基于STM32的智能皮影戲設備

王懿品 楊斌 耿 方建華 任宇 戚本正

摘 要：文中針對非物質文化遺產—皮影戲如何融入新時代、如何傳承和保護的問題，設計了一套智能皮影戲設備。該設備硬件部分由三支基于STM32的六自由度機械臂及亞克力外殼組成，軟件部分利用PC端上位機實現與智能皮影戲設備的連接，再配合聲、光實現對皮影戲的還原、記錄和保護。首先，使用者利用PC端上位機將每支機械臂的6個舵機根據需要調整出不同角度，并將不同角度自由組合，設計出皮影戲人物的分解動作，將每一場皮影戲需要的動作編成一個動作組，點擊運行即可完成表演。實驗及調研結果表明，本設備可結合聲、光、電完成對皮影戲表演的高度還原，執行過程較為簡單，且系統性能穩定，皮影戲錄入設備使用方便，受到傳承人及大眾的一致好評。

關鍵詞：智能皮影戲設備;STM32;上位機;機械臂;非物質文化遺產;皮影戲

中圖分類號：TP242;TP368文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

隨著科學技術的飛速發展，越來越多的青年人更關注著事物的娛樂價值，而非物質文化遺產。皮影戲因傳承人減少、趣味度低等原因正瀕臨消失[1-2]。

智能設備是當下的熱門產品，也是萬物互聯時代廣大群眾關注的重點，尤其體現在人們生活水平日益提高，消費重點由柴米油鹽、日常起居轉移到如何提高生活質量上。據調查，市場上少有專為非物質文化遺產設計的智能設備，智能設備與傳統文化相結合是非遺保護的必然趨勢[3-4]。

文中設計的基于STM32的智能皮影戲設備是迎合現代社會發展潮流，將傳統非物質文化遺產與電子技術、物聯網技術、軟件開發、機械構造、人機交互等多種技術相結合，用以記錄、傳承和發揚非物質文化遺產—皮影戲的一種智能設備。該設備在硬件方面做到對皮影戲進行高度還原，也可以通過上位機操控，讓更多人親自體會皮影戲創作的樂趣。

1 系統整體設計

系統整體設計如圖1所示。該設備選用STM32單片機作為核心處理器，其每一支機械臂均基于STM32單片機設計，當設備接入電源后，所有舵機復位到指定角度。將皮影的三根挑桿分別固定在機械臂首端特殊設計的卡槽內，通過串口通信與PC端連接、通過藍牙與移動端連接。通過上位機改變每支機械臂6個舵機的角度，三支機械臂每一幀共同的動作構成一個動作組，通過使用者編碼的不同動作組完成皮影戲表演。

2 機械結構設計

本設備內部由三支六自由度的機械臂、皮影箱（63 cm×63 cm×78 cm）、幕布（78 cm×63 cm）、藍牙播放器及一套LED照明裝置構成，設備模型如圖2所示。

控制皮影的3支六自由度機械臂使其在二維平面及三維空間內靈活、自由的活動，3支機械臂配合，使皮影人物擺出操作者想要表現的姿勢。每個機械手的6個自由度分別為肩關節的旋轉和彎曲擺，大臂的彎曲擺，小臂的彎曲擺，手腕和手握的旋轉。

機械手的底座固定，連接到底座的肩部可以360°旋轉，連接到肩部的手臂可以90°擺動，手腕可以旋轉180°或擺動90°，爪子末端可以-90°擺動，爪子部分通過一對齒輪旋轉。通過爪子的打開和關閉可以實現夾緊操作。

機械臂的驅動方式為電機驅動，響應速度快，且均為180°電機，便于控制。3個機械臂V字型固定在皮影箱內，使得機械臂上固定的皮影可在幕布上自由活動而不受前后距離的影響。

皮影箱中央為LED照明裝置，可高度還原皮影戲真實表演時的燈光狀態，使幕布前盡可能呈現出最真實的皮影戲表演，藍牙播放器為皮影戲表演播放音樂。

3 系統硬件設計

本設備以STM32F103系列芯片為控制核心，該單片機具有高性能、低成本、低功耗的優點，芯片為3.3 V供電。

該單片機共有64個引腳，可以保證機械臂正常運行;有128 KB的閃存存儲器，能夠在單片機中下載230種不同類型的動作組文件?？刂瓢宓恼９ぷ麟妷悍秶鸀?.4～8.4 V，低于6.4 V時蜂鳴器會發出低壓報警信號，提醒使用者及時充電。CH340實現了USB轉串口與PC端的串口操作。USB接口用于下載程序、動作組及調試機械臂，只需連接電腦打開上位機即可，為調試提供了極大便利。同時也可以通過藍牙連接手機（下載配套APP），操控機械臂正常運行動作組文件。在控制板上，預留了3.3 V，5 V端口，控制板可為外接設備提供電源[4-7]。系統主要電路如圖3所示。

4 系統軟件設計

4.1 系統軟件流程介紹

皮影表演方式：當選擇圖形界面操作時，可通過拖動圖像界面皮影的各部位按照規定方向進行表演，或通過圖像的參數變化，將參數傳遞給舵機進行表演。軟件使用流程如圖4所示。

當選擇使用舵機表演時，可以選擇導入已有動作，或手動改變舵機參數控制舵機進行皮影表演。

從FLASH中對應位置讀出動作數據，然后調用ServoSetPluseAndTime函數實現動作運行。這中間還添加有判斷數據，用以判斷操作是否被正確處理，防止數據出錯后的錯誤動作。為能夠執行一個完整的動作組，就需要讓程序在執行一個動作后延時該動作的執行時間，當超過執行時間后，則認為該動作執行完畢，開始執行新的動作（函數檢查動作組運行標志為真則執行動作組，否則不執行）。

SystemTickCount是程序開始運行到此刻所經過的時間（ms）。當下時間加上動作運行的時間即為動作運行完成的全過程時間。當到達該時間時，則認為動作運行完成或動作組運行完畢。

4.2 系統軟件實測

通過鼠標或移動端觸摸屏拖動皮影的關節控制皮影進行動作表演。皮影身上共有6個固定點，對應皮影的6個可動部位，ID1～ID6分別對應皮影的右小臂、右大臂、左小臂、左大臂、左腿、右腿。軟件界面如圖5所示。

每當皮影的部位發生變化后，ID都會從起始點更改為終止點，可通過改變ID的數值進行皮影表演。

皮影每個部分對應不同的按鈕，通過不同的串口連接機械臂進行控制。記錄皮影不同部位改變時的各部位坐標點，實時調用函數，將參數傳遞給不同機械臂的舵機，實現圖像界面皮影控制。

根據上位機的ID順序給機械臂的每個舵機標注ID，通過調節舵機位置范圍來控制舵機和機械臂運動。軟件設置包括在線運行功能、循環運行功能等。

當編輯好皮影的表演動作后，可以將動作文件保存到上位機，或者從上位機導入已編輯好的動作進行在線表演。

5 系統實測運行

將設備接通電源后，各機械臂復位到指定位置，打開在上位機中提前編輯好的動作組，點擊運行，經多次測試，設備可以按照動作組的設置進行皮影戲表演，配合實錄的正宗皮影戲唱腔和暖黃色燈光，高度還原了傳統的皮影戲表演，實現了皮影戲記錄和保護的目的。設備實物如圖6所示。

6 結 語

本系統設計并實現了一個基于STM32的智能皮影戲設備。該設備可以還原、記錄、傳承、保護非物質文化遺產—皮影戲。經實地調研及多方考察，該設備能夠為傳統的皮影戲藝人提供與時代背景相符的保護和記錄方法，將非物質文化遺產的保護落在實處。通過借力大數據、云平臺、人工智能等技術，非物質文化遺產的保護形式將更加豐富。

注：本文通訊作者為楊斌。

參考文獻

[1]楊明驍.中國皮影戲的現狀與發展途徑[D].上海：上海師范大學，2017.

[2]崔笑.關中皮影戲的文化傳承研究[D].西安：西安文理學院，2013.

[3]施雨岑，吳晶，胡浩.文明之光照亮復興之路：以習近平同志為核心的黨中央關心文化和自然遺產保護工作紀實[EB/OL]. [2019-06-09]. www.xinhuanet.com/politics/leaders/2019-06/09/c_1124599401.htm.

[4]隋笑飛，吳晶晶，周瑋.留住歷史根脈傳承中華文明：習近平總書記關心歷史文物保護工作紀實[EB/OL].[2015-01-09]. www.xinhuanet.com/politics/2015-01/09/c_1113939176.htm.

[5]周江.STM32單片機原理及硬件電路設計研究[J].數字技術與應用，2015，33（11）：1.

[6] YANG L M. CHEN Reduced DOF modular robot configurations [C]//IEEE.International Conference on Control，Automation，Robotics and Vision.Singapore：IEEE，1998.

[7]崔小玲，侯思祖，張璇，等.基于STM32的智能終端的設計與實現[J].電力系統通信，2012，36（5）：76-79.

[8]黃曉運，田學友，楊濤，等.基于STM32的智能服務型多功能多足機器人[J].中小企業管理與科技，2018，27（7）：143-144.

[9]程欣宇.基于STM32單片機皮影戲機器人的設計與實現[J].數碼世界，2016，27（1）：32.

[10]李穎卓，梅志輝.基于STM32單片機皮影戲機器人的設計與實現[J].信息技術與信息化，2015，40（9）：179-180.