一种人工智能的书法机器人制造技术

本实用新型专利技术涉及一种人工智能的书法机器人，包括底座、步进电机A、旋转盘、步进电机B、步进电机C、大悬臂、小悬臂、步进电机D、卷纸电机、宣纸、卷纸筒、连接杆、旋转轴、步进电机E、夹板、步进电机F、自学习摄像头、同步带、笔夹、紧固螺丝、自动出墨毛笔、输墨软管、输墨泵和墨汁盒。本实用新型专利技术人工智能书法机器人使用卷积神经网络和序列神经网络的结合来获得序列的输出，实现了从图像到运动数据的复杂反馈；在进行基础训练之后，通过自我的重复书写，进行自我学习和训练，无需人为干预就可以提高书法机器人的书法水平；该书法机器人具有学习能力，能够应用于书法艺术研究，经过一定的训练后可以尝试模仿名家字体，也可以帮助普通人学习了解书法。

A calligraphy robot with artificial intelligence

The utility model relates to an artificial intelligence calligraphy robot, which comprises a base, a stepper motor A, a rotating disk, a stepper motor B, a stepper motor C, a large cantilever, a small cantilever, a stepper motor D, a paper reeling motor, a paper reel, a connecting rod, a rotating shaft, a stepper motor E, a splint, a stepper motor F, a self-learning camera, etc. Synchronous belt, pen clip, fastening screw, automatic ink brush, ink delivery hose, inking pump and ink box. The artificial intelligence calligraphy robot of the utility model uses the combination of convolution neural network and sequence neural network to obtain sequence output, realizes complex feedback from image to motion data, and after basic training, carries out self-learning and training through self-repetition writing, thus improving without human intervention. The calligraphy robot has the ability to learn, can be applied to calligraphy art research, after a certain amount of training can try to imitate the famous calligraphy, but also to help ordinary people learn to understand calligraphy.

【技术实现步骤摘要】
一种人工智能的书法机器人
本专利技术涉及机械设计、人工智能以及书法艺术领域，特别是涉及一种使用人工神经网络来训练的书法机器人。
技术介绍
毛笔是一种源于中国的传统书写工具，是古代中国人民在生产实践中专利技术的，毛笔是中华民族对世界艺术宝库提供的一件珍宝。随着人类社会的不断发展，各种更加方便快捷的笔被专利技术出来，但是毛笔却没有退出历史舞台，在我国书法是特有的一种传统文化与艺术，毛笔作为书法中的文具，一直占据着书法艺术中的重要席位。随着计算机和自动化技术的发展，机器能够协助人类高效完成各种事情。而电脑中的楷体、宋体、黑体等，虽然看上去工整，然而缺少了一份来自于手写书法的魅力。普通人学习书法，周期较长，难以达到一定的高度，而书法家能够形成某种字体并进入现代字库者，少之又少。另外，古人的毛笔书法大都以碑帖等形式保存下来，只有有限的字数，如果机器能学会临摹古代名家书法，这对书法艺术来说是一个新的发展；让会毛笔书法的机器来教普通人书法，这对毛笔书法的普及是一件好事。目前，虽然对计算机书法创作的研究工作有一些开展，但是还是只停留在通过二维数据来实现硬笔书法。另外的一些研究也只在于使用机械来自动的程序化批量化书写毛笔字(专利号：CN201521135612.8)，所有执笔的运动都已经预先定义好，没有体现书法艺术的灵活性。此外，还有基于计算机模拟，使用摄像头捕捉书法家书写动作，使用统计方法来模拟书法家书写生成动态字库的设计(专利号：CN201110287823.3)，这是一种对书法的软件实现，难以对复杂的实际情况进行精确描述。人工神经网络是从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象，建立某种简单模型，按不同的连接方式组成不同的网络。最近十多年来，人工神经网络的研究工作不断深入，已经取得了很大的进展，其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题，表现出了良好的智能特性。当前，将人工神经网络应用于艺术领域，可以模仿某些著名画家的绘画风格，将普通图片转化为特定的风格。但是神经网络在机械动作、艺术创作、学习人类审美等方面还有所欠缺。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术一种人工智能的书法机器人，能够通过使用人工神经网络来学习毛笔书法并且可以进行自我学习训练。本专利技术提出一种人工智能的书法机器人，包括底座、步进电机A、旋转盘、步进电机B、步进电机C、大悬臂、小悬臂、步进电机D、卷纸电机、宣纸、卷纸筒、连接杆、旋转轴、步进电机E、夹板、步进电机F、自学习摄像头、同步带、笔夹、紧固螺丝、自动出墨毛笔、输墨软管、输墨泵和墨汁盒。其中，底座上方装有步进电机A，步进电机A通过驱动旋转盘转动来实现整个机械臂的转动；旋转盘上安装有大悬臂，大悬臂的末端装有小悬臂，通过安装在旋转盘上的步进电机B和步进电机C可以驱动大悬臂和小悬臂在竖直方向的转动；在小悬臂尾端连接有连接杆，步进电机D通过蜗杆机构带动连接杆实现俯仰转动；两片夹板夹住连接杆的下端，步进电机E安装在一片夹板的一侧，并通过齿轮与连接杆传动，可以实现水平方向的转动；自学习摄像头也位于夹板一侧，在步进电机E的下方；在两片夹板中间安装有步进电机F和笔夹，笔夹在步进电机F的下方，步进电机F通过同步带驱动笔夹旋转；笔夹中空，自动出墨毛笔从下方装入，通过对称的四个笔夹紧固螺丝固定；在自动出墨毛笔的正下方是宣纸，宣纸通过两个卷纸筒支起，卷纸电机位于一个卷纸筒的一端，卷纸电机通过驱动卷纸筒的滚动来实现宣纸的移动；在底座的一旁放有墨汁盒，墨汁盒顶部安装有墨汁泵，墨汁泵通过输墨软管将墨汁泵至自动出墨毛笔。可选的，笔夹与自动出墨毛笔的固定方式可以采用摩擦力等方式固定。本专利技术一种人工智能的书法机器人，自学习摄像头安装在夹板一侧，自学习摄像头是灰度摄像头，在机械臂写完一个字后拍摄写出的毛笔字照片，传输给计算机。本专利技术一种人工智能的书法机器人，自动出墨毛笔下端是笔头；笔头使用动物毛发或者合成纤维制成；笔头上方装有湿度传感器，用于监测自动出墨情况；自动出墨毛笔内部填充吸墨海绵，用于保持湿度；自动出墨毛笔上方连接输墨管，输墨软管的另一端连接到输墨泵，当正在书写时，输墨泵将开始运行，从墨汁盒中泵出墨汁输送到毛笔。本专利技术一种人工智能的书法机器人，包括数据记录平台底板、书写毛笔、书写摄像头、摄像头支撑杆和动作记录摄像头。数据记录平台底板的相邻两侧安装有朝向垂直的两个动作记录摄像头，动作记录摄像头朝向数据记录平台底板中心；书写毛笔笔杆上下端分别装有上标记和下标记，上标记和下标记分别采用红色和蓝色的纸贴附于毛笔笔杆上，书写毛笔顶端安装有黄色的横杆；书写摄像头位于数据记录平台的正上方，由摄像头支撑杆固定。本专利技术的书法学习过程分为两阶段：基础学习和自学习；基础学习是基于人工书写的毛笔运动轨迹和字迹照片训练神经网络；自学习过程是书法机器人书写和评估后对神经网络的修正过程。本专利技术的基础学习过程具体步骤如下：1.采集书写动作数据。在数据记录平台底板上铺上宣纸，人手执书写毛笔开始书写，当开始书写的同时两个动作记录摄像头和书写摄像头开始录像；2.采集书写字迹。当书写完毕后停止录像，人手执笔撤出平台范围，再次使用书写摄像头拍摄字迹，并根据拍摄大小和角度对拍摄照片进行裁剪和缩放，最后进行二值化处理；3.处理视频数据。从两个动作记录摄像头所获得的两组动作视频数据中识别出上标记和下标记的位置，从书写摄像头所录制的视频中识别出黄色横杆的位置和角度，根据两组平面坐标计算出上标记和下标记的空间坐标随时间的变化数据，再结合横杆的位置变化和转动角度数据计算出毛笔在空间中的运动情况；4.转换运动坐标。对于毛笔书写过程，采用6维坐标(x，y，z，α，β，γ)来进行描述，x，y，z表示毛笔所在空间，α，β，γ表示毛笔在三个轴方向上的旋转角度，旋转中心位于毛笔笔头顶端中心。书法机器人的运动分单步进行，每一步运动长度为单步长度Δl，步与步之间的时间间隔为单步间隔Δt。对于毛笔的6个自由度的运动，存在6个轴方向的单位运动数据d＝(Δx，Δy，Δz，Δα，Δβ，Δγ)，每个轴的方向信息包括以下三种：以x轴为例：朝正方向运动一个单步长度：x+；朝反方向运动一个单步长度：x-；不运动：x0。如d＝(x+，y0，z0，α-，β+，γ0)表示机械臂这一步需要x和β正方向运动一个单步长度Δl，α反方向运动一个单步长度Δl。使用6个轴方向的单位运动数据d的序列D来描述毛笔的运动，即D＝{d1，d2，d3……ddn}，dn表示固定的毛笔运动数据长度。将从两个动作记录摄像头和毛笔书写摄像头所获取的毛笔空间坐标运动数据转换成运动数据序列D；优选的，可以利用三维摄像头对毛笔的书写过程录制，并在生成的数据中提取出毛笔在六个自由度的运动，并转换成运动数据序列D；5.存储。将获得的二值化字迹图像和运动数据序列D按以汉字为索引存储。重复步骤1-5，获得大量毛笔书写笔迹和动作数据；6.训练神经网络模型。构建神经网络模型，结合采用卷积神经网络和序列神经网络，先采用卷积神经网络识别图像特征，再使用序列神经网络输出书写运动序列。采用1-5步所获得的大量毛笔书写笔迹和运动数据对神经网络模型进行训练，完成基础训练过程。本专利技术的自学习过程具体步骤如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人工智能的书法机器人，其特征在于：包括底座、步进电机A、旋转盘、步进电机B、步进电机C、大悬臂、小悬臂、步进电机D、卷纸电机、宣纸、卷纸筒、连接杆、旋转轴、步进电机E、夹板、步进电机F、自学习摄像头、同步带、笔夹、紧固螺丝、自动出墨毛笔、输墨软管、输墨泵和墨汁盒，其中，底座上方装有步进电机A，步进电机A通过驱动旋转盘转动来实现整个机械臂的转动；旋转盘上安装有大悬臂，大悬臂的末端装有小悬臂，通过安装在旋转盘上的步进电机B和步进电机C驱动大悬臂和小悬臂在竖直方向的转动；在小悬臂尾端连接有连接杆，步进电机D通过蜗杆机构带动连接杆实现俯仰转动；两片夹板夹住连接杆的下端，步进电机E安装在一片夹板的一侧，并通过齿轮与连接杆传动，实现水平方向的转动；自学习摄像头也位于夹板一侧，在步进电机E的下方；在两片夹板中间安装有步进电机F和笔夹，笔夹在步进电机F的下方，步进电机F通过同步带驱动笔夹旋转；笔夹中空，自动出墨毛笔从下方装入，通过对称的四个笔夹紧固螺丝固定；在自动出墨毛笔的正下方是宣纸，宣纸通过两个卷纸筒支起，卷纸电机位于一个卷纸筒的一端，卷纸电机通过驱动卷纸筒的滚动来实现宣纸的移动；在底座的一旁放有墨汁盒，墨汁盒顶部安装有墨汁泵，墨汁泵通过输墨软管将墨汁泵至自动出墨毛笔。...

【技术特征摘要】
1.一种人工智能的书法机器人，其特征在于：包括底座、步进电机A、旋转盘、步进电机B、步进电机C、大悬臂、小悬臂、步进电机D、卷纸电机、宣纸、卷纸筒、连接杆、旋转轴、步进电机E、夹板、步进电机F、自学习摄像头、同步带、笔夹、紧固螺丝、自动出墨毛笔、输墨软管、输墨泵和墨汁盒，其中，底座上方装有步进电机A，步进电机A通过驱动旋转盘转动来实现整个机械臂的转动；旋转盘上安装有大悬臂，大悬臂的末端装有小悬臂，通过安装在旋转盘上的步进电机B和步进电机C驱动大悬臂和小悬臂在竖直方向的转动；在小悬臂尾端连接有连接杆，步进电机D通过蜗杆机构带动连接杆实现俯仰转动；两片夹板夹住连接杆的下端，步进电机E安装在一片夹板的一侧，并通过齿轮与连接杆传动，实现水平方向的转动；自学习摄像头也位于夹板一侧，在步进电机E的下方；在两片夹板中间安装有步进电机F和笔夹，笔夹在步进电机F的下方，步进电机F通过同步带驱动笔夹旋转；笔夹中空，自动出墨毛笔从下方装入，通过对称的四个笔夹紧固螺丝固定；在自动出墨毛笔的正下方是宣纸，宣纸通过两个卷纸筒支起，卷纸电机位于一个卷纸筒的一端，卷纸电机通过驱动卷纸筒的滚动来实现宣纸的移动；在底座的一旁放有墨汁盒，墨汁盒顶部安装有墨汁泵，墨汁泵通过输墨软管将墨汁泵至自动出墨毛笔。2.根据权利要求1所述的一种人工智能的书法机器人，其特征在于：自学习摄像头安装在夹板一侧，自学习摄像头是灰度摄像头，在机械臂写完一个字后拍摄写出的毛笔字照片，传输给计算机。3.根据权利要求1所述的一种人工智能的书法机器人，其特征在于：自动出墨毛笔下端是笔头；笔头使用动物毛发或者合成纤维制成；笔头上方装有湿度传感器，用于监测自动出墨情况；自动出墨毛笔内部填充吸墨海绵，用于保持湿度；自动出墨毛笔上方连接输墨管...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，刘由之，阎华，焦志伟，谭晶，谢鹏程，李好义，程礼盛，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：新型
国别省市：北京,11