CN110076787A - 笔迹控制机器人 - Google Patents

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景岩
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Nanjing Robotics Research Institute Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1612—Programme controls characterised by the hand, wrist, grip control

Abstract

本发明提供一种笔迹控制机器人，主要由机架、笔桥、笔座、平移机构和笔势控制机构组成，其中平移机构用于带动笔座在三维直角坐标系的XY方向位移形成笔迹，笔势控制机构安装在笔桥上，包括进给部、偏转部、激光定位部和钢笔夹持部；平移机构包括四个动轮、四个定轮和一条封闭的同步带，动轮安装于工字型笔桥的四个角上，定轮安装于机架的四个角上，同步带呈H形绕制在动轮与定轮上；使用时，向两个定轮分别输入变化的转矩，带动同步带及笔桥形成预设的轨迹，同时笔势控制机构按照预设的压感控制书写压力，自动书写出所需的笔迹。

Description

笔迹控制机器人
技术领域
本发明涉及一种使用书写工具批量生成笔迹的机器人，具体涉及笔迹控制机器人。
背景技术
钢笔由于笔尖具备的特殊结构，在不同笔势下的书写效果/笔迹完全不同，而现有签名机往往采用竖直持笔的方式书写，无法实现完全模仿笔迹的效果。设计一种具备笔势控制功能的签名机器人，就成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，设计一种笔迹控制机器人。
为解决上述技术问题而提出的技术方案是，笔迹控制机器人，包括机架、笔桥、平移机构和笔势控制机构，
所述平移机构用于带动钢笔在三维直角坐标系的XY方向位移形成笔迹，所述笔势控制机构用于带动钢笔与Z轴形成所需夹角；
所述平移机构包括四个动轮、四个定轮和一条封闭的同步带，动轮安装在工字型笔桥的四个角上，定轮安装在机架的四个角上，同步带呈H形绕制在动轮与定轮上；
所述笔势控制机构安装在笔桥上，包括进给部、偏转部、激光定位部和钢笔夹持部，
所述偏转部包括框体和球体，所述球体安装在框体内，所述框体上安装有用于带动球体旋转的滚轴，所述滚轴上安装有滚动编码器，所述球体中心穿设有钢笔；
所述钢笔夹持部与激光定位部固定连。
具体地，所述滚轴包括控制球体沿X轴旋转的第一滚轴，沿Y轴旋转的第二滚轴，以及沿Z轴旋转的第三滚轴。
具体地，所述第一滚轴与X坐标轴平行，所述第二滚轴与Y轴平行，所述第三滚轴与Z轴平行。
具体地，定轮包括第一定轮、第二定轮、第三定轮和第四定轮，其中第一定轮和第三定轮位于第一直线上，第二定轮与第四定轮位于第二直线上，所述笔桥连接于第一直线和第二直线之间，其中第一定轮由第一电机驱动，所述第三定轮与第一编码器联接，所述第二定轮由第二电机驱动，所述第四定轮与第二编码器联接。
具体地，所述第一电机选用伺服电机或步进电机，所述第二电机选用伺服电机或步进电机。
具体地，所述机架的外部罩设透明壳体，所述透明壳体的顶部设有图形用户界面。
上述的笔迹控制机器人的自动书写方法，是向两个定轮分别输入不同的扭矩，带动同步带及笔桥形成预设的轨迹，同时笔势控制机构按照预设的笔势调整钢笔与Z轴夹角以及距离纸张距离。另外两个定轮的编码器采集转动角速度，对两个定轮输入扭矩进行反馈控制；滚动编码器采集滚轴的运动角度，对笔势控制进行反馈。
使用时，第一电机和第二电机输出变化转矩，输出实现等效于XY轴的插补运算，形成书写轨迹；同时笔势控制控制钢笔的进给量和空间角度，完全模仿书法的模式形成书法作品。
由于机架机构简单，对运动的钢笔的遮挡可忽略不计，配合透明壳体，可以实时报道/见证文件的远程签署过程。
有益效果：本发明使用同步带驱动的平移机构和笔势控制机构进行书写，使用六个输入自由度模仿人执笔书法时的复杂动作，简化了控制程序，降低了硬件的成本，具备显著的进步。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图其中笔势控制机构的结构示意图；
图3是图2中球体的结构示意图；
图中：第一定轮1，第二定轮2，第三定轮3，第四定轮4，工字型笔桥5，框体6，球体7。
具体实施方式
实施例：
本实施例的笔迹控制机器人如图1所示，是由安装在机架（图中省略）四个角的第一定轮1、第二定轮2、第三定轮3、第四定轮4，与工字型笔桥5上的四个动轮通过同步带连接而成，笔势控制机构固定在同步带上，包括框体6和球体7。
使用时，平移机构用于带动钢笔在三维直角坐标系的XY方向位移，笔势控制机构用于带动钢笔在Z方向上位移。平移机构包括四个动轮、四个定轮和一条封闭的同步带，动轮安装在笔桥的四个角上，定轮安装在机架的四个角上，同步带呈H形绕制在动轮与定轮上；对第一定轮和第二定轮输入不同的扭矩，即可带动同步带上的钢笔在XY平面坐标系内进行任意轨迹的移动。
笔势控制机构包括进给部、偏转部、激光定位部和钢笔夹持部，其中偏转部的结构如图2所示，类似滚轮鼠标/轨迹球的原理，采用三个独立的电机分别输入不同的扭矩来控制球体7在框体6内的三维旋转，滚动编码器进行反馈控制，进而赋予穿设在球体7中心的钢笔的空间角度。
球体7的结构如图3所示，中心穿设通孔，通孔内设置钢笔夹持部，用于装夹钢笔，钢笔夹持部可采用类似机床的三爪夹头，激光定位部采用三个Y形布置的激光发射器，三束激光交汇到一点，在装夹钢笔时用交汇点来定位笔尖的位置。进给部设置在装夹部与球体之间，并设置压力传感器，对钢笔与书写表面之间的压感做记录与反馈控制。
为了在书写时达到更好的可视化效果，在机架外部罩设透明罩体，在机架底部设置自动进纸机构，也可以将需签名文件制成卷式，依靠滚轮的进给移动纸张到需要签名位置，签名后再进行裁切。
定轮包括第一定轮、第二定轮、第三定轮和第四定轮，其中第一定轮和第三定轮位于第一直线上，第二定轮与第四定轮位于第二直线上，所述笔桥连接于第一直线和第二直线之间，其中第一定轮由第一电机驱动，所述第三定轮与第一编码器联接，所述第二定轮由第二电机驱动，所述第四定轮与第二编码器联接。第一直线与第二直线之间具有4~8°的夹角。
机架是由四条边首尾相接形成的框，定轮布置在框的四个顶角的上方，四个顶角的下方安装有支撑脚，向两个定轮分别输入同向的扭矩时，笔桥左右两侧的同步带长度不变，令笔座在笔桥上纵向移动。当向两个定轮输入反向的扭矩时，同步带总长不变，但笔桥右侧的同步带缩短，左侧增长，令整个笔桥向左移动。当同时输入不同大小和方向的扭矩时，带动同步带及笔桥形成预设的轨迹，同时笔势控制机构按照预设的压感控制书写压力另外两个定轮的编码器采集转动角速度，对两个定轮输入扭矩进行反馈控制。
H形同步带作为笔座平移的动力来源，笔桥作为笔座在平面直角坐标系Y轴方向的导轨，同时笔桥与机架之间安装有X轴方向的平直导轨，导引整个笔桥在X轴方向平移。
该系统还可以用与录入钢笔签名轨迹，进而完全复制出录入的动作。方法是人手执钢笔的上部书写，带动球体及同步带运动，运动过程中由滚动编码器采集笔势数据，第一、第二编码器采集XY位移数据，直接保存以上数据。书写时直接将上述输入平移机构和笔势控制机构，自动复现所录入动作。
以上实施例中未提及的部分可由现有技术实现。

Claims (8)

1.一种笔迹控制机器人，包括机架、笔桥、平移机构和笔势控制机构，其特征在于：
所述平移机构用于带动钢笔在三维直角坐标系的XY方向位移形成笔迹，所述笔势控制机构用于带动钢笔与Z轴形成所需夹角；
所述平移机构包括四个动轮、四个定轮和一条封闭的同步带，动轮安装在工字型笔桥的四个角上，定轮安装在机架的四个角上，同步带呈H形绕制在动轮与定轮上；
所述笔势控制机构安装在笔桥上，包括进给部、偏转部、激光定位部和钢笔夹持部，
所述偏转部包括框体和球体，所述球体安装在框体内，所述框体上安装有用于带动球体旋转的滚轴，所述滚轴上安装有滚动编码器，所述球体中心穿设有钢笔；
所述钢笔夹持部与激光定位部固定连。
2.根据权利要求1所述的笔迹控制机器人，其特征在于：所述滚轴包括控制球体沿X轴旋转的第一滚轴，沿Y轴旋转的第二滚轴，以及沿Z轴旋转的第三滚轴。
3.根据权利要求2所述的笔迹控制机器人，其特征在于：所述第一滚轴与X坐标轴平行，所述第二滚轴与Y轴平行，所述第三滚轴与Z轴平行。
4.根据权利要求1所述的笔迹控制机器人，其特征在于：定轮包括第一定轮、第二定轮、第三定轮和第四定轮，其中第一定轮和第三定轮位于第一直线上，第二定轮与第四定轮位于第二直线上，所述笔桥连接于第一直线和第二直线之间，其中第一定轮由第一电机驱动，所述第三定轮与第一编码器联接，所述第二定轮由第二电机驱动，所述第四定轮与第二编码器联接。
5.根据权利要求1所述的笔迹控制机器人，其特征在于：所述第一电机选用伺服电机或步进电机，所述第二电机选用伺服电机或步进电机。
6.根据权利要求1所述的笔迹控制机器人，其特征在于：所述机架的外部罩设透明壳体，所述透明壳体的顶部设有图形用户界面。
7.使用如权利要求1所述的笔迹控制机器人的书写方法，其特征在于：向两个定轮分别输入不同的扭矩，带动同步带及笔桥形成预设的轨迹，同时笔势控制机构按照预设的笔势调整钢笔与Z轴夹角以及距离纸张距离。
8.使用如权利要求7所述书写方法，其特征在于：另外两个定轮的编码器采集转动角速度，对两个定轮输入扭矩进行反馈控制，滚动编码器采集滚轴的运动角度，对笔势控制进行反馈。
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