豎笛演奏機器人的設計研究

張涵，雷艷梅，沈孝芹

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.山東省冶金設計院股份有限公司環保室，山東濟南250100）

豎笛演奏機器人的設計研究

張涵1，2，雷艷梅3，沈孝芹1，2

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.山東省冶金設計院股份有限公司環保室，山東濟南250100）

隨著科技的發展和人類生活品質的提高，以器械演奏為代表的娛樂機器人的發展尤為迅速。文章應用電磁鐵組件、電磁比例閥、豎笛等器件，設計了豎笛演奏機器人的機械結構；編制計算機上位機軟件，對樂曲的簡譜進行輸入并解碼、編碼，生成下位機可以識別、執行的代碼；以ARM微處理器為控制核心實現豎笛演奏機器人的氣流氣壓與流量以及手指配合運動的控制。通過調試，豎笛機器人實現了吹奏基本樂曲的功能。并對調試過程中存在的問題以及進一步的研究方向進行了討論。

豎笛機器人；機械設計；控制設計；電磁比例閥

0 引言

伴隨著機械設計、機械加工、計算機技術、傳感器技術、控制理論與技術的發展以及人類生活品質的提高，機器人的研究與應用不再局限于傳統的工業控制、航空航天、海洋探測等領域，以家庭服務、教育、娛樂為主要功能的機器人越來越普遍地深入到人類生活的各個領域，以器械演奏為代表的娛樂機器人研究、開發與應用的發展尤為迅速［1］。Jorge等長期致力于長笛演奏機器人的研究，在長笛演奏機器人的人形機構、仿人機械手、仿人面部表情、氣流控制等方面進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電機實現了木琴演奏機械手移槌、擊槌動作的控制［1］。羅建國等應用硬質鋁合金材料研制了單關節3手指仿人豎笛演奏機器人手，實現了高、中、低音及其長短音的調節［5］。郭劍鷹等在吹笛機器人的系統設計和網絡控制方面進行了研究［6-7］。韓新斌等對于舵機在打擊琴鍵音樂機器人方面的應用進行了研究，并做出了具有娛樂和科教功能的實物［8］。梁善林基于數據手套和計算機視覺系統，利用虛擬現實技術，研究了虛擬手根據數據手套的手勢移動和指令動作進行虛擬鋼琴的演奏［9］。譚福生等研究了由中阮、揚琴和葫蘆絲演奏機器人組成的民族樂隊，該機器人能夠仿人面部表情，可以實現多種面部表情表演，并在2010年上海世博會上成功展示［10］。許建平等應用語音芯片進行語音識別，通過語音控制高速電機和高速數字舵機，實現了對琴鍵彈奏機械手指的控制［11］。孫選等在氣動電子琴彈奏機器人的控制信號編碼方面進行了研究，在分析數字音樂數據存儲結構特點后，實現了對數字音樂進行解碼、編碼并最終完成對氣路的控制［12］。吳兵等研究了數控技術在電子琴演奏機器人方面的應用，把電子琴機器人的運動軌跡利用數控編程進行編制，然后完成電機的控制，實現了數控技術在藝術領域的應用［13］。大多數樂器的演奏無非是通過人的手、口、腳的單獨動作抑或是手、口、腳的不同組合動作實現的［1］。豎笛就是通過演奏者的嘴和手結合進行演奏的。對豎笛演奏機器人進行了機械結構以及控制設計，以實現機械手的自動演奏。

1 豎笛機器人的機械設計

豎笛機器人主要由氣動豎笛、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音洞的正上方，應用四根銅柱把電磁鐵安裝板固定在底板上［14］。豎笛機器人的實物如圖1所示。安裝時，使這些電磁鐵的輸出軸正對著豎笛的音洞，這六個電磁鐵的輸出軸用來模仿人的手指，實現對豎笛六個音洞開閉狀態的控制。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現對輸出給豎笛氣流強度的控制。豎笛的進氣口安裝有一個柔性膠皮接口用來模仿人的嘴唇輸出氣流，應用氣管連接電磁比例閥的輸出口與柔性膠皮接口，應用氣管連接氣泵的出氣口和電磁比例閥的進氣口，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現對進入豎笛空氣的氣流強度的控制，并同時根據樂譜的節奏通過電磁鐵實現六個音洞的開閉，從而使豎笛機器人協調工作，按照樂譜吹奏出音樂。

圖1 豎笛演奏機器人實物圖

豎笛機器人的機械結構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現。豎笛是通過兩個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節的，這樣，可以更好的適應豎笛的位置，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作時產生縫隙影響演奏效果。豎笛機器人的氣體來源是由氣泵提供的，氣體來源穩定、可靠，可以為豎笛提供穩定的氣體來源。

2 豎笛機器人的控制系統設計

豎笛機器人的控制，主要以ARM芯片STM32為核心的控制系統，通過按鍵進行人機交互，向微控制器發送指令，實現機器人吹奏和停止以及歌曲的更換。微控制器根據檢測到的按鍵信息，和上位機進行通信運行相應歌曲的程序，通過電磁繼電器的閉合實現對電磁鐵的控制，以及對電磁比例閥的控制實現對吹奏過程中氣流的調節，從而實現了不同歌曲的吹奏。豎笛機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。

豎笛機器人演奏過程中氣流、氣壓只是微弱的變化，因而對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。它的調節范圍大、使用可靠、便于控制、抗干擾能力強。電磁比例閥是通過電流信號控制。電流信號的優點是在傳輸過程中抗干擾的能力強，因此可以采用電流信號。ITV2000-*2型電磁比例閥是利用4～20 mA的電流來控制的，成線性關系輸出0.005～0.5 MPa的壓力。控制系統利用ARM輸出數字信號，數字信號由D／A轉換器轉換成電流信號，然后用集成運算放大器對信號進行放大。放大后的信號經過恒流電路轉換為恒定的4～20 mA之間的電流信號。輸出的電流信號輸入到電磁比例閥的信號端，從而實現對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、動作靈活、成本低、運行平穩等特點。電磁鐵的控制采用PCJ-105D3MH繼電器，此繼電器工作可靠，性能穩定，動作靈活，且成本較低，吸和電流較小適用于弱電控制場合。通過繼電器控制電磁鐵的吸和，來模仿手指動作的功能。

3 豎笛機器人的軟件設計與調試

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

3.1 樂譜的輸入

對于通用的樂曲簡譜直接識別并加以區分相對來說比較復雜。建立一種簡單的碼制，把簡譜的節拍、音量、音符等信息以十六進制的格式進行編碼。按照規定的碼表把樂曲的簡譜按照十六進制的格式輸入軟件，然后由軟件再進一步進行識別并編碼。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

在樂曲簡譜以約定碼制輸入的基礎上，對輸入的碼值進行解碼。把碼值與豎笛機器人的控制信息建立映射關系。把含有節拍、音量、音符等信息的碼值轉換成下位機控制電磁鐵、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長控制等控制信息。對于各個音量上的每個音符的比例閥控制碼是通過多次實驗比較進行設定的。以四分之一拍中音音節為例，指法編碼、電磁比例閥控制編碼以及時長編碼見表2。

表1 樂譜的輸入編碼

表2 控制編碼

3.3 軟件調試

上位機通過USB與下位機進行通信。上位機接收到下位機的按鍵信息后，把相應樂曲簡譜編碼后的碼值傳輸給下位機，然后下位機進行執行。通過對多個不同樂曲的多次實驗發現，豎笛演奏機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分度。在演奏節奏變化比較緩和的樂曲時，豎笛機器人的表現更好；在演奏節奏變化比較突兀的樂曲時，演奏的聲音相對來說變化沒有那么柔和。

4 結語

文章介紹了豎笛演奏機器人的機械以及控制部分的設計。初步實現了豎笛演奏機器人的演奏功能。但在調試過程中發現對于電磁比例閥的氣流氣壓和氣流流量的控制還需要進一步的研究；在音節變換和節奏變化上的控制，還需要從硬件和軟件兩個方面進一步優化。

在今后的研究中，還應該繼續進行樂譜標準化輸入以及圖譜的智能識別技術，使機器人系統具有更強的交互性，機器人能夠根據輸入的樂曲簡譜自動調節系統參數，并通過遙控器或上位機進行對系統進行控制，使演奏效果更好。還可以進一步研究網絡控制技術在豎笛演奏機器人中的應用，以及機器人樂隊的組建等方面的內容。

［1］ 汪燁，王廷軍.基于20GM定位模塊木琴演奏機械手的研究［J］.制造業自動化，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，何茂艷，薛鐘宵，等.仿人豎笛演奏機器人手設計［J］.機械設計，2009，26（6）:29-31.

［6］ 郭劍鷹，盛鑫軍，呂恬生.吹笛機器人系統設計［J］.機器人技術與應用，2001（6）:19-24.

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［11］許建平，方健.基于語音控制的彈奏機器人系統設計與實現［J］.產業與科技論壇，2011，10（24）:91-93.

［12］孫選，李國平，王娜，等.基于微機控制的氣動彈琴系統設計［J］.液壓與氣動，2007（8）:20-23.

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

［14］于復生.一種吹簫機器人［P］.中國專利:CN200620010100.3，2009-09-19.

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（責任編輯：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

國家自然科學基金項目（51075245）

張涵（1979-），男，講師，碩士，主要從事機器人設計與應用、機電測控技術等方面的研究.E-mai:87757285＠163.com