一種基于ROS的鼓樂機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅捷

【摘 要】論文介紹了一種能夠使用龍鼓演奏的鼓樂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)演奏效果，實(shí)現(xiàn)手勢識(shí)別遙控選曲、手勢控制即興演奏等設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人使用了ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了多種異質(zhì)硬件的整合。經(jīng)過測試，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)演奏節(jié)奏準(zhǔn)確，即興演奏響應(yīng)迅速。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；ROS；手勢識(shí)別；龍鼓；樹莓派；愛迪生平臺(tái)

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）17-0091-001

The Design and Implementation of a Dragon Drum Robot Based ROS

LUO Jie

（Guangxi technological college of machinery and electricity，Nanning Guangxi 530023，China）

【Abstract】This paper introduces the design and implementation of a robot can be used to play the Dragon drum. In order to realize the automatic playing，gesture recognition，gesture control remote improvisation play music.The robot use ROS（Robot Operating System） to achieve the integration of heterogeneous hardware.After testing，the robot runs stably，automatically plays accurately， when improvisation play，the robot responds quickly.

【Key words】Robot；ROS；Gesture recognition；Dragon drum；Raspberry pi；Intel Edison

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的逐漸興起，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)不局限于工業(yè)領(lǐng)域，而是逐漸進(jìn)入了人們生活的方方面面。如送餐機(jī)器人、掃地機(jī)器人等。

音樂機(jī)器人屬于表演機(jī)器人的一種。通常，一種音樂機(jī)器人有兩種不同的設(shè)計(jì)重點(diǎn)：一種使用音樂播放設(shè)備，注重與人的互動(dòng)；一種直接演奏真實(shí)的樂器，注重真實(shí)的音效。此類機(jī)器人根據(jù)樂器的不同，主要有弦樂機(jī)器人、管樂機(jī)器人、鍵盤類機(jī)器人和打擊樂機(jī)器人。其中打擊樂機(jī)器人往往由多條機(jī)械臂組成，演奏時(shí)動(dòng)作敏捷，節(jié)奏感極強(qiáng)，視覺和聽覺效果較好。樂器演奏機(jī)器人以其真實(shí)的演奏音效和機(jī)械動(dòng)作帶來的美感，越來越受到人們的青睞。

手勢語言作為人類最早使用至今，且仍被廣泛使用的一種交際工具。隨著人工智能、機(jī)器視覺等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，手勢識(shí)別也理所當(dāng)然成為了新一代的人機(jī)交互方式。

ROS（Robot Operating System）“機(jī)器人操作系統(tǒng)”是一種機(jī)器人軟件框架，它能夠在異質(zhì)的計(jì)算機(jī)集群提供類似操作系統(tǒng)的功能。在機(jī)器人中，可以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)間的信息互聯(lián)。利用其豐富的開源軟件包的支持，可以迅速的整合多種不同的硬件設(shè)備，組成機(jī)器人。

本文嘗試基于ROS框架，整合樹莓派、普通PC、單片機(jī)、手勢傳感器、舵機(jī)等異質(zhì)硬件，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種鼓樂機(jī)器人。機(jī)器人使用6個(gè)2自由度機(jī)械臂同時(shí)使用3個(gè)龍鼓實(shí)現(xiàn)鼓樂的演奏。使用手勢識(shí)別的方式實(shí)現(xiàn)人對(duì)機(jī)器人的控制。

1 總體方案和功能分析

本文的鼓樂演奏機(jī)器人設(shè)計(jì)，有三個(gè)主要組成部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要針對(duì)支架和機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；軟硬件部分用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制、網(wǎng)絡(luò)連接和手勢識(shí)別等功能。

在樂器演奏機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，由于機(jī)器人所使用樂器的特殊性，往往不能直接使用樂譜，而需要根據(jù)將對(duì)樂譜進(jìn)行改編，轉(zhuǎn)換成控制指令，保存為文本。演奏時(shí)，由上位機(jī)將選定曲目的控制指令組發(fā)給下位機(jī)，再由下位機(jī)控制機(jī)械臂完成演奏。

本鼓樂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本鼓樂機(jī)器為了追求更好的龍鼓演奏效果，使用3個(gè)龍鼓作為演奏樂器，每個(gè)龍鼓由2個(gè)個(gè)配有鼓槌機(jī)械臂錘擊，整個(gè)機(jī)器人共6個(gè)機(jī)械臂。因?yàn)樵邶埞难葑嘀校ㄟ^敲擊鼓的不同位置，實(shí)現(xiàn)不同的聲音效果，因此每個(gè)機(jī)械臂設(shè)置了兩個(gè)自由度，可以靈活的選擇敲擊龍鼓的不同部位，每個(gè)自由度由大扭力舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。六條機(jī)械臂通過三腳架支撐，手臂根部均統(tǒng)一連接到支架頂端的圓形底座上，每個(gè)機(jī)械臂的根部按間隔60°等間距安裝，使用時(shí)通常以2個(gè)手臂為一組進(jìn)行演奏。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本機(jī)器人的需求，由于人類的聽覺器官對(duì)于音樂的節(jié)奏時(shí)差非常敏感，因此演奏音樂的（下轉(zhuǎn)第69頁）（上接第91頁）時(shí)間控制較為嚴(yán)格。本機(jī)器人在舵機(jī)控制部分使用STM32單片機(jī)，以保證控制的實(shí)時(shí)性。單片機(jī)由于其性能、軟件支持等問題，對(duì)于手勢識(shí)別等功能難以直接支持。因此本機(jī)器人由的單片機(jī)作為下位機(jī)，使用串口與樹莓派相連。樹莓派作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的手勢交互、Wi-Fi等功能。手勢交互控制器使用愛迪生平臺(tái)和手勢傳感器（leap motion）組成。

4 軟件設(shè)計(jì)

按照本機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的硬件種類比較多，需要整合多種異質(zhì)硬件。ROS十分適合用于整合不同硬件。由于樹莓派和愛迪生平臺(tái)都是Linux系統(tǒng)，因此都可以安裝ROS。ROS系統(tǒng)通過節(jié)點(diǎn)（Node）實(shí)現(xiàn)各種功能，通過主題（Topic）和消息（Message）實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通訊。只要進(jìn)行簡單的設(shè)置，即可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，通訊的細(xì)節(jié)被ROS封裝。ROS節(jié)點(diǎn)圖如下：

其中sender節(jié)點(diǎn)直接由ROS提供，它使用基于leap motion傳感器的官方SDK，雖然進(jìn)行了簡化，智能提供一個(gè)手掌的數(shù)據(jù)，但對(duì)于本機(jī)器已經(jīng)足夠。gesture節(jié)點(diǎn)通過訂閱話題，獲得sender節(jié)點(diǎn)發(fā)出的手指關(guān)節(jié)坐標(biāo)和手掌法線坐標(biāo)，以此來判斷手勢。目前可以判斷的手勢有：止（拇指橫指，其余四指收回）、選曲（伸出食指表示第一曲，如此類推）、手指跟隨演奏（食指中指伸直并攏）等。

5 小結(jié)

本文闡述了鼓樂機(jī)器人的總體方案和功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于ROS框架完成，具有開發(fā)周期較短、整合差異性硬件能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該機(jī)器人使用真實(shí)的龍鼓進(jìn)行鼓樂演奏，音效真實(shí)。使用了手勢識(shí)別作為接收用戶的控制指令，并可以遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)演奏和即興演奏。經(jīng)過測試，該鼓樂機(jī)器人演奏效果真實(shí)，手勢識(shí)別操作較為靈敏，滿足了設(shè)計(jì)要求。

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