專利名稱：一種仿人形結構的木琴演奏機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種仿人形結構的木琴演奏機器人，屬于鍵盤類樂器演奏機器人領域。
背景技術：
由于現代人工智能、計算機科學、傳感器科學的長足進步，機器人也不僅僅局限于可編程操作的簡單化執行，機器人的研究和應用步入更深層次，尤其是機器人智能化更引人關注。機器人的設計也不僅僅限制在工業環境的需求設計中，而向人類生活的各個領域擴展，出現了如娛樂、導游等各種不同的機器人。音樂機器人屬于娛樂類特種機器人，大致可分為以下三種管樂演奏機器人，如薩克斯管演奏機器人、小號演奏機器人等；弦樂演奏機器人，如小提琴演奏機器人、三弦琴演奏機器人等；鍵盤樂器演奏機器人，如鋼琴演奏機器人、木琴演奏機器人等。現階段，鍵盤樂器演奏機器人主要有兩類，第一類是日本早稻田大學曾經研制過的鋼琴演奏機器人，它共有88臺擊鍵器和兩臺踏板驅動裝置，每臺都有一套伺服系統。整個控制系統分為上位、中位、下位3層。上位電腦對整套裝置和兩臺中位電腦進行綜合管理，進行樂曲數據的編輯和由樂曲數據生成驅動波形；中位電腦有兩臺，一臺是把驅動波形參數送至下位電腦，另一臺在擊鍵時取得擊鍵裝置的驅動波形、變位以及鍵與鍵錘的變位數據之后，生成驅動波形的必要參數；下位電腦群由90臺電腦組成，每臺電腦與一套伺服系統相連，把由中位電腦送來的驅動波形參數變成波形信號送給伺服系統。這類機器人采用一對一伺服系統，存在機械裝置多、控制系統復雜、成本高等缺點，大大的限制了其發展空間。第二類比較有代表性的是日本研制的木琴演奏機器人，該機器人由一臺電腦控制，電腦輸出的信號使各演奏器的二個木槌作高速移動，進行演奏。這時的主要動作是木槌的位置控制和擊鍵動作，木槌的移動系統是用直流電機的位置伺服系統，按電腦給出的目標值變換木槌位置，擊鍵動作是用小型直流電機通過脈沖驅動實現。機器人的本體是把放置木槌的臺車夾在兩個獨立的支架之間，中間部分放置木琴，直流電機通過滑輪用鋼絲牽引臺車，臺車位置用與滑輪同軸的接觸型電位器檢測，臺車上的木槌通過齒輪箱與直流電機相連，電機轉動則木槌敲擊鍵盤。演奏時，臺車伺服機構根據電腦發出的音階數據驅動臺車使木槌移到相應的琴鍵位置，木槌根據電腦發出的擊鍵強弱指令敲擊鍵盤，擊鍵的強弱是根據電腦指令產生長度不同的兩種單拍脈沖，放大之后，加到小型直流電機上，使之由于通電時間不同而造成擊鍵的強弱不同。這類機器人影響演奏效果的因素比較多，比如臺車運動的快速性和穩定性，并且存在臺車的靈活性差、成本高的缺點。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種仿人形結構的木琴演奏機器人，使它能夠以低成本、高靈活性地進行木琴樂器的演奏。
本發明解決技術問題所采用的方案如下一種仿人形結構的木琴演奏機器人，用于模仿人關節部位活動進行木琴樂器演奏，該機器人由機器人本體和控制器兩部分構成，其中，機器人本體包含一底座、一軀干、左右肩部、左右上臂、左右下臂、左右手、左右鼓槌、左肘部伺服舵機、左肩部伺服舵機、軀干伺服舵機、右肘部伺服舵機、右肩部伺服舵機， 其中，軀干通過軀干伺服舵機連接在底座上，左右上臂分別通過左右肩部伺服舵機連接在左右肩部上，左右下臂分別通過左右肘部伺服舵機連接在左右上臂上，各路伺服舵機分別用于模仿人相應部位的活動關節；左右手分別固定在左右下臂上，左右鼓槌分別固定在左右手上；控制器包含主控單元、電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊、顯示模塊、交互模塊和舵機驅動模塊；電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊可以與主控單元形成一體， 也可以獨立存在并與主控單元相連；顯示模塊和交互模塊與主控單元相連，兩模塊可以是一體的，如觸摸屏，也可以是分離的，如顯示器加鍵盤方式；舵機驅動模塊與主控單元相連， 同時分別與軀干舵機、左右肩部舵機、左右肘部舵機相連；主控單元可以是單片機或其它具有高級運算功能的控制器；演奏時，樂譜經過翻譯轉換成包含控制各個舵機協調運動的指令序列的控制文件，控制文件上傳并存儲在控制器的存儲模塊中；樂譜翻譯需要結合機器人本體部件與音符對應的木琴琴鍵的位置進行。上述仿人形結構的木琴演奏機器人中的所述軀干伺服舵機可驅動軀干水平方向旋轉，所述左右肩部伺服舵機可分別驅動左右上臂水平方向旋轉，所述左右肘部伺服舵機可分別驅動左右下臂垂直方向旋轉。上述仿人形結構的木琴演奏機器人方案中所述的樂譜翻譯過程如下步驟一根據樂譜音符和木琴琴鍵具體位置判定當前音符所對應的琴鍵是否超出左右手擊打的極限位置，若超出極限位置，則執行步驟二 ；若未超出極限位置，直接執行步驟。步驟二 計算軀干伺服舵機轉角，使音符所對應的琴鍵位于左手(或右手)可擊打的范圍內。步驟三按照音符所對應琴鍵最近的原則判定是由左手或右手來實現擊打根據音符所對應的琴鍵的位置計算左肩部或右肩部伺服舵機水平轉動角度(擊打位置)；根據音的強弱確定肘部伺服舵機的延遲、轉速及轉動角度(擊打力度)。步驟四根據步驟二計算得到的軀干舵機轉角控制參數、步驟三計算得到的左肩部或右肩部舵機轉動角度控制參數、以及左肘部或右肘部舵機的延遲、轉速和轉動角度控制參數生成控制相應舵機運動(擊打給定音符對應琴鍵)的復合控制指令。步驟五，重復上述步驟一至步驟四，直到整個樂譜翻譯完成，形成樂譜的演奏控制文件。上述仿人形結構的木琴演奏機器人方案中，樂譜通過人工或使用翻譯軟件轉換成包含驅動軀干舵機、肩部舵機和肘部伺服舵機運動的復合控制指令序列的控制文件，通過通信接口傳送到控制器上，并儲存在存儲單元中；用戶可以通過顯示模塊查看當前存儲的樂曲，并通過交互模塊選擇曲目；再由主控單元把所選中曲目的控制文件中的復合控制指令信號經由舵機驅動模塊逐條發送到相應舵機上，驅動各舵機協調運動，形成對相應琴鍵的擊打，實現樂器的演奏。上述仿人形結構的木琴演奏機器人方案中，左右上臂可以在左右肩部伺服舵機的帶動下實現水平方向上的移動，來調整左右鼓槌的擊打位置；左右下臂可以分別在左右肘部伺服舵機的帶動下實現垂直方向上的擊打動作；鼓槌擊打的力度和頻率則取決于控制肘部伺服舵機延遲、轉速及轉角參數的組合。多個伺服舵機控制指令、以及多個伺服舵機控制參數的組合也叫復合控制指令， 其格式如下“#”+舵機號(由舵機與驅動模塊連接的位置所決定)+ “P”+舵機轉動的角度+ “T” +完成該動作所花的時間。如“#5ρ1700Τ300”:代表第五號舵機，用300毫秒轉動到1700(角度步進當量)的位置。一般地，假設舵機轉動范圍是500-2500，標定的初始位置是1000(即0位)，如果大于1000的轉角值是順時針轉動的話，則小于1000的轉角值就是逆時針轉動。復合控制指令可以是多個舵機控制參數和執行時間命令的組合，例如#5pl70 0#0p560#4p2280#2pl500#10pl470T200。與現有技術相比，本發明采用仿人形結構，使用多路伺服舵機驅動器來模仿人關節部位活動，實現鼓槌的敲打，具有結構簡單和高靈活性的特點；本發明需要驅動的元件數目少，因而重量和能耗降低；并且本發明使用的機械裝置少，因此大大的節約了成本。
圖1為仿人形結構的木琴演奏機器人的結構原理示意圖；圖中1-底座，2-軀干伺服舵機，3-右鼓槌，4-右手，5-右下臂，6-右肘部伺服舵機，7-右上臂，8-右肩部伺服舵機，9-右肩部，10-左肩部，11-左肩部伺服舵機，12-左上臂，13-左肘部伺服舵機，14-左下臂，15-左手，16-左鼓槌，17-軀干。圖2為仿人形結構的木琴演奏機器人的工作流程原理示意圖；為方便說明，把舵機驅動模塊畫到了控制器外。圖3為仿人形結構的木琴演奏機器人的樂譜翻譯過程示意圖。圖4為仿人形結構的木琴演奏機器人的控制器構成示意圖；圖中連接各模塊的箭頭表示輸入/輸出的方向，如電源模塊到主控單元的單向箭頭表示電源模塊向主控單元供電，其它部分的雙向箭頭則表示雙向的數據流動；圖中的各個模塊可以是一個獨立的模塊，相連組成控制器，也可是一個集成的整體。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明原理、結構及工作過程作進一步詳細說明。圖1為本發明仿人形結構的木琴演奏機器人的結構原理示意圖，該演奏機器人由機器人本體和控制器組成，其中，機器人本體包含一底座1，用來支撐機器人軀干17 ；—軀干17，連接機器人左右肩部10和9和軀干伺服舵機2 ；左右肩部10和9，連接機器人軀干17和左右肩部伺服舵機 11和8 ；左右上臂12和7，連接左右肩部伺服舵機11和8和左右肘部伺服舵機13和6 ；左右下臂14和5，連接左右肘部伺服舵機13和6和左右手15和4 ；左右手15和4，連接左右下臂14和5和左右鼓槌16和3 ；軀干伺服舵機可帶動軀干做水平方向旋轉；左右肩部伺服舵機可分別帶動左右上臂做水平方向旋轉；左右肘部伺服舵機可分別帶動左右下臂做垂直
6方向旋轉；控制器包含主控單元、電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊、顯示模塊、交互模塊和舵機驅動模塊；通過舵機驅動模塊傳送樂譜經翻譯轉換成的控制文件中的伺服舵機復合控制指令信號到相應的伺服舵機，驅動各路伺服舵機運動；五路伺服舵機左肘部伺服舵機13、左肩部伺服舵機11、軀干伺服舵機2、右肘部伺服舵機6、右肩部伺服舵機8，接收發送的復合控制指令信號，實現模仿人關節部位活動；隨著左右手的運動，帶動左右鼓槌 16和3擊打木琴樂器進行演奏；鼓槌擊打的力度和頻率取決于肘部伺服舵機的轉角、轉速和延遲指令的組合。如圖2所示，本發明仿人形結構的木琴演奏機器人在演奏時，樂譜通過人工或翻譯軟件翻譯成包含復合控制指令的控制文件，經由數據通信接口上傳到主控單元，并儲存在存儲模塊里；由控制器把經由顯示和交互模塊選中的控制文件中的復合控制指令信號經由伺服舵機驅動模塊發送到相應伺服舵機上，驅動伺服舵機運動，形成對木琴樂器的擊打， 其中，左右上臂可以分別在左右肩部伺服舵機的帶動下實現水平方向上的轉動，來調整左右鼓槌的擊打位置；左右下臂可以分別在左右肘部伺服舵機的帶動下實現對相應琴鍵的擊打動作；鼓槌擊打的力度和頻率則取決于肘部伺服舵機延遲、轉速及轉角控制參數的組合。 需要說明的是，圖2中為更清楚地說明機器人演奏工作流程，把舵機驅動模塊畫在了控制器框圖之外。如圖3所示，本發明仿人形結構的木琴演奏機器人的樂譜翻譯過程如下步驟一根據樂譜音符和其所對應的木琴琴鍵的具體位置判定當前琴鍵是否超出左右手擊打的極限位置，若超出極限位置，則執行步驟二 ；若未超出極限位置，直接執行步
馬聚^^ ο步驟二 計算軀干伺服舵機轉角，使音符所對應的琴鍵位于左手(或右手)可擊打的范圍內。步驟三按照音符所對應琴鍵最近的原則判定是由左手或右手來實現擊打根據音符所對應的琴鍵的位置計算左肩部或右肩部伺服舵機水平轉動角度(擊打位置)；根據音的強弱確定肘部伺服舵機的延遲、轉速及轉動角度(擊打力度)。步驟四根據步驟二計算得到的軀干舵機轉角控制參數、步驟三計算得到的左肩部或右肩部舵機轉動角度控制參數、以及左肘部或右肘部舵機的延遲、轉速和轉動角度控制參數生成控制相應舵機運動(擊打給定音符對應琴鍵)的復合控制指令。步驟五，重復上述步驟一至步驟四，直到整個樂譜翻譯完成，形成樂譜的演奏控制文件。樂譜演奏控制文件可通過機器人控制器的通信接口上傳并存儲在控制器里。如圖4所示，本發明仿人形結構的木琴演奏機器人的控制器由主控單元、電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊、顯示模塊、交互模塊和舵機驅動模塊組成，其中，電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊可以與主控單元形成一體，也可以是獨立模塊并與主控單元相連；顯示模塊和交互模塊與主控單元相連，兩模塊可以是一體的，如觸摸屏，也可以是分離的，如顯示器加鍵盤方式；主控單元可以是單片機，也可以是其它具有高級運算功能的控制器；舵機驅動模塊與主控單元相連，同時分別與軀干舵機、左右肩部舵機、左右肘部舵機相連；舵機驅動模塊可以與控制器中的其它模塊集成成為一個整體，也可以獨立存在。
如圖4所示，樂譜演奏控制文件經數據通信接口模塊傳給主控單元，并儲存在存儲模塊里；電源模塊用來為整個控制器和舵機驅動模塊供電；顯示模塊可以顯示存儲模塊里所儲存文件的名字；交互模塊則用來對存儲模塊里的樂曲進行選擇；選中的樂曲的控制文件里的復合控制指令則由主控單元逐條發送到舵機驅動模塊，并由舵機驅動模塊按復合指令中指定的舵機號把相應的控制信號發送給相應的舵機，驅動舵機形成打擊動作。本發明仿人形結構的木琴演奏機器人工作時，首先固定木琴與方人形機器人的相對位置，以使機器人在正常打擊姿態下鼓槌接觸到木琴琴鍵為宜。同時，對各個舵機進行初始化，初始化參數以使演奏機器人處于演奏的預備狀態為準(相當于演奏者的預備姿勢)。然后，執行圖3所示的樂譜翻譯過程。由于是手工翻譯，所以軀干舵機、左右肩部和左右肘部舵機的運動參數需要根據實驗來確定。樂譜中的每個音符通過翻譯被轉換成控制相關舵機產生打擊運動的一條復合控制指令。演奏的打擊力度取決于肘部舵機的轉角、 轉速和時延控制參數。接下來，將包含復合控制指令序列的演奏控制文件上傳到機器人控制器，并存儲之。接下來，通過觸摸屏顯示并選擇要演奏的曲目。然后，由控制器將選中曲目的演奏控制文件中的復合控制指令序列逐條發送到舵機驅動模塊，控制各舵機協調運動產生對相應木琴琴鍵的打擊，實現樂譜的演奏。以上所述只是本發明的一個實例，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種仿人形結構的木琴演奏機器人，用于模仿人關節部位活動進行木琴樂器演奏， 其特征在于，該機器人由機器人本體和控制器組成，其中，機器人本體包含一底座，用來支撐機器人軀干；一軀干，連接機器人左右肩部和軀干伺服舵機；左右肩部，連接機器人軀干和左右肩部伺服舵機；左右上臂，連接左右肩部伺服舵機和左右肘部伺服舵機；左右下臂，連接左右肘部伺服舵機和左右手；左右手，連接左右下臂和左右鼓槌；左右鼓槌，用來擊打木琴樂器進行演奏；控制器包含主控單元、電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊、顯示模塊、交互模塊和舵機驅動模塊，各模塊均與主控單元相連，并且，數據通信接口模塊和存儲模塊用于傳輸和存儲控制文件，顯示模塊用于顯示儲存內容，交互模塊用于進行樂曲選擇，主控單元向舵機驅動模塊發送控制指令，并由舵機驅動模塊控制各路伺服舵機的轉動，實現模仿人關節部位活動；所述控制文件為包含驅動軀干舵機、左肩部舵機、右肩部舵機和左肘部伺服舵機、右肘部舵機運動的復合控制指令序列的文件，該文件采用人工或翻譯軟件將樂譜轉換而成，存儲在控制器上，并通過主控單元把所選中曲目的控制文件中的復合控制指令信號逐條發送到舵機驅動模塊，由舵機驅動模塊控制各路舵機協調運動，模仿人關節活動，形成對相應琴鍵的擊打，實現樂器的演奏。
2.根據權利要求1所述的仿人形結構的木琴演奏機器人，其特征在于，所述軀干伺服舵機用于模仿人腰部活動關節，帶動所述軀干水平方向旋轉；所述左肩部伺服舵機用于模仿人左肩部活動關節，帶動所述左上臂水平方向旋轉；所述右肩部伺服舵機用于模仿人右肩部活動關節，帶動所述右上臂水平方向旋轉；所述左肘部伺服舵機用于模仿人左肘部活動關節，帶動所述左下臂垂直方向旋轉；所述右肘部伺服舵機用于模仿人右肘部活動關節， 帶動所述右下臂垂直方向旋轉。
3.根據權利要求1所述的仿人形結構的木琴演奏機器人，其特征在于，所述的復合控制指令是多路舵機運動控制指令的組合，該復合控制指令按照音符對應的琴鍵和機器人本體尺寸及其相對位置計算完成，其中包含所述軀干舵機、所述左右肩部舵機、所述左右肘部舵機的轉動角度控制參數、轉動速度控制參數和延遲控制參數。
4.根據權利要求1所述的仿人形結構的木琴演奏機器人，其特征在于，通過對所述肘部伺服舵機的延遲、轉速及轉角參數的組合來控制鼓槌擊打的力度和頻率。
5.根據權利要求1所述的仿人形結構的木琴演奏機器人，其特征在于，當音符對應的琴鍵同時處于左手和右手的擊打范圍內時，按照距離最近的原則來確定由左手或右手來擊打。
6.根據權利要求1所述的仿人形結構的木琴演奏機器人，其特征在于，所述控制文件由樂譜轉換生成的過程如下步驟一根據樂譜音符和木琴琴鍵具體位置判定當前音符所對應的琴鍵是否超出左右手擊打的極限位置，若超出極限位置，則執行步驟二；若未超出極限位置，直接執行步驟 ---，步驟二 計算軀干伺服舵機轉角，使音符所對應的琴鍵位于左手(或右手)可擊打的范圍內；步驟三按照音符所對應琴鍵最近的原則判定是由左手或右手來實現擊打根據音符所對應的琴鍵的位置計算左肩部或右肩部伺服舵機水平轉動角度(擊打位置)；根據音的強弱確定肘部伺服舵機的延遲、轉速及轉動角度(擊打力度)；步驟四根據步驟二計算得到的軀干舵機轉角控制參數、步驟三計算得到的左肩部或右肩部舵機轉動角度控制參數、以及左肘部或右肘部舵機的延遲、轉速和轉動角度控制參數生成控制相應舵機運動(擊打給定音符對應琴鍵)的復合控制指令；步驟五，重復上述步驟一至步驟四，直到整個樂譜翻譯完成，形成樂譜的演奏控制文件。
全文摘要
本發明公開了一種仿人形結構的木琴演奏機器人，用于模仿人關節部位活動進行木琴樂器演奏，該演奏機器人由機器人本體和控制器組成，機器人本體由一底座、一軀干、左右肩部、左右上臂、左右下臂、左右手、左右鼓槌、左肘部伺服舵機、左肩部伺服舵機、軀干伺服舵機、右肘部伺服舵機、右肩部伺服舵機組成；控制器由主控單元、電源模塊、數據通信接口模塊、存儲模塊、顯示模塊、交互模塊和舵機驅動模塊組成。本發明于使用時，樂譜通過翻譯轉換成包含直接控制各路伺服舵機運動的復合控制指令序列的演奏控制文件，控制器把復合控制指令信號發給舵機驅動模塊，由伺服驅動模塊控制相應舵機轉動，形成對木琴樂器的擊打。本演奏機器人能夠進行木琴樂器演奏，具有藝術、教育與娛樂活動的應用前景。
文檔編號G05B19/418GK102306017SQ20111014209
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者王晨升 申請人:王晨升