基于弦乐器自动演奏机器人的控制系统设计

钱黎明　郭峰

【摘 要】本文设计的弦乐器自动演奏机器人，参照仿生学原理，它的执行机构分解为压弦机构、拨弦机构和消音机构。根据设计要求，选取气动系统作为拨弦和压弦机构的驱动装置，选取步进电机和微型伺服电机（舵机）作为平移机构的驱动装置。为了驱动这些装置，设计的电路硬件包含：主控电路、通讯电路、电源管理电路、电机驱动电路等，并设计了与之相对应的程序软件，最后对系统进行了验证。

【关键词】演奏机器人；仿生学；压弦；拨弦；消音

0 前言

近年来，随着人们生活水平的提高，娱乐机器人成为研究的热门项目[1]。其中音乐机器人以其较好的展示和互动效果获得了研究人员的青睐。乐器演奏机器人通过电子控制装置控制机械结构，达到模拟人类演奏乐器的效果，目前主要有非人形和拟人形两种形式。这是一项融合机械、计算机、自动化、电子以及音乐艺术的多学科交叉课题[2，3]。

本系统设计时通过分析人类在弹奏时的动作，参照仿生学原理设计演奏机构，完成各演奏机构的运动学、动力学分析，并选择合适的驱动装置。

1 系统架构设计

1.1 系统总体设计方案

根据仿生学提出了弦乐自动演奏系统的硬件设计要求，并进行了研究和实现：

①具有相互独立的拨弦和压弦机构。

②拨弦机构个数等同于弦乐器弦数，每个机构至少一个自由度，且运作时相互独立。

③压弦机构需快速到达发音位置，可采取移动方式（如贝斯）或点阵方式（如吉他）。

④移动方式实现的压弦机构需至少三个自由度。

⑤压弦机构需兼顾击弦要求，能调整击打力度。

⑥具有快速止震消音机构。

⑦可根据不同乐谱进行演奏。

设计时将拨弦机构固定在贝斯尾部，设计4个拨弦结构，对应贝斯4根弦，驱动方式采用直线气缸，控制方式采用二位三通电磁阀。压弦机构采用移动方式，通过步进电机驱动的直线滑轨實现沿琴体方向的横向移动；通过高速舵机驱动直线滑轨实现垂直琴体方向的移动；通过直线气缸实现上下动作。底层控制器采用STM32高速单片机实现对电磁阀、舵机、步进电机等执行机构的控制，实现对上位机发送的音符命令解码。控制系统总体设计方案如图1所示：

图1 系统总体设计

1.2 控制器硬件设计

1.2.1 控制器硬件总体设计

弦乐器自动演奏系统的控制器硬件包含主控电路、电源管理电路、限位开关、通讯电路、电磁阀驱动电路、微型伺服电机（舵机）驱动电路、步进电机驱动电路以及状态指示电路[2]。

1.2.2 主控电路

主控电路选用高性能、高速、低功耗的STM32F103R 8T6单片机为系统核心[3]。主控电路不仅需完成对电磁阀、微型伺服电机（舵机）、步进电机等执行器件的控制和驱动，还要完成不同等级电源的处理和输入信息（串口数据、限位开关）的处理，同时系统的运行状态也需要通过指示信息（LED灯、串口数据）反馈给用户。

1.2.3 电源管理电路

为保证系统正常工作，本控制系统涉及3种不同数值的直流电压源。其中电磁阀驱动电路和步进电机驱动电路需采用24V电源，由外部稳压电源直接提供；微型伺服电机（舵机）驱动电路和通讯电路采用5V电源；主控电路及其外围输入输出电路需要直流3.3V电源[4]。

LM2596S -5.0将24V转成5V，是一款开关型集成稳压芯片，需在输出引脚外加电感L1、肖特基二极管D20在输出关断的时候实现续流。LM1117-3.3芯片将5V转成3.3V，是一款低压降正压输出的三端线性稳压芯片。

1.2.4 电磁阀驱动电路

本设计选用单作用气缸，对应二位三通电磁阀，需匹配继电器进行控制。电磁阀型号为3V210-08-NC，继电器选用型号为HK4100F-DC12V。本设计采用了光耦TLP281-4将主控电路和电磁阀驱动电路进行电气隔离。U9为继电器驱动芯片，型号为ULN2803，是一款八路NPN达林顿晶体管阵芯片，输入电平与TTL标准相兼容，最大允许输出电压50V，最大负载电流500mA。

1.2.5 电机驱动电路

根据弦乐器（贝斯）整体设计方案，本设计中需控制4个微型伺服电机（舵机）和一个步进电机。微型伺服电机（舵机）选用型号为S9570SV的高速数字舵机，步进电机选用型号57BYG250B。

电机驱动接口电路包含微型伺服电机（舵机）和步进电机驱动电路，其中采用光耦进行电气隔离；达林顿管集成芯片进行输出，其中PWM1-PWM4分别连接4个微型伺服电机（舵机）的信号端，DR、PUL、EN分别连接步进电机驱动器TB6600的方向、脉冲和使能端。

1.3 气动系统设计

与机械、液压、电气相比，气动技术具有如下特点：易于实现快速的直线往返运动、摆动和高速移动；输出力、运动速度调节方便，改变运动方向简单。根据整体设计方案，本设计中使用9个气缸，需要设计一套气动系统来支持气缸的正常工作，如图3所示。

图3 气动系统示意图

其中空气压缩机和气罐提供气源，采用了一款型号为JUBA800-30的小型电动空气压缩机。选用型号为AFR2000的过滤调压阀，其滤芯精度为40μm。电磁阀型号为3V210-08-NC，气缸型号为CJ1B4-10SU4。

1.4 控制器软件设计

本设计程序包含上位机和下位机两部分：下位机控制器采用STM32高速单片机实现对电磁阀、舵机、步进电机等执行机构的控制，并实现对上位机发送的音符命令解码。自动演奏控制系统的程序开发基于STM32库函数，用户程序有19个程序，按不同功能划分为[5]：

（1）7个底层硬件控制类程序，分别对单片机内部资源、串口通讯、外部开关、步进电机、继电器和舵机等底层硬件进行控制；endprint

（2）5个基本动作类程序，分别实现了消音、击弦、拨弦、压弦和压弦机构横向位移功能；

（3）4个音效类程序；

（4）2个数据处理子程序；

（5）1个主程序。

2 测试及数据分析

此次测试所选用的乐谱为小星星（C大调），此曲共有24小节，每小节需演奏2个音符，实际演奏24小节，共演奏48个音符，演奏时常为1分23秒。在试验过程中，拨弦机构共工作48次，未卡弦，除气泵声音外未有杂音，按弦机构共工作24次，按压正常，音高准确，未有疵音。消音机构共工作6次，按压正常，消音效果显著。

3 总结

本文主要对机器人乐队的核心--自动演奏机构进行了研究，实现功能和创新点如下：

①在电脑上编辑乐谱，通过通讯端口将乐谱和演奏命令递给演奏系统控制器，演奏系统对接收到的乐谱进行分析、分解执行演奏动作，完成乐谱的自动演奏；

②通过分析人类在弹奏时的动作，根据仿生学设计演奏机构，完成各演奏机构的运动学、动力学分析，并根据结论选用适当驱动形式；

③设计并实现各驱动方式电控系统，实现各种驱动方式的实时控制；

④对贝斯和鼓手的功能进行了集成，创新了一种独特的演奏方式。

【参考文献】

[1]王田苗，陶永，陈阳.服务机器人技术研究现状与发展趋势[J].中国科技：信息科学，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，黄卫华.基于声信号反馈的葫芦丝演奏机器人仿真设计[J].传感器与微系统，2015，35（6）：52-84.endprint