基于触摸数据获取的机器人书法研究

摘要

中国书法是汉字的书写艺术，是中国艺术的重要组成部分。作为人类非物质文化遗产，书法的保护已在实施中，书法的教育和普及是重要的保护措施，书法机器人有望成为实施该措施的有效手段。本文首次提出一种机器人书法新方法，它以手机电容触摸屏为原始书写数据获取手段，并变换成机器人的运动轨迹，由机器人再现书写过程，实现书写者个性化、形神兼备的书法复制。研究内容与成果如下:
　　首先，提出了基于电容触摸屏的书写信息获取方法，可以获得书写点位、笔画宽度、速度、以及加速度等特征信息;给出了笔画轨迹的识别、提取、存储和修正方法，开发了触摸屏手写信息提取软件。相比现有机器视觉、多传感器融合等原始书法数据获取方法，该方法简单并且有效。
　　接着，给出了机器人书写毛笔笔画宽度和按压深度的建模方法。针对楷书和隶书，分析确定了毛笔书写笔画宽度的主要影响因素为笔锋按压深度和书写速度，通过实验建立了笔画宽度与影响因素的关系回归模型，以及给出触摸面积到笔画宽度的变换关系。该方法解决了触摸屏无法获取书写者执笔高度的难题，使得机器人再现书写成为可能。
　　然后，给出机器人书法的控制方法。选取了PA10-6CE作为书法机器人，建立了其运动学模型。方法实现了机器人书法轨迹的自动生成和监控，并形成为机器人书法软件。
　　最后，触摸屏手写、手持毛笔书写、机器人书写的对比实验，结果证实，提出的机器人书法方法保留了书写者书写特征，复制相似度很高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 机器人书法发展现状

1．3 论文章节安排

第二章 机器人书法的总体方案设计

2．1 书写信息提取方案研究

2．2 书法机器人方案研究

2．3 机器人书法实现方案研究

2．4 本章小结

第三章 触摸屏手写信息获取方法研究

3．1 触摸屏手写信息获取

3．1．1 电容触摸屏工作原理

3．1．2 触摸事件处理机制

3．1．3 指书轨迹提取和处理

3．2 触摸屏手写信息存储

3．2．1 书写信息的XML文档结构定义

3．2．2 XML文件解析方法研究

3．3 笔画的辨识与修正

3．3．1 笔画识别

3．3．2 数据修正

3．4 触摸屏手写信息提取软件开发

3．4．1 软件需求分析

3．4．2 UML软件设计

3．5 本章小结

第四章 机器人书写笔画宽度和按笔深度建模

4．1 毛笔特点与书写过程

4．2 笔画宽度的影响因素

4．3 笔画宽度实验设计

4．4 笔画宽度建模

4．4．1 多元线性回归分析法

4．4．2 笔画宽度回归模型建立

4．5 毛笔按压深度计算方法研究

4．5．1 手指触摸面积到笔画宽度的变换

4．5．2 笔画宽度到按压深度的求解

4．6 本章小结

第五章 机器人书写控制

5．1 机器人运动学建模

5．1．1 书法机器人坐标系的建立

5．1．2 建立坐标系齐次矩阵

5．2 机器人运动学求解

5．2．1 机器人运动学正解

5．2．2 机器人运动学逆解

5．3 机器人书写轨迹自动生成

5．4 机器人书法软件开发

5．4．1 机器人控制系统

5．4．2 机器人书法软件需求分析

5．4．3 UML软件设计

5．5 本章小结

第六章 实验研究

6．1 实验场景

6．2 实验设计

6．3 实验结果与分析

6．3．1 书法“形”比较

6．3．2 书法“神”比较

6．3．3 复制效果总结

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果