書法機器人工作站的設(shè)計與仿真

林雁飛 朱洪雷

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學院，廣東廣州510520）

0 引言

《中國制造2025計劃》將機器人作為重點發(fā)展領(lǐng)域，而國家“十三五”規(guī)劃中，也將“智能制造和機器人”列為“科技創(chuàng)新重大項目”。將工業(yè)機器人與智能制造相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)工業(yè)機器人只能進行重復操作的觀念，為工業(yè)機器人的發(fā)展開辟了新的思路。近年來，工業(yè)機器人的創(chuàng)新應用成為熱點，如機器人表演茶道、機器人擰魔方、機器人寫書法等等。

ABB RobotStudio離線編程軟件采用ABB公司的VirtualRobotTM技術(shù)[1]，來對工業(yè)機器人的工作站進行虛擬現(xiàn)實的構(gòu)建，通過可視化及可確認的解決方案和布局來獲得實際產(chǎn)品的可行性分析，是一款應用很廣的ABB工業(yè)機器人專用仿真軟件。本文基于RobotStudio6.07仿真軟件，選取ABB IRB120機器人進行工作站的布局。

1 書法機器人工作站布局

結(jié)合書法機器人的工作特性，本設(shè)計選取了ABB機器人中最小但速度最快的ABB IRB120六軸機器人[2]。由于書法機器人工作站的特殊性，軟件系統(tǒng)中現(xiàn)有的夾具等配件不能滿足設(shè)計的需求，需采用第三方繪圖軟件進行創(chuàng)建，并采用ACIS文件導入系統(tǒng)，RobotStudio與之具有兼容性。該工作站采用Solidworks繪圖軟件創(chuàng)建的部件包括：毛筆夾具、毛筆、紙、書桌、硯臺以及用于裝飾的屏風、盆栽、地板等等，如圖1所示。

2 書法機器人路徑編程

圖1 書法機器人工作站布局

書法機器人與單片機等嵌入式系統(tǒng)的書寫原理不同，其控制系統(tǒng)中不具有字庫，無法采用調(diào)用中文字庫的方式書寫，主要是采用模擬漢字筆跡進行路徑規(guī)劃的方式進行漢字書寫，因此，預先需制作文字模板。這種方式的優(yōu)點在于機器人可以模擬各種類型的字體，也可以將個人書寫的作品掃描導入進行規(guī)劃模擬。由于漢字路徑規(guī)劃不具有規(guī)律性，故采用手動示教的方式完成[3]，并對每個漢字的路徑設(shè)置子程序便于調(diào)試，如圖2所示。

圖2 書法機器人路徑規(guī)劃

3 書法機器人工作站的仿真

工作站路徑編程完成后，要進行仿真演示，來展示工作站的運行情況。一般工作站的仿真直接用軟件的仿真功能運行就可以了，但書法機器人采用的毛筆是虛擬元件，仿真時只有書寫的動作，卻不能在紙上真正留下墨跡，這是本設(shè)計的一個難點。

針對路徑規(guī)劃類工作站，傳統(tǒng)的仿真方法多采用TCP跟蹤的模式。TCP（tool centre position）即工業(yè)機器人工具中心位置點，該方法是對工具（即毛筆）中心位置進行追蹤，在仿真過程中將毛筆中心點所經(jīng)過的路徑用線條勾畫出來，如圖3所示。

圖3 TCP跟蹤模式仿真設(shè)置及效果

從仿真的結(jié)果可以看出：毛筆所有經(jīng)過的位置，包括機器人機械原點、筆畫之間的連接、字與字之間的連接等路徑全部都有線條顯示；但仿真結(jié)果無法確認字跡是否寫在紙上，或是紙上是否有多余字跡，最重要的一點是，這個字跡非常潦草，無法體現(xiàn)書法作品的美感和內(nèi)涵。

基于傳統(tǒng)方法的缺陷，本次設(shè)計引入一種創(chuàng)新的仿真方法，即基于Smart組件的動態(tài)仿真方法。具體仿真方法如下：

（1）在Solidworks軟件中創(chuàng)建一個由多個小組件拼接而成的紙板，組件越小仿真精度越高，并將其導入RobotStudio工作站系統(tǒng)中。

（2）在RobotStudio6.07的建?！猄mart組件—組成—添加組件中，添加LineSensor線傳感器組件和Sink刪除組件，設(shè)計思想是將線傳感器安裝到毛筆的末端，當毛筆書寫接觸到紙時，線傳感器將會發(fā)出一個觸發(fā)信號給Sink，執(zhí)行刪除組件的命令，紙上對應位置的小組件被刪除，露出字跡。

（3）在運行過程中，可能出現(xiàn)因為機器人運行速度過快信號反應不及，對應位置的小組件無法正常刪除的情況，為保證可靠性，引入Timer組件，將間隔時間Interval設(shè)置為0.005 s，即當毛筆在紙板對應位置停留時間超過0.005 s，也能發(fā)出觸發(fā)信號給Sink。

（4）對Smart組件逐步完成組成（圖4）、屬性與連結(jié)（圖5）以及信號與連接（圖6）的設(shè)置，完成仿真的動態(tài)程序設(shè)置。

圖4 Smart組件組成設(shè)置

仿真結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)語

圖5 Smart組件屬性與連結(jié)設(shè)置

圖6 Smart組件信號與連接設(shè)置

圖7 Smart組件控制方式的仿真結(jié)果

綜上所述，采用Smart組件的動態(tài)控制方法，能清楚地展示機器人書寫的漢字，并且該漢字是真正能出現(xiàn)在紙上的，對于書寫過程的缺筆畫、多筆畫以及書寫的力度、角度等都能較好地展現(xiàn)，便于調(diào)試與修正。