一種基于ROS的鼓樂機器人設計與實現

羅捷

【摘 要】論文介紹了一種能夠使用龍鼓演奏的鼓樂機器人的設計與實現。該機器人為了實現較好的自動演奏效果，實現手勢識別遙控選曲、手勢控制即興演奏等設計要求，機器人使用了ROS（機器人操作系統）實現了多種異質硬件的整合。經過測試，機器人運行穩定，自動演奏節奏準確，即興演奏響應迅速。

【關鍵詞】機器人；ROS；手勢識別；龍鼓；樹莓派；愛迪生平臺

中圖分類號： TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著計算機技術、自動控制技術的不斷發展，物聯網技術、機器人技術的逐漸興起，機器人的應用已經不局限于工業領域，而是逐漸進入了人們生活的方方面面。如送餐機器人、掃地機器人等。

音樂機器人屬于表演機器人的一種。通常，一種音樂機器人有兩種不同的設計重點：一種使用音樂播放設備，注重與人的互動；一種直接演奏真實的樂器，注重真實的音效。此類機器人根據樂器的不同，主要有弦樂機器人、管樂機器人、鍵盤類機器人和打擊樂機器人。其中打擊樂機器人往往由多條機械臂組成，演奏時動作敏捷，節奏感極強，視覺和聽覺效果較好。樂器演奏機器人以其真實的演奏音效和機械動作帶來的美感，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、機器視覺等領域的迅速發展，手勢識別也理所當然成為了新一代的人機交互方式。

ROS（Robot Operating System）“機器人操作系統”是一種機器人軟件框架，它能夠在異質的計算機集群提供類似操作系統的功能。在機器人中，可以實現不同平臺間的信息互聯。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備，組成機器人。

本文嘗試基于ROS框架，整合樹莓派、普通PC、單片機、手勢傳感器、舵機等異質硬件，設計和實現了一種鼓樂機器人。機器人使用6個2自由度機械臂同時使用3個龍鼓實現鼓樂的演奏。使用手勢識別的方式實現人對機器人的控制。

1 總體方案和功能分析

本文的鼓樂演奏機器人設計，有三個主要組成部分：機械結構設計、系統硬件設計和軟件設計。機械結構設計主要針對支架和機械臂的執行機構設計；軟硬件部分用于實現機械臂控制、網絡連接和手勢識別等功能。

在樂器演奏機器人的設計中，由于機器人所使用樂器的特殊性，往往不能直接使用樂譜，而需要根據將對樂譜進行改編，轉換成控制指令，保存為文本。演奏時，由上位機將選定曲目的控制指令組發給下位機，再由下位機控制機械臂完成演奏。

本鼓樂機器人的結構如下圖所示：

2 機械結構設計

本鼓樂機器為了追求更好的龍鼓演奏效果，使用3個龍鼓作為演奏樂器，每個龍鼓由2個個配有鼓槌機械臂錘擊，整個機器人共6個機械臂。因為在龍鼓演奏中，往往通過敲擊鼓的不同位置，實現不同的聲音效果，因此每個機械臂設置了兩個自由度，可以靈活的選擇敲擊龍鼓的不同部位，每個自由度由大扭力舵機驅動。六條機械臂通過三腳架支撐，手臂根部均統一連接到支架頂端的圓形底座上，每個機械臂的根部按間隔60°等間距安裝，使用時通常以2個手臂為一組進行演奏。

3 系統硬件設計

根據本機器人的需求，由于人類的聽覺器官對于音樂的節奏時差非常敏感，因此演奏音樂的（下轉第69頁）（上接第91頁）時間控制較為嚴格。本機器人在舵機控制部分使用STM32單片機，以保證控制的實時性。單片機由于其性能、軟件支持等問題，對于手勢識別等功能難以直接支持。因此本機器人由的單片機作為下位機，使用串口與樹莓派相連。樹莓派作為上位機，負責實現較為復雜的手勢交互、Wi-Fi等功能。手勢交互控制器使用愛迪生平臺和手勢傳感器（leap motion）組成。

4 軟件設計

按照本機器人的硬件設計，會發現機器人的硬件種類比較多，需要整合多種異質硬件。ROS十分適合用于整合不同硬件。由于樹莓派和愛迪生平臺都是Linux系統，因此都可以安裝ROS。ROS系統通過節點（Node）實現各種功能，通過主題（Topic）和消息（Message）實現節點間的通訊。只要進行簡單的設置，即可以實現網絡通訊，通訊的細節被ROS封裝。ROS節點圖如下：

其中sender節點直接由ROS提供，它使用基于leap motion傳感器的官方SDK，雖然進行了簡化，智能提供一個手掌的數據，但對于本機器已經足夠。gesture節點通過訂閱話題，獲得sender節點發出的手指關節坐標和手掌法線坐標，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

本文闡述了鼓樂機器人的總體方案和功能、機械結構設計、硬件設計和軟件設計。該設計基于ROS框架完成，具有開發周期較短、整合差異性硬件能力強等特點。該機器人使用真實的龍鼓進行鼓樂演奏，音效真實。使用了手勢識別作為接收用戶的控制指令，并可以遠程控制，實現自動演奏和即興演奏。經過測試，該鼓樂機器人演奏效果真實，手勢識別操作較為靈敏，滿足了設計要求。

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