機器人技術在毛筆書法中的應用研究

曾興吉

摘 要：中國漢字書法是五千年中華文明的璀璨魂寶。中國的書法藝術是世界上獨一無二藝術形式和語言，它是中國古代悠久歷史和燦爛文化的體現，毛筆書法機器人藝術與技術是中國文化傳承和發展的反映。現在隨著毛筆書法機器人技術的日臻成熟毛筆書法機器人書寫的字體越來越多樣化，書寫的過程也越來越流暢自然有韻味。

關鍵詞：機器人；毛筆書法；控制

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：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 毛筆書法機器人系統的硬件組成及實現

毛筆字書法機器人的基本組成部分：

（1）機器人本體：本毛筆書法機器人采用四軸平面型裝配機器人，機械臂驅動器采用日本松下的交流伺服機進行控制，因為機器人的機械臂與人的手臂關節非常相似，因此，機器人書寫起來與人書寫相近，自然有趣味。

（2）機器人控制器：由個人電腦PC計算機和專門用于毛筆字書法的4軸PMAC卡，還有用于自動走紙的走紙控制卡組成。計算機有二種，一種是個人電腦PC計算機，另一種是工地上，作業場地上用的工控機用的計算機，考慮到毛筆書法機器人工作時的具體情況，比如它的工作環境，還有工作性質，因此我們不選工控機用的計算機，而是直接選擇了個人電腦PC計算機且采用Windows操作系統。采用PMAC卡一是因為PMAC卡與計算機連接方便，它可通過總線與計算機主板直接連接，其優點是與串口相比較而言，通訊速度更快；二是PMAC卡在Windows操作系統下，對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現機器人書寫過程的全自動化而專門設計的，它是用來自動的送紙和切紙的。（3）切紙和上紙機構：這部分是用來自動完成毛筆書法機器人上紙和切紙的機構。（4）附件：提供機器人書寫的工具，如各種型號的毛筆，還有墨汁等，另外，還有連續書寫的紙和印章、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為系統提供各部分所需要的能量。（6）機器人書寫平臺：這是根據需要而人為搭建的支撐機構，用來支撐機器人主體并提供書寫平臺。

毛筆書法機器人系統的邏輯關系如圖2所示。其工作原理如圖2。

當用戶選擇所需要機器人書寫內容后，通過PMAC卡來傳遞上位機下達的執行命令后，毛筆字機器人的書寫執行機構在PMAC卡輸出的命令下便作有序驅動，使電機轉動，帶動機器人書寫部分作3D機械運動，從而書寫出用戶所期望的毛筆字來。

毛筆書法機器人在書寫的過程當中，通過電機中安裝的碼盤傳感器讀取執行機構-機械手（筆）的實際位置，通過電機來控制調整機械手的實際位置，在這過程中，為了盡量減少機械手的位置執行誤差，通過PMAC控制卡讀取的實際位置與電機上碼盤傳感器讀取的上位機要求的理論位置，兩者相比較后根據比較結果輸出控制信號，不斷地通過驅動器精確控制電機的實際位置，達到書寫要求。

因為毛筆字機器人的執行機構的電動機都是交流電的，其伺服電機也是采用交流絕對碼盤式的。這樣做的目的是為了確保機器人書寫的精確性與所有復位的一致性，另外，系統在書寫運行的時候，PMAC控制卡又不斷地通過驅動器來讀取電機的實時位置，并保存的上位機中，以防不測發生電機位置丟失現象。此外，PMAC控制卡的狀態不斷地被上位機所檢測，一旦它完成了上位機交付給的書寫運行程序，走紙或切紙程序在上位機控制下便自動啟動起來，這個過程是通過走紙控制卡來達到控制送紙和切紙兩個機構來完成的，對于書寫好的作品會自動送出，空白紙又被送至書寫臺，準備好下一次書寫。

2 毛筆書法機器人系統的軟件實現

如上所述，正因為Windows98操作系統使用的簡易性和廣泛性，所以毛筆字機器人采用PC計算機系統；另外，因為毛筆字機器人系統在使用前要進行大量的編程，所以該系統中編入了大量的編程時所需的應用程序： VB、VC、PEWIN和EXCEL。

為使參觀者易于進入毛筆字機器人的操作系統中操作該書寫系統，該機器人系統采用了非常友好的人機界面——VB軟件來實現。采用VB軟件的原因是因為在此情況下該人機界面不僅界面清晰，而且附有語音提示，便于控制機器人書寫操作。

此外，因為毛筆字機器人在書寫的過程中，機械手的實際位置不是由上位機直接讀取，而是由PMAC控制卡來讀取電機實際位置，上位機只是輸出理論位置值，要兩者進行比較才能控制電機實際位置狀態，這過程中包括系統置零、切紙、送空白紙等都是在PMAC控制卡和上位機之間通過雙向通訊來完成的，這個雙向通訊是自己編程而得的。毛筆字書法機器人的自動切紙和自動送紙，也必須由用戶專門編制一個相應的程序來解決。

毛筆書法機器人毛筆字書寫質量的高低關鍵取決于書寫字庫軟件的建立和選擇，它是整個系統的關鍵技術之一。

3 毛筆書法機器人系統的基本功能

該毛筆書法機器人系統的有著怎樣的工作流程和怎樣的功能呢？現作如下分析：

當你想要使用該機器人來為為你書寫的時候，你只要按下起動開關，則系統會發出語音提示你，你只要按照語音提示，選擇你想要電腦書寫的內容（必須要機器人字庫中有的內容），以及你所想要的字體，當然，內容可以是機器人字庫當中的一句話或一句詩詞，字體也可以自由選擇，如楷體、行書、草書和隸書等等。

當你選擇書寫內容和字體格式后，則按下“確認”鍵，這時，系統會根據書寫內容的多少自動地調節和選擇字號大小，包括采用橫排或縱排的排版格式，以保證所書寫的內容字體大小、位置布置合理、美觀，除此之外，毛筆書法機器人還有自動選取毛筆型號和潤筆和沾墨的功能，當然這些都要在系統辨認出需要書寫的字號大小的前提下才能完成的。當然，系統自動走紙和上空白紙自然是在走紙卡的控制下完成的。

通過上述一系列的準備工作之后，它就能夠模仿人一樣的動作，寫出輸入內容的毛筆字，并能根據需要適時地進行潤筆動作，保證書寫時毛筆不分叉。

毛筆書法機器人在完成書法作品后把毛筆放回筆架，自動抓取印章沾上印泥，對作品進行印章，接著，對作品進行墨跡的烘干，在走紙卡的控制下送出作品。毛筆書法機器人在整個書寫過程中無需任何人的參與。

如圖3所示是該毛筆書法系統書寫的部分字樣。

4 結束語

機器人技術的應用非常廣泛，毛筆書法機器人只是許多應用中的與文化藝術有關的一種。也正因為如此，它的研究與應用，目的是把中華民族的優秀的書法藝術與現代的機器人技術有機地結合在一起，既發揚了中華文化的魂寶，又展現出機器人技術的魅力，使人耳目一新，寓教于樂。

對于毛筆書法機器人來說，選擇合適的書法字庫的軟件是其關鍵工作的一項。眾所周知，書法是講究規則和技巧的，因此，如何像人一樣能夠快速獲取書寫信息還是具有一定難度而且是非常繁重的工作的。毛筆書法機器人技術目前在國內已經比較成熟了，各種各樣的毛筆書法機器人紛紛粉墨登場。縱觀這些毛筆書法機器人，它們書寫出的毛筆字質量水平的高低，有一個關鍵因素，那就是字庫的建立和選擇，目前較為完整的字庫建立是基于Windo結合點陣式的ZD字跡認知，從而使得毛筆書法機器人書寫起來更為流暢。

參考文獻：

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