智能自動繪圖寫字機器人

趙禎祥　呂文博　安海寧　龔怡然

摘 要：智能自動繪圖寫字機器人可以完成寫字、繪圖、制作壁畫等工作，簡單改裝后可以變為具有激光雕刻與CNC加工功能的工業機器人。經過市場調研，目前已有的寫字機器人普遍體積較小，只能在A4紙上寫字，效率低且功能單一，不適用于工業生產。針對市場需求，在已有產品的基礎上進行創新，設計了多功能大型工業寫字機器人，并開發了配套的人工智能應用軟件。

關鍵詞：人工智能;智能制造;文化創意;智慧生產

1 作品簡介

該繪圖寫字機器人是由人工智能神經網絡結構自主生成可人工調節的圖文內容，并由個人電腦將圖文內容轉化為機器動作指令，由自主設計的多自由度框架寫字繪圖機構執行命令的一體化全棧式機器。

2 工作原理

此機器采用COREXY運動結構，通過2個57高速閉環步進電機帶動GT2同步皮帶傳動，結構略復雜，但是精度較高。得益于穩定的框架和固定的不隨橫軸移動的步進電機，避免了平臺XY軸移動帶來的晃動和不穩。移動組件部分搭建在三根高精度線軌之上，以保證書寫時的速度和精度。

電路部分使用Atmel ATmega328P的主控芯片，圍繞此芯片搭建了外圍電路，電路線板采用光耦隔離，抗干擾能力強，精確度高，主控板既可板載驅動器，也可外接大功率驅動器。考慮到書寫尺寸，兩個步進電機采用外置的電機驅動器，驅動器與主控板連接，采用12 V與24 V雙路大功率電源，滿足一個電源驅動整個機器的需求。

在PC端需要三部分軟件來完成整個系統的控制邏輯：

（1）與下位機（基于Atmel ATmega328P的電路控制板）通信的控制軟件，將控制命令（Gcode）和下位機交互，控制機械運動;

（2）通過軟件將圖案或文字轉化為控制命令（Gcode）;

（3）通過人工智能與深度學習軟件自主設計藝術畫作或者模仿古今中外書法繪畫名家進行全自動創作。

系統流程如圖1所示。

3 創新點

（1）該機器一改其他類型機器工作原理簡單、工作能力單一、工業設計薄弱的缺點，創造性地使用工業級別的自動化零件，一方面可以極大地增加該機器的穩定性與壽命，另一方面也可使得該機器具有其他功能。

（2）該機器的框架龐大，可控性優良，且框架剛性優秀，因此該機器可以通過簡單的改裝來滿足不同的工作需求。除可以在表面使用不同的涂料進行噴涂外，還可以用于平面液體固化等方面，例如制作異形薄煎餅、繪圖巧克力，通過不同材料打印彩色標牌等，該機器在平面擴展方面存在極為優良的

性能。

（3）該機器的主要框架較為穩定，與市面上其他同類商品相比，其底面為一個完整的矩形，因此適合將該機器進行進一步擴展。在增加Z軸運動后，該機器可以成為一臺精度極高的三維打印機，在增加密封箱或者其他類似的通風設施后，可以改造成為一臺與專業機型無異的激光切割雕刻機，因此其在工業應用方面也存在極高的擴展性。

（4）由于其使用了直線導軌與閉環步進電機控制，其對干擾的排除能力遠超其他同類產品，因此可以做一些負荷較大的工作。其本身扭矩支持將它改造成銑床或者浮雕制作機。該機器雖然自重較大，但體積較為緊湊，因此可以方便地將其置于需要制作浮雕等的平面上。

（5）該產品投產后不僅可以作為寫字機器人使用，還可以將其框架經過簡單改造與二次開發后作為噴繪機、雕刻機、食品打印機、三維打印機、銑床等多種工業設備出售。因此該機器對于公司而言可以有力降低開發成本，實現較高的經濟收益。

4 市場前景

我們根據調研，發現目前市場上還未出現類似該機器的產品，同時機器相關技術成熟度較高，市場前景廣闊。相比傳統的繪畫創作方式，無論是AI設計師的設計效率，還是設計之后繪制成品的生產效率，均遠高于現有方式。

（1）傳統設計師在考慮一副壁畫或藝術畫內容時，往往需要較長的時間周期，而對于單個設計師而言，很容易出現靈感枯竭、內容風格單一等現象，同時設計師的水平也各有高低。相比之下，人工智能自主創作內容的方案不會存在上述情況，借助現代計算機高速的計算速度，神經網絡能夠在短時間內創作大量優異的畫作，且內容完全可控，因此這是對傳統設計行業的顛覆性挑戰。

（2）傳統人工繪制壁畫藝術畫等方式對工匠技術具有較高要求，不同人之間繪制效果略有差異，且人工速度較低。相比之下，自動化機器擁有由機械結構帶來的高精度優勢，效果堪比甚至超過人工。由于機械結構由大功率步進伺服系統驅動，繪畫的效率也遠遠高于人工。

（3）機器硬件和軟件的成本遠遠低于目前聘請設計師和工匠施工的費用，相同的投資資金下，使用機器帶來的生產效率是人工無法比擬的。