[发明专利]一种仿人形结构的木琴演奏机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿人形结构的木琴演奏机器人，属于键盘类乐器演奏机器人领域。

背景技术

由于现代人工智能、计算机科学、传感器科学的长足进步，机器人也不仅仅局限于可编程操作的简单化执行，机器人的研究和应用步入更深层次，尤其是机器人智能化更引人关注。机器人的设计也不仅仅限制在工业环境的需求设计中，而向人类生活的各个领域扩展，出现了如娱乐、导游等各种不同的机器人。

音乐机器人属于娱乐类特种机器人，大致可分为以下三种：管乐演奏机器人，如萨克斯管演奏机器人、小号演奏机器人等；弦乐演奏机器人，如小提琴演奏机器人、三弦琴演奏机器人等；键盘乐器演奏机器人，如钢琴演奏机器人、木琴演奏机器人等。

现阶段，键盘乐器演奏机器人主要有两类，第一类是日本早稻田大学曾经研制过的钢琴演奏机器人，它共有88台击键器和两台踏板驱动装置，每台都有一套伺服系统。整个控制系统分为上位、中位、下位3层。上位电脑对整套装置和两台中位电脑进行综合管理，进行乐曲数据的编辑和由乐曲数据生成驱动波形；中位电脑有两台，一台是把驱动波形参数送至下位电脑，另一台在击键时取得击键装置的驱动波形、变位以及键与键锤的变位数据之后，生成驱动波形的必要参数；下位电脑群由90台电脑组成，每台电脑与一套伺服系统相连，把由中位电脑送来的驱动波形参数变成波形信号送给伺服系统。这类机器人采用一对一伺服系统，存在机械装置多、控制系统复杂、成本高等缺点，大大的限制了其发展空间。

第二类比较有代表性的是日本研制的木琴演奏机器人，该机器人由一台电脑控制，电脑输出的信号使各演奏器的二个木槌作高速移动，进行演奏。这时的主要动作是木槌的位置控制和击键动作，木槌的移动系统是用直流电机的位置伺服系统，按电脑给出的目标值变换木槌位置，击键动作是用小型直流电机通过脉冲驱动实现。机器人的本体是把放置木槌的台车夹在两个独立的支架之间，中间部分放置木琴，直流电机通过滑轮用钢丝牵引台车，台车位置用与滑轮同轴的接触型电位器检测，台车上的木槌通过齿轮箱与直流电机相连，电机转动则木槌敲击键盘。演奏时，台车伺服机构根据电脑发出的音阶数据驱动台车使木槌移到相应的琴键位置，木槌根据电脑发出的击键强弱指令敲击键盘，击键的强弱是根据电脑指令产生长度不同的两种单拍脉冲，放大之后，加到小型直流电机上，使之由于通电时间不同而造成击键的强弱不同。这类机器人影响演奏效果的因素比较多，比如台车运动的快速性和稳定性，并且存在台车的灵活性差、成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种仿人形结构的木琴演奏机器人，使它能够以低成本、高灵活性地进行木琴乐器的演奏。

本发明解决技术问题所采用的方案如下：

一种仿人形结构的木琴演奏机器人，用于模仿人关节部位活动进行木琴乐器演奏，该机器人由机器人本体和控制器两部分构成，其中，

机器人本体包含：一底座、一躯干、左右肩部、左右上臂、左右下臂、左右手、左右鼓槌、左肘部伺服舵机、左肩部伺服舵机、躯干伺服舵机、右肘部伺服舵机、右肩部伺服舵机，其中，躯干通过躯干伺服舵机连接在底座上，左右上臂分别通过左右肩部伺服舵机连接在左右肩部上，左右下臂分别通过左右肘部伺服舵机连接在左右上臂上，各路伺服舵机分别用于模仿人相应部位的活动关节；左右手分别固定在左右下臂上，左右鼓槌分别固定在左右手上；

控制器包含：主控单元、电源模块、数据通信接口模块、存储模块、显示模块、交互模块和舵机驱动模块；电源模块、数据通信接口模块、存储模块可以与主控单元形成一体，也可以独立存在并与主控单元相连；显示模块和交互模块与主控单元相连，两模块可以是一体的，如触摸屏，也可以是分离的，如显示器加键盘方式；舵机驱动模块与主控单元相连，同时分别与躯干舵机、左右肩部舵机、左右肘部舵机相连；主控单元可以是单片机或其它具有高级运算功能的控制器；演奏时，乐谱经过翻译转换成包含控制各个舵机协调运动的指令序列的控制文件，控制文件上传并存储在控制器的存储模块中；乐谱翻译需要结合机器人本体部件与音符对应的木琴琴键的位置进行。

上述仿人形结构的木琴演奏机器人中的所述躯干伺服舵机可驱动躯干水平方向旋转，所述左右肩部伺服舵机可分别驱动左右上臂水平方向旋转，所述左右肘部伺服舵机可分别驱动左右下臂垂直方向旋转。

上述仿人形结构的木琴演奏机器人方案中所述的乐谱翻译过程如下：

步骤一：根据乐谱音符和木琴琴键具体位置判定当前音符所对应的琴键是否超出左右手击打的极限位置，若超出极限位置，则执行步骤二；若未超出极限位置，直接执行步骤三。