傳統文化的傳承

⊙前言

木偶戲是由演員操縱木偶以表演故事的戲劇。閩南民間的傳統木偶戲有著良好的群眾基礎。但如今，木偶戲只能在特定的地點和時間才能欣賞到。這是因為精確操控木偶，要依賴訓練有素的專業藝人表演，而當今能夠熟練掌握木偶技藝的演員隨著年歲增長，人數越來越少。隨著專業表演人才的缺失，木偶表演也就越來越少，木偶戲這種傳統藝術的生存與傳承正面臨著極大挑戰。對于木偶戲愛好者來說，平時很難隨時欣賞到木偶戲表演。如果有一個可以生動自動表演的木偶，將木偶戲演出帶人家庭，這樣不但可以極大滿足人們欣賞傳統文化的需求，而且非常有利于對傳統木偶表演技藝的傳承和發揚。

目前在市面上并沒有專門針對民間傳統木偶戲而制作的表演機器人。可編程人機互動木偶不僅要實現流暢的動作，更需要方便快捷的木偶戲動作和劇本編輯，以及各種友好的人機互動表演模式。

⊙設計與制作

可編程人機互動木偶主要包括掌中木偶、木偶頭和提線木偶3個系列。不同系列的木偶采用的主要技術基本相似，論文以掌中木偶為例說明可編程人機互動木偶在機械結構、電路及動作調試等方面的設計過程。

機械結構設計

為了更加真實地還原木偶戲的演出，這款可編程人機互動木偶保留了最原始的掌中木偶的肢體外形，所有的機械裝置都安裝在木偶內部。可編程人機互動木偶的動作模仿傳統掌中木偶演出動作進行編排和設計。木偶的整體運動是通過多個舵機共同完成的，頭部是由舵機控制頭部上下點頭和左右搖頭，代替演員食指的運動，另外的2個舵機則控制木偶機器人左右手的運動。為了使木偶的運動更加豐富和逼真，我們還進行了改進，增加了木偶手部動作的維度，使手臂能夠以前后臂聯動方式運動的同時，還能夠手臂上下擺動。這樣的設計只對掌中木偶內部進行改裝，不需要外置的輔助裝置操縱木偶的動作，在外觀上保持傳統的外形和演出方式，見圖1。

電路設計

電路的核心控制器采用的是 STC12C5A60S2。該芯片是一款單時鐘 （IT）的增強型51單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12 倍。系統采用11.0i92 MHz的晶振，可以使單片機定時精度接近1 u s，對舵機控制精度可以達到0.09度。同時 STC12C5A60S2具有豐富的片上資源，如獨立波特率發生器與PCA模塊等，使得電路可以控制的舵機數量多達16 路，可以很好滿足項目的需求。電路中各模塊關系見圖2。

我利用protel設計制作電路板，在核心控制板上引出單片機所有引腳。在電路板設計中充分考慮到項目的可擴展性和靈活性的需要，布有豐富的接口。電路板上還設計了基于I2C通訊的 at24c256的存儲芯片，主要用于存儲舵機動作數據，確保木偶能在脫機情況下自動運行，在線修改動作方式等數據。

音樂播放電路采用WT588D語音芯片。設置WT588D工作于三線串口控制模式，通過單片機根據時序仿照標準SPI通信，可以實現對WT588D的播放地址、播放音量等參數和暫停播放等動作進行控制。WT588D輸出模式設置為D/A模式，通過音頻放大模塊推動3w的喇叭工作。

為了實現對項目的無線通訊和控制，采用HC-05藍牙轉串口適配器模塊，實現利用電腦、手機遠程無線控制木偶機器人。制成的線路板見圖3。

軟件設計

舵機控制是下位機程序的主要任務。利用分時復用的思路，1個定時器可以控制8個舵機，而且控制精度可以達到0.09度。利用獨立串口定時器進行串口通訊，可以節省定時器資源。我還利用其中的一個定時器實現舵機運動速度的靈活控制和動作數據的自動運行。下位機程序通過按鍵或者串口命令可以選擇在不同的模式下工作，有自動運行和串口控制兩種模式。正常狀態下工作于自動運行模式。串口控制模式下根據串口命令執行相應動作，主要用于調試初值、劇本編輯調試、代碼下載更新等。為了能方便快捷對木偶表演動作劇本進行編排，我們利用VB設計了配套的動作編輯軟件。

動作編輯及播放

動作編輯是木偶表演的靈魂所在，也是項目制作的難點所在。我們走訪了木偶表演劇團的表演藝術家和民間木偶雕刻大師，了解了傳統木偶表演的基本技法和木偶內部的基本結構。

木偶的表演要力求動作與音樂的完美結合。我們為此設計了一款動作編輯器以便更好地完成此項任務。動作編輯器為了保證動作和音樂節奏完全同步，所以必須以音樂或者視頻播放的時間坐標作為動作編輯的依據，當然也可以按照音樂播放的進程，在不同時間插入木偶的動作，進行動作編輯。

我設計的木偶機器人有多種角色，一個是武將的形象，主要是表演京劇以及比較剛勁豪放的詩詞朗誦；一個是仕女的形象，主要演奏南音《直入花園》《元宵十五》等頗具泉州特色的名曲；還有一個是書生的形象，主要是表演比較抒情委婉的詩歌朗誦等，見圖4。

即興表演模式

我制作的人機互動木偶除了能按照預設的動作進行表演以外，還可以實現即興的表演。所謂即興的表演是指不需要預設動作，直接由木偶根據音樂播放的節奏和頻率自動實現與音樂配對的動作。我們利用單片機的AD接口對播放的音樂進行時域和頻域的分析，自動識別音樂的節奏和頻率。根據音樂的節奏自動控制舵機的動作節奏，根據音樂的頻率控制舵機運動的幅度，以達到動作與音樂的協調配合。首先我們下載一段節奏感比較強的背景音樂到內置的播放模塊上。根據樂曲可以設定舵機動作的時間和運動的幅度，使得木偶頭的動作能與樂曲節奏相互配合。樂曲比較舒緩時，舵機運動的速度就比較慢，運動的幅度比較大，手臂和底部嘴巴部分同時運動；而樂曲播放比較急促的時候，設定舵機運動速度較快，幅度比較小，只設定上方嘴巴的張合等。

舞臺劇表演

我們還為木偶設計了獨特的舞臺，舞臺中央鋪有軌道，讓掌中木偶在舞臺中能夠自己行走，完成兩個角色的同臺演出。對舞臺的結構也做了特殊設計，讓舞臺同時也能夠適應提線木偶的表演。只需將提線木偶的控制盤放置于舞臺上端，便可實現提線木偶的表演。我還設計布置了燈光，使整個舞臺更加絢麗。舞臺采用可拆卸的方式，方便人們隨時隨地欣賞。

網絡下載動作包

當前，智能手機已得到廣泛應用，我們利用智能手機實現對木偶的實時控制以及劇目下載更新，將傳統文化與現代科技有機結合，更有利于傳統木偶劇的傳承和推廣。其基本思路是：設計一個基于android編程的控制臺軟件，利用手機藍牙與主控板實現無線通訊，可以隨時隨地設計自己喜歡的音樂和動作，通過藍牙接口寫入存儲芯片中。

我們的實時遠程更新下載方式是基于微信系統的二維碼掃描，首先建立一個木偶機器人用戶群，通過共享方式將每個新木偶劇目傳播出去，需要的用戶只需點擊進入網頁鏈接，即可下載相應木偶的曲目和動作，完成木偶的實時更新和下載。

⊙結論

項目采用機械結構自動控制木偶表演并與樂曲完美配合。拓展了傳統木偶表演形式，讓木偶可以吟誦古詩、唱南音、表演京劇。開發了唐詩《靜夜思>《涼州詞》，京劇《甘露寺》《淮河營》，南音《直入花園》《元宵十五》等木偶表演的劇目。并與智能手機等現代科技結合實現下載更新等功能。項目還提供了劇本表演模式與即興表演模式，提高了系統的娛樂性和趣味性。項目在繼承傳統木偶劇表演的基礎上，對表演題材進行不斷的創新，結合現代聲光電等各種表現形式，在繼承發揚中國傳統文化的同時為人們提供了一種全新的視聽娛樂方式。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

可編程機器人雖然是比較常見的科技項目，但是該項目很好地把計算機和機器人科技與傳統的木偶文化聯系到了一起。通過學習表演藝術家操作木偶的技藝，把專家的動作轉化成參數，并利用這些參數支配木偶的運動，具有一定的創新性，尤其是演示效果良好，是一個非常完整的科技項目作品。