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        基于數(shù)控技術(shù)的電子琴演奏機械手研究

        2010-02-26 10:51:10吳翠茹王振坤
        裝備制造技術(shù) 2010年2期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        吳 兵,吳翠茹,王振坤,李 屹

        (貴州大學(xué)機械工程學(xué)院,貴陽,550003)

        隨著現(xiàn)代人工智能、計算機科學(xué)、傳感器科學(xué)的不斷發(fā)展,數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用已從機械制造領(lǐng)域向以家庭、娛樂和教育為代表的服務(wù)機器人方向擴展。其中,娛樂機械手近年來發(fā)展很快,已經(jīng)有演奏多種樂器的演奏機械手出現(xiàn)[1~4]。為激發(fā)本科生參與科學(xué)研究的興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新精神及實踐動手能力,本文依托國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目的實施,研究設(shè)計了一套電子琴演奏的機械手,在數(shù)控技術(shù)的控制下模仿人手,再現(xiàn)敲擊鍵盤的動作,以實現(xiàn)自動演奏樂曲的目的。

        1 電子琴演奏機械手的要求

        電子琴是一種鍵盤樂器,琴聲音豐富、優(yōu)美,有變音裝置,能發(fā)出多種不同的音色。演奏時,按下鍵盤的一只鍵,就等于接通一只開關(guān),只允許某一種頻率的信號通過到放大器里去,揚聲器就發(fā)出一個音來。演奏者按照一定的演奏規(guī)律來按鍵,就能奏出美妙的音樂。

        要實現(xiàn)機械手自動演奏,就要模仿人手敲擊鍵盤的動作,這要求機械手具有兩個主要的動作:移動和按下。其實施的難點,在于如何準確定位,并符合樂曲中的音節(jié)對時間的嚴格要求。同時設(shè)計時應(yīng)從從仿生角度,考慮美觀因素,盡量使機構(gòu)有類似演奏者手部運動的特征。

        根據(jù)運動要求并考慮機構(gòu)簡單、美觀等因素,該電子琴演奏機械手由機械部分、控制部分、樂曲程序和電子琴等四大部分組成。其中電子琴采用市場上很容易買到的簡單的鍵盤樂器,系統(tǒng)的其他三部分是相互關(guān)聯(lián)的。

        2 機械機構(gòu)的設(shè)計方案

        2.1 運動形式的選擇

        手臂運動按運動方式,可以分為直角坐標型和圓柱坐標型[5]。

        直角坐標型具有兩個移動關(guān)節(jié),可使手部產(chǎn)生兩個相互獨立的直線運動(按三維空間坐標系,下同)X、Z。其優(yōu)點是定位精度高,軌跡求解容易,控制簡單等。缺點是不符合人體運動特征,所占的空間尺寸較大,工作范圍較小,操作靈活性較差,運動速度較低,無法按手形特征美化。

        圓柱坐標型具有一個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),對應(yīng)于一個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動。對于圓柱坐標型手臂運動形式,有以下2套方案:

        (1)方案Ⅰ(C,Z)。將演奏手臂安裝在一個沿Z軸垂直運動的立柱上,同時配合可以繞Z軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺,實現(xiàn)演奏手指的彈琴動作。這種方案可以簡單、直觀的體現(xiàn)手指的快速定位,但由于Z軸方向的電機需要垂直安裝,對自鎖要求高,增加了機構(gòu)的復(fù)雜性,會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        (2)方案Ⅱ(C,Y)。通過設(shè)計一套類似人體手臂的連桿機構(gòu),將水平放置的絲杠螺母副傳遞來的水平運動,轉(zhuǎn)換為手指的垂直運動,完成演奏的動作。而手指的定位,通過繞Z軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺來縮短定位路徑,提高定位速度。這種通過繞Z軸的轉(zhuǎn)動和沿Y軸的垂直直線運動,來實現(xiàn)手指的動作,不需在手部和轉(zhuǎn)臺之間增加支撐,結(jié)構(gòu)簡單,所占空間尺寸較小,只需轉(zhuǎn)動較小的角度即可獲得較大工作范圍,手部可獲得較高的速度。雖然手部外伸離中心軸愈遠,其切向線位移分辨精度愈低,但是對于本課題該定位精度是完全足夠了。

        考慮到本設(shè)計中的操作機構(gòu)重點,是要實現(xiàn)快速連貫的樂曲演奏動作,因此對手部的運動速度有較高要求。另外,為滿足美學(xué)的要求,機械手應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單輕巧的特點。綜合以上考慮,確定了最終方案為圓柱坐標型的方案Ⅱ,即手部坐標為(C,Y)。

        2.2 執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

        本設(shè)計中,手臂形執(zhí)行機構(gòu)為空間開鏈式連桿機構(gòu)。從仿生角度和便于驅(qū)動的方面考慮,其關(guān)節(jié)的運動副型式參照了人體手臂的運動模式,采用了轉(zhuǎn)動式關(guān)節(jié)和移動式關(guān)節(jié)[6],使得操作機構(gòu)的自由度數(shù)為2。根據(jù)以上設(shè)計,本執(zhí)行機構(gòu)是一套能夠進行二個相對獨立運動(C、Y)的機構(gòu)。

        (1)移動機構(gòu)。機構(gòu)中的C軸運動,是需要讓整個演奏部分繞Z軸轉(zhuǎn)動,這是依靠一個精密的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)的。該回轉(zhuǎn)工作臺主要由步進電機、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)等組成,在其快速運行的時候,會有較大的機械噪音,影響演奏效果,因此在調(diào)試過程中,根據(jù)需要來滿足整個機構(gòu)的定位要求,適當降低旋轉(zhuǎn)速度,同時增加演奏機構(gòu)和琴之間的距離,以減小轉(zhuǎn)動的角度。

        (2)擊鍵機構(gòu)。演奏機構(gòu)中手指的演奏動作,主要是沿垂直方向的移動,這是通過一套利用絲杠螺母傳動副帶動的手指機構(gòu)沿Y軸水平移動來實現(xiàn)的。絲杠的轉(zhuǎn)動,由步進電機驅(qū)動。當絲杠轉(zhuǎn)動時,螺母沿絲杠作直線運動(Y軸方向)。整個機構(gòu)中設(shè)計了一套連桿機構(gòu),可以將螺母的水平移動,轉(zhuǎn)換成手指的上下移動,實現(xiàn)手指的演奏功能(如圖1所示)。為了增加這個機構(gòu)的安全性,在手指機構(gòu)中加入了緩沖裝置,避免琴在調(diào)試過程中受到?jīng)_擊而損壞。手指機構(gòu)的設(shè)計,采用了多關(guān)節(jié)的設(shè)計方法,具有空間尺寸小、工作范圍較大、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、噪音小、運動輕便等特點。

        圖1 手指結(jié)構(gòu)

        圖2 連接架

        另外,由于直線工作臺是放置在回轉(zhuǎn)臺上的,為保證聯(lián)接可靠并避免回轉(zhuǎn)工作臺和直線工作臺相互干涉,兩個工作臺連接設(shè)計中,設(shè)計了一個簡單可靠的連接架,分別在連接架的兩面,加工相應(yīng)的孔與回轉(zhuǎn)臺和工作臺聯(lián)結(jié)。連接架的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2。

        3 控制部分設(shè)計

        在演奏中,要求回轉(zhuǎn)機構(gòu)快速、準確地運動到待擊鍵位置,采用合適的擊鍵速度和力度擊鍵,然后根據(jù)樂曲的節(jié)奏要求,迅速定位到下一演奏位置。其中,模仿人手實現(xiàn)擊鍵動作是基礎(chǔ),同時實現(xiàn)恰到好處的擊鍵力度和速度,是表現(xiàn)演奏效果的關(guān)鍵。

        機械裝置的控制部分,采用較為簡單的兩軸數(shù)控車床控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)只有兩個獨立控制系統(tǒng),因此需要對其進行簡單的改造。具體改造如下:

        (1)其中X軸運動控制,轉(zhuǎn)接為旋轉(zhuǎn)工作臺的步進電機控制,即X=C。

        (2)直線工作臺的運動控制,連接原系統(tǒng)的Z軸控制,即Z=Y。

        圖3 數(shù)控系統(tǒng)組成

        3.1 調(diào)試

        為確保手指機構(gòu)的定位精度,需要針對演奏的樂曲編制程序,并根據(jù)運行結(jié)果對程序及運動機構(gòu)等進行相應(yīng)的修改和調(diào)試,以達到準確優(yōu)美演奏的目的。

        3.2 編程

        確定工件坐標原點,并將機械手手指的初始位置,定于工件坐標系的原點。根據(jù)樂曲音律,編寫符合演奏要求的機械手運動軌跡數(shù)控程序。

        編程示例:

        將工件坐標系原點,定位在音符4和5的邊界線上,則設(shè)計的機械手可以在如下的數(shù)控程序段控制下,完成上段樂曲的演奏(該樂曲節(jié)選自《小星星》。)

        N005 G54 G90 ;定義工件坐標系

        N010 G00 X20 Z-7.3 ;將手指定位到音符1上方

        教師既是“經(jīng)師”,又是“人師”。教書和育人是一個無法分開的整體,育人滲透在教學(xué)中,是教學(xué)不可或缺的組成部分,育人效果的好壞直接決定著教學(xué)質(zhì)量的高低。通過教學(xué),教師既要幫助學(xué)生掌握知識,形成技能,發(fā)展能力,又要幫助學(xué)生養(yǎng)成遠大的理想追求,形成正確的人生態(tài)度,樂觀的情感體驗,寬廣的人文情懷,堅韌的意志品質(zhì),精益求精的敬業(yè)精神。美國心理學(xué)家林格倫指出:“教師的教育效果取決于師生交往的質(zhì)量?!盵2]要改變高等學(xué)校師生關(guān)系日漸疏遠的現(xiàn)狀,教師要深入學(xué)生之中,親近學(xué)生,了解學(xué)生,與生為友,以理服生,以情動生,以身示生,真正成為學(xué)生的人生導(dǎo)師。

        N011 G01 X30 F1000 ;手指按下音符1

        N015 G00 X20 ;手指回到音符1上方

        N020 G01 X30 ;手指按下音符1

        N025 G00 X20 Z1 ;手指定位到音符5

        N030 G01 X30 ;手指按下音符5

        N035 G00 X20 ;手指回到音符5上方

        N040 G01 X30 ;手指按下音符5

        N045 G00 X20 Z3 ;手指定位到音符6上方

        N050 G01 X30 ;手指按下音符6

        N055 G00 X20 ;手指回到音符6上方

        N055 G01 X30 ;手指按下音符6

        N060 G00 X20 Z1 ;手指定位到音符5上方

        N065 G01 X30 ;手指按下音符5

        N070 G04 P2000 ;手指保持按下音符5的狀態(tài)2s

        N075 M02 ;程序結(jié)束

        3.3 修改

        在編程調(diào)試過程中,存在機構(gòu)運動速度較慢,導(dǎo)致樂曲彈奏不連貫的問題,我們采用了以下解決辦法:

        (1)運動修改。在不發(fā)生干涉的前提下,采取回轉(zhuǎn)臺與手臂聯(lián)動縮短空行程時間:即回轉(zhuǎn)臺繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動和機械手臂Y軸方向的移動同時完成。該聯(lián)動運動由數(shù)控系統(tǒng)的控制特點來完成。

        (2)機構(gòu)修改。適當增加手臂的長度,可使回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度減小,從而減少運行時間,提高樂曲演奏的連貫性。

        3.4 擴展

        經(jīng)調(diào)試,本項目將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于電子琴的單指演奏是切實可行的。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,增加相應(yīng)的手指運動,即可實現(xiàn)多音彈奏,演奏較為復(fù)雜的樂曲。

        4 結(jié)束語

        實踐表明,將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于電子琴的樂曲演奏是可行的。雖然目前機械手的演奏還無法和真人演奏的復(fù)雜藝術(shù)手法相比,但已為將來數(shù)控技術(shù)在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,提供了實踐的實例。

        [1]張博玲,徐崇庶.薩克斯管和小號的自動演奏機器人[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,1998,(02):7-8.

        [2]郭劍鷹,盛鑫軍,呂恬生.吹笛機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2001,(06):19-24.

        [3]郭劍鷹,呂恬生.國外音樂機器人研究[J].機電一體化,2002,(03):14-18.

        [4]汪 燁,王廷軍.基于20GM定位模塊木琴演奏機械手的研究[J].制造業(yè)自動化,2009,(08):154-156.

        [5]天津大學(xué)《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1980.

        [6]孫 恒,陳作模,葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

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