基于數(shù)控技術(shù)的電子琴演奏機(jī)械手研究

吳 兵，吳翠茹，王振坤，李 屹

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng)，550003）

隨著現(xiàn)代人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器科學(xué)的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用已從機(jī)械制造領(lǐng)域向以家庭、娛樂(lè)和教育為代表的服務(wù)機(jī)器人方向擴(kuò)展。其中，娛樂(lè)機(jī)械手近年來(lái)發(fā)展很快，已經(jīng)有演奏多種樂(lè)器的演奏機(jī)械手出現(xiàn)[1～4]。為激發(fā)本科生參與科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神及實(shí)踐動(dòng)手能力，本文依托國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，研究設(shè)計(jì)了一套電子琴演奏的機(jī)械手，在數(shù)控技術(shù)的控制下模仿人手，再現(xiàn)敲擊鍵盤(pán)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)演奏樂(lè)曲的目的。

1 電子琴演奏機(jī)械手的要求

電子琴是一種鍵盤(pán)樂(lè)器，琴聲音豐富、優(yōu)美，有變音裝置，能發(fā)出多種不同的音色。演奏時(shí)，按下鍵盤(pán)的一只鍵，就等于接通一只開(kāi)關(guān)，只允許某一種頻率的信號(hào)通過(guò)到放大器里去，揚(yáng)聲器就發(fā)出一個(gè)音來(lái)。演奏者按照一定的演奏規(guī)律來(lái)按鍵，就能奏出美妙的音樂(lè)。

要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)演奏，就要模仿人手敲擊鍵盤(pán)的動(dòng)作，這要求機(jī)械手具有兩個(gè)主要的動(dòng)作：移動(dòng)和按下。其實(shí)施的難點(diǎn)，在于如何準(zhǔn)確定位，并符合樂(lè)曲中的音節(jié)對(duì)時(shí)間的嚴(yán)格要求。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從從仿生角度，考慮美觀因素，盡量使機(jī)構(gòu)有類(lèi)似演奏者手部運(yùn)動(dòng)的特征。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求并考慮機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、美觀等因素，該電子琴演奏機(jī)械手由機(jī)械部分、控制部分、樂(lè)曲程序和電子琴等四大部分組成。其中電子琴采用市場(chǎng)上很容易買(mǎi)到的簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)樂(lè)器，系統(tǒng)的其他三部分是相互關(guān)聯(lián)的。

2 機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

2.1 運(yùn)動(dòng)形式的選擇

手臂運(yùn)動(dòng)按運(yùn)動(dòng)方式，可以分為直角坐標(biāo)型和圓柱坐標(biāo)型[5]。

直角坐標(biāo)型具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，可使手部產(chǎn)生兩個(gè)相互獨(dú)立的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)（按三維空間坐標(biāo)系，下同）X、Z。其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，軌跡求解容易，控制簡(jiǎn)單等。缺點(diǎn)是不符合人體運(yùn)動(dòng)特征，所占的空間尺寸較大，工作范圍較小，操作靈活性較差，運(yùn)動(dòng)速度較低，無(wú)法按手形特征美化。

圓柱坐標(biāo)型具有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圓柱坐標(biāo)型手臂運(yùn)動(dòng)形式，有以下2套方案：

（1）方案Ⅰ（C，Z）。將演奏手臂安裝在一個(gè)沿Z軸垂直運(yùn)動(dòng)的立柱上，同時(shí)配合可以繞Z軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)演奏手指的彈琴動(dòng)作。這種方案可以簡(jiǎn)單、直觀的體現(xiàn)手指的快速定位，但由于Z軸方向的電機(jī)需要垂直安裝，對(duì)自鎖要求高，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）方案Ⅱ（C，Y）。通過(guò)設(shè)計(jì)一套類(lèi)似人體手臂的連桿機(jī)構(gòu)，將水平放置的絲杠螺母副傳遞來(lái)的水平運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為手指的垂直運(yùn)動(dòng)，完成演奏的動(dòng)作。而手指的定位，通過(guò)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)縮短定位路徑，提高定位速度。這種通過(guò)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿Y軸的垂直直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)手指的動(dòng)作，不需在手部和轉(zhuǎn)臺(tái)之間增加支撐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所占空間尺寸較小，只需轉(zhuǎn)動(dòng)較小的角度即可獲得較大工作范圍，手部可獲得較高的速度。雖然手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn)，其切向線(xiàn)位移分辨精度愈低，但是對(duì)于本課題該定位精度是完全足夠了。

考慮到本設(shè)計(jì)中的操作機(jī)構(gòu)重點(diǎn)，是要實(shí)現(xiàn)快速連貫的樂(lè)曲演奏動(dòng)作，因此對(duì)手部的運(yùn)動(dòng)速度有較高要求。另外，為滿(mǎn)足美學(xué)的要求，機(jī)械手應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧的特點(diǎn)。綜合以上考慮，確定了最終方案為圓柱坐標(biāo)型的方案Ⅱ，即手部坐標(biāo)為（C，Y）。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

本設(shè)計(jì)中，手臂形執(zhí)行機(jī)構(gòu)為空間開(kāi)鏈?zhǔn)竭B桿機(jī)構(gòu)。從仿生角度和便于驅(qū)動(dòng)的方面考慮，其關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副型式參照了人體手臂的運(yùn)動(dòng)模式，采用了轉(zhuǎn)動(dòng)式關(guān)節(jié)和移動(dòng)式關(guān)節(jié)[6]，使得操作機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為2。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，本執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一套能夠進(jìn)行二個(gè)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)（C、Y）的機(jī)構(gòu)。

（1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中的C軸運(yùn)動(dòng)，是需要讓整個(gè)演奏部分繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這是依靠一個(gè)精密的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)等組成，在其快速運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)有較大的機(jī)械噪音，影響演奏效果，因此在調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)需要來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)機(jī)構(gòu)的定位要求，適當(dāng)降低旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)增加演奏機(jī)構(gòu)和琴之間的距離，以減小轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

（2）擊鍵機(jī)構(gòu)。演奏機(jī)構(gòu)中手指的演奏動(dòng)作，主要是沿垂直方向的移動(dòng)，這是通過(guò)一套利用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副帶動(dòng)的手指機(jī)構(gòu)沿Y軸水平移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母沿絲杠作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)（Y軸方向）。整個(gè)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一套連桿機(jī)構(gòu)，可以將螺母的水平移動(dòng)，轉(zhuǎn)換成手指的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的演奏功能（如圖1所示）。為了增加這個(gè)機(jī)構(gòu)的安全性，在手指機(jī)構(gòu)中加入了緩沖裝置，避免琴在調(diào)試過(guò)程中受到?jīng)_擊而損壞。手指機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用了多關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，具有空間尺寸小、工作范圍較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、噪音小、運(yùn)動(dòng)輕便等特點(diǎn)。

圖1 手指結(jié)構(gòu)

圖2 連接架

另外，由于直線(xiàn)工作臺(tái)是放置在回轉(zhuǎn)臺(tái)上的，為保證聯(lián)接可靠并避免回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和直線(xiàn)工作臺(tái)相互干涉，兩個(gè)工作臺(tái)連接設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的連接架，分別在連接架的兩面，加工相應(yīng)的孔與回轉(zhuǎn)臺(tái)和工作臺(tái)聯(lián)結(jié)。連接架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2。

3 控制部分設(shè)計(jì)

在演奏中，要求回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到待擊鍵位置，采用合適的擊鍵速度和力度擊鍵，然后根據(jù)樂(lè)曲的節(jié)奏要求，迅速定位到下一演奏位置。其中，模仿人手實(shí)現(xiàn)擊鍵動(dòng)作是基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)恰到好處的擊鍵力度和速度，是表現(xiàn)演奏效果的關(guān)鍵。

機(jī)械裝置的控制部分，采用較為簡(jiǎn)單的兩軸數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)只有兩個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)，因此需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造。具體改造如下：

（1）其中X軸運(yùn)動(dòng)控制，轉(zhuǎn)接為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)控制，即X=C。

（2）直線(xiàn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，連接原系統(tǒng)的Z軸控制，即Z=Y。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)組成

3.1 調(diào)試

為確保手指機(jī)構(gòu)的定位精度，需要針對(duì)演奏的樂(lè)曲編制程序，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果對(duì)程序及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行相應(yīng)的修改和調(diào)試，以達(dá)到準(zhǔn)確優(yōu)美演奏的目的。

3.2 編程

確定工件坐標(biāo)原點(diǎn)，并將機(jī)械手手指的初始位置，定于工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。根據(jù)樂(lè)曲音律，編寫(xiě)符合演奏要求的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)控程序。

編程示例：

將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，定位在音符4和5的邊界線(xiàn)上，則設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以在如下的數(shù)控程序段控制下，完成上段樂(lè)曲的演奏（該樂(lè)曲節(jié)選自《小星星》。）

N005 G54 G90 ；定義工件坐標(biāo)系

N010 G00 X20 Z-7.3 ；將手指定位到音符1上方

教師既是“經(jīng)師”，又是“人師”。教書(shū)和育人是一個(gè)無(wú)法分開(kāi)的整體，育人滲透在教學(xué)中，是教學(xué)不可或缺的組成部分，育人效果的好壞直接決定著教學(xué)質(zhì)量的高低。通過(guò)教學(xué)，教師既要幫助學(xué)生掌握知識(shí)，形成技能，發(fā)展能力，又要幫助學(xué)生養(yǎng)成遠(yuǎn)大的理想追求，形成正確的人生態(tài)度，樂(lè)觀的情感體驗(yàn)，寬廣的人文情懷，堅(jiān)韌的意志品質(zhì)，精益求精的敬業(yè)精神。美國(guó)心理學(xué)家林格倫指出：“教師的教育效果取決于師生交往的質(zhì)量。”[2]要改變高等學(xué)校師生關(guān)系日漸疏遠(yuǎn)的現(xiàn)狀，教師要深入學(xué)生之中，親近學(xué)生，了解學(xué)生，與生為友，以理服生，以情動(dòng)生，以身示生，真正成為學(xué)生的人生導(dǎo)師。

N011 G01 X30 F1000 ；手指按下音符1

N015 G00 X20 ；手指回到音符1上方

N020 G01 X30 ；手指按下音符1

N025 G00 X20 Z1 ；手指定位到音符5

N030 G01 X30 ；手指按下音符5

N035 G00 X20 ；手指回到音符5上方

N040 G01 X30 ；手指按下音符5

N045 G00 X20 Z3 ；手指定位到音符6上方

N050 G01 X30 ；手指按下音符6

N055 G00 X20 ；手指回到音符6上方

N055 G01 X30 ；手指按下音符6

N060 G00 X20 Z1 ；手指定位到音符5上方

N065 G01 X30 ；手指按下音符5

N070 G04 P2000 ；手指保持按下音符5的狀態(tài)2s

N075 M02 ；程序結(jié)束

3.3 修改

在編程調(diào)試過(guò)程中，存在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度較慢，導(dǎo)致樂(lè)曲彈奏不連貫的問(wèn)題，我們采用了以下解決辦法：

（1）運(yùn)動(dòng)修改。在不發(fā)生干涉的前提下，采取回轉(zhuǎn)臺(tái)與手臂聯(lián)動(dòng)縮短空行程時(shí)間：即回轉(zhuǎn)臺(tái)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手臂Y軸方向的移動(dòng)同時(shí)完成。該聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)由數(shù)控系統(tǒng)的控制特點(diǎn)來(lái)完成。

（2）機(jī)構(gòu)修改。適當(dāng)增加手臂的長(zhǎng)度，可使回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度減小，從而減少運(yùn)行時(shí)間，提高樂(lè)曲演奏的連貫性。

3.4 擴(kuò)展

經(jīng)調(diào)試，本項(xiàng)目將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于電子琴的單指演奏是切實(shí)可行的。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，增加相應(yīng)的手指運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)多音彈奏，演奏較為復(fù)雜的樂(lè)曲。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于電子琴的樂(lè)曲演奏是可行的。雖然目前機(jī)械手的演奏還無(wú)法和真人演奏的復(fù)雜藝術(shù)手法相比，但已為將來(lái)數(shù)控技術(shù)在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，提供了實(shí)踐的實(shí)例。

[1]張博玲，徐崇庶.薩克斯管和小號(hào)的自動(dòng)演奏機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,1998，(02)：7-8.

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