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        草書機器人
        2019年06月05日 10:08         所屬學院: [工訓中心]          點擊:


        大學生創新訓練項目申請書  

             

           

        項目編號    S201910536047                       

        項目名稱     

                                

        項目負責人   楊玉婷   聯系電話 15948796147      

        所在學院     工訓中心                           

              201757050101 專業班級 電子1701      

        指導教師       常晗                             

        E-mail      3316085505@qq.com                

        申請日期        2019-05-01                      

        起止年月     2019-05-01 至 2020-05-01           

        長沙理工大學  

           


                 

             

        1、本申請書所列各項內容均須實事求是,認真填寫,表達明確嚴謹,簡明扼要  

        2、申請人可以是個人,也可為創新團隊,首頁只填負責人?!绊椖烤幪枴币粰诓惶?。  

        3、本申請書為大16開本(A4),左側裝訂成冊??删W上下載、自行復印或加頁,但格式、內容、大小均須與原件一致。  

        4、負責人所在學院認真審核, 經初評和答辯,簽署意見后,將申請書(一式兩份)報送××××大學項目管理辦公室。  

           

        一、 
        基本情況  

        項目      

        名稱      

        草書機器人      

        所屬      

        學科      

        學科一級門:      

        工學      

        學科二級類:      

        電子信息類      

        申請      

        金額      

                  2萬元      

        起止年月      

          2019年  5 月至  2020  5       

        負責人      

        姓名      

        楊玉婷      

        性別      

             

        民族      

             

        出生年月      

         199907      

        學號      

        201757050101      

        聯系      

        電話      

        宅:15948796147 手機: 15948796147      

        指導      

        教師      

        常晗      

        聯系      

        電話      

        宅:13507452631 手機: 13507452631      

        負責人曾經參與科研的情況      

        2018年參加長沙理工大學第十三屆物電杯自制“循跡小車”開幕式展覽      

        2018年參加長沙理工大學設計藝術學院聯合其他高校舉辦的“染文化之風韻.繪十九大故事”并獲得專業組二等獎      

        指導教師承擔科研課題情況      

        1.《湖南第一師范學報》,2008.1,《論高校學生黨支部工作的有效管理》      

        2.《長沙理工大學學報(社會科學版)》,2010.2,《教育對湖南經濟增長作用的實證分析》      

        3.《科技促進發展》,2010.4,《教育服務與教育服務業的界定問題研究》      

        4.《長沙理工大學學報(社會科學版)》,2014.9,《探討職業生涯規劃指導  推進高校學風建設》      

        2014年11月被評為長沙理工大學“十佳輔導員”,同年12月被評為2014年度“湖南省高校學生思想教育研究與實踐先進個人”。      

        2018年,擔任長沙理工大學“互聯網+”大學生創新創業大賽省賽、國賽領隊老師      

        指導教師對本項目的支持情況      

        1.組織選拔項目成員、指導項目成員按照計劃完成各項任務      

        2.提供必要物質基礎條件給學生,學生遇到問題,積極尋求幫助      

             

             

             

             

             

             

             

        姓   名      

        學號      

        專業班級      

        所在學院      

        項目中的分工      

        陳嘉豪      

        201757050230      

        電子1702      

        電氣學院      

        軟件設計      

        康夢搖      

        201757050201      

        電子1702      

        電氣學院      

        整機調試及文檔      

        二、 立項依據(可加頁)  

         

               

        (一) 項目簡介        

        中國漢字書法經歷了幾千年的沉淀和演變,形成了其獨特的藝術形式,其中草書的藝術風格尤為傳神。本設計使用Delta機器人來完成書寫草書體漢字的任務,能夠書寫出美觀、有筆鋒的草書體漢字。采用坐標計算的控制方法,首先在字庫中選擇書寫內容,通過算法生成運動軌跡坐標,在平面內的軌跡坐標進行計算,按照預先設定的軌跡、順序和速度進行動作,完成書寫。該技術可延展應用到人們生活的方方面面,對人類文明發展具有重大而深遠的意義。        

        (二) 研究目的        

        制作一款能實現機器人書寫方面所應用的方法和技術,基本上可以滿足人們對智能機器人“手”期望所具有的各種操作要求。在本設計中重點研究機器人書寫草書的解決方案以及算法設計。        

        (三) 研究內容        

        隨著科學技術的迅速發展,“人工智能”一時間成為了社會各界人士談論的焦點,而機器人技術在一定程度上代表了“人工智能”的水平。自上世紀首個機器人誕生以來,機器人大多應用在工業生產領域,這類機器人也就是人們常說的工業機器人。然而,大多數人并不認為它是真正意義上的“機器人”,僅覺得它是一堆冷冰冰的自動化機械裝置而已。事實上,工業機器人技術是智能機器人技術的重要基礎。為了讓機器人更加貼近人們日常生活,越來越多的專家、學者開始研究機器人在文化領域的應用,書法機器人由此應運而生。      

        漢字書寫是一種很復雜很精細的工作,它對機器人“手”在復雜環境下的靈活性、穩定性以及協調性等控制要求十分嚴格。書寫作為人類一項特有的技能,不僅需要人類的手能靈活地抓取所要使用的工具,而且需要通過感官觀察和感受,以此協調手的各部分動作和所書寫的內容,以及時調整書寫的動作和力度,還能將自己的情感表達出來。因此,機器人書寫可以讓智能機器人應用手眼協調技術來參與到人類社會的認識和實踐中來。并且,實現機器人書寫方面所應用的方法和技術,可以滿足人們對智能機器人“手”期望所具有的各種操作要求,不僅能夠實現智能機器人劃時代的突破,所使用的硬件結構設計、控制算法、參數模型等技術理論,也可應用于人類社會生產生活中的各個領域,其標志性的意義深遠且重大。      

        通過查閱資料發現,絕大部分書法機器人的構造,都是采用末端執筆的機械臂,通過接收PC端的控制指令來完成書寫的動作[6-9]。書法機器人書寫流程如圖1.1所示。      

               

         

         

               

               

        1.1書法機器人書寫流程      

        本次設計將使用Delta機器人來完成書寫草書體漢字的任務,期望目標是能夠書寫出美觀、有筆鋒的草書體漢字。筆者擬采用坐標計算的控制方法,首先在字庫中選擇書寫內容,通過算法生成運動軌跡坐標,機器人在平面內的軌跡坐標進行計算,按照預先設定的軌跡、順序和速度重復進行動作,完成書寫。      

        本次設計最大的難點在于草書字庫的建立,建立漢字數據庫本身就是一項十分繁瑣、復雜的工作,像常規的楷書、隸書還可以拆分為部首和筆畫進行字符信息提取,但草書字體不具備這樣的條件,所以需要重新構想出一個可行的解決方案。草書是書法中最難寫的書體,其顯著特點是跳躍參差、極盡變化,這就要求機器人在書寫過程中筆畫寬度能夠靈活變換,這也是本設計的難點之一。書寫筆畫寬度取決于毛筆的按筆深度(Z坐標)和停留時間,筆者擬采用建立數學模型的方法,研究出它們之間的函數關系。      

        本次設計最關鍵的在于書寫算法的設計,它直接決定了機器人最終的書寫效果,筆者將會結合草書的書寫要旨來設計書寫算法。由于本設計采用的是坐標計算的控制方法,草書機器人在書寫過程中可能會出現一些軌跡偏差,為了消除這一偏差,筆者擬將筆尖末端位置的校正作為本設計的研究重點之一。      

               

        (四) 國、內外研究現狀和發展動態        

        隨著“中國文化熱”的浪潮,國外研究機器人的專家、學者開始涉足書法機器人這一領域,近幾年也取得了重大科研成果,筆者將在下文介紹幾款比較有代表性的國外書法機器人。      

        1.機器人發展      

        機器人最早誕生于美國[1],而當時的美國比較重視基礎研究,所以機器人技術當時并沒有廣泛應用于生產、生活中。直到上世紀80 年代末期,美國政府開始重視機器人的研發,并提出了鼓勵政策,經過幾十年的積累發展,美國的機器人技術現已居世界領先地位。1967年日本從美國引進了機器人技術,并將機器人技術與本國的經濟發展和社會需求相結合,通過經濟帶動,日本的機器人技術上得到了飛速發展。到上世紀80年代中期,日本已發展成為名副其實的“機器人王國”,擁有全世界近六成的高級工業機器人,截止目前為止,它仍然保持工業機器人的產量、安裝數量居世界第一。德國的機器人技術起步略晚,但憑借其強大的科研技術及工藝水平,再加上政府強有力的政策推動,德國很快便在機器人領域占據      

         

         

        產量、安裝數量居世界第一。德國的機器人技術起步略晚,但憑借其強大的科研技術及工藝水平,再加上政府強有力的政策推動,德國很快便在機器人領域占據了重要地位。2013年,德國政府正式推出“工業4.0” 戰略,所謂的工業4.0是指利用物聯信息系統(Cyber—Physical System簡稱CPS)將生產中的供應,制造,銷售信息數據化、智慧化,最后達到快速、有效、個人化的產品供應?!肮I4.0”的推出勢必會掀起一股工業轉型的狂潮,機器人的應用將會更加廣泛,機器人技術也會由此上升一個臺階。      

        隨著中國國際地位的提高,中國文化也逐漸在國外流行起來,越來越多的外國人學習漢語、中國功夫和中國書法。隨著這股“中國文化熱”的浪潮,國外研究機器人的專家、學者開始涉足書法機器人這一領域,近幾年也取得了重大科研成果,筆者將在下文介紹幾款比較有代表性的國外書法機器人。      

               

        2.國外方面:      

               

        2. 1 KUKA書法機器人      

               

               

        圖1.2      

               

        如圖1.2所示,2012年,IEEE/RSJ智能機器人與系統國際會議在葡萄牙的維拉摩拉召開,Nico Huebel在會議上介紹了一種書法機器人,它是由KUKA輕型機器人、Prosilica GC 655C相機和毛筆組成[2]。它建立了一個關于如何繪制筆畫以及如何將它們組合為字符的數據庫,繪圖節點獲取這些描述并將它們轉換為軌跡,然后由機器人執行。在繪制完字符后,機器人將相機定位在紙張上方,通過將構成機器人軌跡的位置投影到紙平面上,計算參考字符和繪制字符之間的誤差,然后根據誤差自調節書寫軌跡。      

               

         

        2.2  Hoap-2人形機器人       

               

        圖1.3      

        如圖1.3所示,2013年,Sugiyama S等在紐約斯普林格發表了最新的研究成果,他們開發出了一個寫日文的人形機器人Hoap-2[3],它包含了一個使用虛擬觸覺接口的指令系統,書寫軌跡便是由該指令系統給出。Hoap-2人形機器人的亮點在于它是一款專用于寫字的機器人,而不僅限于機械臂上,所以該機器人可以通過整體運動寫出比它體型大的字符,拓展了傳統寫字機器人的應用范圍。      

        3.1國內發展概況      

        我國機器人領域起步較晚,在機器人技術方面也遠遠落后于國際先進水平。我國從上世紀八十年代才開始展開對機器人的研究,當時的覆蓋面較小,僅有部分高校和科研單位參與研究,發展速度比較緩慢。1985年后,國家將機器人技術列入國家發展計劃,特別是在國家第七、八、九個“五年計劃”和“863”高新技術發展計劃的重點支持下,我國的機器人在近30年取得了不少優秀的科研成果。通過查閱資料發現,在世界工業機器人產業全球前十五位重要專利申請人中,有11位來自日本企業,而我國的專利申請則無一上榜,這表明我國的機器人技術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器人技術領域還有很大的發展前景和研究價值。      

        雖然我國機器人技術的綜合水平遠落后于國際領先水平,但是在書法機器人這一領域的應用還是有相當多的亮點,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自主研發的、具有標志意義的書法機器人在下文進行圖文介紹。      


        3.2機器人書法大師      

               

        圖1.4      

        2000年,北京航空航天大學的景興碧教授等開發了我國第一臺專門用于中國軟筆書法的機器人——“機器人書法大師”。[4]該軟筆書法機器人系統是為中國科學技術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。軟筆書法機器人系統啟動后,可以在電腦屏幕上選擇機器人書寫的內容(該內容必須是機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,該書法機器人支持楷書、隸書、草書、魏碑等字體。該機器人可根據所選擇的書寫字數的多少,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,在連續書寫一段時間后,機器人能夠自動完成潤筆等動作。在書寫完成后,機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節。      

               

        3.3 Callibot書法機器人      

               

        圖1.5      

        2013年12月, 在中國深圳召開的IEEE機器人與仿生學國際會議上,孫遠東、徐揚生教授在會議上介紹了他們最近的研究成果——Callibot書法機器人,它是由一個6自由度機器人臂、一條直線軌道和一個送紙器組成[5]。Callibot機器人相較以往書法機器人,大大擴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。機器人與人類最大的區別在于機器人能夠準確地記錄演示動作。因此,雖然Callibot沒有任何的學習過程,但是它能夠寫書寫出有藝術感的書法字。如圖1.5所示 ,Callibot書法機器人能夠寫出一幅巨大的具有藝術感書法作品。      

               

        4.總結      

        書法機器人著重于對機器人手臂的控制,這樣更接近人們對于智能機器人“手”的控制期望。伴隨著智能機器人的發展,人們更加期望機器人能夠通過不斷學習來完成復雜的寫字工作,其重點在于學習,能夠讓機器人通過學習來完成復雜書寫動作的控制也成為了近年來的研究熱點。書法是一項手眼協調的工作,而機器人手眼協調的發展一直伴隨著智能機器人的發展,在嘗試對書法機器人寫毛筆字改進和提高的過程中,也勢必會促進智能機器人的發展和研究。      

               

        2.參考文獻      

        [1] 余德泉.國內外工業機器人發展現狀與趨勢[J].大眾用電,2017,32(09):20-21.      

        [2] Nico Huebel, Elias Mueggler, Markus Waibel, and Raffaello D’Andrea. Towards Robotic Calligraphy[C]//Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Vilamoura, Algarve, Portugal , 2012.      

        [3] Sugiyama S, Oshita I, Yoshikawa T. Japanese calligraphy using whole body motion of a humanoid robot[M]//Intelligent Technologies and Engineering Systems. Springer New York,2013:345-355       

        [4] 景興碧,萬仁明,張以都,李秀琴.軟筆書法機器人[J].機器人技術與應用,2000(06):21-23.                                

        [5] Yuandong Sun and Yangsheng Xu: A Calligraphy Robot- Callibot: Design, Analysis and ApplicationsInternational [C]/ /Proceedings of the IEEE Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO) Shenzhen, China, December 2013      

        [6] 宮曉博,王建平.IRB140型工業機器人連續軌跡控制的漢字繪制[J].現代制造工程,2010(02):135-137.      

        [7]曾興吉.機器人技術在毛筆書法中的應用研究[J].科技創新與應用,2018(31):152-153.      

        [8] 杜同春. 寫字機器人感知與推理方法研究[D].哈爾濱工程大學,2017.      

        [9] 俞凱. 計算機書法若干關鍵技術研究[D].浙江大學,2010.      

        [10] 曾華琳,黃雨軒,晁飛,周昌樂.書寫機器人研究綜述[J].智能系統學報,2016,11(01):15-26.      

        [11] 張學文,陳小安,梁錫昌.寫字機器人運動學分析及仿真[J].現代制造工程,2009(10):142-145.      

        [12] 黃雨軒. 智能機器人自主書寫方法的研究[D].廈門大學,2017.      

        [13] 寧俤修,王中天,許曉飛.軟筆書寫機器人的研究與設計[J].電子技術,2017,46(07):72-74.      

        [14] 王光建,梁錫昌.寫字機器人的文字矢量化及應用[J].現代制造工程,2004(07):40-42.      

        [15] 曲波.一種具有環境自適應能力的毛筆機器人[J].微型電腦應用,2004(10):42-44+2-3.      

        [16] 于建均,門玉森,阮曉鋼,徐驄馳.在書寫任務中的基于軌跡匹配的模仿學習[J].北京工業大學學報,2016,42(08):1144-1152.      

        [17] 賴嘯.智能制造機器人機構空間軌跡規劃和運動仿真設計[J].南方農機,2018,49(17):31+42.      

        [18] 閆林林,徐方,賈凱,鄒風山.Delta機器人運動控制及圖形軌跡的動態仿真[J].計算機工程與設計,2015,36(08):2196-2200.      

                 

        (五) 創新點與項目特色        

        1.機器自主學習      

        通過筆畫自主生成算法,實現機器人的自主筆畫學習并書寫漢字,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學會的筆畫將這個漢字書寫出來,并能有自己的風格。      

        2.模仿學習      

        漢字的書寫過程中涉及了很多重復性的筆畫運動,因此可以利用在先前相同筆畫運動軌跡中收集得到的數據來優化后面的筆畫。      

        3.智能控制      

        加入語音識別系統,可以通過人的聲音來控制書法機器人的書寫內容和字體風格。      

        4.書法作品的布局與呼應      

        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關系,如何表達這些呼應關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) 技術路線、擬解決的問題及預期成果        

        主要問題:      

        1.書寫效果單一      

        就目前的書法機器人而言,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器人有了極大的提升。但是,現有的各類書法機器人都存在一定的局限性。采用對現有字庫進行編程的書法機器人,則只能書寫字庫中的漢字,且書寫效果單一。      

        2.書寫較多時出現問題      

        當它書寫字數較多的作品時,便會出現兩個問題:      

        (1)PC端處理速度太慢,需要很長的時間規劃書寫軌跡,甚至部分字出錯。      

        (2)作品沒有整體藝術感。      

        3.書法水平及延展應用方面受限      

        跟隨書寫機器人需要依靠人的介入輔助,并不能很好地體現機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習來進行自我優化。這種模仿式、非完全自主的書法機器人不適用于較重的或大型的機械臂,所以在延展應用方面也更為局限。      

                 

        (七) 項目研究進度安排        

        (一)準備階段      

        1.2019年3月,熟悉OpenCV軟件、課題任務及要求。      

        2.2019年4月,查閱60篇以上有關delta機器人、書寫機器人的中英文文獻資料。      

        3.2019年6月至2019年10月,基于所查閱的相關文獻資料,完成文獻綜述,并讓老師指導審閱。      

        (二)設計階段      

        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,完成草書字庫的設計。      

        6.2020年1月,建立數學模型,研究書寫筆畫寬度與按筆深度、筆尖停留時間之間的函數關系。      

        7.2020年2月,完成草書機器人算法的設計以及書寫功能的實現。      

        8.2020年3月,對草書機器人進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并準備答辯、結題。      

                 

        (八) 已有基礎        

        1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績        

        1.參加“塞伯睿創業團隊”,具備機器人操作經驗教訓;      

        2.參加校級實驗室組織的全國大學生電子設計競賽訓練,具備軟硬件設計能力。      

        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機器人及其編程接口      

        尚缺少的條件:草書書寫規律及軌跡算法      

        解決方法:調研、重新建模分析,歸納總結,提取成為字庫,然后按照規律進行字庫重建,以期達到目標。        

        三、 經費預算  

        開支科目                            

        預算經費      

        (元)        

        主要用途               

        階段下達經費計劃(元)        

        前半階段      

        后半階段      

        預算經費總額      

        20000      

               

        13000      

        7000      

        1. 業務費      

        5000      

        計算、分析測試、差旅、文獻檢索和論文初版      

        3000      

        2000      

        1)計算、分析、測試費      

        1000      

        計算運動軌跡與草書字體關系      

        1000      

        0      

        2)能源動力費      

        0      

               

        0      

        0      

        3)會議、差旅費      

        1000      

        前往調查地區的路費和住宿      

        1000      

        0      

        4)文獻檢索費      

        2000      

        重要外文資料的檢索、專利文獻檢索      

        1000      

        1000      

        5)論文出版費      

        1000      

        審核和版面費用      

        0      

        1000      

        2. 儀器設備購置費      

        3000      

        采購小型萬用表、電感表、阻抗絕緣測試、千分尺等儀器設備      

        2000      

        1000      

        3. 實驗裝置試制費      

        3000      

        加工制作機械臂、控制器所需要的實驗測試裝置      

        2000      

        1000      

        4. 材料費      

        9000      

        采購和制作機械臂、控制器及外觀設計所需要的零件      

        8000      

        1000      

        學校批準經費      

        20000        

                 

                 

                 

           

           

           

           

           

        四、 指導教師意見  

            本項目研究草書機器人,項目負責人楊玉婷帶領其團隊成員陳嘉豪、康夢搖進行項目研究,研究過程中勤奮努力,克服了許多技術難關,最終使項目具備可行性,同意指導。                       

        導師(簽章):        

        年  月   日        

        五、 院系大學生創新創業訓練計劃專家組意見   

               

                    推薦校級項目      

                              

        專家組組長(簽章):        

        年  月   日      

        六、 學校大學生創新創業訓練計劃專家組意見  

               

               

               

               

        負責人(簽章):        

        年  月   日        

        七、 大學生創新創業訓練計劃領導小組審批意見  

               

               

                                                  

        負責人(簽章):        

        年  月   日        

           

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