智能自动绘图写字机器人

赵祯祥　吕文博　安海宁　龚怡然

摘 要：智能自动绘图写字机器人可以完成写字、绘图、制作壁画等工作，简单改装后可以变为具有激光雕刻与CNC加工功能的工业机器人。经过市场调研，目前已有的写字机器人普遍体积较小，只能在A4纸上写字，效率低且功能单一，不适用于工业生产。针对市场需求，在已有产品的基础上进行创新，设计了多功能大型工业写字机器人，并开发了配套的人工智能应用软件。

关键词：人工智能;智能制造;文化创意;智慧生产

1 作品简介

该绘图写字机器人是由人工智能神经网络结构自主生成可人工调节的图文内容，并由个人电脑将图文内容转化为机器动作指令，由自主设计的多自由度框架写字绘图机构执行命令的一体化全栈式机器。

2 工作原理

此机器采用COREXY运动结构，通过2个57高速闭环步进电机带动GT2同步皮带传动，结构略复杂，但是精度较高。得益于稳定的框架和固定的不随横轴移动的步进电机，避免了平台XY轴移动带来的晃动和不稳。移动组件部分搭建在三根高精度线轨之上，以保证书写时的速度和精度。

电路部分使用Atmel ATmega328P的主控芯片，围绕此芯片搭建了外围电路，电路线板采用光耦隔离，抗干扰能力强，精确度高，主控板既可板载驱动器，也可外接大功率驱动器。考虑到书写尺寸，两个步进电机采用外置的电机驱动器，驱动器与主控板连接，采用12 V与24 V双路大功率电源，满足一个电源驱动整个机器的需求。

在PC端需要三部分软件来完成整个系统的控制逻辑：

（1）与下位机（基于Atmel ATmega328P的电路控制板）通信的控制软件，将控制命令（Gcode）和下位机交互，控制机械运动;

（2）通过软件将图案或文字转化为控制命令（Gcode）;

（3）通过人工智能与深度学习软件自主设计艺术画作或者模仿古今中外书法绘画名家进行全自动创作。

系统流程如图1所示。

3 创新点

（1）该机器一改其他类型机器工作原理简单、工作能力单一、工业设计薄弱的缺点，创造性地使用工业级别的自动化零件，一方面可以极大地增加该机器的稳定性与寿命，另一方面也可使得该机器具有其他功能。

（2）该机器的框架庞大，可控性优良，且框架刚性优秀，因此该机器可以通过简单的改装来满足不同的工作需求。除可以在表面使用不同的涂料进行喷涂外，还可以用于平面液体固化等方面，例如制作异形薄煎饼、绘图巧克力，通过不同材料打印彩色标牌等，该机器在平面扩展方面存在极为优良的

性能。

（3）该机器的主要框架较为稳定，与市面上其他同类商品相比，其底面为一个完整的矩形，因此适合将该机器进行进一步扩展。在增加Z轴运动后，该机器可以成为一台精度极高的三维打印机，在增加密封箱或者其他类似的通风设施后，可以改造成为一台与专业机型无异的激光切割雕刻机，因此其在工业应用方面也存在极高的扩展性。

（4）由于其使用了直线导轨与闭环步进电机控制，其对干扰的排除能力远超其他同类产品，因此可以做一些负荷较大的工作。其本身扭矩支持将它改造成铣床或者浮雕制作机。该机器虽然自重较大，但体积较为紧凑，因此可以方便地将其置于需要制作浮雕等的平面上。

（5）该产品投产后不仅可以作为写字机器人使用，还可以将其框架经过简单改造与二次开发后作为喷绘机、雕刻机、食品打印机、三维打印机、铣床等多种工业设备出售。因此该机器对于公司而言可以有力降低开发成本，实现较高的经济收益。

4 市场前景

我们根据调研，发现目前市场上还未出现类似该机器的产品，同时机器相关技术成熟度较高，市场前景广阔。相比传统的绘画创作方式，无论是AI设计师的设计效率，还是设计之后绘制成品的生产效率，均远高于现有方式。

（1）传统设计师在考虑一副壁画或艺术画内容时，往往需要较长的时间周期，而对于单个设计师而言，很容易出现灵感枯竭、内容风格单一等现象，同时设计师的水平也各有高低。相比之下，人工智能自主创作内容的方案不会存在上述情况，借助现代计算机高速的计算速度，神经网络能够在短时间内创作大量优异的画作，且内容完全可控，因此这是对传统设计行业的颠覆性挑战。

（2）传统人工绘制壁画艺术画等方式对工匠技术具有较高要求，不同人之间绘制效果略有差异，且人工速度较低。相比之下，自动化机器拥有由机械结构带来的高精度优势，效果堪比甚至超过人工。由于机械结构由大功率步进伺服系统驱动，绘画的效率也远远高于人工。

（3）机器硬件和软件的成本远远低于目前聘请设计师和工匠施工的费用，相同的投資资金下，使用机器带来的生产效率是人工无法比拟的。