目的探究直角坐标型书写机器人摹仿签名笔迹的书写原理、笔迹特征以及书写机器人参数设置对笔迹特征的影响。方法收集签名笔迹和机器人摹仿签名笔迹,借助VSC8000、RTI等仪器设备观察总结两者的异同。结果机器人摹仿签名笔迹是利用贝塞尔曲线设计笔迹路径并转化为G代码指令从而控制机器人书写形成的,机器人摹仿签名笔迹与签名笔迹相比,概貌特征、局部安排特征和写法特征保持高度一致,搭配比例特征、笔画重复特征、笔顺特征、运笔特征以及笔痕特征存在差异;加速度和速度参数设置过大会导致笔画抖动;随着笔压参数增大,笔痕逐渐变深后保持不变,收笔随着笔锋参数和笔压参数的增大而增长。结论机器人摹仿签名笔迹与签名笔迹的书写原理以及笔迹特征均存在差异,具有鉴定的可行性。
直角坐标型书写机器人摹仿签名笔迹的原理：如图1所示,在字体编辑软件中,将签名笔迹作为背景参照,使用贝塞尔曲线描绘摹仿笔迹的笔画路径并保存为矢量图形,随后将矢量图形导入机器人控制软件并将其转化为G代码,并将G代码进一步转化为脉冲信号,使步进电机驱动X、Y、Z轴进行机械运动,进而形成摹仿签名笔迹。
1）硬件：CoreXY型直角坐标型书写机器人、VSC8000文检仪、DT超视觉成像仪（用于RTI成像）。2）软件：奎享字体（书写机器人专用的字体编辑软件）、奎享雕刻（书写机器人专用的控制软件）、RTIBuilder、RTIView。3）书写材料：晨光圆珠笔、得力牌A4纸。
2.2.1签名笔迹的收集
召集15名志愿者,要求每人在慢速、正常速度和快速条件下（如图4所示）各书写5个本人签名,共收集225个签名笔迹。
2.2.2摹仿签名笔迹矢量图形的制作
2.2.3摹仿签名笔迹的书写
利用控制变量的方法,研究速度、加速度、笔锋和笔压参数对笔迹特征的影响,随后选择最理想的参数书写全部签名,研究机器人摹仿签名笔迹和签名笔迹的特征差异,具体步骤如下：
1）在225个摹仿签名笔迹的矢量图形中随机选择5个,设计速度和加速度的交叉试验,笔压和笔锋参数分别设置为-1.0和3,设置速度参数：1000、2000……15000mm/min;设置加速度参数：1000、2000……8000mm/s2,每个签名在速度和加速度不同的120种情况下分别书写,共收集600个摹仿签名笔迹,探究速度、加速度参数对摹仿签名笔迹的影响以及最佳速度、加速度参数;
2）在225个摹仿签名笔迹的矢量图形中随机选择5个,速度、加速度和笔压分别设置为5000mm/min、2000mm/s2和-1.0,笔锋参数设置：0、1、2……10,每个签名在笔锋不同的11种情况下分别书写,共收集55个摹仿签名笔迹,探究笔锋参数对摹仿签名笔迹的影响以及最佳笔锋参数;
3）在225个摹仿签名笔迹的矢量图形中随机选择5个,速度、加速度和笔锋分别设置为5000mm/min、2000mm/s2和3,笔压参数设置：0、-0.5、-1.0、-1.5、-2.0、-2.5,每个签名在笔压不同的6种情况下分别书写,共收集30个摹仿签名笔迹,探究笔压参数对摹仿签名笔迹的影响以及最佳笔压参数;
4）在速度、加速度、笔锋、笔压参数最理想的情况下,全部书写225个摹仿签名。
2.2.4检验方法
利用VSC8000文件检验仪和DT超视觉成像仪对签名笔迹与书写机器人摹仿签名笔迹进行比对检验,分析总结两者的异同。
3.1.1速度与加速度参数对笔迹特征的影响
当书写速度和加速度设置过大时,书写机器人的机械结构承受不了大负荷,机身会产生剧烈的晃动,使得摹仿签名笔迹的笔画出现抖动弯曲现象,本文所用的机器人在加速度超过3000mm/s2、速度超过5000mm/min时,摹仿笔迹的笔画会出现抖动现象,速度和加速度越大,笔画抖动越明显（图7）。另外,不同机械结构的书写机器人的稳定性不同,同一机械结构用不同制作材料制成的书写机器人稳定性也不一样。
3.1.2笔锋参数对笔迹特征的影响
3.1.3笔压参数对笔迹特征的影响
笔压参数设置不同,对笔迹特征影响最直观的是笔痕深度,当笔压参数设置为0时,笔尖刚接触纸面,笔痕浅,当笔压参数逐渐增大时,笔痕的深度逐渐增大。理论上,笔压参数不断增大,笔痕的深度也是不断增大的,但是,目前设计的夹笔装置都有缓冲功能,衬垫物对笔压也有一定的缓冲作用,所以,当笔压参数达到一定值,笔迹的压痕深度将不会发生明显变化。
通过对速度、加速度、笔锋和笔压参数的研究,我们得出书写条件最理想的参数设置：速度5000mm/min、加速度2000mm/s2、笔锋3、笔压-1.0。在此书写条件下,书写全部225个摹仿签名笔迹,与正常情况下书写的签名笔迹进行比对,从而总结出机器人摹仿签名笔迹的检验要点。
3.2.1概貌和局部安排特征
3.2.2写法特征
在225份签名笔迹中,共有9份出现繁体字写法,在利用贝塞尔曲线设计的过程中,也采用相同的写法,225份摹仿签名笔迹中有相同的9份繁体字写法的签名笔迹,故签名笔迹与摹仿签名笔迹的写法特征完全相符。
3.2.3搭配比例特征
在笔锋参数设置为0的情况下,机器人摹仿签名笔迹与签名笔迹的笔画基本重复,搭配比例保持一致;
在设置有笔锋的情况下,某些笔画收笔动作发生改变,末端就会出现逐渐变细的收笔特征,上文在解释收笔逐渐变细的出现原理时提到,机器运行到坐标最后一点时,笔尖并不是垂直抬笔,而是在抬笔的同时在XOY平面内移动,从而笔画末端逐渐变细,逐渐变细的这一部分笔画是在原笔画基础上的加长,这就导致摹仿签名笔迹的搭配比例可能发生变化,在225份摹仿签名笔迹中,有39份笔迹的搭配比例发生变化,主要体现于笔画的交叉部位以及平行笔画的长短比例上。
3.2.4笔顺特征
3.2.5运笔特征
机器人书写的起笔方式只有一种,通过分析G代码,所有的笔画起笔都是笔尖运动到第一个坐标点的上部,然后根据笔压参数进行垂直落笔,再以设定速度和加速度往下一个坐标点移动,所以摹仿笔迹的起笔端有较明显的顿压感,呈圆形,甚至可以观察到起笔端有小圆点,如图15所示。