机器人技术在毛笔书法中的应用研究

曾兴吉

摘 要：中国汉字书法是五千年中华文明的璀璨魂宝。中国的书法艺术是世界上独一无二艺术形式和语言，它是中国古代悠久历史和灿烂文化的体现，毛笔书法机器人艺术与技术是中国文化传承和发展的反映。现在随着毛笔书法机器人技术的日臻成熟毛笔书法机器人书写的字体越来越多样化，书写的过程也越来越流畅自然有韵味。

关键词：机器人；毛笔书法；控制

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0152-02

Abstract： Chinese character calligraphy is the resplendent spiritual treasure of five thousand years of Chinese civilization. Chinese calligraphy art is the unique art form and language in the world. It is the embodiment of ancient Chinese history and its splendid culture. The calligraphy robot art and technology is the reflection of the inheritance and development of Chinese culture. Nowadays， with the brush calligraphy robot technology maturing brush calligraphy robot writing font more and more diversification， writing process is also more and more smooth with its natural charm.

Keywords： robot； brush calligraphy； control

1 毛笔书法机器人系统的硬件组成及实现

毛笔字书法机器人的基本组成部分：

（1）机器人本体：本毛笔书法机器人采用四轴平面型装配机器人，机械臂驱动器采用日本松下的交流伺服机进行控制，因为机器人的机械臂与人的手臂关节非常相似，因此，机器人书写起来与人书写相近，自然有趣味。

（2）机器人控制器：由个人电脑PC计算机和专门用于毛笔字书法的4轴PMAC卡，还有用于自动走纸的走纸控制卡组成。计算机有二种，一种是个人电脑PC计算机，另一种是工地上，作业场地上用的工控机用的计算机，考虑到毛笔书法机器人工作时的具体情况，比如它的工作环境，还有工作性质，因此我们不选工控机用的计算机，而是直接选择了个人电脑PC计算机且采用Windows操作系统。采用PMAC卡一是因为PMAC卡与计算机连接方便，它可通过总线与计算机主板直接连接，其优点是与串口相比较而言，通讯速度更快；二是PMAC卡在Windows操作系统下，对于用户编程以及与界面的接口都是非常方便的。至于走纸控制卡则是为了实现机器人书写过程的全自动化而专门设计的，它是用来自动的送纸和切纸的。（3）切纸和上纸机构：这部分是用来自动完成毛笔书法机器人上纸和切纸的机构。（4）附件：提供机器人书写的工具，如各种型号的毛笔，还有墨汁等，另外，还有连续书写的纸和印章、印泥等也包括在其中。（5）各种值的交直流电源：主要有220V、50HZ交流电源，+24V、士15V、+12V、+5V直流电源。它们的作用就是用来为系统提供各部分所需要的能量。（6）机器人书写平台：这是根据需要而人为搭建的支撑机构，用来支撑机器人主体并提供书写平台。

毛笔书法机器人系统的逻辑关系如图2所示。其工作原理如图2。

当用户选择所需要机器人书写内容后，通过PMAC卡来传递上位机下达的执行命令后，毛笔字机器人的书写执行机构在PMAC卡输出的命令下便作有序驱动，使电机转动，带动机器人书写部分作3D机械运动，从而书写出用户所期望的毛笔字来。

毛笔书法机器人在书写的过程当中，通过电机中安装的码盘传感器读取执行机构-机械手（笔）的实际位置，通过电机来控制调整机械手的实际位置，在这过程中，為了尽量减少机械手的位置执行误差，通过PMAC控制卡读取的实际位置与电机上码盘传感器读取的上位机要求的理论位置，两者相比较后根据比较结果输出控制信号，不断地通过驱动器精确控制电机的实际位置，达到书写要求。

因为毛笔字机器人的执行机构的电动机都是交流电的，其伺服电机也是采用交流绝对码盘式的。这样做的目的是为了确保机器人书写的精确性与所有复位的一致性，另外，系统在书写运行的时候，PMAC控制卡又不断地通过驱动器来读取电机的实时位置，并保存的上位机中，以防不测发生电机位置丢失现象。此外，PMAC控制卡的状态不断地被上位机所检测，一旦它完成了上位机交付给的书写运行程序，走纸或切纸程序在上位机控制下便自动启动起来，这个过程是通过走纸控制卡来达到控制送纸和切纸两个机构来完成的，对于书写好的作品会自动送出，空白纸又被送至书写台，准备好下一次书写。

2 毛笔书法机器人系统的软件实现

如上所述，正因为Windows98操作系统使用的简易性和广泛性，所以毛笔字机器人采用PC计算机系统；另外，因为毛笔字机器人系统在使用前要进行大量的编程，所以该系统中编入了大量的编程时所需的应用程序： VB、VC、PEWIN和EXCEL。

为使参观者易于进入毛笔字机器人的操作系统中操作该书写系统，该机器人系统采用了非常友好的人机界面——VB软件来实现。采用VB软件的原因是因为在此情况下该人机界面不仅界面清晰，而且附有语音提示，便于控制机器人书写操作。

此外，因为毛笔字机器人在书写的过程中，机械手的实际位置不是由上位机直接读取，而是由PMAC控制卡来读取电机实际位置，上位机只是输出理论位置值，要两者进行比较才能控制电机实际位置状态，这过程中包括系统置零、切纸、送空白纸等都是在PMAC控制卡和上位机之间通过双向通讯来完成的，这个双向通讯是自己编程而得的。毛笔字书法机器人的自动切纸和自动送纸，也必须由用户专门编制一个相应的程序来解决。

毛笔书法机器人毛笔字书写质量的高低关键取决于书写字库软件的建立和选择，它是整个系统的关键技术之一。

3 毛笔书法机器人系统的基本功能

该毛笔书法机器人系统的有着怎样的工作流程和怎样的功能呢？现作如下分析：

当你想要使用该机器人来为为你书写的时候，你只要按下起动开关，则系统会发出语音提示你，你只要按照语音提示，选择你想要电脑书写的内容（必须要机器人字库中有的内容），以及你所想要的字体，当然，内容可以是机器人字库当中的一句话或一句诗词，字体也可以自由选择，如楷体、行书、草书和隶书等等。

当你选择书写内容和字体格式后，则按下“确认”键，这时，系统会根据书写内容的多少自动地调节和选择字号大小，包括采用横排或纵排的排版格式，以保证所书写的内容字体大小、位置布置合理、美观，除此之外，毛笔书法机器人还有自动选取毛笔型号和润笔和沾墨的功能，當然这些都要在系统辨认出需要书写的字号大小的前提下才能完成的。当然，系统自动走纸和上空白纸自然是在走纸卡的控制下完成的。

通过上述一系列的准备工作之后，它就能够模仿人一样的动作，写出输入内容的毛笔字，并能根据需要适时地进行润笔动作，保证书写时毛笔不分叉。

毛笔书法机器人在完成书法作品后把毛笔放回笔架，自动抓取印章沾上印泥，对作品进行印章，接着，对作品进行墨迹的烘干，在走纸卡的控制下送出作品。毛笔书法机器人在整个书写过程中无需任何人的参与。

如图3所示是该毛笔书法系统书写的部分字样。

4 结束语

机器人技术的应用非常广泛，毛笔书法机器人只是许多应用中的与文化艺术有关的一种。也正因为如此，它的研究与应用，目的是把中华民族的优秀的书法艺术与现代的机器人技术有机地结合在一起，既发扬了中华文化的魂宝，又展现出机器人技术的魅力，使人耳目一新，寓教于乐。

对于毛笔书法机器人来说，选择合适的书法字库的软件是其关键工作的一项。众所周知，书法是讲究规则和技巧的，因此，如何像人一样能够快速获取书写信息还是具有一定难度而且是非常繁重的工作的。毛笔书法机器人技术目前在国内已经比较成熟了，各种各样的毛笔书法机器人纷纷粉墨登场。纵观这些毛笔书法机器人，它们书写出的毛笔字质量水平的高低，有一个关键因素，那就是字库的建立和选择，目前较为完整的字库建立是基于Windo结合点阵式的ZD字迹认知，从而使得毛笔书法机器人书写起来更为流畅。

参考文献：

[1]宋瀚涛.微型计算机系统原理及应用 第三版（上册）[M].清华大学出版社，1998.

[2]昊瑞祥.机器人技术及应用[M].北京航空航天大学出版社，1994.

[3]电子工程手册委员会集成电路手册分编委会.标准集成电路数据手册TTL集成电路[M].电子工业出版社，1989.