关节型书法机器人的设计与制作-胡学桐演示教学

类人型书法机器人的设计与制作

胡学桐

内容提要：书法是中华民族传统文化瑰宝之一，几千年来中国书法艺术的传播、继承与发展主要是通过对前人的笔迹（通常为碑帖）进行学习和模仿来实现。不同的人不同的环境面对相同的临摹对象，临摹出的效果往往也不一样。在数字化和机械化飞速发展的今天完全可以通过机器人来实现书法写作的过程。将中国古老的书法与能够集中体现现代化高新技术的机器人完美结合起来。利用机器人控制毛笔的空间运动，从而实现机器人写毛笔书法。

关键字：关节型机器人、毛笔书法、润笔

正文：

2010中国机器人大赛舞蹈机器人比赛由我们自主设制作的书法机器人获得了该项比赛的冠军。并受到中央电视台的现场直播。该机器人实现了通过单片机控制舵机完全独立自主的完成书法写作的一系列过程，包含了书写、润笔、走纸等。再加上其所书写的颇具古风的“和谐之家”四个字与农家院背景相融合展现出了和谐这个社会主题元素

一、类人型书法机器人的系统构成

一张单片机的关系图

类人型书法机器人系统的硬件结构由机械臂、身体、控制芯片、写作平台、电源、毛笔、宣纸及墨汁组成。

1．机械臂

机械是由6个舵机与配套的非标准件构成，舵机的型号为SR-403P,舵机主要靠脉冲定位，舵机每收到一个脉冲，就会旋转一定的角度。由单片机判断旋转方向，发出信号给舵机，驱动舵机开始转动，通过减速齿轮将动力传至臂摆，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经达到指定位置。通过单片机输出一定频率的脉冲，来控制舵机的旋转速率。该类型舵机具有扭力大，转速高，负载大，位置精度高，转

速均衡等特点，适合机器人的驱动。非标准件由舵机套、十字衔接器和卡口组成，材料为铝材，质量轻，机械轻度高。其制作过程，完全由学员自己动手完成，且各部位都经过静力学分析，保证了机器人的优化设计。非标准件与舵机连接的紧密程度，直接影响到机器人结构的稳定性，对机器人能否完成既定动作起着关键作用。作为类人型书法机器人的主要功能部件机械臂能够完全独立自主的完成毛笔字的书写和润笔。它的运动结构是模仿人书写毛笔是手臂所用到的自由度，控制肩部、肘部和腕部的俯仰左右，还有控制手指转笔的功能（主要用在润笔的时候）

2．身体

由13个舵机配套的非标准件构成，为机器人写毛笔字提供一个稳定的平台，而且还可以实现简单的移动。采用特殊的舵机结合技术提高了腿部的灵活性和机动性。同时脚板使用亚克力板，增大了与场地的摩擦。

3．控制芯片

选用avr单片机做类人型书法机器人的控制芯片

4．写作平台

写作平台是由两部分组成：一是支撑结构是我们用有机玻璃板制成配合类人型书法机器人的高度书写。二是卷纸结构由一个舵机加转轴实现可控速度可控距离的走纸，在润笔的同时自动走纸将空白的纸传送到书写位置。

5．电源

7．6~8.3v

二、类人型书法机器人的程序设计

6程序设计原理图三、类人型书法机器人的调试运行

1．调试电路及其连接

线路连接

舵机与用户板的连接调试接口电路的连接电源线的连接

张帅

2．调试软件（界面）

3．调试方法及步骤

实时调试。根据设计目标和做动作时出现的具体情况，筛选出可行性较好的动作，剔除个别动作，确保动作的流畅性和观赏性。调试过程中对每个动作进行细致的力学分析，尤其是对每个动作中机器人的重心位置和摩擦力的分析。最后，用专用调试软件调试出设定动作。

四、类人型书法机器人常用字的字库建立

书法字库的建立是一项关键的工作，它直接影响机器人书写的质量与效果。中国汉字近10000个，在建立字库时不可能对每一个字，每一个字体单独编程否则即浪费时间又浪费人力物力，是极不现实的。

因此，我们先对汉字的构架进行了分析和分类，借鉴五笔字根将常用汉字拆分为基本笔画和基本部首。针对不同的字体风格编写书法机器人书写笔画程序，并作为一个笔画类模块或子程序存储。其次对某一字体的常用部首根据已编写的相应笔画程序构建一个个独立的部首类模块或子程序以方便对整字的后续编写。最后针对某一子程序字体的某一具体汉字通过调用已近编制完成的相应笔画和部首类模块或子程序可以构建成该字。该字的大小可由成员函数或参数来调整。

通过这样的编程既可以大大减少编程的工作量，又具有组字的灵活性。若要添加新字只需要用已知的笔画和部首进行适当的组装即可。

五、类人型书法机器人从在不足与未来发展

1．整体稳定性较差

该类人型书法机器人的整体稳定性较差主要体现在书写的时候和走动的时候不够稳定虽然它是完全按照人体的比例设计制作可是在具体的细节部位还有待进一步的提高。

2．主要承重舵机易发热

在肩部和肘部的舵机因承受的力矩比较大所以在较长时间工作后会发热，严重超时甚至导致舵机烧毁。而脚腕部的舵机和胯部的舵机有时因舵机提供的力矩不够而无法正常移动。

3．书写速度慢

由于每次写完字后要进行润笔而不同的情况润笔的时间也不相同。所以整体的书写速度较慢而且持续性不强，无法完成长时间大批量的书写。

4.人机交互性差

目前该机器人主要是开环控制，缺乏信息的反馈，同时也就无法通过传感器来判断不同的场景做出相应的调整。

在下一步的开发过程中主要有几个方面一是在结构方面要进一步改善提高它的稳定性和承重能力;二是精确计算所需力矩和极限力矩防止出发舵机发热或烧毁的情况；三是加入力敏和光敏传感器使得机器人能够感知外界情况，并且做出相应的判断。