張涵，雷艷梅，沈孝芹

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司環(huán)保室，山東濟(jì)南250100）

豎笛演奏機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

張涵1，2，雷艷梅3，沈孝芹1，2

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司環(huán)保室，山東濟(jì)南250100）

隨著科技的發(fā)展和人類生活品質(zhì)的提高，以器械演奏為代表的娛樂機(jī)器人的發(fā)展尤為迅速。文章應(yīng)用電磁鐵組件、電磁比例閥、豎笛等器件，設(shè)計(jì)了豎笛演奏機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)；編制計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件，對(duì)樂曲的簡(jiǎn)譜進(jìn)行輸入并解碼、編碼，生成下位機(jī)可以識(shí)別、執(zhí)行的代碼；以ARM微處理器為控制核心實(shí)現(xiàn)豎笛演奏機(jī)器人的氣流氣壓與流量以及手指配合運(yùn)動(dòng)的控制。通過調(diào)試，豎笛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了吹奏基本樂曲的功能。并對(duì)調(diào)試過程中存在的問題以及進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行了討論。

豎笛機(jī)器人；機(jī)械設(shè)計(jì)；控制設(shè)計(jì)；電磁比例閥

0 引言

伴隨著機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論與技術(shù)的發(fā)展以及人類生活品質(zhì)的提高，機(jī)器人的研究與應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)控制、航空航天、海洋探測(cè)等領(lǐng)域，以家庭服務(wù)、教育、娛樂為主要功能的機(jī)器人越來越普遍地深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，以器械演奏為代表的娛樂機(jī)器人研究、開發(fā)與應(yīng)用的發(fā)展尤為迅速［1］。Jorge等長(zhǎng)期致力于長(zhǎng)笛演奏機(jī)器人的研究，在長(zhǎng)笛演奏機(jī)器人的人形機(jī)構(gòu)、仿人機(jī)械手、仿人面部表情、氣流控制等方面進(jìn)行了深入的研究并取得了一定量的成果［2-4］。汪燁等利用PLC和定位模塊控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了木琴演奏機(jī)械手移槌、擊槌動(dòng)作的控制［1］。羅建國(guó)等應(yīng)用硬質(zhì)鋁合金材料研制了單關(guān)節(jié)3手指仿人豎笛演奏機(jī)器人手，實(shí)現(xiàn)了高、中、低音及其長(zhǎng)短音的調(diào)節(jié)［5］。郭劍鷹等在吹笛機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)控制方面進(jìn)行了研究［6-7］。韓新斌等對(duì)于舵機(jī)在打擊琴鍵音樂機(jī)器人方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并做出了具有娛樂和科教功能的實(shí)物［8］。梁善林基于數(shù)據(jù)手套和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究了虛擬手根據(jù)數(shù)據(jù)手套的手勢(shì)移動(dòng)和指令動(dòng)作進(jìn)行虛擬鋼琴的演奏［9］。譚福生等研究了由中阮、揚(yáng)琴和葫蘆絲演奏機(jī)器人組成的民族樂隊(duì)，該機(jī)器人能夠仿人面部表情，可以實(shí)現(xiàn)多種面部表情表演，并在2010年上海世博會(huì)上成功展示［10］。許建平等應(yīng)用語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，通過語(yǔ)音控制高速電機(jī)和高速數(shù)字舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)琴鍵彈奏機(jī)械手指的控制［11］。孫選等在氣動(dòng)電子琴?gòu)椬鄼C(jī)器人的控制信號(hào)編碼方面進(jìn)行了研究，在分析數(shù)字音樂數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字音樂進(jìn)行解碼、編碼并最終完成對(duì)氣路的控制［12］。吳兵等研究了數(shù)控技術(shù)在電子琴演奏機(jī)器人方面的應(yīng)用，把電子琴機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡利用數(shù)控編程進(jìn)行編制，然后完成電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用［13］。大多數(shù)樂器的演奏無非是通過人的手、口、腳的單獨(dú)動(dòng)作抑或是手、口、腳的不同組合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的［1］。豎笛就是通過演奏者的嘴和手結(jié)合進(jìn)行演奏的。對(duì)豎笛演奏機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)演奏。

1 豎笛機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

豎笛機(jī)器人主要由氣動(dòng)豎笛、電磁鐵組件、電磁比例閥、底板、豎笛壓板、柔性膠皮接口、電磁鐵安裝板、銅柱組成；使豎笛的六個(gè)音洞垂直朝上，利用兩塊豎笛壓板通過螺釘安裝在底板上；安裝有電磁鐵組件的安裝板安裝在豎笛的六個(gè)音洞的正上方，應(yīng)用四根銅柱把電磁鐵安裝板固定在底板上［14］。豎笛機(jī)器人的實(shí)物如圖1所示。安裝時(shí)，使這些電磁鐵的輸出軸正對(duì)著豎笛的音洞，這六個(gè)電磁鐵的輸出軸用來模仿人的手指，實(shí)現(xiàn)對(duì)豎笛六個(gè)音洞開閉狀態(tài)的控制。電磁鐵輸出軸的底端附著有海綿膠和乳膠皮的密封層，以保證音洞的密封性能。電磁比例閥就像人的口腔一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出給豎笛氣流強(qiáng)度的控制。豎笛的進(jìn)氣口安裝有一個(gè)柔性膠皮接口用來模仿人的嘴唇輸出氣流，應(yīng)用氣管連接電磁比例閥的輸出口與柔性膠皮接口，應(yīng)用氣管連接氣泵的出氣口和電磁比例閥的進(jìn)氣口，氣泵就像人的肺。由ARM芯片STM32為核心的控制板控制電磁比例閥的開合程度實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入豎笛空氣的氣流強(qiáng)度的控制，并同時(shí)根據(jù)樂譜的節(jié)奏通過電磁鐵實(shí)現(xiàn)六個(gè)音洞的開閉，從而使豎笛機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，按照樂譜吹奏出音樂。

圖1 豎笛演奏機(jī)器人實(shí)物圖

豎笛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)中電磁鐵的固定是通過短支梁來固定在橫梁支撐板上的。在高度方向上則由立柱支撐橫梁支撐板實(shí)現(xiàn)。豎笛是通過兩個(gè)定位塊固定在底板上。手指的前后、左右間距和高度都是可調(diào)節(jié)的，這樣，可以更好的適應(yīng)豎笛的位置，便于安裝，減少在安裝過程中的誤差。避免電磁鐵輸出軸在動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生縫隙影響演奏效果。豎笛機(jī)器人的氣體來源是由氣泵提供的，氣體來源穩(wěn)定、可靠，可以為豎笛提供穩(wěn)定的氣體來源。

2 豎笛機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豎笛機(jī)器人的控制，主要以ARM芯片STM32為核心的控制系統(tǒng)，通過按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，向微控制器發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人吹奏和停止以及歌曲的更換。微控制器根據(jù)檢測(cè)到的按鍵信息，和上位機(jī)進(jìn)行通信運(yùn)行相應(yīng)歌曲的程序，通過電磁繼電器的閉合實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的控制，以及對(duì)電磁比例閥的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)吹奏過程中氣流的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了不同歌曲的吹奏。豎笛機(jī)器人的控制主要包括氣流大小的控制和指法的控制兩部分。

豎笛機(jī)器人演奏過程中氣流、氣壓只是微弱的變化，因而對(duì)于氣流氣壓的變化控制要求比較高。氣流控制采用SMC公司的ITV2000-*2型電磁比例閥。它的調(diào)節(jié)范圍大、使用可靠、便于控制、抗干擾能力強(qiáng)。電磁比例閥是通過電流信號(hào)控制。電流信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是在傳輸過程中抗干擾的能力強(qiáng)，因此可以采用電流信號(hào)。ITV2000-*2型電磁比例閥是利用4～20 mA的電流來控制的，成線性關(guān)系輸出0.005～0.5 MPa的壓力?？刂葡到y(tǒng)利用ARM輸出數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)由D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后用集成運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的信號(hào)經(jīng)過恒流電路轉(zhuǎn)換為恒定的4～20 mA之間的電流信號(hào)。輸出的電流信號(hào)輸入到電磁比例閥的信號(hào)端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁比例閥的比例控制［15］。

利用電磁鐵模仿人的手指是考慮到了電磁鐵有控制方便、動(dòng)作靈活、成本低、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。電磁鐵的控制采用PCJ-105D3MH繼電器，此繼電器工作可靠，性能穩(wěn)定，動(dòng)作靈活，且成本較低，吸和電流較小適用于弱電控制場(chǎng)合。通過繼電器控制電磁鐵的吸和，來模仿手指動(dòng)作的功能。

3 豎笛機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

豎笛機(jī)器人的上位機(jī)軟件功能包括樂曲簡(jiǎn)譜的輸入、樂譜的解碼以及編碼、編碼的傳輸、上下位機(jī)信息的交換等。

3.1 樂譜的輸入

對(duì)于通用的樂曲簡(jiǎn)譜直接識(shí)別并加以區(qū)分相對(duì)來說比較復(fù)雜。建立一種簡(jiǎn)單的碼制，把簡(jiǎn)譜的節(jié)拍、音量、音符等信息以十六進(jìn)制的格式進(jìn)行編碼。按照規(guī)定的碼表把樂曲的簡(jiǎn)譜按照十六進(jìn)制的格式輸入軟件，然后由軟件再進(jìn)一步進(jìn)行識(shí)別并編碼。以四分之一拍中音和八分之一拍高音為例，具體的編碼方式見表1。

3.2 樂譜的解碼與編碼

在樂曲簡(jiǎn)譜以約定碼制輸入的基礎(chǔ)上，對(duì)輸入的碼值進(jìn)行解碼。把碼值與豎笛機(jī)器人的控制信息建立映射關(guān)系。把含有節(jié)拍、音量、音符等信息的碼值轉(zhuǎn)換成下位機(jī)控制電磁鐵、電磁比例閥的包括指法控制、比例閥控制、比例閥與電磁鐵的時(shí)長(zhǎng)控制等控制信息。對(duì)于各個(gè)音量上的每個(gè)音符的比例閥控制碼是通過多次實(shí)驗(yàn)比較進(jìn)行設(shè)定的。以四分之一拍中音音節(jié)為例，指法編碼、電磁比例閥控制編碼以及時(shí)長(zhǎng)編碼見表2。

表1 樂譜的輸入編碼

表2 控制編碼

3.3 軟件調(diào)試

上位機(jī)通過USB與下位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)接收到下位機(jī)的按鍵信息后，把相應(yīng)樂曲簡(jiǎn)譜編碼后的碼值傳輸給下位機(jī)，然后下位機(jī)進(jìn)行執(zhí)行。通過對(duì)多個(gè)不同樂曲的多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，豎笛演奏機(jī)器人能夠完成基本樂曲的演奏，并且演奏的聲音具有較高的區(qū)分度。在演奏節(jié)奏變化比較緩和的樂曲時(shí)，豎笛機(jī)器人的表現(xiàn)更好；在演奏節(jié)奏變化比較突兀的樂曲時(shí)，演奏的聲音相對(duì)來說變化沒有那么柔和。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了豎笛演奏機(jī)器人的機(jī)械以及控制部分的設(shè)計(jì)。初步實(shí)現(xiàn)了豎笛演奏機(jī)器人的演奏功能。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)對(duì)于電磁比例閥的氣流氣壓和氣流流量的控制還需要進(jìn)一步的研究；在音節(jié)變換和節(jié)奏變化上的控制，還需要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)一步優(yōu)化。

在今后的研究中，還應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行樂譜標(biāo)準(zhǔn)化輸入以及圖譜的智能識(shí)別技術(shù)，使機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的交互性，機(jī)器人能夠根據(jù)輸入的樂曲簡(jiǎn)譜自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，并通過遙控器或上位機(jī)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使演奏效果更好。還可以進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在豎笛演奏機(jī)器人中的應(yīng)用，以及機(jī)器人樂隊(duì)的組建等方面的內(nèi)容。

［1］ 汪燁，王廷軍.基于20GM定位模塊木琴演奏機(jī)械手的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31（8）:154-156.

［2］ Solis J.，Chida K.，Suefuji K.，et al.Improvements of the sound perception processing of the Anthropomorphic Flutist Robot（WF -4R）to effectively interact with humans［C］.IEEE: International Workshop on Robots and Human Interactive Communication，2005.

［3］ Klaus P.，Jorge S.，Koichi T.，Development of the Waseda Flutist Robot No.4 Refined IV:Implementation of a Real-Time Interaction System with Human Partners［C］.Proceedings of the 2nd Biennial IEEE／RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics，Nevada:Professional Books Group，2008.

［4］ Klaus P.，Jorge S.，Atsuo T.Development of a Aural Real-Time Rhythmical and Harmonic Tracking to Enable the Musical Interaction with the Waseda Flutist Robot［C］.The 2009 IEEE／RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，New York:RandomHouse，2009.

［5］ 羅建國(guó)，何茂艷，薛鐘宵，等.仿人豎笛演奏機(jī)器人手設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（6）:29-31.

［6］ 郭劍鷹，盛鑫軍，呂恬生.吹笛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（6）:19-24.

［7］ 郭劍鷹，呂恬生.基于網(wǎng)絡(luò)的吹笛機(jī)器人控制［J］.機(jī)械與電子，2003，（3）:37-40.

［8］ 韓新斌，王晨升.一種打擊琴鍵音樂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.軟件，2013，34（1）:1-3.

［9］ 梁善林.一種基于視覺手勢(shì)識(shí)別的虛擬演奏［D］.北方工業(yè)大學(xué)，2007.

［10］譚福生，楊軍，黃建民，等.具有面部表情的仿人型機(jī)器人民族樂隊(duì)［J］.上海電氣技術(shù)，2010，3（3）:1-5.

［11］許建平，方健.基于語(yǔ)音控制的彈奏機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011，10（24）:91-93.

［12］孫選，李國(guó)平，王娜，等.基于微機(jī)控制的氣動(dòng)彈琴系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2007（8）:20-23.

［13］吳兵，吳翠茹，王振坤，等.基于數(shù)控技術(shù)的電子琴演奏機(jī)械手研究［J］.裝備制造技術(shù)，2010（2）:6-7，23.

［14］于復(fù)生.一種吹簫機(jī)器人［P］.中國(guó)專利:CN200620010100.3，2009-09-19.

［15］秦海港，蘇杭，于復(fù)生，等.基于STC89C51的電磁比例閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（3）:270-272.

（責(zé)任編輯：李雪蕾）

Design of clarinet robot

Zhang Han1，2，Lei Yanmei3，Shen Xiaoqin1，2

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.Environmental Protection Department，Shandong Province Metallurgical Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250100，China）

With the development of science and technology and the improvement of human life quality，developmentof entertainment robotwith the instruments playing as the representative becomes more quickly.The mechanical structure of the clarinet robot was designed with electromagnet，proportional solenoid valve，clarinet and so on.The software in computer，with the function of encoding and decoding formusical score，was programmed.The control of air pressure and flow and the control of the robot's finger movement were finished through the control unit cored with ARM microprocessor.The basic music playing function was achieved by debugging.Finally，the problems emerged in debugging and the next research directionswere discussed.

clarinet robot；mechanical design；control design；proportional solenoid valve

TP242.3

A

1673-7644（2014）06-0574-04

2014-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51075245）

張涵（1979-），男，講師，碩士，主要從事機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用、機(jī)電測(cè)控技術(shù)等方面的研究.E-mai:87757285＠163.com