[发明专利]书法机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种书法机器人。

背景技术

汉字书法有特殊的文化、艺术价值，蕴含着中国的文明历史和民族感情。尽管中文书法发展了2000年以上，却在最近20多年被计算机打印输出的文字取代。打印机输出的文字仅仅具有文字符号意义，与文化艺术再也没有联系。近年已经出现不少的书法机器人设计思路，在设计思路上都是比较科学的，但是在技术实现方面尚有较大缺陷，因而难以广泛应用。现有的书法机器人设计方案有：1、使用标准工业机器人做执行机构；2、使用具有三个平移轴的雕刻机结构做执行机构；3、使用舵机驱动的多轴机械臂做执行机构。工业机器人使用伺服电机加精密减速机驱动，精度高、速度快、手腕高度灵活，但是价格至少10万元起，只能做演示而已。类似雕刻机结构的书法机器人体积大、笨重、速度慢、价格也较高，难以放置在桌面工作，不能广泛应用于家庭、办公室环境。而以舵机驱动的机械臂精度低误差很大，而且因为舵机的特性字库数据编程工作量极大，只能定位为玩具。因此有必要设计一种价格低廉、性能优异、精度极高且经久耐用的书法机器人，其使用方法应与现有打印机类似，输出应具有艺术水平，并能够被大多数家庭、办公室接受，放置于桌面作为日常文字输出工具。

发明内容

本发明设计实现了一个由步进电机驱动的高性能4自由度书法机器人。步进电机具有结构简单、性能稳定可靠、精度高的特点，步进电机的驱动器同样稳定可靠，而且能够微型化嵌入电机内部。机械臂12-24伏低压供电，平均电功率小于50瓦，可以电池供电。重复定位精度高，误差小于0.1毫米。

书法机器人结构：为3转轴串联式水平旋转机械臂，末端加一个垂直方向平移轴。其中肩关节1、肘关节3和腕关节5都由步进电机13、同步带轮减速传动机构14构成；平移轴6由步进电机16、导轨18、滚珠丝杆传动机构19构成。软笔尖书写笔9固定在平移轴6上，笔上连有供墨通道4。平移轴与书写笔固定装置之间装有一个压力传感器8，用以感知、控制笔尖的力度。在每一轴的一端各装有一个限位开关26，用于初始化定位。书法机器人的底座上设计有放纸区域11，放纸区底部有小孔阵列10，通过一定程度的真空负压固定并平整纸张。真空负压通过排风扇12、空气通道产生。

高速嵌入式电脑构成的运动控制器控制机械臂运动。运动控制器和功率驱动器嵌入到机械臂内部，机械臂不需要单独的控制柜。个人电脑通过USB数据线与书法机器人通信，发送控制指令给机械臂，机械臂运动控制器根据指令做相应动作，进行插补运算，运动到指定位置，并发送状态信息给个人电脑。个人电脑端安装设备驱动程序、特殊字库等软件，通过字处理软件编排后发送指令给书法机器人输出。每一个字的路径数据由个人电脑端软件计算得出，其方法是根据字库数据提取字形及笔画信息，结合书法运笔规则、输出字形大小计算出路径顺序、关键点XYZ坐标值。

本发明的有益效果是：1、通过模拟人书写毛笔时的手臂动作设计的机械臂，其结构科学合理，精度高、坚固耐用而又成本低，易于广泛应用；2、机械臂使用嵌入式电脑做运动控制器，插值运算精确快速、高效稳定，控制及驱动系统微型化、节能省电，可以电池供电；3、个人电脑端软件功能强大，能够分析汉字笔划结构，懂得不同字体状况下的各种运笔技巧，并以此为基础计算出汉字的机器人路径数据，是书法机器人的艺术灵魂。用户使用过程中只需通过字处理软件选择字形、编辑排版即可输出，使用简便。以上有益效果使本书法机器人具有极高性能又小巧轻便价廉，适合进入家庭和办公室应用。

附图说明

以下附图中所包含的机械结构图都属于示意性质，用于说明本发明的工作原理，机械结构尺寸、安装结构、连接方式等都可以灵活设计，本发明不受图示机械传动尺寸结构的限制。

图1：书法机器人总体效果图

图2：书法机器人主视图

图3：关节传动结构图

图4：压力传感器主视图

图5：压力传感器效果图

图6：软件模块图

具体实施方式

书法机器人的机械臂尺寸与人手臂相仿，大臂1长250毫米，小臂3长250毫米，手臂5长80毫米，垂直移动轴6行程80毫米。传动减速比为30∶1时最高可以达到1米每秒的移动速度。设计时按照0.1毫米的重复定位精度计算，对于书法动作的应用已经足够了。