CN102528790A - 基于力反馈的书法机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于力反馈的书法机器人系统，它是一种主从机器人系统，包括P C机以及顺序相连的主操作臂、从操作臂和笔夹具，P C机分别与主操作臂、从操作臂电信号相连；P C机内设有人手抖动消除模块、力缩放模块和运动缩放模块；人手抖动消除模块的输入连接主操作臂，人手抖动消除模块的输出连接运动缩放模块；运动缩放模块的输出连接从操作臂；力缩放模块的输入连接从操作臂，力缩放模块的输出连接主操作臂。本发明利用力反馈装置，通过人机交互，建立书写者和任务交互的环境模型，操作方便，实时性强，系统安全可靠，可实现书法数字化与技艺传承。

Description

基于力反馈的书法机器人系统
技术领域
本发明涉及机器人，特别涉及一种基于力反馈的书法机器人系统。
背景技术
目前，机器人多应用于工业、医疗、矿产等多方面，也有用于写字的机器人，但还没有用于书法技艺传承的书法机器人系统。汉字的奥妙与其深刻的文化涵养，是全球华人共有的珍贵资产。汉字书法的精髓在于书写时力道的合理运用。记录书法家书法过程中的力信息，通过机械臂末端的笔进行输出，可用于书法技艺的传承，对于保护传统文化具有重要意义，是一种新型的书法方式。
发明内容
本发明的目的，就是为了提供一种基于力反馈的书法机器人系统。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于力反馈的书法机器人系统，是一种主从机器人系统，包括P C机以及顺序相连的主操作臂、从操作臂和笔夹具，P C机分别与主操作臂、从操作臂电信号相连；P C机内设有人手抖动消除模块、力缩放模块和运动缩放模块；人手抖动消除模块的输入连接主操作臂，人手抖动消除模块的输出连接运动缩放模块；运动缩放模块的输出连接从操作臂；力缩放模块的输入连接从操作臂，力缩放模块的输出连接主操作臂。
所述的主操作臂和从操作臂都是Novint Falcon力反馈装置，主操作臂包含主操作柄、主控制器和主位置传感器；从操作臂包含从操作柄、从控制器和从位置传感器；主位置传感器与人手抖动消除模块电信号相连，从位置传感器与力缩放模块电信号相连。
所述的笔夹具由上箍板、下箍板、上下箍连接杆、书写笔连接件和书写笔高度定位件构成，上箍板与下箍板将从操作臂的从操作柄夹在中间并通过上下箍连接杆连接，书写笔连接件与下箍板通过螺栓连接，书写笔高度定位件设置在书写笔连接件上。
所述的人手抖动消除模块采用软件滤波的方式，对于人手抖动频率进行过滤，过滤后的运动经运动缩放模块缩放后由从操作臂输出。
本发明中的主操作臂用于书法笔迹的输入和力反馈输出，便于书写技艺的数字化和力道反馈；人手抖动消除模块、力缩放模块和运动缩放模块用于主从操作臂之间运动与力的实时操作；从动臂和笔夹具用于书法笔迹的执行和输出。
本发明中的人手抖动消除模块，采用软件滤波的方式，对于人手抖动频率(一般为6～12HZ)进行过滤，过滤后的运动输送到从操作臂的控制器中，由从操作臂输出，这样能有效的抑制书写震颤扰动，达到书写流畅优美效果。人手抖动消除算法具体为：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值EA，每次检测到新值时，如果本次值与上次值之差小于EA，则本次值有效；如果本次值与上次值之差大于等于EA，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。这样采集到的有效值就消除了人手抖动。
本发明中的运动缩放模块，使主从操作臂的运动比例为软件设置的比例系数KD，当KD为1时，主从操作臂的运动为同步运动，书写的字为输入字的等同大小；当KD小于1时，由书法机器人写出的字大于输入字，能起到放大字迹作用；当KD大于1时，由书法机器人写出的字小于输入字，能起到写小字的功能。
本发明中的力缩放模块，是对从动臂末端的书写笔的书写力进行缩放，反馈至主操作臂的书写者操作端，使书写者对书写力道的运动更好的把握，提高书写效率和成功率。
本发明基于力反馈的书法机器人系统具有以下有益效果：
(一)、能够记录书法者的书写轨迹与力道，实现计算机自动书法或远程书法；
(二)、能使书法者在书写过程中具有书法力感觉，使书写过程更真实，从而大大提高书写效率；
(三)、主从操作臂能实时操作，适合书法机器人控制系统的需要；
(四)、具有人手抖动消除、运动缩放以及力缩放控制算法，能写出更优美的小字和大字。
附图说明
图1为本发明基于力反馈的书法机器人系统的结构框图；
图2是为本发明中的笔夹具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明的基于力反馈的书法机器人系统，是一种主从机器人系统，包括P C机1以及顺序相连的主操作臂2、从操作臂3和笔夹具4，P C机1分别与主操作臂2、从操作臂3电信号相连；P C机1内设有人手抖动消除模块11、运动缩放模块12和力缩放模块13。人手抖动消除模块11的输入连接主操作臂2，人手抖动消除模块11的输出连接运动缩放模块12；运动缩放模块12的输出连接从操作臂3；力缩放模块13的输入连接从操作臂3，力缩放模块13的输出连接主操作臂2。
本发明中的主操作臂2和从操作臂3都是瑞士Force Dimension公司设计生产的Novint Falcon力反馈装置，主操作臂2包含主操作柄、主控制器和主位置传感器；从操作臂3包含从操作柄、从控制器和从位置传感器；主位置传感器与人手抖动消除模块电信号相连，从位置传感器与力缩放模块电信号相连。
参见图2，本发明中的笔夹具4由上箍板41、下箍板42、上下箍连接杆43、书写笔连接件44和书写笔高度定位件45构成，上箍板41与下箍板42将从操作臂3的从操作柄31夹在中间并通过上下箍连接杆43连接，书写笔连接件44与下箍板42通过螺栓46连接，书写笔高度定位件45设置在书写笔连接件44上。
下面结合图1对本发明的实施分主操作臂至从操作臂的运动传输和从操作臂至主操作臂的力觉反馈两条线路作详细说明。
主操作臂2至从操作臂3的运动传输：书写者操作主操作臂2的操作柄进行书法书写，主操作臂的位置传感器把操作柄的运动轨迹通过USB传输至P C机1，然后P C机1把书写者的运动轨迹传送到从操作臂3的控制器中，并由固定在从操作臂3末端的书写笔进行书写。
从操作臂3至主操作臂2的力觉反馈：书写笔与书写纸间的书写力施加至从操作臂3的末端，转化成从操作臂3末端的相应运动，从操作臂3的位置传感器把末端的运动轨迹通过USB传输至P C机1，P C机1同时检测主操作臂2末端的位置和从操作臂3末端的位置，两者通过虚拟弹簧连接，若两者位置一致，则虚拟弹簧力为零，若两者位置不一致，则虚拟弹簧力为力缩放系数与位置的乘积。然后P C机把虚拟弹簧力通过USB传输至主操作臂2的控制器，最后通过主操作臂的操作柄反馈至书写者的手部，使书写者感受到书写笔的书写力。
书写者操纵主操作臂2，其书法运动轨迹通过P C机1的人手抖动消除模块11消除书写者的手部抖动，然后P C机的运动缩放模块12把书写者的运动轨迹进行一定比例的缩放，通过从操作臂3上的书写笔输出。从操作臂3书写过程中，书写力的大小由从操作臂3采集并传输到P C机1，力缩放模块13把书写力进行一定比例的缩放反馈给主操作臂2上的书写者，从而实现机器人书写过程中的力反馈书法。

Claims (4)

1.一种基于力反馈的书法机器人系统，是一种主从机器人系统，其特征在于：包括P C机以及顺序相连的主操作臂、从操作臂和笔夹具，P C机分别与主操作臂、从操作臂电信号相连；P C机内设有人手抖动消除模块、力缩放模块和运动缩放模块；人手抖动消除模块的输入连接主操作臂，人手抖动消除模块的输出连接运动缩放模块；运动缩放模块的输出连接从操作臂；力缩放模块的输入连接从操作臂，力缩放模块的输出连接主操作臂。
2.如权利要求1所述的基于力反馈的书法机器人系统，其特征在于：所述的主操作臂和从操作臂都是Novint Falcon力反馈装置，主操作臂包含主操作柄、主控制器和主位置传感器；从操作臂包含从操作柄、从控制器和从位置传感器；主位置传感器与人手抖动消除模块电信号相连，从位置传感器与力缩放模块电信号相连。
3.如权利要求1所述的基于力反馈的书法机器人系统，其特征在于：所述的笔夹具由上箍板、下箍板、上下箍连接杆、书写笔连接件和书写笔高度定位件构成，上箍板与下箍板将从操作臂的从操作柄夹在中间并通过上下箍连接杆连接，书写笔连接件与下箍板通过螺栓连接，书写笔高度定位件设置在书写笔连接件上。
4.如权利要求1所述的基于力反馈的书法机器人系统，其特征在于：所述的人手抖动消除模块采用软件滤波的方式，对于人手抖动频率进行过滤，过滤后的运动经运动缩放模块缩放后由从操作臂输出。
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