鋼琴自動(dòng)彈奏機(jī)械手系統(tǒng)及其控制算法設(shè)計(jì)

魏新宇

摘 要：在機(jī)器人控制理論和鋼琴演奏技法的基礎(chǔ)上，文章提出了一種通過在機(jī)械控制、電磁控制、軟件控制等層面對(duì)鋼琴自動(dòng)彈奏系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，并設(shè)計(jì)了一種基于可控力度的琴鍵擊錘系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)鋼琴的機(jī)器人自動(dòng)彈奏。研究結(jié)果表明，在應(yīng)用機(jī)械手彈奏系統(tǒng)時(shí)，50名音樂學(xué)院鋼琴專業(yè)本科四年級(jí)學(xué)生中，有26人認(rèn)為該機(jī)器人的演奏技法達(dá)到或者超過了他們的技法掌握程度，占總數(shù)的52%。另外，音樂廳邀請(qǐng)的50位專業(yè)資深鋼琴教師中，有22人表示該機(jī)器人的演奏水平達(dá)到了商業(yè)演出標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的44%。雖然該機(jī)器人在情感表達(dá)上尚有不足，但已經(jīng)得到了較大比例聽眾的認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;機(jī)器人鋼琴;自動(dòng)彈奏;力度控制;主觀評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：J624.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-9699（2023）06-0032-06

早期電子音樂來自MIDI合成技術(shù)（MusicalInstrument Digital Interface），該技術(shù)通過電子合成音源，控制揚(yáng)聲器同時(shí)發(fā)出多個(gè)頻率聲音，擬聲合成相應(yīng)的音樂旋律。后期MIDI合成技術(shù)通過不斷發(fā)展，在前者的基礎(chǔ)之上可以進(jìn)行不同力度、揉弦等樂器演奏技巧的音樂表達(dá)效果高保真還原。但是MIDI合成技術(shù)最大的短板是其沒有原始音源設(shè)備，在極端演奏條件下其合成音源的保真度依然不盡如人意，并且無法達(dá)到真實(shí)樂器的低頻共鳴帶來的重低音效果，也無法表現(xiàn)出不同樂器因?yàn)楣缠Q腔結(jié)構(gòu)微小差異而帶來的聽覺感官差異。所以音樂從事人員和研究人員找到了新的解決問題思路，即使用機(jī)械手系統(tǒng)直接彈奏樂器，且該思路已經(jīng)成為當(dāng)前電子擬聲音樂的研究重點(diǎn)[1]。

杭小羽等[2]研究人員以兒童鋼琴學(xué)習(xí)為主要研究對(duì)象，分析個(gè)性化教學(xué)對(duì)兒童鋼琴學(xué)習(xí)欲望的作用，明確個(gè)性化教學(xué)價(jià)值，提高兒童鋼琴學(xué)習(xí)效果;余嘉安等[3]研究人員基于人工智能時(shí)代背景下，合理應(yīng)用人工智能技術(shù)，創(chuàng)新高校鋼琴教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)流程，提高教學(xué)效果;楊小影等[4]研究人員通過“智能+鋼琴”教育構(gòu)想，使用全新設(shè)計(jì)的機(jī)械手硬件系統(tǒng)，配合相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人手演奏的相關(guān)觸感、力度及常見彈奏技法的模擬，改變了早期研究中只可對(duì)節(jié)奏進(jìn)行有效控制的系統(tǒng)缺陷，使機(jī)械手的鋼琴彈奏效果更接近人手，且因?yàn)闄C(jī)械手為每個(gè)琴鍵均配置對(duì)應(yīng)擊錘，有效拓展了人手手指數(shù)量的限制。

從鋼琴演奏模式分析，其屬于按鍵式擊弦樂器，且有弱音（落下弱音板）、延音（抬起切音板）等功能模式。受限于手指生理構(gòu)造限制，人手演奏時(shí)手指的岔開距離限制了和弦音的表達(dá)方式，在彈奏大跨度四聯(lián)和弦音時(shí)，局限性即被表現(xiàn)出來。使用機(jī)械手系統(tǒng)可以為每個(gè)琴鍵布置專用擊錘，且對(duì)鋼琴的多個(gè)功能踏板布置按壓裝置，這就讓鋼琴的實(shí)際表現(xiàn)能力得到有效提升。文章重點(diǎn)研究琴鍵擊錘的機(jī)械控制模式和音樂解碼模式，以進(jìn)一步提升鋼琴彈奏機(jī)器人的實(shí)際演奏效果。

1 琴鍵擊錘的機(jī)械控制模式設(shè)計(jì)

從機(jī)械原理分析，鋼琴琴鍵按下時(shí)，并非直接作用于琴弦，而是根據(jù)按下力度和時(shí)間，由打弦機(jī)判斷控制擊弦錘和止音器對(duì)琴弦作出相應(yīng)操作。打弦機(jī)由一系列連桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，不同品牌和價(jià)位的鋼琴，打弦機(jī)結(jié)構(gòu)有所差異，但基本保證按下琴鍵時(shí)，止音器抬起，擊弦錘落下并迅速復(fù)位，抬起琴鍵時(shí)，止音器復(fù)位。該機(jī)械手操作一個(gè)外部擊錘以不同的彈奏手法擊發(fā)琴鍵，觸動(dòng)打弦機(jī)操作。此時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制機(jī)械手擊錘按下的力度和抬起的時(shí)間[5]。上述機(jī)械手琴鍵擊錘與打弦機(jī)的聯(lián)合控制模式，如圖1所示。

圖1中，機(jī)械手控制模組共有2套結(jié)構(gòu)，當(dāng)提鍵電磁組通電時(shí)，琴鍵擊錘被提起，彈簧片蓄力，當(dāng)其斷電時(shí)，琴鍵擊錘在彈簧片的蓄力釋放作用下落下，敲擊琴鍵。根據(jù)彈簧片的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)不同，琴鍵擊錘敲擊琴鍵后，可能因彈簧片地正校核而直接彈起，也可能因?yàn)閺椈善剡^校核而始終按壓琴鍵并等待提鍵電磁組的下一次通電作用。彈簧片的預(yù)緊力通過承力支點(diǎn)后部的力度電磁組吸引彈簧片尾端的力度永磁體來實(shí)現(xiàn)。早期的鋼琴彈奏機(jī)器人，使用螺桿定位法控制擊錘彈簧片的預(yù)緊力，但其受制于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而有較大的力度調(diào)整延遲時(shí)間，演奏需要快速調(diào)整力度時(shí)，此模式無法提供快速響應(yīng)功能[6]，所以，該設(shè)計(jì)將螺桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)為力度電磁組系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用給不同電磁組通電的方式，快速調(diào)整彈簧片力度，使其的響應(yīng)速度高于人手的響應(yīng)速度。上述機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)中最復(fù)雜的部分為力度電磁組部分，其結(jié)構(gòu)圖局部放大后，如圖2所示。

圖2中，共給出7種不同力度，其中±0、-1、-2控制了琴鍵擊錘的彈性抬起過程;1、2、3、4控制了琴鍵擊錘的持續(xù)按壓過程。7個(gè)電磁裝置呈扇形安裝在一個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)的控制下，可以做出小角度回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵力度的高精度微調(diào)[7]。上述琴鍵擊錘的力度電磁組功能定義，如表1所示。

表1中，通過按鍵力度步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確定位，在對(duì)應(yīng)的力度電磁組中選擇某個(gè)電磁閥通電實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵擊錘彈簧片力度永磁體的吸引并設(shè)定按鍵力度。松開提鍵電磁組后，實(shí)現(xiàn)琴鍵激發(fā)，同時(shí)控制提鍵電磁組的復(fù)電時(shí)間，控制琴鍵提起。

2 機(jī)械手的電控模式設(shè)計(jì)

該機(jī)械手的核心控制目標(biāo)是控制88個(gè)琴鍵上配置的88個(gè)琴鍵擊錘。常規(guī)的鋼琴配置，分為88鍵、85鍵、83鍵、65鍵、92鍵等，其中88鍵布局（含52個(gè)白鍵和36個(gè)黑鍵）是最為常見的鋼琴鍵盤布局[8]。該研究針對(duì)88鍵布局進(jìn)行電控模式設(shè)計(jì)。根據(jù)前文分析，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)琴鍵擊錘的控制，每個(gè)琴鍵擊錘的機(jī)械手控制模組中共包含8個(gè)電磁鐵閥組（7個(gè)力度閥和1個(gè)提鍵閥）和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)。電磁控制閥通過1個(gè)數(shù)據(jù)位控制，步進(jìn)電機(jī)通過4個(gè)數(shù)據(jù)位控制，控制過程共使用12個(gè)數(shù)據(jù)位[9]，控制系統(tǒng)詳見圖3。

圖3中，步進(jìn)電機(jī)控制器中的控制模塊包括電磁控制閥（每個(gè)琴鍵擊錘配置8 個(gè)，共704個(gè)）和解碼模塊（每個(gè)琴鍵擊錘配置1 個(gè)，共88個(gè)）。

（1）電磁控制閥設(shè)計(jì)思路。電磁控制閥的核心控制思路是通過大容量電容器控制電磁繞組的瞬時(shí)力度。首先晶閘管接收控制信號(hào)后，將電磁控制閥釋放。在釋放過程中，電容器的充電狀態(tài)不應(yīng)中斷。

此時(shí)，Dt-IN 的高電平為+3.3 V，VCC保持+12V 供電，GND給出±0 V 參照零電勢。當(dāng)晶閘管激發(fā)時(shí)，VCC和電容器同時(shí)向電磁繞組輸出電量，控制閥連通從電磁繞組尾端接地到電容器負(fù)極側(cè)接地的回路。在回路上布置一個(gè)保護(hù)電阻器，保護(hù)電阻和電磁繞組的阻抗同時(shí)提供電磁吸合回路負(fù)荷。此時(shí)，從Dt-IN 到VCC 的單向二極管并不導(dǎo)通，但可以為其下方的反向晶閘管主回路提供保護(hù)電流回路，防止較大功率和雜波將晶閘管擊穿。此時(shí)電容器作為高頻雜波的濾波電容[10]。

綜上，該電磁控制閥的核心作用是當(dāng)Dt-IN輸入一個(gè)+3.3 V 高電平時(shí)，Dt-OUT輸出一個(gè)+12 V 高電平;當(dāng)Dt-IN 恢復(fù)±0 V 或-3.3 V 低電平時(shí)，Dt-OUT 處于開路浮空狀態(tài)。該模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜電磁閥組的高速模式切換控制，且保持了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（2）解碼模塊設(shè)計(jì)思路。解碼模塊接收一組8位的地址碼、1位的觸發(fā)碼和16位的數(shù)據(jù)碼。當(dāng)8位地址碼與跳線配置結(jié)構(gòu)一致時(shí)，對(duì)狀態(tài)鎖存器寫入信息。當(dāng)觸發(fā)碼置于高電平時(shí)，執(zhí)行鎖存器動(dòng)作。解碼模塊的核心設(shè)計(jì)思路是接收中央控制器發(fā)出的琴鍵擊錘信號(hào)并將其翻譯為控制器可識(shí)別的電控信號(hào)[11]。

因?yàn)槊總€(gè)琴鍵擊錘的控制信號(hào)均較為復(fù)雜，傳統(tǒng)模式下，每個(gè)琴鍵擊錘都應(yīng)有獨(dú)立的嵌入算力進(jìn)行單獨(dú)控制，但此舉容易因?yàn)闀r(shí)鐘偏差而造成節(jié)奏偏差。所以，該解碼器的控制時(shí)鐘應(yīng)與中央控制器保持一致。

（3）接地線分層。為了增加控制精度，該系統(tǒng)的接地分為：做功接地，提供所有電磁繞組的0～+12V 做功電流的接地回饋;信號(hào)接地，提供0～+3.3V 控制信號(hào)的接地回饋，該信號(hào)接地與中央控制器嵌入算力系統(tǒng)的GND引腳相連，確保其信號(hào)地0電勢與中央控制器0電勢相等;安全接地，提供控制系統(tǒng)外殼的安全接地，確保內(nèi)部電磁屏蔽環(huán)境，為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠性保障措施[12]。不同線路板之間的接地耦合模式，通過杜邦線連接實(shí)現(xiàn)。

3 軟件控制模式設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制模式

該系統(tǒng)軟件控制的核心目標(biāo)是將樂譜信息翻譯成硬件系統(tǒng)可以識(shí)別的控制信號(hào)，即對(duì)樂譜中每個(gè)音符進(jìn)行分解[13]，形成如下表2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在表2中，每行可執(zhí)行命令都包含96字節(jié)的有效信息。每個(gè)命令分段之間使用4 bit的分隔符（H1001）進(jìn)行分隔，命令前使用8 bit的起始符（H10101100），命令后使用8 bit 的終止符（H00111010）。因此，每行命令的最終存儲(chǔ)占用量為144 bit。由于每條命令只能實(shí)現(xiàn)一次琴鍵抬起或者落下，實(shí)際控制中，每一次按鍵需要兩條命令組合完成。因此，在實(shí)際操作中，每次按鍵需要占用288 bit的存儲(chǔ)空間。按照常規(guī)的16樂句（64小節(jié)）樂譜計(jì)算，常規(guī)演奏條件下，按鍵次數(shù)可以達(dá)到3000～7000次。當(dāng)這個(gè)樂譜被編譯為可執(zhí)行文件后，長度約為108 KByte～252 KByte。為了充分發(fā)揮機(jī)器人演奏的自由度，在“炫技”的條件下，每16樂句的按鍵次數(shù)可能超過20 000次，此時(shí)，可執(zhí)行文件的長度約為720 KByte。這些數(shù)據(jù)量都在嵌入系統(tǒng)的控制范圍內(nèi)[14]。

在表2中，除了時(shí)間戳和校驗(yàn)分段外，其他控制分段的定義如下：

（1）動(dòng)作琴鍵序號(hào)，控制該命令對(duì)應(yīng)的琴鍵。在常規(guī)操作下，同一節(jié)拍下可能同時(shí)觸發(fā)3～8個(gè)琴鍵，每個(gè)琴鍵有不同的觸發(fā)力度和按壓延遲，以實(shí)現(xiàn)兩聲部和弦控制。所有指令會(huì)被硬件部分的解碼模塊鎖定在鎖存器中，在時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊的觸發(fā)下，這些指令會(huì)同時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)釋放電信號(hào)。

（2）力度控制和輔助力度控制，用于控制彈簧片的張緊力度。在常規(guī)演奏下，輔助力度控制的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作并不頻繁。這個(gè)控制過程也會(huì)在鎖存器觸發(fā)的情況下進(jìn)行。

（3）激發(fā)狀態(tài)，控制提鍵電磁閥組。例如，當(dāng)需要大力度彈性重?fù)羟冁I時(shí)，提鍵電磁閥會(huì)在釋放瞬間同時(shí)加電。這樣，即使落下的擊錘被彈簧片的高蓄力按下，也可以在觸發(fā)琴鍵的同時(shí)被收回。在常規(guī)控制模式下，特別是在輕微力度控制下，提鍵電磁閥組，一般可以在兩個(gè)節(jié)拍中間或者下一次觸發(fā)之前進(jìn)行提鍵操作。

（4）命令種類與校驗(yàn)碼聯(lián)合控制命令的完整性。其中校驗(yàn)碼運(yùn)行在物理層，控制所有數(shù)據(jù)位的奇偶性;而命令種類運(yùn)行在邏輯層，判斷上述命令中的命令構(gòu)成是否與命令種類給出的代碼一致。

3.2 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

綜合上述分析，在系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)控制算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有12個(gè)雙精度浮點(diǎn)變量（Double格式）輸入，6個(gè)雙精度浮點(diǎn)變量和1個(gè)邏輯型變量（Logical格式）輸出，其數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4中，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模塊在本質(zhì)上是一個(gè)由外圍變量控制的6列并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。外圍控制變量為當(dāng)前鋼琴機(jī)械手控制中心點(diǎn)坐標(biāo)及其目標(biāo)坐標(biāo)。6列并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是從6個(gè)鋼琴按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。而判斷模塊數(shù)據(jù)取自干預(yù)變量的降維模塊輸出量和6列并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出量。最終，輸出一個(gè)二值化的Logical變量Check。

該過程無須考慮數(shù)據(jù)損失，僅做出數(shù)據(jù)合法性判斷。考慮到系統(tǒng)運(yùn)行效率，其隱藏層也應(yīng)盡可能簡化，將隱藏層設(shè)計(jì)為2層，分別為7節(jié)點(diǎn)和3節(jié)點(diǎn)。考慮到數(shù)據(jù)降維需求，將7個(gè)輸入變量降維到1個(gè)輸出變量。

4 演奏效果評(píng)價(jià)

研究者邀請(qǐng)了50名音樂學(xué)院鋼琴專業(yè)的四年級(jí)本科生和50名鋼琴專業(yè)的資深老師，來實(shí)驗(yàn)室內(nèi)感受該機(jī)器人的演奏過程。演奏的曲目包括《小夜曲》《天鵝湖》《命運(yùn)》和《土耳其進(jìn)行曲》等，這些樂曲都有不同的表現(xiàn)手法。演奏現(xiàn)場設(shè)在學(xué)校的排練中心樂池，這里具有音樂欣賞的基礎(chǔ)隔音和混響環(huán)境[15]。演奏過程中并未使用電子擴(kuò)音設(shè)備，而是使用立式鋼琴直接原聲演奏。研究者要求上述100名鋼琴專業(yè)的評(píng)委根據(jù)他們的主觀感受給出評(píng)價(jià)，滿分10分，最差0分。評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

在表3中可以看到，《小夜曲》和《天鵝湖》等樂譜的情感表達(dá)技巧相對(duì)簡單;《命運(yùn)》的情感表達(dá)則需要提供更多的大力度演奏，但同時(shí)也需要考慮到鋼琴本身的表現(xiàn)能力;《土耳其進(jìn)行曲》中快節(jié)奏樂句較多，對(duì)機(jī)器人的高速動(dòng)作控制能力要求較強(qiáng)。在實(shí)際的主觀感受中，兩組評(píng)價(jià)者均認(rèn)為機(jī)器人在演奏《小夜曲》和《天鵝湖》等樂譜時(shí)的表達(dá)能力超過在演奏《命運(yùn)》和《土耳其進(jìn)行曲》等樂譜時(shí)的表達(dá)能力。

同 時(shí)，在額外的調(diào)查中，50名音樂學(xué)院鋼琴專業(yè)的四年級(jí)本科生中，有26人（占52%）認(rèn)為該機(jī)器人的演奏技法達(dá)到或者超過他們自己的技法掌握程度。而在被邀請(qǐng)的50名專業(yè)資深鋼琴教師中，有22人（占44%）表示該機(jī)器人的演奏水平達(dá)到了商業(yè)演出的標(biāo)準(zhǔn)。這些調(diào)查結(jié)果表明，盡管機(jī)器人演奏在情感表達(dá)上尚不健全，但已經(jīng)可以得到較大比例聽眾的認(rèn)可。

5 結(jié)論

該研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)鋼琴演奏機(jī)器人的機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械控制、電磁控制和軟件控制層面的綜合設(shè)計(jì)，使其在鋼琴演奏過程中的表現(xiàn)技法更為豐富，有效提升了鋼琴演奏機(jī)器人演奏音樂的現(xiàn)場表現(xiàn)程度。由于研究條件的限制，本研究僅涉及了鋼琴演奏機(jī)器人的機(jī)械和機(jī)械控制部分，僅從硬件控制角度進(jìn)行鋼琴彈奏機(jī)器人的控制升級(jí)，未涉及人工智能樂譜識(shí)別等人工智能功能。在后續(xù)的研究中，研究者將通過軟件優(yōu)化等技術(shù)路徑，進(jìn)一步提升機(jī)器人演奏的技法表達(dá)和感情的詮釋能力，使其演奏效果得到進(jìn)一步提升。

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責(zé)任編輯：肖祖銘