書(shū)法機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種書(shū)法機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]漢字書(shū)法有特殊的文化、藝術(shù)價(jià)值，蘊(yùn)含著中國(guó)的文明歷史和民族感情。盡管中文書(shū)法發(fā)展了 2000年以上，卻在最近20多年被計(jì)算機(jī)打印輸出的文字取代。打印機(jī)輸出的文字僅僅具有文字符號(hào)意義，與文化藝術(shù)再也沒(méi)有聯(lián)系。近年已經(jīng)出現(xiàn)不少的書(shū)法機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，在設(shè)計(jì)思路上都是比較科學(xué)的，但是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面尚有較大缺陷，因而難以廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的書(shū)法機(jī)器人設(shè)計(jì)方案有:1、使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人做執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2、使用具有三個(gè)平移軸的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)做執(zhí)行機(jī)構(gòu)；3、使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的多軸機(jī)械臂做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人使用伺服電機(jī)加精密減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，精度高、速度快、手腕高度靈活，但是價(jià)格至少10萬(wàn)元起，只能做演示而已。類似雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的書(shū)法機(jī)器人體積大、笨重、速度慢、價(jià)格也較高，難以放置在桌面工作，不能廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室環(huán)境。而以舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂精度低誤差很大，而且因?yàn)槎鏅C(jī)的特性字庫(kù)數(shù)據(jù)編程工作量極大，只能定位為玩具。因此有必要設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、性能優(yōu)異、精度極高且經(jīng)久耐用的書(shū)法機(jī)器人，其使用方法應(yīng)與現(xiàn)有打印機(jī)類似，輸出應(yīng)具有藝術(shù)水平，并能夠被大多數(shù)家庭、辦公室接受，放置于桌面作為日常文字輸出工具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能4自由度書(shū)法機(jī)器人。步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、精度高的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器同樣穩(wěn)定可靠，而且能夠微型化嵌入電機(jī)內(nèi)部。機(jī)械臂12-24伏低壓供電，平均電功率小于50瓦，可以電池供電。重復(fù)定位精度高，誤差小于0.1毫米。
[0004]書(shū)法機(jī)器人結(jié)構(gòu):為3轉(zhuǎn)軸串聯(lián)式水平旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂，末端加一個(gè)垂直方向平移軸。其中肩關(guān)節(jié)1、肘關(guān)節(jié)3和腕關(guān)節(jié)5都由步進(jìn)電機(jī)13、同步帶輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)14構(gòu)成；平移軸6由步進(jìn)電機(jī)16、導(dǎo)軌18、滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)19構(gòu)成。軟筆尖書(shū)寫(xiě)筆9固定在平移軸6上，筆上連有供墨通道4。平移軸與書(shū)寫(xiě)筆固定裝置之間裝有一個(gè)壓力傳感器8，用以感知、控制筆尖的力度。在每一軸的一端各裝有一個(gè)限位開(kāi)關(guān)26，用于初始化定位。書(shū)法機(jī)器人的底座上設(shè)計(jì)有放紙區(qū)域11，放紙區(qū)底部有小孔陣列10，通過(guò)一定程度的真空負(fù)壓固定并平整紙張。真空負(fù)壓通過(guò)排風(fēng)扇12、空氣通道產(chǎn)生。
[0005]高速嵌入式電腦構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制器控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器和功率驅(qū)動(dòng)器嵌入到機(jī)械臂內(nèi)部，機(jī)械臂不需要單獨(dú)的控制柜。個(gè)人電腦通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與書(shū)法機(jī)器人通信，發(fā)送控制指令給機(jī)械臂，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)指令做相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，運(yùn)動(dòng)到指定位置，并發(fā)送狀態(tài)信息給個(gè)人電腦。個(gè)人電腦端安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、特殊字庫(kù)等軟件，通過(guò)字處理軟件編排后發(fā)送指令給書(shū)法機(jī)器人輸出。每一個(gè)字的路徑數(shù)據(jù)由個(gè)人電腦端軟件計(jì)算得出，其方法是根據(jù)字庫(kù)數(shù)據(jù)提取字形及筆畫(huà)信息，結(jié)合書(shū)法運(yùn)筆規(guī)則、輸出字形大小計(jì)算出路徑順序、關(guān)鍵點(diǎn)XYZ坐標(biāo)值。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:1、通過(guò)模擬人書(shū)寫(xiě)毛筆時(shí)的手臂動(dòng)作設(shè)計(jì)的機(jī)械臂，其結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，精度高、堅(jiān)固耐用而又成本低，易于廣泛應(yīng)用；2、機(jī)械臂使用嵌入式電腦做運(yùn)動(dòng)控制器，插值運(yùn)算精確快速、高效穩(wěn)定，控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)微型化、節(jié)能省電，可以電池供電；3、個(gè)人電腦端軟件功能強(qiáng)大，能夠分析漢字筆劃結(jié)構(gòu)，懂得不同字體狀況下的各種運(yùn)筆技巧，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算出漢字的機(jī)器人路徑數(shù)據(jù)，是書(shū)法機(jī)器人的藝術(shù)靈魂。用戶使用過(guò)程中只需通過(guò)字處理軟件選擇字形、編輯排版即可輸出，使用簡(jiǎn)便。以上有益效果使本書(shū)法機(jī)器人具有極高性能又小巧輕便價(jià)廉，適合進(jìn)入家庭和辦公室應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0007]以下附圖中所包含的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖都屬于示意性質(zhì)，用于說(shuō)明本發(fā)明的工作原理，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸、安裝結(jié)構(gòu)、連接方式等都可以靈活設(shè)計(jì)，本發(fā)明不受圖示機(jī)械傳動(dòng)尺寸結(jié)構(gòu)的限制。
[0008]圖1:書(shū)法機(jī)器人總體效果圖
[0009]圖2:書(shū)法機(jī)器人主視圖
[0010]圖3:關(guān)節(jié)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
[0011]圖4:壓力傳感器主視圖
[0012]圖5:壓力傳感器效果圖
[0013]圖6:軟件模塊圖
【具體實(shí)施方式】
[0014]書(shū)法機(jī)器人的機(jī)械臂尺寸與人手臂相仿，大臂I長(zhǎng)250毫米，小臂3長(zhǎng)250毫米，手臂5長(zhǎng)80毫米，垂直移動(dòng)軸6行程80毫米。傳動(dòng)減速比為30: I時(shí)最高可以達(dá)到I米每秒的移動(dòng)速度。設(shè)計(jì)時(shí)按照0.1毫米的重復(fù)定位精度計(jì)算，對(duì)于書(shū)法動(dòng)作的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。
[0015]書(shū)法機(jī)器人的運(yùn)行是通過(guò)個(gè)人電腦端軟件和機(jī)械臂端軟件協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。個(gè)人電腦端軟件包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、排版編輯系統(tǒng)、字體庫(kù)及字庫(kù)到運(yùn)動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換程序。機(jī)械臂端軟件就是嵌入式電腦的三維插值運(yùn)算程序。電腦與機(jī)械臂通過(guò)USB信號(hào)線進(jìn)行通信。
[0016]排版編輯系統(tǒng)與一般字處理軟件沒(méi)有差別，增加了書(shū)寫(xiě)速度設(shè)定。字體庫(kù)包括多種字體，其中通用字體如宋體、楷體、行書(shū)、魏碑等直接通過(guò)個(gè)人電腦的字庫(kù)轉(zhuǎn)換獲得，另外可以根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)專門(mén)的名家字體庫(kù)如王羲之字庫(kù)。運(yùn)動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換程序提取字形編碼，分析字形結(jié)構(gòu)，獲得漢字的筆劃順序；再根據(jù)不同字體的運(yùn)筆、起落技巧生成三維運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)。軟件支持用戶偏好設(shè)置，可以在原字形基礎(chǔ)上由用戶設(shè)定自己的特征，使每一種字體都可以按照用戶的愛(ài)好進(jìn)行微調(diào)，形成各具特色的用戶個(gè)性字體。另外運(yùn)動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換程序根據(jù)確定的規(guī)則可以進(jìn)行可控程度的自由發(fā)揮，允許每一個(gè)輸出寫(xiě)出的筆劃有隨機(jī)變化量，避免千遍一律。
[0017]機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)USB總線接收運(yùn)動(dòng)指令，進(jìn)行插值計(jì)算，然后輸出給4個(gè)軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的四個(gè)轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)，使機(jī)械臂按照指令規(guī)定的速度定位到目標(biāo)點(diǎn)。此運(yùn)動(dòng)控制器算法精確高效，可以不必要編碼器反饋，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)輕小負(fù)載轉(zhuǎn)矩低，通過(guò)大量應(yīng)用測(cè)試沒(méi)有丟步狀況發(fā)生。運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)返回位置信息到數(shù)據(jù)總線給電腦?而軟件。
[0018]機(jī)械臂垂直移動(dòng)軸裝有壓力傳感器和軟筆。壓力傳感器8設(shè)定2毫米(可以設(shè)定0.1到6毫米范圍)的彈性變化范圍，通過(guò)壓力傳感器感知觸紙力度，因此可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的字形線條輸出品質(zhì)。壓力傳感器由壓力調(diào)節(jié)彈簧33、滑動(dòng)強(qiáng)磁鐵34、固定霍爾元件31三部分構(gòu)成，旋鈕32可調(diào)節(jié)彈簧設(shè)定壓力敏感范圍，霍爾元件接受固定磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)線性放大器傳給嵌入式電腦。每一個(gè)壓力傳感器需要標(biāo)定后才能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
[0019]軟筆通過(guò)供墨管道4連續(xù)供墨。連續(xù)供墨采用毛細(xì)原理，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)通道的管徑、長(zhǎng)度、高度差，可以實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定持續(xù)的供墨效果。筆頭、管道設(shè)計(jì)為易拆裝結(jié)構(gòu)，方便更換。
[0020]書(shū)法機(jī)器人的底座與放紙裝置一體，放紙區(qū)11設(shè)計(jì)尺寸430*300毫米，可以并列2張Α4紙。只能放一層紙，底部有小孔陣列10，通過(guò)通風(fēng)管道產(chǎn)生負(fù)壓吸附，使紙平整穩(wěn)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.書(shū)法機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括:肩關(guān)節(jié)1，肘關(guān)節(jié)3，腕關(guān)節(jié)5，平移軸6，三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)平移軸都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂外端連接有壓力傳感器8和軟筆9，軟筆有導(dǎo)管連續(xù)供墨，機(jī)械臂與底板11 一體，底板有小孔陣列10排風(fēng)負(fù)壓12固定紙張。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其特征在于:機(jī)械臂四個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)都使用步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，12到24伏低電壓驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)械臂，其特征在于:轉(zhuǎn)軸1、3、5由步進(jìn)電機(jī)、同步帶減速機(jī)、軸承構(gòu)成，平移軸6由步進(jìn)電機(jī)、絲桿導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂，其特征在于:機(jī)械臂與軟筆之間有一個(gè)壓力傳感器8。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其特征在于:嵌入式電腦構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制器控制機(jī)械臂四軸聯(lián)動(dòng)，按指令規(guī)定的速度穩(wěn)速運(yùn)行，通過(guò)插值計(jì)算實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其特征在于:具有毛細(xì)原理的導(dǎo)管連續(xù)供墨功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其特征在于:書(shū)法機(jī)器人控制系統(tǒng)包括個(gè)人電腦端軟件、USB數(shù)據(jù)總線、運(yùn)動(dòng)控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力傳感器，其特征在于:由霍爾元件31、強(qiáng)磁鐵32及可調(diào)整彈簧33構(gòu)成，輸出電壓信號(hào)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種書(shū)法機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)包括：機(jī)械臂、軟頭書(shū)寫(xiě)筆、壓力傳感器、連續(xù)供墨管道、負(fù)壓吸附固定紙平面、個(gè)人電腦端軟件。機(jī)械臂具有3個(gè)水平旋轉(zhuǎn)軸加一個(gè)垂直移動(dòng)軸，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸都由步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)同步帶傳動(dòng)，平移軸用導(dǎo)軌絲桿傳動(dòng)；壓力傳感器感知并控制軟筆的力度；毛細(xì)原理連續(xù)供墨；采用嵌入式處理器構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制器，重復(fù)定位精度小于0.1毫米；運(yùn)動(dòng)控制器與電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路嵌入機(jī)械臂內(nèi)部，不需要外置控制柜；機(jī)械臂與電腦通過(guò)USB連接，在個(gè)人電腦端軟件控制下寫(xiě)字。個(gè)人電腦端軟件包括排版編輯、字庫(kù)、字形分析及路徑數(shù)據(jù)計(jì)算等，用戶操作簡(jiǎn)便不需學(xué)習(xí)。整體結(jié)構(gòu)輕便，制造成本低而功能強(qiáng)大，適于辦公及家庭使用。
【IPC分類】B25J11-00, B25J17-02, B25J13-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104875208
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510319874
【發(fā)明人】楊雷, 楊文光, 趙楠
【申請(qǐng)人】趙楠, 楊文光, 楊雷
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月11日