機(jī)器人技術(shù)在毛筆書(shū)法中的應(yīng)用研究

曾興吉

摘 要：中國(guó)漢字書(shū)法是五千年中華文明的璀璨魂寶。中國(guó)的書(shū)法藝術(shù)是世界上獨(dú)一無(wú)二藝術(shù)形式和語(yǔ)言，它是中國(guó)古代悠久歷史和燦爛文化的體現(xiàn)，毛筆書(shū)法機(jī)器人藝術(shù)與技術(shù)是中國(guó)文化傳承和發(fā)展的反映?，F(xiàn)在隨著毛筆書(shū)法機(jī)器人技術(shù)的日臻成熟毛筆書(shū)法機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的字體越來(lái)越多樣化，書(shū)寫(xiě)的過(guò)程也越來(lái)越流暢自然有韻味。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；毛筆書(shū)法；控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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 毛筆書(shū)法機(jī)器人系統(tǒng)的硬件組成及實(shí)現(xiàn)

毛筆字書(shū)法機(jī)器人的基本組成部分：

（1）機(jī)器人本體：本毛筆書(shū)法機(jī)器人采用四軸平面型裝配機(jī)器人，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器采用日本松下的交流伺服機(jī)進(jìn)行控制，因?yàn)闄C(jī)器人的機(jī)械臂與人的手臂關(guān)節(jié)非常相似，因此，機(jī)器人書(shū)寫(xiě)起來(lái)與人書(shū)寫(xiě)相近，自然有趣味。

（2）機(jī)器人控制器：由個(gè)人電腦PC計(jì)算機(jī)和專(zhuān)門(mén)用于毛筆字書(shū)法的4軸PMAC卡，還有用于自動(dòng)走紙的走紙控制卡組成。計(jì)算機(jī)有二種，一種是個(gè)人電腦PC計(jì)算機(jī)，另一種是工地上，作業(yè)場(chǎng)地上用的工控機(jī)用的計(jì)算機(jī)，考慮到毛筆書(shū)法機(jī)器人工作時(shí)的具體情況，比如它的工作環(huán)境，還有工作性質(zhì)，因此我們不選工控機(jī)用的計(jì)算機(jī)，而是直接選擇了個(gè)人電腦PC計(jì)算機(jī)且采用Windows操作系統(tǒng)。采用PMAC卡一是因?yàn)镻MAC卡與計(jì)算機(jī)連接方便，它可通過(guò)總線與計(jì)算機(jī)主板直接連接，其優(yōu)點(diǎn)是與串口相比較而言，通訊速度更快；二是PMAC卡在Windows操作系統(tǒng)下，對(duì)于用戶編程以及與界面的接口都是非常方便的。至于走紙控制卡則是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人書(shū)寫(xiě)過(guò)程的全自動(dòng)化而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它是用來(lái)自動(dòng)的送紙和切紙的。（3）切紙和上紙機(jī)構(gòu)：這部分是用來(lái)自動(dòng)完成毛筆書(shū)法機(jī)器人上紙和切紙的機(jī)構(gòu)。（4）附件：提供機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的工具，如各種型號(hào)的毛筆，還有墨汁等，另外，還有連續(xù)書(shū)寫(xiě)的紙和印章、印泥等也包括在其中。（5）各種值的交直流電源：主要有220V、50HZ交流電源，+24V、士15V、+12V、+5V直流電源。它們的作用就是用來(lái)為系統(tǒng)提供各部分所需要的能量。（6）機(jī)器人書(shū)寫(xiě)平臺(tái)：這是根據(jù)需要而人為搭建的支撐機(jī)構(gòu)，用來(lái)支撐機(jī)器人主體并提供書(shū)寫(xiě)平臺(tái)。

毛筆書(shū)法機(jī)器人系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖2所示。其工作原理如圖2。

當(dāng)用戶選擇所需要機(jī)器人書(shū)寫(xiě)內(nèi)容后，通過(guò)PMAC卡來(lái)傳遞上位機(jī)下達(dá)的執(zhí)行命令后，毛筆字機(jī)器人的書(shū)寫(xiě)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在PMAC卡輸出的命令下便作有序驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人書(shū)寫(xiě)部分作3D機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而書(shū)寫(xiě)出用戶所期望的毛筆字來(lái)。

毛筆書(shū)法機(jī)器人在書(shū)寫(xiě)的過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)電機(jī)中安裝的碼盤(pán)傳感器讀取執(zhí)行機(jī)構(gòu)-機(jī)械手（筆）的實(shí)際位置，通過(guò)電機(jī)來(lái)控制調(diào)整機(jī)械手的實(shí)際位置，在這過(guò)程中，為了盡量減少機(jī)械手的位置執(zhí)行誤差，通過(guò)PMAC控制卡讀取的實(shí)際位置與電機(jī)上碼盤(pán)傳感器讀取的上位機(jī)要求的理論位置，兩者相比較后根據(jù)比較結(jié)果輸出控制信號(hào)，不斷地通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制電機(jī)的實(shí)際位置，達(dá)到書(shū)寫(xiě)要求。

因?yàn)槊P字機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)都是交流電的，其伺服電機(jī)也是采用交流絕對(duì)碼盤(pán)式的。這樣做的目的是為了確保機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的精確性與所有復(fù)位的一致性，另外，系統(tǒng)在書(shū)寫(xiě)運(yùn)行的時(shí)候，PMAC控制卡又不斷地通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)讀取電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，并保存的上位機(jī)中，以防不測(cè)發(fā)生電機(jī)位置丟失現(xiàn)象。此外，PMAC控制卡的狀態(tài)不斷地被上位機(jī)所檢測(cè)，一旦它完成了上位機(jī)交付給的書(shū)寫(xiě)運(yùn)行程序，走紙或切紙程序在上位機(jī)控制下便自動(dòng)啟動(dòng)起來(lái)，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)走紙控制卡來(lái)達(dá)到控制送紙和切紙兩個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，對(duì)于書(shū)寫(xiě)好的作品會(huì)自動(dòng)送出，空白紙又被送至?xí)鴮?xiě)臺(tái)，準(zhǔn)備好下一次書(shū)寫(xiě)。

2 毛筆書(shū)法機(jī)器人系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

如上所述，正因?yàn)閃indows98操作系統(tǒng)使用的簡(jiǎn)易性和廣泛性，所以毛筆字機(jī)器人采用PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；另外，因?yàn)槊P字機(jī)器人系統(tǒng)在使用前要進(jìn)行大量的編程，所以該系統(tǒng)中編入了大量的編程時(shí)所需的應(yīng)用程序： VB、VC、PEWIN和EXCEL。

為使參觀者易于進(jìn)入毛筆字機(jī)器人的操作系統(tǒng)中操作該書(shū)寫(xiě)系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)采用了非常友好的人機(jī)界面——VB軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用VB軟件的原因是因?yàn)樵诖饲闆r下該人機(jī)界面不僅界面清晰，而且附有語(yǔ)音提示，便于控制機(jī)器人書(shū)寫(xiě)操作。

此外，因?yàn)槊P字機(jī)器人在書(shū)寫(xiě)的過(guò)程中，機(jī)械手的實(shí)際位置不是由上位機(jī)直接讀取，而是由PMAC控制卡來(lái)讀取電機(jī)實(shí)際位置，上位機(jī)只是輸出理論位置值，要兩者進(jìn)行比較才能控制電機(jī)實(shí)際位置狀態(tài)，這過(guò)程中包括系統(tǒng)置零、切紙、送空白紙等都是在PMAC控制卡和上位機(jī)之間通過(guò)雙向通訊來(lái)完成的，這個(gè)雙向通訊是自己編程而得的。毛筆字書(shū)法機(jī)器人的自動(dòng)切紙和自動(dòng)送紙，也必須由用戶專(zhuān)門(mén)編制一個(gè)相應(yīng)的程序來(lái)解決。

毛筆書(shū)法機(jī)器人毛筆字書(shū)寫(xiě)質(zhì)量的高低關(guān)鍵取決于書(shū)寫(xiě)字庫(kù)軟件的建立和選擇，它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 毛筆書(shū)法機(jī)器人系統(tǒng)的基本功能

該毛筆書(shū)法機(jī)器人系統(tǒng)的有著怎樣的工作流程和怎樣的功能呢？現(xiàn)作如下分析：

當(dāng)你想要使用該機(jī)器人來(lái)為為你書(shū)寫(xiě)的時(shí)候，你只要按下起動(dòng)開(kāi)關(guān)，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示你，你只要按照語(yǔ)音提示，選擇你想要電腦書(shū)寫(xiě)的內(nèi)容（必須要機(jī)器人字庫(kù)中有的內(nèi)容），以及你所想要的字體，當(dāng)然，內(nèi)容可以是機(jī)器人字庫(kù)當(dāng)中的一句話或一句詩(shī)詞，字體也可以自由選擇，如楷體、行書(shū)、草書(shū)和隸書(shū)等等。

當(dāng)你選擇書(shū)寫(xiě)內(nèi)容和字體格式后，則按下“確認(rèn)”鍵，這時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)書(shū)寫(xiě)內(nèi)容的多少自動(dòng)地調(diào)節(jié)和選擇字號(hào)大小，包括采用橫排或縱排的排版格式，以保證所書(shū)寫(xiě)的內(nèi)容字體大小、位置布置合理、美觀，除此之外，毛筆書(shū)法機(jī)器人還有自動(dòng)選取毛筆型號(hào)和潤(rùn)筆和沾墨的功能，當(dāng)然這些都要在系統(tǒng)辨認(rèn)出需要書(shū)寫(xiě)的字號(hào)大小的前提下才能完成的。當(dāng)然，系統(tǒng)自動(dòng)走紙和上空白紙自然是在走紙卡的控制下完成的。

通過(guò)上述一系列的準(zhǔn)備工作之后，它就能夠模仿人一樣的動(dòng)作，寫(xiě)出輸入內(nèi)容的毛筆字，并能根據(jù)需要適時(shí)地進(jìn)行潤(rùn)筆動(dòng)作，保證書(shū)寫(xiě)時(shí)毛筆不分叉。

毛筆書(shū)法機(jī)器人在完成書(shū)法作品后把毛筆放回筆架，自動(dòng)抓取印章沾上印泥，對(duì)作品進(jìn)行印章，接著，對(duì)作品進(jìn)行墨跡的烘干，在走紙卡的控制下送出作品。毛筆書(shū)法機(jī)器人在整個(gè)書(shū)寫(xiě)過(guò)程中無(wú)需任何人的參與。

如圖3所示是該毛筆書(shū)法系統(tǒng)書(shū)寫(xiě)的部分字樣。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，毛筆書(shū)法機(jī)器人只是許多應(yīng)用中的與文化藝術(shù)有關(guān)的一種。也正因?yàn)槿绱?，它的研究與應(yīng)用，目的是把中華民族的優(yōu)秀的書(shū)法藝術(shù)與現(xiàn)代的機(jī)器人技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，既發(fā)揚(yáng)了中華文化的魂寶，又展現(xiàn)出機(jī)器人技術(shù)的魅力，使人耳目一新，寓教于樂(lè)。

對(duì)于毛筆書(shū)法機(jī)器人來(lái)說(shuō)，選擇合適的書(shū)法字庫(kù)的軟件是其關(guān)鍵工作的一項(xiàng)。眾所周知，書(shū)法是講究規(guī)則和技巧的，因此，如何像人一樣能夠快速獲取書(shū)寫(xiě)信息還是具有一定難度而且是非常繁重的工作的。毛筆書(shū)法機(jī)器人技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)比較成熟了，各種各樣的毛筆書(shū)法機(jī)器人紛紛粉墨登場(chǎng)?？v觀這些毛筆書(shū)法機(jī)器人，它們書(shū)寫(xiě)出的毛筆字質(zhì)量水平的高低，有一個(gè)關(guān)鍵因素，那就是字庫(kù)的建立和選擇，目前較為完整的字庫(kù)建立是基于Windo結(jié)合點(diǎn)陣式的ZD字跡認(rèn)知，從而使得毛筆書(shū)法機(jī)器人書(shū)寫(xiě)起來(lái)更為流暢。

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