一種新型的吉他教學演示裝置

顧佳慧 陸鑫 李斌 戶濤

摘 要：吉他教學機器人屬于教育服務機器人（Educational ServiceRobots），是具有教與學智能的服務機器人，通常被用于進行教學輔助、初學者和興趣愛好者自主學習、家用娛樂等主題的輔助與管理教學中。具有教學性和娛樂性。區別于機器人教育中常見的產品，吉他教學機器人具有固定的結構，一般不支持用戶自行拆裝。近年來，在世界各國紛紛頒布機器人和人工智能戰略部署的背景下，將人工智能技術和機器人運用于教育領域的實踐探索越來越多。吉他教學機器人將逐步打開市場，成為智慧學習環境的重要組成部分。

關鍵詞：機器人創新;吉他機器人;教學機器人

1.產品介紹

隨著人類社會的發展以及科技的進步，機器人越來越受到大家的追捧，其中音樂機器人最為突出。音樂機器人通過電子控制裝置和氣動裝置控制機械結構，參照仿生學原理，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。本產品吉他教學機器人是一個可以自動彈奏吉他和分析吉他譜的非人形機器，可實現撥弦、掃弦、擊弦、勾弦、滑弦等常規操作，通過譜子的導入和選擇，模擬老師教學彈奏吉他的姿態。是吉他愛好者自主學習的一款實用工具。下圖為吉他教學機器人3D樣品圖。

吉他教學機器人是人工智能、語音識別、仿生技術的結晶，由控制系統和執行機構兩部分所構成。

2.控制系統

移動控制終端設備可選擇手機，手機下載藍牙串口助手，連接藍牙，設置按鍵即可操作。功能有開機、關機、重啟、選擇曲譜、開始、停止、速度加快、速度減小、恢復初始速度。

3.執行機構

吉他1的左側琴肩上固定安裝有固定架一2的一端，固定架一2的另一端固定安裝在吉他1上琴枕的外側，固定架一2的前側固定安裝滑臺3，滑臺3的下端面固定安裝有步進電機4，滑臺3的前側固定安裝有活動板5，活動板5的內部固定安裝有電磁按鍵6，吉他1的面板上固定安裝有固定架二7，固定架二7的內側固定安裝有舵機8，舵機8的輸出軸上固定安裝有撥片9，固定架一2的后側固定安裝有單片機10，步進電機4、電磁按鍵6、舵機8與單片機10電性連接，舵機8采用mini4.3G型號，單片機10采用STM32-F407型號。

滑臺3包括支撐座301、滾珠絲桿302、直線導軌303、聯軸器304、滑塊305，支撐座301的內部固定安裝有滾珠絲桿302、支撐座301的前側固定安裝有直線導軌303，滾珠絲桿302的外側固定安裝有聯軸器304，滾珠絲桿302的外側螺紋安裝有滑塊305，活動板5通過螺栓固定安裝在滑塊305的前側，步進電機4與聯軸器304通過轉軸連接，步進電機4可帶動聯軸器304旋轉，聯軸器304旋轉可帶動滾珠絲桿302旋轉，滾珠絲桿302旋轉可帶動滑塊305做直線運動。

活動板5的寬度與吉他1的琴桿寬度相同，活動板5的長度小于吉他1的琴桿長度，活動板5可通過滑塊305在吉他1的琴桿前側做直線運動。

電磁按鍵6在活動板5的內部固定安裝有三十個，電磁按鍵6之間的距離與吉他1品格之間的距離相同，電磁按鍵6可以按壓吉他1上的琴弦。

舵機8在固定架二7的內側固定安裝有六個，撥片9與舵機8一一對應，舵機8與吉他1的琴弦一一對齊，舵機8轉動可帶動撥片9進行一定角度的轉動。

固定架二7位于吉他1音孔的下方，撥片9位于吉他1音孔的前側，撥片9轉動可與吉他1音孔前側的琴弦發生接觸。

4.工作原理

首先，單片機10控制步進電機4進行正傳、反轉，步進電機4旋轉可帶動聯軸器304旋轉，聯軸器304旋轉可帶動滾珠絲桿302旋轉，滾珠絲桿302旋轉可帶動滑塊305做直線運動，滑塊305前側的活動板5隨即移動，活動板5內部的電磁按鍵6受單片機10控制上下移動按壓吉他1上的琴弦，舵機8通過單片機10進行一定角度轉動，撥片9轉動可撥動吉他1音孔前側的琴弦，巧妙的模擬了人手指彈奏吉他的姿態。

5.產品制造

在硬件設施上，我們的吉他教學機器人外殼將采用全新的3D打印技術，可以根據用戶的喜好來定制專屬的產品外殼。

在軟件設施上，使用UG、Solidworks等建模軟件幫助客戶定制外殼，使用KELL軟件編寫程序，使用protues進行電路設計，在電腦中對產品進行充分的模擬仿真，保證產品制作的精度，縮短產品的研發周期。

產品的外殼采用3D打印常用耗材PLA，電路板采用標準覆銅板印刷，吉他教學機器人外殼的制作需要3D打印機、激光雕刻機、數控機床進行加工。電路板制作設備需要PCB板印刷機、PCB板貼片機等。

6.總結

從現在吉他機器人的發展現狀看，利用該教學機器人幫助學生學習吉他，不但有利于發揮教育機器人功能，又能滿足不同水平，不同年齡的學生學習吉他的需求。目前我們已經取得了階段性的勝利，在研發和生產方面，我們成功研發出吉他教學機器人并迅速投入生產，生產流程與我們前期預想一致，十分順利。銷售方面，我們運用了多種營銷手法，如新零售和精準營銷等，成功的將我們的吉他教學機器人推向了市場。

參考文獻：

[1]吳健榮.教學機器人本體設計及關鍵技術研究 [D]哈爾濱工程大學，2007

[2]前瞻產業研究院.我國教育機器人市場規模，2019，（19）：120-121.

[3]李勁松.教學機器人在現代實驗教學中的應用 [D].上海交通大學，2004.

指導老師：紀國濤

項目編號：202010144017

大學生創新創業訓練計劃資助

（沈陽理工大學）