基于弦樂器自動演奏機器人的控制系統設計

錢黎明　郭峰

【摘 要】本文設計的弦樂器自動演奏機器人，參照仿生學原理，它的執行機構分解為壓弦機構、撥弦機構和消音機構。根據設計要求，選取氣動系統作為撥弦和壓弦機構的驅動裝置，選取步進電機和微型伺服電機（舵機）作為平移機構的驅動裝置。為了驅動這些裝置，設計的電路硬件包含：主控電路、通訊電路、電源管理電路、電機驅動電路等，并設計了與之相對應的程序軟件，最后對系統進行了驗證。

【關鍵詞】演奏機器人；仿生學；壓弦；撥弦；消音

0 前言

近年來，隨著人們生活水平的提高，娛樂機器人成為研究的熱門項目[1]。其中音樂機器人以其較好的展示和互動效果獲得了研究人員的青睞。樂器演奏機器人通過電子控制裝置控制機械結構，達到模擬人類演奏樂器的效果，目前主要有非人形和擬人形兩種形式。這是一項融合機械、計算機、自動化、電子以及音樂藝術的多學科交叉課題[2，3]。

本系統設計時通過分析人類在彈奏時的動作，參照仿生學原理設計演奏機構，完成各演奏機構的運動學、動力學分析，并選擇合適的驅動裝置。

1 系統架構設計

1.1 系統總體設計方案

根據仿生學提出了弦樂自動演奏系統的硬件設計要求，并進行了研究和實現：

①具有相互獨立的撥弦和壓弦機構。

②撥弦機構個數等同于弦樂器弦數，每個機構至少一個自由度，且運作時相互獨立。

③壓弦機構需快速到達發音位置，可采取移動方式（如貝斯）或點陣方式（如吉他）。

④移動方式實現的壓弦機構需至少三個自由度。

⑤壓弦機構需兼顧擊弦要求，能調整擊打力度。

⑥具有快速止震消音機構。

⑦可根據不同樂譜進行演奏。

設計時將撥弦機構固定在貝斯尾部，設計4個撥弦結構，對應貝斯4根弦，驅動方式采用直線氣缸，控制方式采用二位三通電磁閥。壓弦機構采用移動方式，通過步進電機驅動的直線滑軌實現沿琴體方向的橫向移動；通過高速舵機驅動直線滑軌實現垂直琴體方向的移動；通過直線氣缸實現上下動作。底層控制器采用STM32高速單片機實現對電磁閥、舵機、步進電機等執行機構的控制，實現對上位機發送的音符命令解碼。控制系統總體設計方案如圖1所示：

圖1 系統總體設計

1.2 控制器硬件設計

1.2.1 控制器硬件總體設計

弦樂器自動演奏系統的控制器硬件包含主控電路、電源管理電路、限位開關、通訊電路、電磁閥驅動電路、微型伺服電機（舵機）驅動電路、步進電機驅動電路以及狀態指示電路[2]。

1.2.2 主控電路

主控電路選用高性能、高速、低功耗的STM32F103R 8T6單片機為系統核心[3]。主控電路不僅需完成對電磁閥、微型伺服電機（舵機）、步進電機等執行器件的控制和驅動，還要完成不同等級電源的處理和輸入信息（串口數據、限位開關）的處理，同時系統的運行狀態也需要通過指示信息（LED燈、串口數據）反饋給用戶。

1.2.3 電源管理電路

為保證系統正常工作，本控制系統涉及3種不同數值的直流電壓源。其中電磁閥驅動電路和步進電機驅動電路需采用24V電源，由外部穩壓電源直接提供；微型伺服電機（舵機）驅動電路和通訊電路采用5V電源；主控電路及其外圍輸入輸出電路需要直流3.3V電源[4]。

LM2596S -5.0將24V轉成5V，是一款開關型集成穩壓芯片，需在輸出引腳外加電感L1、肖特基二極管D20在輸出關斷的時候實現續流。LM1117-3.3芯片將5V轉成3.3V，是一款低壓降正壓輸出的三端線性穩壓芯片。

1.2.4 電磁閥驅動電路

本設計選用單作用氣缸，對應二位三通電磁閥，需匹配繼電器進行控制。電磁閥型號為3V210-08-NC，繼電器選用型號為HK4100F-DC12V。本設計采用了光耦TLP281-4將主控電路和電磁閥驅動電路進行電氣隔離。U9為繼電器驅動芯片，型號為ULN2803，是一款八路NPN達林頓晶體管陣芯片，輸入電平與TTL標準相兼容，最大允許輸出電壓50V，最大負載電流500mA。

1.2.5 電機驅動電路

根據弦樂器（貝斯）整體設計方案，本設計中需控制4個微型伺服電機（舵機）和一個步進電機。微型伺服電機（舵機）選用型號為S9570SV的高速數字舵機，步進電機選用型號57BYG250B。

電機驅動接口電路包含微型伺服電機（舵機）和步進電機驅動電路，其中采用光耦進行電氣隔離；達林頓管集成芯片進行輸出，其中PWM1-PWM4分別連接4個微型伺服電機（舵機）的信號端，DR、PUL、EN分別連接步進電機驅動器TB6600的方向、脈沖和使能端。

1.3 氣動系統設計

與機械、液壓、電氣相比，氣動技術具有如下特點：易于實現快速的直線往返運動、擺動和高速移動；輸出力、運動速度調節方便，改變運動方向簡單。根據整體設計方案，本設計中使用9個氣缸，需要設計一套氣動系統來支持氣缸的正常工作，如圖3所示。

圖3 氣動系統示意圖

其中空氣壓縮機和氣罐提供氣源，采用了一款型號為JUBA800-30的小型電動空氣壓縮機。選用型號為AFR2000的過濾調壓閥，其濾芯精度為40μm。電磁閥型號為3V210-08-NC，氣缸型號為CJ1B4-10SU4。

1.4 控制器軟件設計

本設計程序包含上位機和下位機兩部分：下位機控制器采用STM32高速單片機實現對電磁閥、舵機、步進電機等執行機構的控制，并實現對上位機發送的音符命令解碼。自動演奏控制系統的程序開發基于STM32庫函數，用戶程序有19個程序，按不同功能劃分為[5]：

（1）7個底層硬件控制類程序，分別對單片機內部資源、串口通訊、外部開關、步進電機、繼電器和舵機等底層硬件進行控制；endprint

（2）5個基本動作類程序，分別實現了消音、擊弦、撥弦、壓弦和壓弦機構橫向位移功能；

（3）4個音效類程序；

（4）2個數據處理子程序；

（5）1個主程序。

2 測試及數據分析

此次測試所選用的樂譜為小星星（C大調），此曲共有24小節，每小節需演奏2個音符，實際演奏24小節，共演奏48個音符，演奏時常為1分23秒。在試驗過程中，撥弦機構共工作48次，未卡弦，除氣泵聲音外未有雜音，按弦機構共工作24次，按壓正常，音高準確，未有疵音。消音機構共工作6次，按壓正常，消音效果顯著。

3 總結

本文主要對機器人樂隊的核心--自動演奏機構進行了研究，實現功能和創新點如下：

①在電腦上編輯樂譜，通過通訊端口將樂譜和演奏命令遞給演奏系統控制器，演奏系統對接收到的樂譜進行分析、分解執行演奏動作，完成樂譜的自動演奏；

②通過分析人類在彈奏時的動作，根據仿生學設計演奏機構，完成各演奏機構的運動學、動力學分析，并根據結論選用適當驅動形式；

③設計并實現各驅動方式電控系統，實現各種驅動方式的實時控制；

④對貝斯和鼓手的功能進行了集成，創新了一種獨特的演奏方式。

【參考文獻】

[1]王田苗，陶永，陳陽.服務機器人技術研究現狀與發展趨勢[J].中國科技：信息科學，2012，42（9）：1049-1066.

[2]Goto， M.； Hashiguchi， H.； Nishimura， T.； and Oka， R. 2003.RWC Music Database： Music Genre Database and Musical Instrument Sound Database. In Proc. of International Conference on Music Information Retrieval， 229–230.

[3]http：//www.tiaozhanbei.net/project/17814/

[4]Lim A，Ogata T，Okuno H G.Towards expressive musical robots：A cross-modal framework for emotional gesture，voice and music[J].EURASIP Journal on Audio，Speech，and Music Processing，2012，201（1）：1-12.

[5]韓文超，黃衛華.基于聲信號反饋的葫蘆絲演奏機器人仿真設計[J].傳感器與微系統，2015，35（6）：52-84.endprint