CN107127753A - 一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，包括汉字输入装置、汉字笔画信息提取和处理装置、写字机械手，汉字输入装置将由人工输入的汉字传送给汉字笔画信息提取和处理系统，写字机械手采用六杆式传动机构和约束连杆系统，使整个机构由三自由度机构变成了二自由度机构，在驱动电机驱动下，可以带动末端平行臂到达空间平面内的任意位置，并实时通过编码盘对驱动电机运动进行检测修正，完成笔画的书写。本发明通过对人书写方式的抽象和简化，得到一个结构简单的，能实现写字功能的机械手，同时用单片机程序来实现汉字笔画的分析识别和书写过程控制，相较于传统的示教型写字机械手具有较高的自动化和智能化水平。

Description

一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统

技术领域

本发明涉及一种写字机械手，具体涉及一种仿生写字机械手书写汉字系统。

背景技术

目前的教育机器人主要集中在教学培训成品&套件、遥控车&平台车、服务机器人、二次开发线路板等等，其开发主要集中在智能软件的开发上，硬件开发较少，进而导致教育机器人存在较差的改造环境的能力，而写字机械手作为教育机器人的一个重要研究方向，由于传统的X-Y坐标写字机械手或六自由度的机械臂写字机械手构造复杂，造价高昂，不利于教育机器人的推广应用。

发明内容

本发明旨在提供一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，该系统通过对人书写方式的抽象和简化，得到一个结构简单的、能实现写字功能的机械手。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，包括汉字输入装置、汉字笔画信息提取和处理装置、写字机械手，所述汉字笔画信息提取和处理装置分别与汉字输入装置和写字机械手相连，所述汉字输入装置将由人工输入的汉字传送给汉字笔画信息提取和处理系统，所述写字机械手由汉字笔画提取和处理系统控制。

所述的汉字输入装置为触摸屏，所述触摸屏与汉字笔画信息提取和处理装置相连，用于人机交互，完成汉字的输入，供汉字笔画信息提取和处理装置进行信息处理。

所述的汉字笔画提取和处理装置包括：STM32单片机，电机驱动硬件电路模块，左、右编码盘；所述电机驱动硬件电路模块分别与STM32单片机和写字机械手的两驱动电机相连；所述STM32单片机通过应用程序获得汉字的点阵序列，由点阵序列根据脱机文字识别技术提取出汉字笔画，并生成汉字笔画的书写顺序，最终转换成写字机械手的控制信号，经电机驱动硬件电路模块放大，驱动写字机械手完成汉字的书写，并通过左、右编码盘完成笔画的实时反馈校正。

所述的写字机械手包括：支撑平板，约束连杆系统，由主支撑台和电机支撑板组成的机械手支撑台，左、右驱动系统，左、右编码盘传感器，由左、右传动部分与末端平行臂相连接组成的传动机构，抬笔驱动电机、抬笔机构、写字笔；所述约束连杆系统，左、右驱动系统，左、右编码盘传感器及传动机构以抬笔驱动电机、抬笔机构和写字笔为中心对称布置；所述主支撑台分别与支撑平板和电机支撑板固接，所述电机支撑板同时也与左、右驱动系统的左、右驱动电机固连；所述左、右编码盘传感器分别与左、右驱动电机的转轴固连，用于检测驱动电机转角，并通过相应的检测电路将所测信号传送给控制系统；所述约束连杆系统固定在支撑平板上，用于对传动机构进行一个自由度的约束，进而实现末端平行臂的姿态固定；所述抬笔机构与传动机构相连，用于支撑抬笔驱动电机，进而实现写字笔的收放运动。

所述约束连杆系统包括：固定约束连杆，约束连杆支撑台，左、右约束连架杆，左、右等边三角架，左、右约束连杆；所述约束连杆支撑台分别与固定约束连杆和支撑平板固定连接，所述固定约束连杆一端通过转动副与左约束连架杆相连，所述左约束连架杆通过转动副与左等边三角架的一个端点相连，所述左等边三角架的又一个端点通过转动副与左约束连杆相连，所述左约束连杆通过转动副与末端平行臂的一端相连，所述固定约束连杆另一端通过转动副与右约束连架杆相连，所述右约束连架杆通过转动副与右等边三角架的一个端点相连；所述右等边三角架的又一个端点通过转动副与右约束连杆相连；所述右约束连杆通过转动副与末端平行臂的另一端相连。

所述左驱动系统是一个开式双转动副运动链，其包括：左驱动步进电机、左驱动联轴器、左驱动连架杆、左驱动连杆，所述左驱动步进电机的轴与左驱动联轴器固接，所述左驱动联轴器与左驱动连架杆固接，所述左驱动连架杆与左驱动连杆通过转动副连接；所述右驱动系统与左驱动系统的类似。

所述左传动部分包括：左大臂、左小臂，所述右传动部分包括：右大臂、右小臂，所述左、右大臂，左、右小臂与末端平行臂及电机支撑板共同组成一个六杆机构，所述左传动部分的左大臂一端通过转动副与电机支撑板相连接且该转动副的轴线与左驱动联轴器的轴线重合，但不固接，另一端通过转动副与左小臂相连，所述左小臂是一个三转动副连杆，所述末端平行臂的一端通过转动副与左小臂相连接，所述驱动连杆通过转动副与左小臂相连接，进而向传动机构提供一个驱动力；所述右传动部分的连接与左传动部分的类似。

本发明根据方向特征识别笔画的技术提取出汉字笔画，并生成汉字笔画的书写顺序，最终转换成写字机械手的控制信号，驱动写字机械手完成汉字的书写，并通过编码盘完成笔画的实时反馈校正。

本发明的写字机械手设置了六杆式传动机构和约束连杆系统，所述约束连杆系统可限制组成六杆机构的末端平行臂相对支撑平板的转动自由度，使整个机构由一个三自由度机构变成了一个二自由度机构，写字机械手在左、右驱动电机驱动下，可以带动末端平行臂到达空间平面内的任意位置，并实时通过编码器对左、右驱动电机运动进行检测修正，完成一个笔画的书写，在控制信号的作用下，由抬笔驱动电机完成抬笔操作，机械手运动到新笔画的起点，抬笔驱动电机完成放笔操作。

本发明通过对人书写方式的抽象和简化，得到一个结构简单的，能实现写字功能的机械手，相较于常见的X-Y双滚珠丝杠或六自由度的机械臂来实现写字功能，具有成本低，体积小的特点。同时用单片机程序来实现汉字笔画的分析识别和书写过程控制，相较于传统的示教型写字机械手具有较高的自动化和智能化水平。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为图1所示写字机械手结构示意图。

图3为图2所示写字机械手的固定机构示意图。

图4为图2所示写字机械手的左驱动系统连杆装配图。

图5为图2所示写字机械手的左驱动系统装配图。

图6为图2所示写字机械手的传动机构结构示意图。

图7为图2所示写字机械手的传动机构装配图。

图8为图7所示装配的左等边三角架连接结构放大图。

图中：0-支撑平板，1-约束连杆系统、11-固定约束连杆、12-约束连杆支撑台、13-左约束连架杆、14-左等边三角架、15-左约束连杆、16-右约束连架杆、17-右等边三角架、18-右约束连杆，2-机械手支撑台、21-电机支撑板、22-主支撑台，3-左驱动系统、31-左驱动步进电机、32-左驱动联轴器、33-左驱动连架杆、34-左驱动连杆，4-右驱动系统，5-左编码盘传感器，6-右编码盘传感器，7-传动机构、71-左传动部分、711-左大臂、712-左小臂、72-末端平行臂、73-右传动部分、731-右大臂、732-右小臂，8-抬笔驱动电机，9-抬笔机构、10-写字笔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明实施例的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，由汉字输入装置、汉字笔画信息提取和处理装置、写字机械手组成，其中，汉字输入装置为触摸屏，触摸屏与汉字笔画信息提取和处理装置相连接，用于人机交互，完成汉字的输入，供汉字笔画信息提取和处理装置进行信息处理；汉字笔画信息提取和处理装置包括STM32单片机，电机驱动硬件电路模块，左、右编码盘；电机驱动硬件电路模块分别与STM32单片机和写字机械手的两驱动电机相连接，STM32单片机通过应用程序获得汉字的点阵序列，再由点阵序列根据脱机文字识别技术(根据方向特征识别笔画的技术)提取出汉字笔画，并生成汉字笔画的书写顺序，最终转换成机械手的控制信号，经电机驱动硬件电路模块放大，驱动写字机械手完成汉字的书写，并通过编码盘完成笔画的实时反馈校正。

如图2～8所示，写字机械手包括：支撑平板0，约束连杆系统1(包括：固定约束连杆11、约束连杆支撑台12、左约束连架杆13、左等边三角架14、左约束连杆15、右约束连架杆16、右等边三角架17、右约束连杆18)，机械手支撑台2(包括：电机支撑板21、主支撑台22)，左驱动系统3(包括：左驱动步进电机31、左驱动联轴器32、左驱动连架杆33、左驱动连杆34)，右驱动系统4(与左驱动系统结构类似)，左编码盘传感器5，右编码盘传感器6，传动机构7(包括：左传动部分71、末端平行臂72、右传动部分73)，抬笔驱动电机8，抬笔机构9，写字笔10；其中，约束连杆系统、左右驱动系统、左右编码盘传感器及传动机构7以抬笔驱动电机8、抬笔机构9和写字笔10为中心对称布置；固定约束连杆11一端通过转动副与左约束连架杆13相连接，左约束连架杆13通过转动副与左等边三角架14的一个端点相连接，左等边三角架的又一个端点通过转动副与左约束连杆15相连接，左约束连杆15通过转动副与末端平行臂72的一端相连接，固定约束连杆11另一端通过转动副与右约束连架杆16相连接，右约束连架杆16通过转动副与右等边三角架17的一个端点相连接；右等边三角架17的又一个端点通过转动副与右约束连杆18相连接；右约束连杆通过转动副与末端平行臂72的另一端相连接。左、右编码盘传感器5、6分别与左驱动电机31和右驱动电机的转轴固连，用于检测驱动电机转角，并通过相应的检测电路将所测信号传送给控制系统；约束连杆系统1固定在支撑平板0上，用于对传动机构7进行一个自由度的约束，进而实现末端平行臂72的姿态固定；抬笔机构8与传动机构7相连接，用于支撑抬笔驱动电机9，进而实现写字笔10的收放运动。

写字机械手的固定机构构件包括：固定约束连杆11、约束连杆支撑台12、电机支撑板21、主支撑台22，主支撑台22分别与支撑平板0和电机支撑板21固接，固定约束连杆固连在约束连杆支撑台12，约束连杆支撑台12与与支撑平板0固连，左驱动系统3的左驱动电机31和右驱动系统4的右驱动电机固连在电机支撑板21上(参见图3)。

写字机械手的左驱动系统是一个开式双转动副运动链，左驱动电机31的轴与左驱动联轴器32固接，左驱动联轴器32与左驱动连架杆33固接，左驱动连架杆33与左驱动连杆34通过转动副连接；右驱动系统与左驱动系统的类似。左驱动连杆34通过转动副与左小臂712连接，进而向传动机构提供一个驱动力，左编码盘传感器5与左驱动电机31的转轴固连，用于检测电机转角，并通过相应的检测电路将所测信号传送给控制系统(参见图4、图5)。写字机械手的右驱动系统结构与左驱动系统的类似。

写字机械手的传动机构7由左传动部分71的左大臂711、左小臂712，右传动部分73的右大臂731、右小臂732，末端平行臂72及间接固连在支撑平板0上的电机支撑板21共同组成一个六杆机构(连接顺序依次为电机支撑板21、左大臂711、左小臂712、末端平行臂72、右大臂731、右小臂732)。左大臂711一端通过转动副与电机支撑板21相连且该转动副的轴线与左驱动联轴器32的轴线重合，但并不固接，另一端通过转动副与左小臂712的一端相连；左小臂712是一个三转动副连杆，其一与左大臂711构成转动副，其二与左驱动连杆33构成转动副，其三是与末端平行臂72构成转动副；末端平行臂72两端分别与左小臂712和右小臂732构成转动副(参见图6、图7)。由于左右结构对称，右传动部分的连接情况与左传动部分类似。

本发明系统的工作过程如下：

(1)将要用于书写的白纸固定在写字机械手的支撑平板0上。

(2)通过人机交互，经由汉字输入装置(触摸屏)输入想要书写的汉字，写字机械手自动将汉字传送给汉字笔画信息提取和处理系统，同时写字机械手运动至初始位置。

(3)接收到汉字后，汉字笔画信息提取和处理系统会自动完成汉字点阵序列的生成、汉字笔画的提取、汉字笔画顺序的生成、笔画书写光滑性优化以及书写笔画对应的电机控制信号。

(4)将电机控制信号传送给左、右驱动电机，进而带动写字机械手运动，左、右编码盘通过左、右编码盘传感器实时对左、右驱动电机运动进行检测修正，写完一个笔画后，在电机控制信号的作用下，抬笔机构完成抬笔操作，机械手运动到新笔画的起点，抬笔机构完成放笔操作，重复笔画书写过程，直至完成所有笔画的书写。

Claims (7)

1.一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，包括汉字输入装置、汉字笔画信息提取和处理装置、写字机械手，所述汉字笔画信息提取和处理装置分别与汉字输入装置和写字机械手相连接，所述汉字输入装置将由人工输入的汉字传送给汉字笔画信息提取和处理系统，所述写字机械手由汉字笔画提取和处理系统控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，所述的汉字输入装置为触摸屏，所述触摸屏与汉字笔画信息提取和处理装置相连接，用于人机交互，完成汉字的输入，供汉字笔画信息提取和处理装置进行信息处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，所述的汉字笔画提取和处理装置包括：STM32单片机，电机驱动硬件电路模块，左、右编码盘；所述电机驱动硬件电路模块分别与STM32单片机和写字机械手的两驱动电机相连接；所述STM32单片机通过应用程序获得汉字的点阵序列，由点阵序列根据脱机文字识别技术提取出汉字笔画，并生成汉字笔画的书写顺序，最终转换成写字机械手的控制信号，经电机驱动硬件电路模块放大，驱动写字机械手完成汉字的书写，并通过左、右编码盘完成笔画的实时反馈校正。

4.根据权利要求1所述的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，所述的写字机械手包括：支撑平板，约束连杆系统，由主支撑台和电机支撑板组成的机械手支撑台，左、右驱动系统，左、右编码盘传感器，由左、右传动部分与末端平行臂相连接组成的传动机构，抬笔驱动电机、抬笔机构、写字笔；所述约束连杆系统，左、右驱动系统，左、右编码盘传感器及传动机构以抬笔驱动电机、抬笔机构和写字笔为中心对称布置；所述主支撑台分别与支撑平板和电机支撑板固接，所述电机支撑板同时也与左、右驱动系统的左、右驱动电机固连；所述左、右编码盘传感器分别与左、右驱动电机的转轴固连，用于检测驱动电机转角，并通过相应的检测电路将所测信号传送给控制系统；所述约束连杆系统固定在支撑平板上，用于对传动机构进行一个自由度的约束，进而实现末端平行臂的姿态固定；所述抬笔机构与传动机构相连接，用于支撑抬笔驱动电机，进而实现写字笔的收放运动。

5.根据权利要求4所述的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，所述约束连杆系统包括：固定约束连杆，约束连杆支撑台，左、右约束连架杆，左、右等边三角架，左、右约束连杆；所述约束连杆支撑台分别与固定约束连杆和支撑平板固定连接，所述固定约束连杆一端通过转动副与左约束连架杆相连接，所述左约束连架杆通过转动副与左等边三角架的一个端点相连接，所述左等边三角架的又一个端点通过转动副与左约束连杆相连接，所述左约束连杆通过转动副与末端平行臂的一端相连接，所述固定约束连杆另一端通过转动副与右约束连架杆相连接，所述右约束连架杆通过转动副与右等边三角架的一个端点相连接；所述右等边三角架的又一个端点通过转动副与右约束连杆相连接；所述右约束连杆通过转动副与末端平行臂的另一端相连接。

6.根据权利要求4所述的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，所述左驱动系统是一个开式双转动副运动链，其包括：左驱动步进电机、左驱动联轴器、左驱动连架杆、左驱动连杆，所述左驱动步进电机的轴与左驱动联轴器固接，所述左驱动联轴器与左驱动连架杆固接，所述左驱动连架杆与左驱动连杆通过转动副连接；所述右驱动系统与左驱动系统的类似。

7.根据权利要求6所述的一种基于脱机文字识别的仿生写字机械手书写汉字系统，其特征在于，所述左传动部分包括：左大臂、左小臂，所述右传动部分包括：右大臂、右小臂，所述左、右大臂，左、右小臂与末端平行臂及电机支撑板共同组成一个六杆机构，所述左传动部分的左大臂一端通过转动副与电机支撑板相连接且该转动副的轴线与左驱动联轴器的轴线重合，但不固接，另一端通过转动副与左小臂相连接，所述左小臂是一个三转动副连杆，所述末端平行臂的一端通过转动副与左小臂相连接，所述驱动连杆通过转动副与左小臂相连接，进而向传动机构提供一个驱动力；所述右传动部分的连接与左传动部分的类似。