錢黎明　郭峰

【摘 要】本文設(shè)計(jì)的弦樂(lè)器自動(dòng)演奏機(jī)器人，參照仿生學(xué)原理，它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分解為壓弦機(jī)構(gòu)、撥弦機(jī)構(gòu)和消音機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取氣動(dòng)系統(tǒng)作為撥弦和壓弦機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，選取步進(jìn)電機(jī)和微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）作為平移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置。為了驅(qū)動(dòng)這些裝置，設(shè)計(jì)的電路硬件包含：主控電路、通訊電路、電源管理電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等，并設(shè)計(jì)了與之相對(duì)應(yīng)的程序軟件，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】演奏機(jī)器人；仿生學(xué)；壓弦；撥弦；消音

0 前言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，娛樂(lè)機(jī)器人成為研究的熱門項(xiàng)目[1]。其中音樂(lè)機(jī)器人以其較好的展示和互動(dòng)效果獲得了研究人員的青睞。樂(lè)器演奏機(jī)器人通過(guò)電子控制裝置控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，達(dá)到模擬人類演奏樂(lè)器的效果，目前主要有非人形和擬人形兩種形式。這是一項(xiàng)融合機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、電子以及音樂(lè)藝術(shù)的多學(xué)科交叉課題[2，3]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)分析人類在彈奏時(shí)的動(dòng)作，參照仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)演奏機(jī)構(gòu)，完成各演奏機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，并選擇合適的驅(qū)動(dòng)裝置。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)仿生學(xué)提出了弦樂(lè)自動(dòng)演奏系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)：

①具有相互獨(dú)立的撥弦和壓弦機(jī)構(gòu)。

②撥弦機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)等同于弦樂(lè)器弦數(shù)，每個(gè)機(jī)構(gòu)至少一個(gè)自由度，且運(yùn)作時(shí)相互獨(dú)立。

③壓弦機(jī)構(gòu)需快速到達(dá)發(fā)音位置，可采取移動(dòng)方式（如貝斯）或點(diǎn)陣方式（如吉他）。

④移動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的壓弦機(jī)構(gòu)需至少三個(gè)自由度。

⑤壓弦機(jī)構(gòu)需兼顧擊弦要求，能調(diào)整擊打力度。

⑥具有快速止震消音機(jī)構(gòu)。

⑦可根據(jù)不同樂(lè)譜進(jìn)行演奏。

設(shè)計(jì)時(shí)將撥弦機(jī)構(gòu)固定在貝斯尾部，設(shè)計(jì)4個(gè)撥弦結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)貝斯4根弦，驅(qū)動(dòng)方式采用直線氣缸，控制方式采用二位三通電磁閥。壓弦機(jī)構(gòu)采用移動(dòng)方式，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線滑軌實(shí)現(xiàn)沿琴體方向的橫向移動(dòng)；通過(guò)高速舵機(jī)驅(qū)動(dòng)直線滑軌實(shí)現(xiàn)垂直琴體方向的移動(dòng)；通過(guò)直線氣缸實(shí)現(xiàn)上下動(dòng)作。底層控制器采用STM32高速單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)發(fā)送的音符命令解碼?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 控制器硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 控制器硬件總體設(shè)計(jì)

弦樂(lè)器自動(dòng)演奏系統(tǒng)的控制器硬件包含主控電路、電源管理電路、限位開(kāi)關(guān)、通訊電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及狀態(tài)指示電路[2]。

1.2.2 主控電路

主控電路選用高性能、高速、低功耗的STM32F103R 8T6單片機(jī)為系統(tǒng)核心[3]。主控電路不僅需完成對(duì)電磁閥、微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行器件的控制和驅(qū)動(dòng)，還要完成不同等級(jí)電源的處理和輸入信息（串口數(shù)據(jù)、限位開(kāi)關(guān)）的處理，同時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也需要通過(guò)指示信息（LED燈、串口數(shù)據(jù)）反饋給用戶。

1.2.3 電源管理電路

為保證系統(tǒng)正常工作，本控制系統(tǒng)涉及3種不同數(shù)值的直流電壓源。其中電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需采用24V電源，由外部穩(wěn)壓電源直接提供；微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）驅(qū)動(dòng)電路和通訊電路采用5V電源；主控電路及其外圍輸入輸出電路需要直流3.3V電源[4]。

LM2596S -5.0將24V轉(zhuǎn)成5V，是一款開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，需在輸出引腳外加電感L1、肖特基二極管D20在輸出關(guān)斷的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)續(xù)流。LM1117-3.3芯片將5V轉(zhuǎn)成3.3V，是一款低壓降正壓輸出的三端線性穩(wěn)壓芯片。

1.2.4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)選用單作用氣缸，對(duì)應(yīng)二位三通電磁閥，需匹配繼電器進(jìn)行控制。電磁閥型號(hào)為3V210-08-NC，繼電器選用型號(hào)為HK4100F-DC12V。本設(shè)計(jì)采用了光耦TLP281-4將主控電路和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電氣隔離。U9為繼電器驅(qū)動(dòng)芯片，型號(hào)為ULN2803，是一款八路NPN達(dá)林頓晶體管陣芯片，輸入電平與TTL標(biāo)準(zhǔn)相兼容，最大允許輸出電壓50V，最大負(fù)載電流500mA。

1.2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)弦樂(lè)器（貝斯）整體設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)中需控制4個(gè)微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）選用型號(hào)為S9570SV的高速數(shù)字舵機(jī)，步進(jìn)電機(jī)選用型號(hào)57BYG250B。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路包含微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其中采用光耦進(jìn)行電氣隔離；達(dá)林頓管集成芯片進(jìn)行輸出，其中PWM1-PWM4分別連接4個(gè)微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）的信號(hào)端，DR、PUL、EN分別連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TB6600的方向、脈沖和使能端。

1.3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與機(jī)械、液壓、電氣相比，氣動(dòng)技術(shù)具有如下特點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)快速的直線往返運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和高速移動(dòng)；輸出力、運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)方便，改變運(yùn)動(dòng)方向簡(jiǎn)單。根據(jù)整體設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)中使用9個(gè)氣缸，需要設(shè)計(jì)一套氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)支持氣缸的正常工作，如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)示意圖

其中空氣壓縮機(jī)和氣罐提供氣源，采用了一款型號(hào)為JUBA800-30的小型電動(dòng)空氣壓縮機(jī)。選用型號(hào)為AFR2000的過(guò)濾調(diào)壓閥，其濾芯精度為40μm。電磁閥型號(hào)為3V210-08-NC，氣缸型號(hào)為CJ1B4-10SU4。

1.4 控制器軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序包含上位機(jī)和下位機(jī)兩部分：下位機(jī)控制器采用STM32高速單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)發(fā)送的音符命令解碼。自動(dòng)演奏控制系統(tǒng)的程序開(kāi)發(fā)基于STM32庫(kù)函數(shù)，用戶程序有19個(gè)程序，按不同功能劃分為[5]：

（1）7個(gè)底層硬件控制類程序，分別對(duì)單片機(jī)內(nèi)部資源、串口通訊、外部開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、繼電器和舵機(jī)等底層硬件進(jìn)行控制；endprint

（2）5個(gè)基本動(dòng)作類程序，分別實(shí)現(xiàn)了消音、擊弦、撥弦、壓弦和壓弦機(jī)構(gòu)橫向位移功能；

（3）4個(gè)音效類程序；

（4）2個(gè)數(shù)據(jù)處理子程序；

（5）1個(gè)主程序。

2 測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

此次測(cè)試所選用的樂(lè)譜為小星星（C大調(diào)），此曲共有24小節(jié)，每小節(jié)需演奏2個(gè)音符，實(shí)際演奏24小節(jié)，共演奏48個(gè)音符，演奏時(shí)常為1分23秒。在試驗(yàn)過(guò)程中，撥弦機(jī)構(gòu)共工作48次，未卡弦，除氣泵聲音外未有雜音，按弦機(jī)構(gòu)共工作24次，按壓正常，音高準(zhǔn)確，未有疵音。消音機(jī)構(gòu)共工作6次，按壓正常，消音效果顯著。

3 總結(jié)

本文主要對(duì)機(jī)器人樂(lè)隊(duì)的核心--自動(dòng)演奏機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)功能和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

①在電腦上編輯樂(lè)譜，通過(guò)通訊端口將樂(lè)譜和演奏命令遞給演奏系統(tǒng)控制器，演奏系統(tǒng)對(duì)接收到的樂(lè)譜進(jìn)行分析、分解執(zhí)行演奏動(dòng)作，完成樂(lè)譜的自動(dòng)演奏；

②通過(guò)分析人類在彈奏時(shí)的動(dòng)作，根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)演奏機(jī)構(gòu)，完成各演奏機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)論選用適當(dāng)驅(qū)動(dòng)形式；

③設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)方式電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)時(shí)控制；

④對(duì)貝斯和鼓手的功能進(jìn)行了集成，創(chuàng)新了一種獨(dú)特的演奏方式。

【參考文獻(xiàn)】

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