CN108466272A - 一种仿真写字绘画机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真写字绘画机器人及其使用方法，包括执行机构和控制***；执行机构中设有沿环形轨道圆周运动的直线轨道，直线轨道上设有沿直线轨道往复运动的滑台，滑台上设有画笔，压力控制器通过流体压力对画笔施加向下的压力，驱动画笔贴近或离开纸面。控制***中的感知模块和存储模块记录被激活的像素点的先后顺序。本发明中，携带画笔的滑台，通过极坐标的方式移动，绘制曲线更平滑，绘制直线也不会横平竖直，更接近手绘的效果，笔迹自然；移动速度快，无效移动量少；***精度高，功耗低；下笔力度可控，力度调整过程平滑柔和，更大程度符合人的书画习惯。本发明仿真度高，使用方便，结构简单，利于书画教学应用。

Description

一种仿真写字绘画机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及机电一体化设备领域，具体是一种仿真写字绘画机器人及其使用方法。

背景技术

近年来，仿真写字绘画机器人开始在市场上出现，但开发者的主要目的在于面向电子爱好者和青少年学生，通过用户对该机器人的控制，了解电机驱动、机械传动等基本知识，而功能本身并不是最重要的。

实际上，虽然计算机技术的飞速发展，使得普通人可以不用笔就能绘制非常精美的画或写出漂亮的字，但仍旧无法替代手绘和书法的美感。而且很多的年轻人士对书法和手绘图极为热衷，他们投身于实践，通过反复练***。事实上，在没有良师指导的情况下，普通人难以掌握手绘和书法的要诀，而聘请专业的老师对于大多数人来说又不现实。

因此，如果能设计一种仿真机器人，模仿专业书画老师的笔迹，让使用者近距离观察机器人的写字绘画过程，对于快速提高技艺，有着很好的促进作用。

通用的仿真机器人往往依靠平面上的两根相互垂直的轨道，通过虚拟的平面直角坐标系定位和运笔，实际使用中，存在如下缺点：（1）画笔大量的移动属于无效移动，耗时大。（2）画斜线时不够平滑，画直线时容易横平竖直，虽然精准，但笔迹不自然。（3）***功耗较大。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，提供了一种仿真写字绘画机器人。

本发明是按照以下技术方案实施的。

一种仿真写字绘画机器人，包括执行机构和控制***；

执行机构包括底座、支架、传动机构；底座包括围成矩形的两根第一边框和两根第二边框；两第一边框之间设有两根压板，压板两端均形成两段弯折，两弯折部末端均与压板中部平行且设有圆孔；第一边框上表面中部形成截面为T型的凹槽，凹槽内各设有两个紧固螺钉，其螺帽位于凹槽内，螺杆依次从凹槽和压板的圆孔中穿出，螺杆末端嵌套紧固螺母；支架包括架设在底座上方且平行于底座的十字支架，十字支架的末端通过四根竖直支架连接底座的四根边框；竖直支架上还架设有平行于底座的环形轨道；十字支架中心位置下方安装有第一电机，第一电机转子中心在环形轨道平面的垂直投影位于环形轨道的圆心；第一电机的第一转子末端通过L型连接杆连接直线轨道；直线轨道首端设有电机座，末端设有U型支架，U型支架两臂间设有滑轮，电机座上设有第三电机；电机座和U型支架之间设有相互平行的滑杆和螺纹杆，螺纹杆一端固定于第三电机的转子上，另一端通过第二轴承连接U型支架；滑杆和螺纹杆穿过沿直线轨道移动的滑台；滑轮边沿凸起，中间凹陷，凹陷部紧贴环形轨道内壁；十字支架上还设有压力控制器，压力控制器中设有第二电机和第一流体管，第二电机的第二转子顶端通过第一轴承连接第一活塞，第一活塞与第一流体管之间形成第一流体腔；滑台上安装有竖直放置的第二流体管，第二活塞竖直向上***第二流体管，第二活塞与第二流体管之间形成第二流体腔；第二活塞底部安装有套管，套管底部形成细长的圆孔，圆孔中插装书画用笔；套管外壁中下部设有环绕套管的限位板；弹簧嵌套在套管上，一端固定在滑台上，另一端固定在限位板上；第一流体管和第二流体管上分别设有流体出口管和流体入口管作为第一流体腔和第二流体腔与外部之间的通道；流体出口管和流体入口管之间通过柔性管道相互连通；第一流体腔和第二流体腔与柔性管道一起构成了一个封闭的空腔，空腔内封闭流体；

控制***包括主控制器，主控制器连接感应模块、显示模块、存储模块、通讯接口、电机驱动模块、电源模块；电机驱动模块控制第一电机、第二电机、第三电机；通讯接口连接PC机，感应模块为手写板；显示模块为显示屏。

进一步的，压板中部与末端部位之间的垂直高度不小于第一边框的厚度。

进一步的，直线轨道穿过环形轨道的圆心，直线轨道位于圆心两边的部分，质量相等。

进一步的，环形轨道纵剖面呈“E”型，中央凸起部位高度为1～2cm且高于滑轮边沿凸起的高度。

进一步的，通讯接口通过USB线连接PC机。

一种仿真写字绘画机器人的使用方法，包括如下步骤：

S1：在感应模块的感应平面上和显示模块的显示平面上，分别选取坐标原点，建立平面直角坐标系XY和AB，并为感应平面上所有有效点赋予基于XY坐标系的坐标值（Xn，Ym）；为显示平面上所有有效点赋予基于AB坐标系的坐标值（Ap，Bq）；

S2：在每一个（Xn，Ym）点和每一个（Ap，Bq）点之间建立映射关系F，（Ap，Bq）=F（Xn，Ym，t），其中t为激活持续时间；

S3：记录XY坐标系中每个被激活的坐标点的激活时间和持续时间；在显示模块上，将每个被激活的坐标点在AB坐标系中对应的坐标点激活；

S4：以第一电机、第二电机、第三电机的零点位置为参考点，建立三个电机基于其零点位置的移动步数（Z1，Z2，Z3）与（Xn，Ym，t）之间的映射关系；

S5：以S4中确定的映射关系，根据Xn，Ym和t的数值，将三个电机分别移动Z1，Z2，Z3步。

本发明获得了如下有益效果。

本发明中，携带画笔的滑台，通过极坐标的方式移动，取代将现有产品中常见的基于直角坐标方式的移动方法，绘制曲线更平滑，绘制直线也不会横平竖直，更接近手绘的效果，笔迹自然；移动速度快，无效移动量少；***精度高，功耗低；下笔力度可控，力度调整过程平滑柔和，更大程度符合人的书画***台。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明中底座的俯视图；

图3是本发明中压板的结构示意图；

图4是本发明中滑轮的结构示意图；

图5是本发明的主视图；

图6是本发明中直线轨道的结构示意图；

图7是本发明中压力控制器的结构示意图；

图8是本发明中紧固螺母固定住压板的结构示意图；

图9是本发明中控制***的结构框图；

图10是本发明中机器人的使用流程图。

其中，1.滑台；2.直线轨道；201.滑杆；202.螺纹杆；203.U型支架；204.电机座；3.滑轮；4.十字支架；5.环形轨道；6.第一边框；7.第一电机；8.第二边框；9.压力控制器；901.第二电机；902.第二转子；903.第一轴承；904.第一活塞；905.第一流体管；906.第一流体腔；907.流体出口管；10.纸张；11.压板；12.第一转子；13.笔；14.竖直支架；15.柔性管道；16.第三电机；17.紧固螺母；18.限位板；19.弹簧；20.套管；21.第二流体管；22.第二活塞；23.第二流体腔；24.流体入口管。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行进一步的技术说明。

如图1～10所示，一种仿真写字绘画机器人，包括执行机构和控制***；

执行机构包括底座、支架、传动机构；底座包括围成矩形的两根第一边框6和两根第二边框8；两第一边框6之间设有两根压板11，压板11两端均形成两段弯折，两弯折部末端均与压板11中部平行且设有圆孔；第一边框6上表面中部形成截面为T型的凹槽，凹槽内各设有两个紧固螺钉，其螺帽位于凹槽内，螺杆依次从凹槽和压板11的圆孔中穿出，螺杆末端嵌套紧固螺母17；支架包括架设在底座上方且平行于底座的十字支架4，十字支架4的末端通过四根竖直支架14连接底座的四根边框；竖直支架14上还架设有平行于底座的环形轨道5；十字支架4中心位置下方安装有第一电机7，第一电机7转子中心在环形轨道5平面的垂直投影位于环形轨道5的圆心；第一电机7的第一转子12末端通过L型连接杆连接直线轨道2；直线轨道2首端设有电机座204，末端设有U型支架203，U型支架203两臂间设有滑轮3，电机座204上设有第三电机16；电机座204和U型支架203之间设有相互平行的滑杆201和螺纹杆202，螺纹杆202一端固定于第三电机16的转子上，另一端通过第二轴承连接U型支架203；滑杆201和螺纹杆202穿过沿直线轨道2移动的滑台1；滑轮3边沿凸起，中间凹陷，凹陷部紧贴环形轨道5内壁；十字支架4上还设有压力控制器9，压力控制器9中设有第二电机901和第一流体管905，第二电机901的第二转子902顶端通过第一轴承903连接第一活塞904，第一活塞904与第一流体管905之间形成第一流体腔906；滑台1上安装有竖直放置的第二流体管21，第二活塞22竖直向上***第二流体管21，第二活塞22与第二流体管21之间形成第二流体腔23；第二活塞22底部安装有套管20，套管20底部形成细长的圆孔，圆孔中插装书画用笔13；套管20外壁中下部设有环绕套管的限位板18；弹簧19嵌套在套管20上，一端固定在滑台1上，另一端固定在限位板18上；第一流体管905和第二流体管21上分别设有流体出口管907和流体入口管24作为第一流体腔906和第二流体腔23与外部之间的通道；流体出口管907和流体入口管24之间通过柔性管道15相互连通；第一流体腔906和第二流体腔23与柔性管道15一起构成了一个封闭的空腔，空腔内封闭流体；

控制***包括主控制器，主控制器连接感应模块、显示模块、存储模块、通讯接口、电机驱动模块、电源模块；电机驱动模块控制第一电机7、第二电机901、第三电机16；通讯接口连接PC机，感应模块为手写板；显示模块为显示屏。

压板11中部与末端部位之间的垂直高度不小于第一边框6的厚度。

直线轨道2穿过环形轨道5的圆心，直线轨道2位于圆心两边的部分，质量相等。

环形轨道5纵剖面呈“E”型，中央凸起部位高度为1～2cm且高于滑轮3边沿凸起的高度。

通讯接口通过USB线连接PC机。

一种仿真写字绘画机器人的使用方法，包括如下步骤：

S1：在感应模块的感应平面上和显示模块的显示平面上，分别选取坐标原点，建立平面直角坐标系XY和AB，并为感应平面上所有有效点赋予基于XY坐标系的坐标值Xn，Ym；为显示平面上所有有效点赋予基于AB坐标系的坐标值Ap，Bq；

S2：在每一个Xn，Ym点和每一个Ap，Bq点之间建立映射关系F，Ap，Bq=FXn，Ym，t，其中t为激活持续时间；

S3：记录XY坐标系中每个被激活的坐标点的激活时间和持续时间；在显示模块上，将每个被激活的坐标点在AB坐标系中对应的坐标点激活；

S4：以第一电机7、第二电机901、第三电机16的零点位置为参考点，建立三个电机基于其零点位置的移动步数（Z1，Z2，Z3）与（Xn，Ym，t）之间的映射关系；

S5：以S4中确定的映射关系，根据Xn，Ym和t的数值，将三个电机分别移动Z1，Z2，Z3步。

本发明的原理和使用方法为：

如图1所示，第一电机7的旋转角度为0～360度，第一电机7的旋转间接带动直线轨道2的转动，但无论怎样旋转，直线轨道2末端的滑轮3始终紧贴环形轨道5；环形轨道5在底座平面上的投影区域就是绘图的有效区域，即画笔可以移动到的区域。

当移动笔13时，首先第一电机7带动直线轨道2转向一个特定角度，然后第三电机16带动螺纹杆202旋转，进而带动滑台沿直线轨道2滑动。

如果笔13的移动过程不需要留下墨迹，控制第二电机901反转，如图7所示，第二转子902向电机内缩回，带动第一活塞904拔出，由于大气压的作用，相应的第二活塞22带动套管20上移，从而笔13离开纸面。

如果笔13的移动过程需要留下墨迹，控制第二电机901正转，如图7所示，第二转子902向电机外伸出，带动第一活塞904向内推进，由于大气压的作用，相应的第二活塞22带动套管20下移，从而笔13压在纸面，此时弹簧19被压缩，防止压力过大，笔尖划破纸面。

录制书画创作过程时，通过手写笔在感应模块（电子手写板）上绘图或写字，主控制器实时检测电子手写板上被激活的像素点，并根据激活的先后顺序和持续时间，生成列表，最终以文件形式存储于存储模块或通过通讯接口发送给PC机。

当需要机器人仿真书写绘画时，首先将机器人置于水平桌面上，将纸张10置于底座的四个边框中间区域，根据纸张大小，调整压板11位置，使之压住纸张10的边缘，最后拧紧紧固螺母17使压板11紧固定位，将纸张10压住。

主控制器根据要绘制的图画或要书写的文字内容，找到对应的文件，从文件中获取点的坐标，并将其对应为三个电机的位移信息，生成基于电机位移控制的链表，控制三个电机根据链表的顺序，依次控制电机的相对位移，最终完成图画绘制或写字过程。

Claims (6)

1.一种仿真写字绘画机器人，其特征在于，包括执行机构和控制***；

所述执行机构包括底座、支架、传动机构；所述底座包括围成矩形的两根第一边框（6）和两根第二边框（8）；两第一边框（6）之间设有两根压板（11），压板（11）两端均形成两段弯折，两弯折部末端均与压板（11）中部平行且设有圆孔；第一边框（6）上表面中部形成截面为T型的凹槽，凹槽内各设有两个紧固螺钉，其螺帽位于凹槽内，螺杆依次从凹槽和压板（11）的圆孔中穿出，螺杆末端嵌套紧固螺母（17）；所述支架包括架设在底座上方且平行于底座的十字支架（4），十字支架（4）的末端通过四根竖直支架（14）连接底座的四根边框；所述竖直支架（14）上还架设有平行于底座的环形轨道（5）；十字支架（4）中心位置下方安装有第一电机（7），第一电机（7）转子中心在环形轨道（5）平面的垂直投影位于环形轨道（5）的圆心；第一电机（7）的第一转子（12）末端通过L型连接杆连接直线轨道（2）；所述直线轨道（2）首端设有电机座（204），末端设有U型支架（203），U型支架（203）两臂间设有滑轮（3），电机座（204）上设有第三电机（16）；电机座（204）和U型支架（203）之间设有相互平行的滑杆（201）和螺纹杆（202），螺纹杆（202）一端固定于第三电机（16）的转子上，另一端通过第二轴承连接U型支架（203）；滑杆（201）和螺纹杆（202）穿过沿直线轨道（2）移动的滑台（1）；所述滑轮（3）边沿凸起，中间凹陷，凹陷部紧贴环形轨道（5）内壁；所述十字支架（4）上还设有压力控制器（9），压力控制器（9）中设有第二电机（901）和第一流体管（905），第二电机（901）的第二转子（902）顶端通过第一轴承（903）连接第一活塞（904），第一活塞（904）与第一流体管（905）之间形成第一流体腔（906）；滑台（1）上安装有竖直放置的第二流体管（21），第二活塞（22）竖直向上***第二流体管（21），第二活塞（22）与第二流体管（21）之间形成第二流体腔（23）；第二活塞（22）底部安装有套管（20），套管（20）底部形成细长的圆孔，圆孔中插装书画用笔（13）；套管（20）外壁中下部设有环绕套管的限位板（18）；弹簧（19）嵌套在套管（20）上，一端固定在滑台（1）上，另一端固定在限位板（18）上；第一流体管（905）和第二流体管（21）上分别设有流体出口管（907）和流体入口管（24）作为第一流体腔（906）和第二流体腔（23）与外部之间的通道；流体出口管（907）和流体入口管（24）之间通过柔性管道（15）相互连通；第一流体腔（906）和第二流体腔（23）与柔性管道（15）一起构成了一个封闭的空腔，空腔内封闭流体；

所述控制***包括主控制器，主控制器连接感应模块、显示模块、存储模块、通讯接口、电机驱动模块、电源模块；所述电机驱动模块控制第一电机（7）、第二电机（901）、第三电机（16）；所述通讯接口连接PC机，所述感应模块为手写板；所述显示模块为显示屏。

2.如权利要求1所述的一种仿真写字绘画机器人，其特征在于，所述压板（11）中部与末端部位之间的垂直高度不小于第一边框（6）的厚度。

3.如权利要求1所述的一种仿真写字绘画机器人，其特征在于，所述直线轨道（2）穿过环形轨道（5）的圆心，直线轨道（2）位于圆心两边的部分，质量相等。

4.如权利要求1所述的一种仿真写字绘画机器人，其特征在于，所述环形轨道（5）纵剖面呈“E”型，中央凸起部位高度为1～2cm且高于滑轮（3）边沿凸起的高度。

5.如权利要求1所述的一种仿真写字绘画机器人，其特征在于，所述通讯接口通过USB线连接PC机。

6.一种仿真写字绘画机器人的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在感应模块的感应平面上和显示模块的显示平面上，分别选取坐标原点，建立平面直角坐标系XY和AB，并为感应平面上所有有效点赋予基于XY坐标系的坐标值（Xn，Ym）；为显示平面上所有有效点赋予基于AB坐标系的坐标值（Ap，Bq）；

S2：在每一个（Xn，Ym）点和每一个（Ap，Bq）点之间建立映射关系F，（Ap，Bq）=F（Xn，Ym，t），其中t为激活持续时间；

S3：记录XY坐标系中每个被激活的坐标点的激活时间和持续时间；在显示模块上，将每个被激活的坐标点在AB坐标系中对应的坐标点激活；

S4：以第一电机（7）、第二电机（901）、第三电机（16）的零点位置为参考点，建立三个电机基于其零点位置的移动步数（Z1，Z2，Z3）与（Xn，Ym，t）之间的映射关系；

S5：以S4中确定的映射关系，根据Xn，Ym和t的数值，将三个电机分别移动Z1，Z2，Z3步。