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.