基于樹莓派的自動彈吉他機器人系統設計

摘要：為實現吉他演奏的自動化，文章設計了一種基于樹莓派的自動彈吉他機器人系統。該系統以樹莓派為主控制器，配備了舵機驅動模塊、攝像頭模塊、電源模塊和電機驅動模塊，舵機驅動模塊用于驅動舵機實現弦撥和按壓品位，電機驅動模塊根據吉他譜信息控制步進電機運動，從而實現按壓舵機的軸向移動。設計的自動彈吉他機器人系統具有自動識別吉他譜的功能，為音樂科技領域的發展提供了一種技術解決方案。

關鍵詞：樹莓派；驅動模塊；自動彈吉他；機器人

中圖分類號：TP29文獻標志碼：A

0 引言

在科技不斷發展的背景下，“智能”已深入人們的日常生活中。為了滿足人們日益增長的需求，樂器也需要不斷地進行升級和改變，以更好地融入“智能”時代。目前，樂器演奏仍主要依賴于具備音樂基礎的專業人士，這對很多人而言是巨大的挑戰。隨著機器人相關領域的技術進步與創新成果的應用，音樂機器人的研究與開發取得了重大突破，但也帶來了一系列新的挑戰。音樂作為一種無國界的情感連接方式，能夠觸動人們的心靈，引發共鳴。吉他作為一種深受大眾喜愛的樂器，其豐富的表現力和獨特的音色贏得了眾多音樂愛好者的喜愛。對于許多學習者而言，學習吉他彈奏并非易事，需要投入大量的時間和精力進行練習。為了解決這個問題，學者們一直在尋求科技與音樂的結合方式，最終誕生了自動彈吉他機器人［1］。這一創新不僅簡化了吉他彈奏和學習的過程，還增強了娛樂性質和科學創新的意義。

通過運用先進的人工智能技術，自動彈吉他機器人能夠準確地識別用戶的演奏方式和節奏，然后進行精準地模仿和改進。機器人能夠提供個性化的學習方案，根據學習者的特點和進度進行調整，使學習過程更加高效和有趣。此外，機器人的設計還充分考慮了實用性和耐用性，確保其能夠長時間穩定地工作，為使用者提供持續穩定的演奏體驗。總體而言，自動彈吉他機器人的出現是科技與音樂相結合的產物，其不僅簡化了吉他學習的過程，提高了學習效率，還為音樂愛好者帶來了更多的樂趣和挑戰。這無疑是對傳統音樂教育的一種創新和拓展，預示著音樂教育未來的更多可能性。

1 系統整體設計

自動彈吉他機器人系統以樹莓派為核心，集成了一系列硬件模塊，包括步進電機模塊、舵機驅動模塊、USB攝像頭、顯示屏模塊和LED指示燈模塊等，構成了一個完整的系統，系統結構如圖1所示。主控芯片采用樹莓派，通過USB攝像頭捕獲吉他譜圖像，然后通過圖像識別技術提取吉他譜信息。這些信息被用于控制顯示屏模塊、LED指示燈模塊、電機驅動模塊以及舵機驅動模塊，實現了自動彈奏功能。

2 硬件電路設計

控制系統是機器人中最為關鍵的部分［2］。在硬件系統的選型方面，步進電機驅動模塊采用A4988模塊，并配備42步進電機，舵機模塊選用了PCA9685，顯示屏模塊采用了OLED顯示屏。系統不僅具備自動彈奏功能，其硬件選型還充分考慮了性能和實用性，如OLED顯示屏由于具備自發光的特性，其在應用中具有廣泛的優勢。總體而言，這個系統設計合理，硬件系統基本確定，為接下來的開發工作打下了堅實的基礎。

2.1 步進電機驅動電路

在步進電機驅動電路方面，A4988步進電機驅動模塊由電源電路、電機驅動電路、控制電路和反饋電路組成。作為一個全橋驅動芯片，其通過控制4個MOSFET的導通和關斷來實現對電機的驅動。在需要電機正轉時，A4988會控制2個上橋臂的MOSFET導通，同時關閉2個下橋臂的MOSFET，從而使得電流從A相流入B相，推動電機正轉［3］。此外，A4988還能通過調節脈沖寬度（Pulse Width Modulation，PWM）來控制電機的轉速，A4988的電路如圖2所示。

VBB是A4988模塊的供電引腳，接收電壓范圍為8～35 V的電源。只有使能（ENABLE）端口連接+A4988才能使其正常工作；若VBB接收0，則A4988模塊進入休眠狀態停止工作。通過MS1、MS2和MS3端口接收不同的高低電平設置，系統可以細分控制壓品舵機的位置，從而實現更加精確地控制。

2.2 舵機驅動模塊

PCA9685舵機驅動模塊是一種常用的PWM驅動器芯片，通常用于控制舵機、電機和其他需要精確控制的設備。該芯片可以通過I2C總線與微控制器或單片機通信，以實現對多路PWM信號的生成和控制。PCA9685電路原理如圖3所示，其能夠同時控制最多16路PWM輸出，每路輸出的占空比都可以獨立設置，并且提供了12位分辨率的PWM輸出，實現精細地輸出控制。該芯片內置振蕩器，可產生穩定的25 MHz時鐘信號，無需外部晶振，可以通過配置寄存器設置PWM輸出的頻率。使用標準的I2C串行總線接口與主控設備通信，方便集成到不同微控制器系統中，每路PWM輸出都具有較強的驅動能力，可直接驅動舵機或其他負載。

2.3 OLED顯示模塊

系統使用OLED12864顯示屏來顯示文字信息。OLED12864是一種常見的液晶顯示屏模塊，采用有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）技術顯示圖像，分辨率是128×64像素。大多數OLED12864模塊能夠顯示單色圖像，通常是白色或藍色，也有一些特殊版本能夠顯示雙色或多彩圖像，通過SPI接口或I2C接口與主控通信，工作電壓范圍一般為3.3～5.0 V。由于小巧的尺寸和低功耗特性，OLED12864模塊常用于便攜式設備、工業控制系統和智能家居設備等領域，用于顯示簡單的文本、圖像或狀態信息。

3 軟件設計

3.1 步進電機驅動流程

步進電機驅動模塊的主要作用是控制42步進電機的正反轉和速度，使得壓品舵機停止在預定位置。在該流程中，系統首先要初始化所有步進電機位置，然后發送脈沖指令控制電機轉動并通過反饋電路確認位置和速度。如果位置和速度未達到目標，則發送修正脈沖，直到完成目標［4］。

3.2 PCA9685舵機驅動流程

在PCA9685舵機驅動流程中，系統首先對撥弦舵機和壓品舵機進行初始化，再根據USB攝像頭捕獲的吉他譜數據轉換成相應舵機的控制信號。撥弦舵機和壓品舵機分為置位和復位2種狀態。在等待控制指令的過程中，如果收到來自樹莓派的控制指令，判斷是否需要撥弦及按壓品位，執行相應動作完成演奏［5］。

3.3 OLED顯示流程

OLED模塊的作用是將系統的狀態和工作方式呈現給用戶，讓用戶更直觀地了解自動彈吉他機器人系統的工作狀態。OLED模塊在工作時首先需要進行初始化，當用戶想讓機器人自動彈奏吉他時，只需將樂譜放在攝像頭下并點擊按鈕。此時，OLED屏幕將顯示“樂譜識別中”。當吉他譜識別成功時，屏幕將顯示“識別完成”，并在彈奏時顯示相應的音符。

4 結語

設計的自動彈吉他機器人系統采用樹莓派作為主控制器，結合舵機驅動模塊、步進電機驅動模塊、顯示屏模塊等組件構建而成。系統利用USB攝像頭捕獲吉他譜信息，將其轉換為舵機和步進電機的驅動信號，通過A4988和PCA9685驅動步進電機和舵機，實現自動撥弦和壓品2個動作，通過OLED12864顯示屏和LED指示燈呈現機器的工作狀態和演奏的音符，各模塊協同工作，實現了自動彈吉他的功能。

自動彈吉他機器人的推出為音樂教育和娛樂產業帶來了新的機遇，既可作為一種教學工具幫助學習吉他彈奏，又可作為一種娛樂產品，為人們帶來全新的音樂體驗。自動彈吉他機器人是音樂與科技的結合，隨著技術的不斷發展，其性能將不斷提升，應用場景也將不斷擴展，為人們帶來更多的驚喜和樂趣，加速音樂領域智能化的進程。

參考文獻

［1］郭峰，錢黎明，沈煜，等.吉他演奏機器人的機械結構設計［J］.機械設計與制造，2020（1）：248-250，255.

［2］XU Fumei，XIA Yu，WU Xiaorun. An adaptive control framework based multi-modal information-driven dance composition model for musical robots［J］. Frontiers in Neurorobotics， 2023（17）：1270652.

［3］吳文莉.音樂風格和節拍識別及其在表演機器人上的應用［D］.上海：東華大學，2020.

［4］匡暢，錢奕辰，梁浩明.基于單片機的四足智能機器人設計與實現［J］.無線互聯科技，2022（9）：74-76.

［5］張亮，趙飛躍.基于STM32-PCA9685的四足機器人控制系統設計［J］.南方農機，2020（14）：117-119.

Design of automatic guitar playing robot system based on Raspberry PI

Abstract： In order to realize the automation of guitar playing，this paper designs an automatic guitar playing robot system based on Raspberry PI. The system takes Raspberry PI as the main controller and is equipped with steering gear drive module，camera module，power module and motor drive module. The steering gear drive module is used to drive the steering gear to achieve string picking and press grade. The motor drive module controls the motion of the stepper motor according to the guitar spectrum information，so as to realize the axial movement of the steering gear. The designed automatic guitar playing robot system has the function of automatically identifying guitar spectrum，which provides a technical solution for the development of music science and technology.

Key words： Raspberry PI; drive module; automatic guitar; robot