摘 要

写生机器人是国外计算机图形学、机器人技术与绘画艺术结合的冷门分支。写生机器人的设计和发展对于绘画艺术的创新发展、人类艺术审美演变过程具有重要意义，更强化了计算机图形学对图形、几何体的深度理解，推动机器人与数字图像处理进一步融合发展。

本文题目为物体轮廓特征提取及绘制系统，该系统实质为简化版的写生机器人。通过OpenCV库抓取图像轮廓特征，通过机器人逆向运动学理论绘制目标图像轮廓。本文首先介绍了系统机械构件的设计与功能分析，展示了实际系统设计模型；然后通过硬件设计部分介绍STM32F103等相关硬件产品的特点、功能、电路搭建、解决方案以及相关理论阐述；最后分析软件设计方面物体轮廓特征提取、绘制的理论基础和算法。通过上述各种技术联合设计实现了该写生机器人系统，并在文章最后展示了绘制作品并分析不足。

关键词：写生机器人；OpenCV；轮廓提取与绘制；STM32F103

Abstract

Sketching robot is an obscure branch of foreign computer graphics, robot technology and painting art. Sketch the robot's design and development for the innovation and development of the art of painting, the human aesthetic evolution process is of great significance. It also strengthens the in-depth understanding of graphics and geometry in computer graphics and promotes the further integration of robot and digital image processing.

This paper is titled object contour feature extraction and drawing system, which is a simplified sketch robot. Image contour feature is captured by OpenCV library, and target image contour is drawn by robot inverse kinematics theory. This paper first introduces the design and functional analysis of the mechanical components of the system, and shows the actual system design model. Then, through the hardware design part, the features, functions, circuit construction, solutions and related theories of STM32F103 and other related hardware products are introduced. Finally, the theoretical basis and algorithm of object contour feature extraction and rendering in software design are analyzed. The sketch robot system is designed by the combination of the above technologies, and the drawing works are displayed and analyzed at the end of the paper.

Key Words: Sketching robot; OpenCV.; Contour extraction and rendering; STM32F103

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容和章节安排 2

第2章 机械建模与实际组装 4

2.1 机械设计综述 4

2.2 主要模块及功能分析 4

2.3 机械设计总体建模 8

2.4 机械结构实际组装 10

2.5 本章小结 13

第3章 硬件电路与控制方案设计 14

3.1 硬件电路搭建 14

3.1.1 STM32F103C8T6工控板 14

3.1.2 42步进电机 16

3.1.3 TB6600电机驱动器 17

3.1.4 光驱步进电机 21

3.1.5 L298N电机驱动模块 22

3.1.6 直流稳压电源 24

3.1.7 系统电路图 26

3.2 电机转动控制 26

3.2.1 STM32控制42步进电机 26

3.2.2 STM32控制光驱步进电机 28

3.3 联合运动方案设计 28

3.3.1 机械臂旋转角度算法设计 29

3.3.2 双42步进电机控制算法设计 32

3.4 本章小结 36

第4章 轮廓提取与绘制原理及设计 37

4.1 图像轮廓提取 37

4.1.1 轮廓存储容器 37

4.1.2 轮廓提取原理 37

4.1.3 轮廓层次划分 38

4.1.4 实际函数使用 39

4.2 图像轮廓绘制 42

4.2.1 处理轮廓坐标 42

4.2.2 转化轮廓坐标 43

4.2.3 延迟判断及控制 45

4.3 本章小结 47

第5章 总结与展望 48

5.1 分析与总结 48

5.2 前景与展望 49

参考文献 50

致谢 51

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在万物互联、智能化成为潜在趋势的今天，越来越多的艺术细分领域尤其是绘画艺术开始与高新技术结合，借助科技的力量，使得绘画艺术表达的形式越来越多样、作品内容越来越丰富。

写生机器人是近年来国外艺术与计算机图形学结合的一个冷门分支。人们认为油画作品的精髓在于作者的感受、修为和价值观等意识形态的表达，过去的油画画家们拘泥于用手对事物的轮廓、层次进行描摹和创造，如今随着科技的发展，绘画的载体得到极大的拓展，那么使用机器人或者机械手臂对物体轮廓和层次进行描绘和创造是对艺术机器人的又一次探索和创新，对于计算机图形学的发展、人类艺术审美的演变具有重要意义。^[1]

相比于人类个体的想象力和创造性，人工智能拥有更为广阔和丰富的绘画数据存储、更易转化的创造灵感，机器人拥有更为精准的动作定位，现代绘画艺术家完全可以借助人工智能和机器人的力量实现一幅画的描绘，它只需要在程序中加入自己的风格和想要表达的内容、形式、刻画，就可以短时间内获得一幅艺术性和科学性并存的精致作品。

在这个艺术与机器人融合的语境中，写生机器人的立场是什么?^[2]写生机器人是一个绘画实体，就像它的许多当代机器人艺术品一样，它并没有止步于模仿事物的外形，它还创造了新的来自于作者的意象。与此同时，它就像实用的工业机器人一样，在绘画这个特定的创造性活动中，它也能或多或少地成功地取代人类的肢体，那就是提取并描绘物体轮廓。