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?yōu)榫哂屑す獾窨膛cCNC加工功能的工業(yè)機器人。經(jīng)過市場調(diào)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(yè)生產(chǎn)。針對市場需求，在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，設(shè)計了多功能大型工業(yè)寫字機器人，并開發(fā)了配套的人工智能應(yīng)用軟件。

關(guān)鍵詞：人工智能;智能制造;文化創(chuàng)意;智慧生產(chǎn)

1 作品簡介

該繪圖寫字機器人是由人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自主生成可人工調(diào)節(jié)的圖文內(nèi)容，并由個人電腦將圖文內(nèi)容轉(zhuǎn)化為機器動作指令，由自主設(shè)計的多自由度框架寫字繪圖機構(gòu)執(zhí)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(jié)構(gòu)，通過2個57高速閉環(huán)步進電機帶動GT2同步皮帶傳動，結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，但是精度較高。得益于穩(wěn)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(wěn)。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(qū)動器，也可外接大功率驅(qū)動器?？紤]到書寫尺寸，兩個步進電機采用外置的電機驅(qū)動器，驅(qū)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(qū)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(tǒng)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(zhuǎn)化為控制命令（Gcode）;

（3）通過人工智能與深度學(xué)習(xí)軟件自主設(shè)計藝術(shù)畫作或者模仿古今中外書法繪畫名家進行全自動創(chuàng)作。

系統(tǒng)流程如圖1所示。

3 創(chuàng)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(yè)設(shè)計薄弱的缺點，創(chuàng)造性地使用工業(yè)級別的自動化零件，一方面可以極大地增加該機器的穩(wěn)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(yōu)良，且框架剛性優(yōu)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(yōu)良的

性能。

（3）該機器的主要框架較為穩(wěn)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(fēng)設(shè)施后，可以改造成為一臺與專業(yè)機型無異的激光切割雕刻機，因此其在工業(yè)應(yīng)用方面也存在極高的擴展性。

（4）由于其使用了直線導(dǎo)軌與閉環(huán)步進電機控制，其對干擾的排除能力遠超其他同類產(chǎn)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(chǎn)品投產(chǎn)后不僅可以作為寫字機器人使用，還可以將其框架經(jīng)過簡單改造與二次開發(fā)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(yè)設(shè)備出售。因此該機器對于公司而言可以有力降低開發(fā)成本，實現(xiàn)較高的經(jīng)濟收益。

4 市場前景

我們根據(jù)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前市場上還未出現(xiàn)類似該機器的產(chǎn)品，同時機器相關(guān)技術(shù)成熟度較高，市場前景廣闊。相比傳統(tǒng)的繪畫創(chuàng)作方式，無論是AI設(shè)計師的設(shè)計效率，還是設(shè)計之后繪制成品的生產(chǎn)效率，均遠高于現(xiàn)有方式。

（1）傳統(tǒng)設(shè)計師在考慮一副壁畫或藝術(shù)畫內(nèi)容時，往往需要較長的時間周期，而對于單個設(shè)計師而言，很容易出現(xiàn)靈感枯竭、內(nèi)容風(fēng)格單一等現(xiàn)象，同時設(shè)計師的水平也各有高低。相比之下，人工智能自主創(chuàng)作內(nèi)容的方案不會存在上述情況，借助現(xiàn)代計算機高速的計算速度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在短時間內(nèi)創(chuàng)作大量優(yōu)異的畫作，且內(nèi)容完全可控，因此這是對傳統(tǒng)設(shè)計行業(yè)的顛覆性挑戰(zhàn)。

（2）傳統(tǒng)人工繪制壁畫藝術(shù)畫等方式對工匠技術(shù)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(jié)構(gòu)帶來的高精度優(yōu)勢，效果堪比甚至超過人工。由于機械結(jié)構(gòu)由大功率步進伺服系統(tǒng)驅(qū)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(shè)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(chǎn)效率是人工無法比擬的。