去测试。非常成功地旋转了！但是⋯⋯同步带不够紧！
当初设计时，我参考了一个网站，按同步带类型／长度、同步轮半径去计算轴距的长度。然而，没想到最后还是有点松。看了一些其他用同步带的设计，原来都要加一个可调的滑轮去控制松紧！没辨法之下，我要拆开部件钻孔，买立柱和轴承作为滑轮。
而且！我设计时没考虑到怎样检测手臂复位！我买的是没有角度回馈的步进电机，在开始时需要把手臂转到一个初始角度做复位。我唯有临时加上了两个微动开关去检测手臂是否到达初始角度。
这两个失误说明，经验还是很重要的。不过，第一次做这方面的设计，能正常地动起来，我已经很满足了。而且整个手臂很坚固，旋转也很顺滑细致，单凭想像力去做的设计还算不错吧。
经过简单测试（用固定频率旋转两个轴），设置步进电机驱动器使用16 微步进（micro stepping）模式没什么问题，能实现两个关节 旋转，最高 末端精度（距离底座半径越大精度越低）。这样已经足够了，编程随便画些东西！
很久以后我发图出来，才有网友说这不是SCARA嘛。啊？我真不知道。如果有导师指导应该会好很多，不过胡猜瞎试也是另一种乐趣。
5. 绘画直线算法
除了画点以外，最简单的图形应该是直线。我比较熟悉在光栅图像里画线的方法，最近也写过一篇《用 C 语言画直线》。然而，Bresenham 画线算法源于控制 XY plotter，不能用在旋转关节。
设计机械臂硬件的时候，我也没有仔细去想怎样编程，心想：「应该没什么问题吧，到时再想。」
我不但没学过机械设计，也没学过控制。在图形学中学过逆向运动学（inverse kinematics），可以把目标的世界坐标转换成关节的角度。但似乎不行，我不知道世界坐标中应该步进多长的距离，两个旋转角度又怎样用多个单步、什么频率？
这次我也没有直接去找相关专著找答案。我觉得这应该不会是十分困难的问题，我尝试自行想个算法解决。
分析一下，先不考虑频率，我们每个离散步只能有 8 种输出：每个轴顺时针步进／逆时针步进／待机，但不会两个轴同时待机， 。那么，我们可以分别对 8 种输出，计算出旋转后的末端世界坐标。然后，找出向直线方向移动（不应回头）而又最接近直线的一种输出！
我实验用这个算法，画各种角度的直线、正方形，效果也不错！ ⋯⋯但是有点抖。
这是因为，每次移动的距离是不一样的，但我都只是简单地延迟相同的间隔，所以直线上的移动速度并不平均。这并不难解决，只要按该步的欧氏距离及目标速度，就能计算出该步的延迟时间。实验也成功显示这样会减少抖动。
还有一个问题，就是开始和结束的时候的抖动。这是因为我们开始时从静止突然加速到目标速度，结束时则相反。解决方法是引入线性加速度，让笔从慢至快、快至慢地移动。以下实际上是第二届比赛前录制的视频，但能演示画直线的动作：
<iframe allowfullscreen="allowfullscreen" class="css-uwwqev" data-mce-fragment="1" frameborder="0" src="https://video.zhihu.com/video/928749126110298112?player=%7B%22autoplay%22%3Afalse%2C%22shouldShowPageFullScreenButton%22%3Atrue%7D" title="video"></iframe>6. 第一届Intel杯创新大赛
因为当时已接近第一届的比赛日子，我决定这一届只提交机器臂的部分。我继续写了个简单的 SVG 解析器，把 Bezier 曲线分割成线段绘画。下面是画一幅 SVG 的过程片段：
<iframe allowfullscreen="allowfullscreen" class="css-uwwqev" data-mce-fragment="1" frameborder="0" src="https://video.zhihu.com/video/928757235193114624?player=%7B%22autoplay%22%3Afalse%2C%22shouldShowPageFullScreenButton%22%3Atrue%7D" title="video"></iframe>最后做 presentation、演讲、即场演示，赢得第一届Intel杯创新大赛一等奖！
从最初构想至第一届创新大赛比赛日大约历时一年，但实际上有很多个月都没有搞，估计大约花了三个月左右的工余时间。由于工具和硬件都在公司，而我晚上又坐班车回家，所以除了设计阶段在家里进行，其他都是用午饭时间搞的。
此阶段的制作成本（不包括工具）一览：
下篇讲述继续参加第二届创新大赛，加入 Intel RealSense 和实现素描算法，以及对这个项目的感悟。
参考
[1] McRoberts, Michael, Brad Levy, and Cliff Wootton. Beginning Arduino. New York.: Apress, 2010.《Arduino从基础到实践》，杨继志、郭敬译，电子工业出版社，2013。（已有中文版第二版）
[2] Tresset, Patrick, and Frederic Fol Leymarie. "Portrait drawing by Paul the robot." Computers & Graphics 37.5 (2013): 348-363.
[3] Roberts, Dustyn. Making Things Move DIY Mechanisms for Inventors, Hobbyists, and Artists. McGraw Hill Professional, 2010. 《Maker机械电子创意实现与项目制作》，郭洪红译， 科学出版社，2013。
标签：直线,机器,写生,电机,机器人,持笔,步进,设计 来源： https://www.cnblogs.com/FrostyForest/p/16484162.html
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