第11卷第1期 智能系统学报 Vol.11 No.1 2016年2月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Feb.2016 D0I:10.11992/is.201507067 网络出版地址：http:/www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20160106.1555.004.html 书写机器人研究综述 曾华琳12，黄雨轩12，晁飞12，周昌乐12 (1.厦门大学智能科学与技术系，福建厦门361005：2.厦门大学福建省计算智能与机器人重点实验室，福建厦门361005) 摘要：通过分析书写机器人所具有的特征与实现意义，明确了机器人书写能力需要机器人能够自主控制机械手， 实现灵活和准确的动作，并且观察动态环境变化。论文从3个方面回顾和分析了当前书写机器人的研究。首先介绍 并分析了书写机器人硬件结构的知识，其次回顾了现有的控制机器人书写动作的相关算法，之后介绍了机器人书写 过程中汉字信息的获取方式。此外，讨论了书写机器人在控制方法和字体获取方法方面的优劣，并指出了书写机器 人可以利用智能控制技术与模仿学习方法来提高书写质量。最后展望了书写机器人的规模化应用领域。 关键词：机器人：书写机器人：机械手：动作控制：智能控制：模仿学习 中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：1673-4785(2016)01-0015-12 中文引用格式：曾华琳，黄雨轩，晁飞，等.书写机器人研究综述[J].智能系统学报，2016,11(1)：15-26. 英文引用格式：ZENG Hualin,HUANG Yuxuan,CHAO Fei,.etal.Survey of robotic calligraphy research[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2016,11(1):15-26. Survey of robotic calligraphy research ZENG Hualin'2,HUANG Yuxuan'2,CHAO Fei2,ZHOU Changle'2 (1.Cognitive Science Department,Xiamen University,Xiamen 361005,China;2.Fujian Province Key Lab of Machine Intelligence and Robotics,Xiamen University,Xiamen 361005,China) Abstract:By analyzing the features and significance of calligraphy robots,we reveal that robotic writing ability re- quires robots to have autonomous manual control to perform flexible and precise movements as well as to respond to dynamic environments.In this study,we review and analyze three aspects of current studies on calligraphy robots. First,we introduce and analyze existing robotic hardware.Next,we review related control algorithms for the motions of robotic writing.Finally,we introduce Chinese character font acquirement methods.Additionally,we discuss the advantages and disadvantages of current robotic control methods and font acquirement approaches.We point out that intelligent control technologies and imitation learning methods are the future development directions for improving robotic writing quality.In our conclusion,we predict the development of large-scale application fields and the tim- ing for the commercial realization of calligraphy robots. Keywords:robot;calligraphy robot;manipulators;motion control;intelligent control;imitation learning 智能机器人被期望拥有人的智慧，可以认知周 程序工作，只重复一种动作，以一种固定的模式工 围的环境和自身的状态，并进行分析和判断，然后采 作：第2代机器人，即工业机器人，由电脑控制，可根 取相应的策略完成任务山。它拥有一个由多种内、 据需要按照不同的程序完成不同的工作，解决工业 外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关 生产和日常生活中的难题：第3代机器人，能够像人 节的运行速度、力的大小等参数，还可通过外部传感 一样具有灵活的思维，并能够主动分析和解决问题， 器，如视觉传感器、触觉传感器等，对外部环境信息 具有类人智能2。 进行感知、提取、处理并做出适当的决策，在结构或 具有机械手操作能力的机器人是最早出现的工 板结构化环境中自主完成某一项任务[2) 业机器人，它可代替人的繁重劳动，实现生产的机械 智能机器人，按照其发展进程，主要分成3类： 化和自动化，能在有害环境下进行操作以保护人类 第1代机器人，即示教再现性机器人，它按人编写的 安全，因而被广泛应用于工业生产、科研和生活的各 个领域。作为机械手最早的应用，工业机器人开创 收稿日期：2015-07-28.网络出版日期：2016-01-06. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61203336,61273338) 了机器人发展的新纪元。随着技术的革新，工业机 通信作者：晁飞.E-mail:fchao@xmu.cdu.cn 器人也越来越智能。智能机器人最主要的操作机第 １１ 卷第 １ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１１ №．１ ２０１６ 年 ２ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｅｂ． ２０１６ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１５０７０６７ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１６０１０６．１５５５．００４．ｈｔｍｌ 书写机器人研究综述 曾华琳１，２ ，黄雨轩１，２ ，晁飞１，２ ，周昌乐１，２ （１．厦门大学 智能科学与技术系，福建 厦门 ３６１００５；２．厦门大学 福建省计算智能与机器人重点实验室，福建 厦门 ３６１００５） 摘 要：通过分析书写机器人所具有的特征与实现意义，明确了机器人书写能力需要机器人能够自主控制机械手， 实现灵活和准确的动作，并且观察动态环境变化。 论文从 ３ 个方面回顾和分析了当前书写机器人的研究。 首先介绍 并分析了书写机器人硬件结构的知识，其次回顾了现有的控制机器人书写动作的相关算法，之后介绍了机器人书写 过程中汉字信息的获取方式。 此外，讨论了书写机器人在控制方法和字体获取方法方面的优劣，并指出了书写机器 人可以利用智能控制技术与模仿学习方法来提高书写质量。 最后展望了书写机器人的规模化应用领域。 关键词：机器人；书写机器人；机械手；动作控制；智能控制；模仿学习 中图分类号：ＴＰ２４２．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１６）０１⁃００１５⁃１２ 中文引用格式：曾华琳，黄雨轩，晁飞，等．书写机器人研究综述［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１６， １１（１）： １５⁃２６． 英文引用格式：ＺＥＮＧ Ｈｕａｌｉｎ， ＨＵＡＮＧ Ｙｕｘｕａｎ， ＣＨＡＯ Ｆｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔｉｃ ｃａｌｌｉｇｒａｐｈｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１６， １１（１）： １５⁃２６． Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔｉｃ ｃａｌｌｉｇｒａｐｈｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ＺＥＮＧ Ｈｕａｌｉｎ １，２ ， ＨＵＡＮＧ Ｙｕｘｕａｎ １，２ ， ＣＨＡＯ Ｆｅｉ １，２ ， ＺＨＯＵ Ｃｈａｎｇｌｅ １，２ （１． Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉａｍｅｎ ３６１００５， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｆｕｊｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ， Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉａｍｅｎ ３６１００５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｃａｌｌｉｇｒａｐｈｙ ｒｏｂｏｔｓ， ｗｅ ｒｅｖｅａｌ ｔｈａｔ ｒｏｂｏｔｉｃ ｗｒｉｔｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｒｅ⁃ ｑｕｉｒｅｓ ｒｏｂｏｔｓ ｔｏ ｈａｖｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｍａｎｕａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｏ ｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｗｅ ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｃａｌｌｉｇｒａｐｈｙ ｒｏｂｏｔｓ． Ｆｉｒｓｔ， ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｏｂｏｔｉｃ ｈａｒｄｗａｒｅ． Ｎｅｘｔ， ｗｅ ｒｅｖｉｅｗ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔｉｃ ｗｒｉｔｉｎｇ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｆｏｎｔ ａｃｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ， ｗｅ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｏｂｏｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｆｏｎｔ ａｃｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ． Ｗｅ ｐｏｉｎｔ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒｏｂｏｔｉｃ ｗｒｉｔｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ， ｗｅ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍ⁃ ｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｌｌｉｇｒａｐｈｙ ｒｏｂｏｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ； ｃａｌｌｉｇｒａｐｈｙ ｒｏｂｏｔ； ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ； ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｌｅａｒｎｉｎｇ 收稿日期：２０１５⁃０７⁃２８． 网络出版日期：２０１６⁃０１⁃０６． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２０３３３６， ６１２７３３３８）． 通信作者：晁飞． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｆｃｈａｏ＠ ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 智能机器人被期望拥有人的智慧，可以认知周 围的环境和自身的状态，并进行分析和判断，然后采 取相应的策略完成任务［１］ 。 它拥有一个由多种内、 外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关 节的运行速度、力的大小等参数，还可通过外部传感 器，如视觉传感器、触觉传感器等，对外部环境信息 进行感知、提取、处理并做出适当的决策，在结构或 板结构化环境中自主完成某一项任务［２⁃３］ 。 智能机器人，按照其发展进程，主要分成 ３ 类： 第 １ 代机器人，即示教再现性机器人，它按人编写的 程序工作，只重复一种动作，以一种固定的模式工 作；第 ２ 代机器人，即工业机器人，由电脑控制，可根 据需要按照不同的程序完成不同的工作，解决工业 生产和日常生活中的难题；第 ３ 代机器人，能够像人 一样具有灵活的思维，并能够主动分析和解决问题， 具有类人智能［２］ 。 具有机械手操作能力的机器人是最早出现的工 业机器人，它可代替人的繁重劳动，实现生产的机械 化和自动化，能在有害环境下进行操作以保护人类 安全，因而被广泛应用于工业生产、科研和生活的各 个领域。 作为机械手最早的应用，工业机器人开创 了机器人发展的新纪元。 随着技术的革新，工业机 器人也越来越智能。 智能机器人最主要的操作机