2.2 Hoap-2人形機(jī)器人
圖1.3
如圖1.3所示，2013年，Sugiyama S等在紐約斯普林格發(fā)表了最新的研究成果，他們開發(fā)出了一個寫日文的人形機(jī)器人Hoap-2[3],它包含了一個使用虛擬觸覺接口的指令系統(tǒng)，書寫軌跡便是由該指令系統(tǒng)給出。Hoap-2人形機(jī)器人的亮點在于它是一款專用于寫字的機(jī)器人，而不僅限于機(jī)械臂上，所以該機(jī)器人可以通過整體運動寫出比它體型大的字符，拓展了傳統(tǒng)寫字機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
3.1國內(nèi)發(fā)展概況
我國機(jī)器人領(lǐng)域起步較晚，在機(jī)器人技術(shù)方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平。我國從上世紀(jì)八十年代才開始展開對機(jī)器人的研究，當(dāng)時的覆蓋面較小，僅有部分高校和科研單位參與研究，發(fā)展速度比較緩慢。1985年后，國家將機(jī)器人技術(shù)列入國家發(fā)展計劃，特別是在國家第七、八、九個“五年計劃”和“863”高新技術(shù)發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機(jī)器人在近30年取得了不少優(yōu)秀的科研成果。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，在世界工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)全球前十五位重要專利申請人中，有11位來自日本企業(yè)，而我國的專利申請則無一上榜，這表明我國的機(jī)器人技術(shù)實力較國際頂尖水平還存在很大的差距，同時也說明了我國在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很大的發(fā)展前景和研究價值。
雖然我國機(jī)器人技術(shù)的綜合水平遠(yuǎn)落后于國際領(lǐng)先水平，但是在書法機(jī)器人這一領(lǐng)域的應(yīng)用還是有相當(dāng)多的亮點，這可能是得益于我們幾千年的文化積淀。筆者選擇了兩款國內(nèi)自主研發(fā)的、具有標(biāo)志意義的書法機(jī)器人在下文進(jìn)行圖文介紹。
3.2機(jī)器人書法大師
圖1.4
2000年，北京航空航天大學(xué)的景興碧教授等開發(fā)了我國第一臺專門用于中國軟筆書法的機(jī)器人——“機(jī)器人書法大師”。[4]該軟筆書法機(jī)器人系統(tǒng)是為中國科學(xué)技術(shù)館二期工程而研制的展品之一，可自動完成換筆、上紙、潤筆、書寫、蓋章及切紙等動作。軟筆書法機(jī)器人系統(tǒng)啟動后,可以在電腦屏幕上選擇機(jī)器人書寫的內(nèi)容(該內(nèi)容必須是機(jī)器人書寫字庫中的文字)。值得一提的是，字庫中的每一個文字都可以選擇不同的字體,該書法機(jī)器人支持楷書、隸書、草書、魏碑等字體。該機(jī)器人可根據(jù)所選擇的書寫字?jǐn)?shù)的多少,自動確定字體的大小和版式(橫排或豎排) ,以保證書寫作品完整、美觀。還有一大亮點便是，在連續(xù)書寫一段時間后,機(jī)器人能夠自動完成潤筆等動作。在書寫完成后,機(jī)器人會將毛筆放回毛筆架上,然后抓取印章,為所書作品蓋章。整個流程完全自動化，無需人介入輔助，完成了人類書寫過程中的絕大部分細(xì)節(jié)。
3.3 Callibot書法機(jī)器人
圖1.5
2013年12月， 在中國深圳召開的IEEE機(jī)器人與仿生學(xué)國際會議上，孫遠(yuǎn)東、徐揚生教授在會議上介紹了他們最近的研究成果——Callibot書法機(jī)器人，它是由一個6自由度機(jī)器人臂、一條直線軌道和一個送紙器組成[5]。Callibot機(jī)器人相較以往書法機(jī)器人，大大擴(kuò)大了手臂的工作空間，很大程度是提高了書寫軌跡精度。它采用的是一種演示回放方式，機(jī)器人的動作如同人寫字一般流暢瀟灑。這不僅能增強其觀賞效果，還能增添更多的審美趣味。機(jī)器人與人類最大的區(qū)別在于機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地記錄演示動作。因此，雖然Callibot沒有任何的學(xué)習(xí)過程，但是它能夠?qū)憰鴮懗鲇兴囆g(shù)感的書法字。如圖1.5所示 ,Callibot書法機(jī)器人能夠?qū)懗鲆环薮蟮木哂兴囆g(shù)感書法作品。
4.總結(jié)
書法機(jī)器人著重于對機(jī)器人手臂的控制，這樣更接近人們對于智能機(jī)器人“手”的控制期望。伴隨著智能機(jī)器人的發(fā)展，人們更加期望機(jī)器人能夠通過不斷學(xué)習(xí)來完成復(fù)雜的寫字工作，其重點在于學(xué)習(xí)，能夠讓機(jī)器人通過學(xué)習(xí)來完成復(fù)雜書寫動作的控制也成為了近年來的研究熱點。書法是一項手眼協(xié)調(diào)的工作，而機(jī)器人手眼協(xié)調(diào)的發(fā)展一直伴隨著智能機(jī)器人的發(fā)展，在嘗試對書法機(jī)器人寫毛筆字改進(jìn)和提高的過程中，也勢必會促進(jìn)智能機(jī)器人的發(fā)展和研究。
2.參考文獻(xiàn)
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（五） 創(chuàng)新點與項目特色
1.機(jī)器自主學(xué)習(xí)
通過筆畫自主生成算法，實現(xiàn)機(jī)器人的自主筆畫學(xué)習(xí)并書寫漢字，在“看到”新的漢字（字庫中沒有的）漢字之后，像人類一樣通過已經(jīng)學(xué)會的筆畫將這個漢字書寫出來，并能有自己的風(fēng)格。
2.模仿學(xué)習(xí)
漢字的書寫過程中涉及了很多重復(fù)性的筆畫運動，因此可以利用在先前相同筆畫運動軌跡中收集得到的數(shù)據(jù)來優(yōu)化后面的筆畫。
3.智能控制
加入語音識別系統(tǒng)，可以通過人的聲音來控制書法機(jī)器人的書寫內(nèi)容和字體風(fēng)格。
4.書法作品的布局與呼應(yīng)
在真正的書法作品中，書法字的排布是錯落有致的，同時前后書法字之間往往有一些呼應(yīng)關(guān)系，如何表達(dá)這些呼應(yīng)關(guān)系從而得到更美觀的書法字布局將是一項非常有意義的研究。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
主要問題：
1.書寫效果單一
就目前的書法機(jī)器人而言，基本上都能夠自主書寫出具有美感的書法字，書寫軌跡精度相較初代書法機(jī)器人有了極大的提升。但是，現(xiàn)有的各類書法機(jī)器人都存在一定的局限性。采用對現(xiàn)有字庫進(jìn)行編程的書法機(jī)器人，則只能書寫字庫中的漢字，且書寫效果單一。
2.書寫較多時出現(xiàn)問題
當(dāng)它書寫字?jǐn)?shù)較多的作品時，便會出現(xiàn)兩個問題：
（1）PC端處理速度太慢，需要很長的時間規(guī)劃書寫軌跡，甚至部分字出錯。
（2）作品沒有整體藝術(shù)感。
3.書法水平及延展應(yīng)用方面受限
跟隨書寫機(jī)器人需要依靠人的介入輔助，并不能很好地體現(xiàn)機(jī)器人自主書寫的能力，其書寫效果很大程度上取決于書寫者的書法水平，筆畫難以通過自主學(xué)習(xí)來進(jìn)行自我優(yōu)化。這種模仿式、非完全自主的書法機(jī)器人不適用于較重的或大型的機(jī)械臂，所以在延展應(yīng)用方面也更為局限。
（七） 項目研究進(jìn)度安排
（一）準(zhǔn)備階段
1.2019年3月，熟悉OpenCV軟件、課題任務(wù)及要求。
2.2019年4月，查閱60篇以上有關(guān)delta機(jī)器人、書寫機(jī)器人的中英文文獻(xiàn)資料。
3.2019年6月至2019年10月，基于所查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成文獻(xiàn)綜述，并讓老師指導(dǎo)審閱。
（二）設(shè)計階段
4.2019年10月，熟悉草書的書寫方法和要旨。
5.2019年10月至2020年1月，完成草書字庫的設(shè)計。
6.2020年1月，建立數(shù)學(xué)模型，研究書寫筆畫寬度與按筆深度、筆尖停留時間之間的函數(shù)關(guān)系。
7.2020年2月，完成草書機(jī)器人算法的設(shè)計以及書寫功能的實現(xiàn)。
8.2020年3月，對草書機(jī)器人進(jìn)行測試并完成專利和論文的初稿。
（三）答辯階段
9.2020年4月，完成專利和論文定稿。
10.2020年5月，制作PPT并準(zhǔn)備答辯、結(jié)題。
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項目有關(guān)的研究積累和已取得的成績
1.參加“塞伯睿創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊”，具備機(jī)器人操作經(jīng)驗教訓(xùn)；
2.參加校級實驗室組織的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練，具備軟硬件設(shè)計能力。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
已具備的條件：DELTA機(jī)器人及其編程接口
尚缺少的條件：草書書寫規(guī)律及軌跡算法
解決方法：調(diào)研、重新建模分析，歸納總結(jié)，提取成為字庫，然后按照規(guī)律進(jìn)行字庫重建，以期達(dá)到目標(biāo)。
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