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
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（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。
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