書法機器人工作站的設計與仿真

林雁飛 朱洪雷

（廣州工程技術職業學院，廣東廣州510520）

0 引言

《中國制造2025計劃》將機器人作為重點發展領域，而國家“十三五”規劃中，也將“智能制造和機器人”列為“科技創新重大項目”。將工業機器人與智能制造相結合，改變了傳統工業機器人只能進行重復操作的觀念，為工業機器人的發展開辟了新的思路。近年來，工業機器人的創新應用成為熱點，如機器人表演茶道、機器人擰魔方、機器人寫書法等等。

ABB RobotStudio離線編程軟件采用ABB公司的VirtualRobotTM技術[1]，來對工業機器人的工作站進行虛擬現實的構建，通過可視化及可確認的解決方案和布局來獲得實際產品的可行性分析，是一款應用很廣的ABB工業機器人專用仿真軟件。本文基于RobotStudio6.07仿真軟件，選取ABB IRB120機器人進行工作站的布局。

1 書法機器人工作站布局

結合書法機器人的工作特性，本設計選取了ABB機器人中最小但速度最快的ABB IRB120六軸機器人[2]。由于書法機器人工作站的特殊性，軟件系統中現有的夾具等配件不能滿足設計的需求，需采用第三方繪圖軟件進行創建，并采用ACIS文件導入系統，RobotStudio與之具有兼容性。該工作站采用Solidworks繪圖軟件創建的部件包括：毛筆夾具、毛筆、紙、書桌、硯臺以及用于裝飾的屏風、盆栽、地板等等，如圖1所示。

2 書法機器人路徑編程

圖1 書法機器人工作站布局

書法機器人與單片機等嵌入式系統的書寫原理不同，其控制系統中不具有字庫，無法采用調用中文字庫的方式書寫，主要是采用模擬漢字筆跡進行路徑規劃的方式進行漢字書寫，因此，預先需制作文字模板。這種方式的優點在于機器人可以模擬各種類型的字體，也可以將個人書寫的作品掃描導入進行規劃模擬。由于漢字路徑規劃不具有規律性，故采用手動示教的方式完成[3]，并對每個漢字的路徑設置子程序便于調試，如圖2所示。

圖2 書法機器人路徑規劃

3 書法機器人工作站的仿真

工作站路徑編程完成后，要進行仿真演示，來展示工作站的運行情況。一般工作站的仿真直接用軟件的仿真功能運行就可以了，但書法機器人采用的毛筆是虛擬元件，仿真時只有書寫的動作，卻不能在紙上真正留下墨跡，這是本設計的一個難點。

針對路徑規劃類工作站，傳統的仿真方法多采用TCP跟蹤的模式。TCP（tool centre position）即工業機器人工具中心位置點，該方法是對工具（即毛筆）中心位置進行追蹤，在仿真過程中將毛筆中心點所經過的路徑用線條勾畫出來，如圖3所示。

圖3 TCP跟蹤模式仿真設置及效果

從仿真的結果可以看出：毛筆所有經過的位置，包括機器人機械原點、筆畫之間的連接、字與字之間的連接等路徑全部都有線條顯示；但仿真結果無法確認字跡是否寫在紙上，或是紙上是否有多余字跡，最重要的一點是，這個字跡非常潦草，無法體現書法作品的美感和內涵。

基于傳統方法的缺陷，本次設計引入一種創新的仿真方法，即基于Smart組件的動態仿真方法。具體仿真方法如下：

（1）在Solidworks軟件中創建一個由多個小組件拼接而成的紙板，組件越小仿真精度越高，并將其導入RobotStudio工作站系統中。

（2）在RobotStudio6.07的建模—Smart組件—組成—添加組件中，添加LineSensor線傳感器組件和Sink刪除組件，設計思想是將線傳感器安裝到毛筆的末端，當毛筆書寫接觸到紙時，線傳感器將會發出一個觸發信號給Sink，執行刪除組件的命令，紙上對應位置的小組件被刪除，露出字跡。

（3）在運行過程中，可能出現因為機器人運行速度過快信號反應不及，對應位置的小組件無法正常刪除的情況，為保證可靠性，引入Timer組件，將間隔時間Interval設置為0.005 s，即當毛筆在紙板對應位置停留時間超過0.005 s，也能發出觸發信號給Sink。

（4）對Smart組件逐步完成組成（圖4）、屬性與連結（圖5）以及信號與連接（圖6）的設置，完成仿真的動態程序設置。

圖4 Smart組件組成設置

仿真結果如圖7所示。

4 結語

圖5 Smart組件屬性與連結設置

圖6 Smart組件信號與連接設置

圖7 Smart組件控制方式的仿真結果

綜上所述，采用Smart組件的動態控制方法，能清楚地展示機器人書寫的漢字，并且該漢字是真正能出現在紙上的，對于書寫過程的缺筆畫、多筆畫以及書寫的力度、角度等都能較好地展現，便于調試與修正。