Picasso - The Robotic Reincarnation

Mi-am propus realizarea unui pen plotter — un dispozitiv robotic capabil să deseneze automat pe hârtie. Un pix, fixat într-un suport mobil, este ghidat de un sistem mecanic cu două axe (X și Y), permițând trasarea cu precizie a contururilor imaginilor sau a textelor furnizate de utilizator. Robotul poate desena o varietate de forme, fie geometrice, fie preluate din imagini digitale, precum și caractere sau simboluri.

Orice imagine se poate transforma într-un șir de vectori. Cu acest robot, practic, am simulat o imprimantă, capabilă să reproducă orice de la forme simple și imagini, până la scris de mână.

Se poate utiliza la orice proiect artistic, întrucât, acest robot este un Pablo Picasso al PM Fair.

Proiectul are ca și controller un Arduino Uno peste care este montat un CNC Shield V3.

Am utilizat următoarele concepte:

• GPIO — pentru controlul pinilor digitali, butoane, endstop-uri și motoare.
• UART — pentru comunicare serială cu PC-ul, debugging și monitorizare.
• Întreruperi — prin gestionarea evenimentelor cu debounce software la butoane.
• Timere / PWM — pentru control temporizat (servo, debounce, step) și generarea semnalelor PWM.

Am folosit PlatformIO integrat în VS Code. Am folosit Arduino.h, Servo.h și Stepper.h ca biblioteci externe.

Am creat următorul API pentru deplasarea într-un sistem de coordonate xOy folosind motoarele, respectiv pentru acționarea pixului:

// mută pixul la coordonata x = 0
void move_till_X_is_pressed();
 
// mută pixul la coordonata y = 0
void move_till_Y_is_pressed();
 
// mută pixul la coordonatele (x, y), măsurate în milimetri
void move_to(long x, long y);
 
// pune pixul în contact cu hârtia
void put_down();
 
// ridică pixul de pe hârtie
void put_up();

De exemplu, o secvență de cod care desenează un pătrat ar arăta așa:

// poziționăm robotul la coordoatele (0, 0)
move_till_X_is_pressed();
move_till_Y_is_pressed();
 
// ne mutăm într-un colț al pătratului
moveTo(100, 100);
delay(500);
 
// punem pixul pe hârtie
put_down();
delay(500);
 
// desenăm prima latură
move_to(100, 150);
delay(500);
 
// desenăm a doua latură
move_to(150, 150);
delay(500);
 
// desenăm a treia latură
move_to(150, 100);
delay(500);
 
// desenăm a patra latură
move_to(100, 100);
delay(500);
 
// ridicăm pixul de pe hârtie
put_up();

Pentru generarea unor imagini mai complexe, am folosit un script de python care convertește, folosind OpenCV, o imagine într-o serie de instrucțiuni de ”move”, ”up” și ”down”. Instrucțiunile sunt încărcate în flash, de unde sunt executate linie cu linie de către robot.

Un exemplu de astfel de secvență arată așa:

72 18
DOWN
78 5
80 6
72 18
UP
138 21
DOWN
139 21
UP
137 22

Mai jos avem un video demonstrativ:

În stânga avem imaginea de la care am pornit. Script-ul a convertit-o într-un set de 499 de comenzi. Rezultatul se află în dreapta:

De asemenea, putem observa pipeline-ul și pentru o poză cu mai multe detalii artistice:

Proiectul a demonstrat cu succes posibilitatea construirii unui pen plotter funcțional folosind componente accesibile și programare pe platforma Arduino. Prin controlul a două motoare pas cu pas și a unui servomotor, am reușit să obținem mișcare bidimensională și control asupra instrumentului de scris.

Dispozitivul este capabil să deseneze forme geometrice simple (pătrat, triunghi, cerc), demonstrând precizie și repetabilitate în execuție. De asemenea, a fost integrată o logică de calibrare automată prin endstop-uri, precum și control manual prin butoane.

https://github.com/deniscovei/arduino_pen_plotter/

Dragă jurnal, iată drumul meu spre exprimarea mea artistică:

• 3 mai - Primele 9 ore din proiect pentru realizarea Bill of materials, comandate de la 6 magazine diferite. Am adormit la 6 dimineața. Nu știam că acea seară îmi va strica de tot ritmul circadian pentru următoarea lună. Dar a meritat.
• 7, 8 mai - Comand și butoane în caz de orice. De asemenea am luat și niște senzori IR, just in case, că poate îi pun si scanner. Am avut o tentativă să comand și un ecran LCD cu touchscreen ca să îl pun să deseneze ce îi dau eu pe ecran. M-am uitat în portofel și în calendarul meu și am realizat că nu mai am nici timp, nici bani pentru asta.
• 12 mai - Ajunge și ultima comandă.
• 17 mai - Proiectul este asamblat în proporție de 90% după 12 ore continue de dibuială. Piesele 3D au fost topite pe alocuri cu pistolul de lipit cu fludor (ironic, știu). Sistemul de axe xOy funcționează. Nu am reușit să fixez pixul pe servo într-o poziție stabilă.
• 18 mai - Overengineering: FSM pentru Servo. Denis din viitor va înlocui acel FSM cu 4 stări codate în 35 de linii cu 2 funcții de 3 linii care doar trimit un puls la servo (unul pentru UP, altul pentru DOWN).
• 19 mai - Prima linie trasată. Am improvizat un suport dintr-un umeraș rupt și lipit într-o poziție favorabilă pe servo deoarece suportul printat nu culisa corespunzător. Momentan desenează numai linii paralele cu sistemele de axe.
• 25 mai - Posibil să fi ars motoarele. Am adăugat biblioteci în soft și am scurtat puțin din munca manuală. API-ul este gata. Acum poate desena orice linie într-un dreptunghi de 23cm x 30cm. Cu liniile acestea putem face acum orice. Limita e cerul. Urmează să convertim imagini in ceva ce roboțelul poate înțelege și reproduce. Sunt optimist că nu se va arde nimic.
• 27 mai - Motoarele nu sunt arse, am sudat niște fire prost. Proiectul este într-o stare funcțională. Desenează pătrate, triunghiuri și tentative de cercuri. Trebuie să trag o tură până la Dedeman ca să iau șuruburi pentru lemn. Mai dibuim puțin la soft și va merge.
• 29 mai - Picasso începe să deprindă aptitudini artistice. A desenat un chinezoi.
• 30 mai - Picasso o desenează pe Mona Lisa și pe Dan Tudose. De asemenea, poate desena o pisică, un chinez, logo-ul ACS și scrie ”PM FAIR 2025”.

Corelația pinilor pe CNC shield cu Arduino: