小发明:写字机器人设计心得分享

十几年前,我有一个大胆的想法,能不能发明一个会写字、会画图的机器人,让它自动写字呢?这样就可以帮孩子写作业了。现在孩子已经很大了,我的想法仍旧未能实现:没有造出一台实用的写字机器人。

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上图是我目前造出来的写字机器人,但是因为精度太差,只能画一些简单的横向、纵向的线条,稍微复杂一些比如圆形、甚至是斜线都会跑偏,更不用说真的写字了。

但是这个漫长的过程并非毫无收获,我对写字机器人设计有了很多心得体会。曾经我以为打印机工业化产品,写字机器人比较容易,至少比打印机容易。但是实际上:打印机的技术难度主要集中于打印头(喷墨墨盒等),除去墨盒部分之外打印机比写字机器人容易的多。下面分享如下:

  • 因为写字机器人需要双电机同时运动,对两个电机的协调控制要求较高;而打印机的两台电机是交替工作,进纸电机工作的时候,横轴电机不工作;横轴电机工作的时候进纸电机不工作。

  • 写字机器人能写的字越大,纵轴的力矩就较大;力矩越大,部件强度要求就越高,整体稳定性就越差,部件形变产生的误差越大。为了解决这个问题,不同写字机器人的设计采取了不同的策略:有的增加了配重,有的增加了双滑轨,有的增加了支撑的万向小车。这些设计都带来了许多负面作用:机器体积变大、重量变大、成本变高;而打印机不存在这个问题,打印机压根没有纵轴,打印机的墨盒直接安装在横轴的小车上,力矩几乎为0。

  • 也有的写字机器人设计另辟蹊径:可不可以让纵轴不动,让纸反向的动呢?比如:在笔不动的情况下画一条向下的10cm竖线,只需要让纸向上10cm就可以了。这种设计的一个问题是:纸虽然很轻,但是纸张的强度太低需要一个平板让纸平铺并固定在上面,这个平板带来的增重和增加复杂度比纵轴更严重。还有人想到取消平板,改用和打印机一样的滚桶,不需要纸的每一处下方都有平板,只需要当前笔接触的地方下面有支撑就行了。这个设计理论上也可行,但有一个严重的问题是:打印机可以用滚筒是因为打印机的纵轴是单向的,即使有误差也不会放大。但是写字机器人的纵轴是双向的,会根据线条一次次的前后运动,就会产生一个误差的放大效应。你可以精确控制滚筒的转动,但是没有办法精确控制纸。纸和滚筒之间不是紧密相对固定的。举例说:在滚筒上和纸上各自标记一个点A、B,让A、B重合。滚筒带动纸正转10cm反转10cm,如此重复100遍。理论上AB此时仍然重合,但实际上A和B早就不重合了,误差甚至超过了1cm。一个可能的现象是:画一个圆,但是当圆形转一圈回到起点的时候,发现两头没有对齐,随着图案的复杂,误差会越来越大。

  • 写字机器人的驱动也比打印机更加复杂:对打印机来说它把内容看作是一个个点组成的,它只需要知道一个个坐标就可以了;但是写字机器人更复杂一些,首先它需要把文字根据字体拆成一个个线条,然后把线条矢量化,最后转换成具体的尺寸发给写字机器人,如果仅仅处理英文和数字还好,如果要处理中文字库的不同字体,这个过程是比较复杂的。

写字机器人与打印机的效率在画简单的、连贯的图案的时候很有优势:

  • 画一条竖线,写字机器人的速度很快,打印机因为喷头工作需要停留瞬间因此变慢

  • 画一个中间部分较空的图案,比如两条相隔较远的竖线,一个方形,一个圆形等。写字机器人的速度优势更加明显,打印机横轴电机需要不断的左右运动。

  • 内容越少写字机器人的优势越明显

  • 几何线条类的内容是写字机器人的强项

打印机在画不连贯的、复杂的图形更有优势:

  • 画一段横向的虚线,因为线不连贯,所以写字机器人会频繁启动停止舵机,完成笔尖的抬起和下压的过程,而打印机受的影响较少。

  • 当画一些由点组成的图形时,写字机器人不但是效率低,而且质量差。因为笔和喷头不一样,它通过和纸的摩擦写出字迹,如果是一个点的话,笔尖下压之后直接抬起来,这时候纸上是看不清楚这个点的(大家可以做个实验)。

  • 写一份密密麻麻的文稿,写字机器人需要把每个字分解成的笔画轨迹,不断地前后左右移动。最终写字机器人笔尖的运动里程有可能比喷头的墨盒运动里程长100倍以上,这种情况下写字机器人是非常低效的。

综上的分析,我当初技术路线图就搞错了,写字机器人的原理很容易,但是它对制作加工的精度、成本要求很高,超出了一个普通人所能达到的高度;而根据打印机原理做一台“用铅笔的打印机”可能更现实一些。希望快递早日恢复,等我的零件到齐了之后,让我把这台机器造出来吧。

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