仿人形書法機(jī)器人設(shè)計

賈廣臣+李志豪+李光耀+顧宗磊

【摘 要】中國書法藝術(shù)的傳播，繼承與發(fā)展主要是通過對前人的筆跡（通常為碑帖）進(jìn)行學(xué)習(xí)和模仿來實現(xiàn)。在這種學(xué)習(xí)和模仿的過程中，面對相同的臨摹對象，由于書寫水平的高低往往因人而異，因此，臨摹出來的效果也不一樣。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，不同的字體（如楷書，行楷及魏碑等）的書寫技巧都有其固有的規(guī)律性可供遵循。在數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，完全可以對書法的書寫技巧進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)字化處理，將中國古老的書法藝術(shù)與能夠集中體現(xiàn)現(xiàn)代高新技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品—機(jī)器人完美地結(jié)合起來，利用機(jī)器人控制毛筆的空間運(yùn)動，從而實現(xiàn)機(jī)器人書寫中國書法。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人；機(jī)械臂；計算機(jī)編程；書法；控制

中圖分類號： TP393-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）32-0021-002

【Abstract】The spread， inheritance and development of Chinese calligraphy art are mainly realized by learning and imitating the handwriting （usually rubbings） of predecessors. In this process of learning and imitation， in the face of the same object of copying， the effect of copying is different because the level of writing often varies from person to person. Through the analysis， we can find that the writing skills of different fonts （such as regular script， line script and Wei tablet） have their inherent regularities to follow. Today， with the rapid development of digital technology， it is entirely possible to digitize the writing skills of calligraphy appropriately. Combining the ancient Chinese calligraphy art with the mechatronic product robot that can fully embody the modern high-tech， we use the robot to control the writing brush The space movement， so as to achieve robot writing Chinese calligraphy.

【Key words】Intelligent robot； Robot arm； Computer programming； Calligraphy； Control

0 前言

中國書法經(jīng)過4000年的繼承與創(chuàng)新，成為最具有中華文化特色的傳統(tǒng)藝術(shù)門類，作為我國特有的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，在西方文化滲透，部分國民崇洋媚外的環(huán)境下，為保護(hù)書法文化，讓更多的民族認(rèn)識中國書法，熱愛書法，學(xué)習(xí)書法，普及書法教育是對中國書法文化的重要保護(hù)措施之一，是弘揚(yáng)文化，振興中華的有效途徑。

設(shè)計此仿人形結(jié)構(gòu)書法機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程并在舵機(jī)驅(qū)動板控制下完成書寫的機(jī)械裝置，運(yùn)用機(jī)械手改變毛筆的空間位置使其在空間內(nèi)按照特定方式運(yùn)行，具備一些與人或者生物相似的智能能力，是一種具有高度靈活性機(jī)器人，使用書法機(jī)器人實現(xiàn)個性化形神兼?zhèn)涞臅◤?fù)制和教學(xué)，在普及效率與投入成本方面有著其他機(jī)器人無法比擬的優(yōu)勢，對于促進(jìn)推廣書法教育，保護(hù)中國傳統(tǒng)文化的方面具有重要的價值，這項設(shè)計同樣可以運(yùn)用到工業(yè)娛樂產(chǎn)業(yè)中，促進(jìn)中國精神文化的繁榮發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

書法機(jī)器人擁有可實現(xiàn)180°可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)械手臂，機(jī)械手臂由MG996R型舵機(jī)及舵機(jī)支架構(gòu)成，毛筆位于機(jī)械手機(jī)械手末端，通過計算機(jī)編程控制機(jī)械手及毛筆在空間范圍內(nèi)的運(yùn)動，機(jī)械手位于一個二維平面工作臺，工作臺是有X軸電機(jī)驅(qū)動滑軌，實現(xiàn)機(jī)械手臂的水平范圍內(nèi)的移動，整體系統(tǒng)通過計算機(jī)端口處編程操控實現(xiàn)機(jī)械手臂的脫機(jī)運(yùn)行，完成書法的繪寫。

2 硬件結(jié)構(gòu)及電路原理

機(jī)器人本體采用MG996R系列舵機(jī)構(gòu)成的平面型裝配仿人形機(jī)械手臂MG996R型舵機(jī)控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動，同時X軸向的驅(qū)動電機(jī)完成機(jī)器人本體的軸向位置移動，通過計算機(jī)端口控制程序調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度與速度，控制調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動時間，實現(xiàn)多自由度機(jī)械臂的書寫運(yùn)動。

控制器采用USBSSC—32路舵機(jī)控制器，F(xiàn)T2波RLUS自芯片工作穩(wěn)定，核心部件采用快速高效，低耗能的ATMega168單片機(jī)，貼片式的電路設(shè)計減少電路板體積，增強(qiáng)了抗干擾性，編程書法程序可直接插入ISP程序下載端口，在群舵機(jī)模式下，控制器可以做到自動協(xié)調(diào)通度，此設(shè)計可使書法機(jī)器人的多自由度仿生機(jī)械手臂書寫動作達(dá)到平穩(wěn)流暢。

3 設(shè)計優(yōu)勢創(chuàng)新點(diǎn)

我們設(shè)計的這款機(jī)器人主要由舵機(jī)驅(qū)動板控制，與傳統(tǒng)的書法機(jī)器人相比編寫程序比較簡單，入門門檻低，上手簡單，易操作，適合各種人群。其次我們開發(fā)的這款機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較簡單，加工難度比較低，所以加工成本相對較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

4 結(jié)論

隨著計算機(jī)技術(shù)與人工智能理論的發(fā)展，書法機(jī)器人更著重于對機(jī)器人手臂的控制，這樣更接近人們對于智能機(jī)器人的控制期望，在對書法機(jī)器人的改進(jìn)與提高的過程中，會漸漸向著人工智能與模仿學(xué)習(xí)的方向前進(jìn)，并將發(fā)展型機(jī)器人思想引入到機(jī)器人的書寫動作中去，讓多自由度書法機(jī)器人整體動作能更加貼近人們的期望。

仿人形書法機(jī)器人是智能機(jī)器人技術(shù)的新應(yīng)用， 開發(fā)書法集機(jī)器人的根本目的是希望將中國傳統(tǒng)文化藝術(shù)與現(xiàn)代高新機(jī)器人技術(shù)完美結(jié)合在一起，真正促進(jìn)中國書法文化的傳承與發(fā)展。

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