自动换笔机构及其使用方法与流程

本发明涉及书法机器人，特别是指一种自动换笔机构及其使用方法。

背景技术：

我国的书法艺术不仅见证了我国汉字的历史演变，更见证了我国历史文化及文明的发展，是我国研究古代历史的重要依据，同时也是世界的宝贵财富。随着越来越快的生活节奏以及越来越先进的技术水平，使得人们进行书写的机会越来越少，我国的书法艺术面临传承危机。

但是智能科技的发展已然为我们解决这一问题提供了方向，“中国书法+智能机器人”的融合是个重大突破口，书法机器人可以根据程序要求实现与人类书写相近的书法效果，这项技术的研发成功不仅可以促进我国书法的传承及在世界范围内传播，而且智能机器人也得到进一步的发展。

针对书法机器人，现已有大量研究，但是其多涉及如何实现机器人的智能学习、模仿和书写，在书法机器人的书写过程中，如何实现换笔，现并未有较多研究，缺少一种实现笔具自动切换的机构。

技术实现要素：

本发明提出一种自动换笔机构，解决了现有书法机器人换笔的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种自动换笔机构，包括固定板，固定板的一端设有笔库盘，笔库盘上设有笔具，固定板的另一端设有升降回转组件，升降回转组件与换笔夹具连接，换笔夹具与笔具配合。

所述的笔库盘与笔盘旋转轴连接，笔盘旋转轴旋转设在固定板上。

所述的笔盘旋转轴上设有位于固定板上下端的轴承，固定板上设有罩设轴承的上轴承座和下轴承座。

所述的笔盘旋转轴与笔盘旋转组件连接，笔盘旋转组件设在固定板上。

所述的笔盘旋转组件包括大齿轮，大齿轮设在笔盘旋转轴上，固定板上设有步进电机，步进电机的输出轴上设有小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合。

所述的笔库盘上设有供笔具穿设的笔孔，笔库盘上设有位于笔孔处的夹爪组件。

所述的夹爪组件包括相对两个夹爪，夹爪的中部与笔库盘铰接，两个夹爪的外端之间连接有弹簧，夹爪的内端与笔具配合。

所述的笔库盘上设有限位块，限位块位于相对的两个夹爪之间。

所述的笔具上设有笔套，笔套设在笔库盘上。

所述的升降回转组件包括升降气缸和回转气缸，升降气缸固定在固定板上，升降气缸与回转气缸连接，回转气缸与换笔夹具轴连接，换笔夹具轴与换笔夹具连接。

所述的换笔夹具包括中间体和手爪，中间体与升降回转组件连接，中间体的端部与手爪可拆卸连接，手爪上设有与笔具配合的爪槽，手爪上穿设有位于爪槽开口处的顶柱，手爪与顶柱之间设有压簧。

所述的中间体的两端分别设有一个手爪。

所述的换笔夹具为中心对称结构。

上述自动换笔机构的使用方法，包括如下步骤：

s1、根据换笔指令，回转气缸工作带动换笔夹具逆时针转动；

s2、在步骤s1进行的同时，步进电机工作带动笔库盘顺时针转动；

s3、当换笔夹具转动到指定笔套位置时，笔套进入手爪的爪槽中，回转气缸停止工作以使换笔夹具停止转动；

s4、在步骤s3进行的同时，笔套对位于爪槽开口处的顶柱产生挤推力使顶柱后缩，笔套进入手爪的爪槽内后，顶柱复位将笔套卡紧，实现换笔工作；

s5、升降气缸动作，把笔套往下从笔库盘上的夹爪组件中取出；

s6、回转气缸工作，让换笔夹具旋转到工作位，便于进行书写。

本发明的优点：利用笔库盘进行各种笔具的存储，配合升降回转的换笔夹具，实现笔具的自动切换，解决现有换刀机器人换笔问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构主视图。

图2为本发明结构俯视图。

图3为图1的a-a向示意图。

图中：1-小齿轮，2-步进电机，3-电机座，4-固定板，5-升降气缸，6-气缸角铁，7-回转气缸，8-换笔夹具轴，9-手爪，10-笔具，11-笔套，12-顶柱，13-弹簧，14-限位块，15-夹爪，16-轴承，17-上轴承座，18-笔盘旋转轴，19-下轴承座，20-大齿轮，21-换笔夹具，22-笔库盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~3所示，一种自动换笔机构，包括固定板4，固定板4的一端设有旋转的笔盘旋转轴18，笔盘旋转轴18与笔库盘22连接，笔库盘22上设有笔具10，笔具10上设有笔套11，笔具10通过笔套11设在笔库盘22上。

笔盘旋转轴18上设有位于固定板4上下端的轴承16，固定板4上设有罩设轴承16的上轴承座17和下轴承座19，轴承16采用深沟球轴承，笔盘旋转轴通过轴承实现在固定板的稳定旋转。

笔盘旋转轴与笔盘旋转组件连接，笔盘旋转组件设在固定板4上，通过笔盘旋转组件驱动笔库盘的旋转。具体的，笔盘旋转组件包括大齿轮20，大齿轮20固定在笔盘旋转轴18上，固定板4上固定有电机座3，电机座3上固定有步进电机2，步进电机2的输出轴上设有小齿轮1，小齿轮1与大齿轮2啮合。步进电机旋转，通过大、小齿轮传递力矩，实现笔库盘的旋转，将需要的笔具旋转到位。

笔库盘22上设有供笔套11穿设的笔孔，笔库盘22上设有位于笔孔处的夹爪组件，通过夹爪组件将笔套和笔具夹设在笔库盘上，避免其脱落。夹爪组件包括相对两个夹爪15，夹爪15的中部与笔库盘22铰接，两个夹爪15的外端之间连接有弹簧13，夹爪15的内端与笔具10配合。弹簧为夹爪提供弹力，使得笔套套入夹爪之间时，夹爪能够夹紧笔套。笔库盘22上设有限位块14，限位块14位于相对的两个夹爪15之间，避免两个夹爪之间距离过小，影响笔套的穿入。

固定板4的另一端设有升降回转组件，升降回转组件与换笔夹具21连接，换笔夹具21与笔具10配合，通过升降回转组件控制换笔夹具升降回转运动，将笔库盘上的笔具摘下。

升降回转组件包括升降气缸5和回转气缸7，升降气缸5固定在固定板4上，通过升降气缸实现换笔夹具的升降拿取的动作。升降气缸5与气缸角铁6连接，气缸角铁6与回转气缸7连接，通过回转气缸实现换笔夹具的旋转抓取动作。回转气缸7与换笔夹具轴8连接，换笔夹具轴8与换笔夹具21连接。

换笔夹具21为中心对称结构，包括中间体和手爪9，中间体与换笔夹具轴连接，中间体的两端分别设有一个手爪9，中间体的端部通过螺钉与手爪9可拆卸连接，手爪9上设有与笔具10配合的爪槽，手爪9上穿设有位于爪槽开口处的顶柱12，手爪9与顶柱12之间设有压簧。在换笔夹具旋转，将笔套卡入爪槽中时，顶柱在压簧作用下后缩使笔套能够卡入爪槽内，然后顶柱复位顶紧防止笔套掉落，将笔套卡紧在爪槽内，实现笔套的抓取。

换笔夹具的工作原理为：在机器人接收到换笔指令的时候，回转气缸7和步进电机2同时开始工作，回转气缸7带动换笔夹具21逆时针转动，步进电机2带动笔库盘22顺时针转动，当换笔夹具转动到指定笔套位置时，笔套11会对换笔夹具21产生挤推力，换笔夹具21两端是手爪，由于手爪9内的爪槽中装有附带压簧的顶柱12，换笔夹具受到挤推力的作用，笔套11进入换笔夹具21的爪槽，换笔夹具停止转动，而顶柱由于压簧的原因，使得顶柱恢复原位，进而将已经进入手爪内的笔套夹住。

整套设备的工作原理为：采用回转方式进行快速换笔，换笔夹具21安装在回转气缸7上，同时还有一个上下驱动的升降气缸5，来保证换笔时候的上下自由度。边上配有一个笔库盘22，设置有多种规格的笔，以适应不同规格的书写。当需要换笔时，电机驱动齿轮传动，带动笔库转盘旋转，使得需要用的笔转到相应位置，方便换笔夹具进行换笔操作。换笔夹具夹持到笔套后，升降气缸动作，把笔套往下取出，然后回转气缸动作，让夹具旋转到工作位，开始书写。

上述自动换笔机构的使用方法，包括如下步骤：

s1、根据换笔指令，回转气缸7工作带动换笔夹具21逆时针转动；

s2、在步骤s1进行的同时，步进电机2工作带动笔库盘22顺时针转动；

s3、当换笔夹具21转动到指定笔套11位置时，笔套11进入手爪9的爪槽中，回转气缸7停止工作以使换笔夹具21停止转动；

s4、在步骤s3进行的同时，笔套11对位于爪槽开口处的顶柱12产生挤推力使顶柱12后缩，笔套11进入手爪9的爪槽内后，顶柱12复位将笔套11卡紧，实现换笔工作；

s5、升降气缸5动作，把笔套11往下从笔库盘22上的夹爪组件中取出；

s6、回转气缸7工作，让换笔夹具21旋转到工作位，便于进行书写。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。