基于数控技术的电子琴演奏机械手研究

吴 兵，吴翠茹，王振坤，李 屹

（贵州大学机械工程学院，贵阳，550003）

随着现代人工智能、计算机科学、传感器科学的不断发展，数字技术的应用已从机械制造领域向以家庭、娱乐和教育为代表的服务机器人方向扩展。其中，娱乐机械手近年来发展很快，已经有演奏多种乐器的演奏机械手出现[1～4]。为激发本科生参与科学研究的兴趣，培养创新精神及实践动手能力，本文依托国家级大学生创新实验项目的实施，研究设计了一套电子琴演奏的机械手，在数控技术的控制下模仿人手，再现敲击键盘的动作，以实现自动演奏乐曲的目的。

1 电子琴演奏机械手的要求

电子琴是一种键盘乐器，琴声音丰富、优美，有变音装置，能发出多种不同的音色。演奏时，按下键盘的一只键，就等于接通一只开关，只允许某一种频率的信号通过到放大器里去，扬声器就发出一个音来。演奏者按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐。

要实现机械手自动演奏，就要模仿人手敲击键盘的动作，这要求机械手具有两个主要的动作：移动和按下。其实施的难点，在于如何准确定位，并符合乐曲中的音节对时间的严格要求。同时设计时应从从仿生角度，考虑美观因素，尽量使机构有类似演奏者手部运动的特征。

根据运动要求并考虑机构简单、美观等因素，该电子琴演奏机械手由机械部分、控制部分、乐曲程序和电子琴等四大部分组成。其中电子琴采用市场上很容易买到的简单的键盘乐器，系统的其他三部分是相互关联的。

2 机械机构的设计方案

2.1 运动形式的选择

手臂运动按运动方式，可以分为直角坐标型和圆柱坐标型[5]。

直角坐标型具有两个移动关节，可使手部产生两个相互独立的直线运动（按三维空间坐标系，下同）X、Z。其优点是定位精度高，轨迹求解容易，控制简单等。缺点是不符合人体运动特征，所占的空间尺寸较大，工作范围较小，操作灵活性较差，运动速度较低，无法按手形特征美化。

圆柱坐标型具有一个移动关节和一个转动关节，对应于一个直线运动和一个回转运动。对于圆柱坐标型手臂运动形式，有以下2套方案：

（1）方案Ⅰ（C，Z）。将演奏手臂安装在一个沿Z轴垂直运动的立柱上，同时配合可以绕Z轴旋转的回转工作台，实现演奏手指的弹琴动作。这种方案可以简单、直观的体现手指的快速定位，但由于Z轴方向的电机需要垂直安装，对自锁要求高，增加了机构的复杂性，会降低系统的稳定性。

（2）方案Ⅱ（C，Y）。通过设计一套类似人体手臂的连杆机构，将水平放置的丝杠螺母副传递来的水平运动，转换为手指的垂直运动，完成演奏的动作。而手指的定位，通过绕Z轴旋转的回转工作台来缩短定位路径，提高定位速度。这种通过绕Z轴的转动和沿Y轴的垂直直线运动，来实现手指的动作，不需在手部和转台之间增加支撑，结构简单，所占空间尺寸较小，只需转动较小的角度即可获得较大工作范围，手部可获得较高的速度。虽然手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低，但是对于本课题该定位精度是完全足够了。

考虑到本设计中的操作机构重点，是要实现快速连贯的乐曲演奏动作，因此对手部的运动速度有较高要求。另外，为满足美学的要求，机械手应具有结构简单轻巧的特点。综合以上考虑，确定了最终方案为圆柱坐标型的方案Ⅱ，即手部坐标为（C，Y）。

2.2 执行机构结构设计与分析

本设计中，手臂形执行机构为空间开链式连杆机构。从仿生角度和便于驱动的方面考虑，其关节的运动副型式参照了人体手臂的运动模式，采用了转动式关节和移动式关节[6]，使得操作机构的自由度数为2。根据以上设计，本执行机构是一套能够进行二个相对独立运动（C、Y）的机构。

（1）移动机构。机构中的C轴运动，是需要让整个演奏部分绕Z轴转动，这是依靠一个精密的数控回转工作台来实现的。该回转工作台主要由步进电机、蜗轮蜗杆减速机构等组成，在其快速运行的时候，会有较大的机械噪音，影响演奏效果，因此在调试过程中，根据需要来满足整个机构的定位要求，适当降低旋转速度，同时增加演奏机构和琴之间的距离，以减小转动的角度。

（2）击键机构。演奏机构中手指的演奏动作，主要是沿垂直方向的移动，这是通过一套利用丝杠螺母传动副带动的手指机构沿Y轴水平移动来实现的。丝杠的转动，由步进电机驱动。当丝杠转动时，螺母沿丝杠作直线运动（Y轴方向）。整个机构中设计了一套连杆机构，可以将螺母的水平移动，转换成手指的上下移动，实现手指的演奏功能（如图1所示）。为了增加这个机构的安全性，在手指机构中加入了缓冲装置，避免琴在调试过程中受到冲击而损坏。手指机构的设计，采用了多关节的设计方法，具有空间尺寸小、工作范围较大、结构简单、响应快、噪音小、运动轻便等特点。

图1 手指结构

图2 连接架

另外，由于直线工作台是放置在回转台上的，为保证联接可靠并避免回转工作台和直线工作台相互干涉，两个工作台连接设计中，设计了一个简单可靠的连接架，分别在连接架的两面，加工相应的孔与回转台和工作台联结。连接架的结构简图如图2。

3 控制部分设计

在演奏中，要求回转机构快速、准确地运动到待击键位置，采用合适的击键速度和力度击键，然后根据乐曲的节奏要求，迅速定位到下一演奏位置。其中，模仿人手实现击键动作是基础，同时实现恰到好处的击键力度和速度，是表现演奏效果的关键。

机械装置的控制部分，采用较为简单的两轴数控车床控制系统。由于该系统只有两个独立控制系统，因此需要对其进行简单的改造。具体改造如下：

（1）其中X轴运动控制，转接为旋转工作台的步进电机控制，即X=C。

（2）直线工作台的运动控制，连接原系统的Z轴控制，即Z=Y。

图3 数控系统组成

3.1 调试

为确保手指机构的定位精度，需要针对演奏的乐曲编制程序，并根据运行结果对程序及运动机构等进行相应的修改和调试，以达到准确优美演奏的目的。

3.2 编程

确定工件坐标原点，并将机械手手指的初始位置，定于工件坐标系的原点。根据乐曲音律，编写符合演奏要求的机械手运动轨迹数控程序。

编程示例：

将工件坐标系原点，定位在音符4和5的边界线上，则设计的机械手可以在如下的数控程序段控制下，完成上段乐曲的演奏（该乐曲节选自《小星星》。）

N005 G54 G90 ；定义工件坐标系

N010 G00 X20 Z-7.3 ；将手指定位到音符1上方

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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的状态2s

N075 M02 ；程序结束

3.3 修改

在编程调试过程中，存在机构运动速度较慢，导致乐曲弹奏不连贯的问题，我们采用了以下解决办法：

（1）运动修改。在不发生干涉的前提下，采取回转台与手臂联动缩短空行程时间：即回转台绕Z轴的旋转运动和机械手臂Y轴方向的移动同时完成。该联动运动由数控系统的控制特点来完成。

（2）机构修改。适当增加手臂的长度，可使回转台的旋转角度减小，从而减少运行时间，提高乐曲演奏的连贯性。

3.4 扩展

经调试，本项目将数控技术应用于电子琴的单指演奏是切实可行的。在现有基础上，增加相应的手指运动，即可实现多音弹奏，演奏较为复杂的乐曲。

4 结束语

实践表明，将数控技术应用于电子琴的乐曲演奏是可行的。虽然目前机械手的演奏还无法和真人演奏的复杂艺术手法相比，但已为将来数控技术在艺术领域的应用，提供了实践的实例。

[1]张博玲，徐崇庶.萨克斯管和小号的自动演奏机器人[J].机器人技术与应用,1998，(02)：7-8.

[2]郭剑鹰,盛鑫军,吕恬生.吹笛机器人系统设计[J].机器人技术与应用,2001，(06)：19-24.

[3]郭剑鹰，吕恬生.国外音乐机器人研究[J].机电一体化，2002，(03):14-18.

[4]汪 烨，王廷军.基于20GM定位模块木琴演奏机械手的研究[J].制造业自动化，2009，(08):154-156.

[5]天津大学《工业机械手设计基础》编写组.工业机械手设计基础[M].天津:天津科学技术出版社，1980.

[6]孙 恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社，2006.