毛笔字机器人的结构设计

摘要：毛笔字机器人基于平行四边形结构机械手进行设计，在末端执行器上加上设计的毛笔夹持机构，通过单片机控制，步进电机驱动。利用四轴机器臂控制毛笔的空间运动，从而实现机器人写毛笔书法。

关键词：毛笔字 关节型机器人 四轴机械臂 三维建模

前言：书法是中华民族传统文化瑰宝之一，特别是软笔书法有近2000年的悠久历史。中国书法艺术的传播，继承与发展是通过对前人的笔迹进行临摹，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。毛笔字机器人在机器人教学和科普展览等方面有着重要的意义。

随着机器人技术研究的深入和发展, 人们越来越倾向于研究类似于人类, 能够模仿人类特定行为的类人机器人。书写是人类的重要特征之一, 因此研制能模仿人类的书写和绘画功能的机器人是人类的愿望之一。机器人要模仿人类的书写离不开机构设计。对于书法机器人来说, 最重要的是多自由度机器人手臂的机构设计。因此,对书法机器人手臂进行研究, 具有重要的实践价值。

正文

1.国内外发展概况

国外机械臂的研究最早追溯到20世纪40年代，美国国家实验室开发用于处理放射性物质的遥控机械手。1978年Unimation推出的通用工业机器人PUMA标志着工业机器人技术的成熟。到了20世纪90年代国外才有人将机器人与书法绘画结合起来。国内的相关研究则起步较晚，2015年香港中文大学展示了一款6自由度的书法机器人。

在获取图画源方面，从最初单纯的轨迹规划生成图画发展到基于图像处理技术，可分为两个发展阶段：一是直接处理数字图像生成机械臂执行轨迹，二是通过机器视觉技术在真实环境中获取图像，再通过图像处理生成执行轨迹。在轨迹控制方面，一是从原先的 3 自由度发展到 6 自由度机械臂控制；二是由二维平面的图画绘制发展到了 2.5D 以及 3D 绘图；三是由单纯的开环轨迹控制发展到了基于视觉反馈的轨迹执行控制。在绘制工具方面已经发展出喷涂式、硬笔式、软笔式、毛笔式等。