自动弹琴机器人的设计

刘佩霞，丁 翀，刘 硕，魏 凯，王晓莹

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

随着科技的发展，自动化开始逐渐深入贯彻到我们的生活中，慢慢的，具有完整编程意识的机器人开始出现，并且代替人类做一些重复而机械性的操作，例如生产线运作，货运等。现如今，人们在提高物质生活质量的同时越来越注重生活品质的提升,科技来源于生活，也受益于生活，如语音助手、人脸识别，智能摄像头、扫地机器人等等，艺术与科技的搭配也将引起越来越多的人去关注与探索[1]。在闲暇时分听一首悠扬婉转、动人心弦的琴曲，会让人身心放松愉悦，自动弹琴机器人便应运而生，它可用于各种展示厅、音乐厅或者家庭演奏。只要时间和运行电量足够，自动弹琴机器人就可以二十四小时连续工作，让用户体会到智能科技的迅速发展，也能感受音乐的另一番动感呈现。本机器人采用集成化的方式将各种功能集合到一起，提供统一智能化的服务，给人们生活带来轻松快乐。

1 机械结构设计

弹琴机器人的机械部分主要由机械手和琴键两部分组成，机械手由线性滑杆、57二相四线混合式步进电机[2]、20 kg数字舵机和琴棒构成。四个舵机上下组合实现左右、上下两个自由度的运转，组合成二自由度机械臂[3]完成敲琴动作，57步进电机驱动滑杆，带动机械臂控制多个琴键的敲击。

图1 二自由度机械臂

2 主控制器系统总体设计

2.1 硬件设计

本次设计使用的是STM32F103C8T6单片机[4]作为主控制器，采用最小系统板设计控制电路。驱动电路采用TB6600步进电机驱动器控制电路，共阴极接法，32细分，输出电流为3A，输入电压为20V，具有过流过热保护、输入电压防反接保护、抗高频干扰功能。稳压电路采用LM2596S DC-DC直流可调降压电源模块稳压板，使用固态电容，高Q值大功率电感，带输出LED指示灯。

图2 STM32F103C8T6最小系统原理图

图3 TB6600共阳极接法以及与控制器、电机、电源接线示意图

2.2 软件设计

软件设计主要包括步进电机和舵机的运动控制、上位机通信以及蓝牙控制。本次设计采用的是HC-05蓝牙串口通信模块[5]，蓝牙与单片机使用串口通信[6]，无线工作频段为2.4 GHz ISM，调制方式是GFSK，模块最大发射功率为4dBm，接收灵敏度-85dBm，板载PCB天线，可以实现10 m距离通信。舵机接收的是PWM信号，当信号进入内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，使电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。一般来说，舵机接收的PWM信号频率为50 Hz，即周期为20 ms。当高电平的脉宽在0.5 ms～2.5 ms之间时舵机就可以对应旋转到不同的角度。在步进电机的运动控制上加入梯形加减速算法，用于控制步进电机的运动过程，让电机启动或者停止更加平滑，避免抖动。

2.3 系统总体设计

图4 系统总体设计图

3 上位机设计

上位机采用LabVIEW编写人机交互界面。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序，VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块[7]。弹琴机器人使用的上位机labVIEW通过安装VISA插件，实现与STM32单片机的串口通讯，进行信息与数据的传输，通过调用windows底层语音识别接口，进行语音识别，识别操作者的各种语音指令，还进行对PC机所按下的按键进行采集，进行相应的滤波消抖处理，获得正确的按键值，触发相应的事件分支，发送所需的操作给单片机，并且对PC机采集操作者的鼠标轨迹信息，通过点击相应的区域，触发相应的事件分支，发送所需的操作给单片机。

图5 LabVIEW上位机操作界面(前面板)

4 结束语

本文主要进行了弹琴机器人的设计与研究，分为弹琴机器人的机械设计、控制系统软硬件设计、LabVIEW人机交互界面以及语音控制模块设计、蓝牙模块设计等部分。自动弹琴机器人实现了上位机与STM32单片机串口通信、语音输入点歌、机械臂准确弹奏歌曲、蓝牙远程操作等功能，界面友好，使用便捷，曲目完成度高，机械手操作灵活准确，带给用户良好的体验。自动弹琴机器人是顺应社会文化生活需求产生的一种设备，它将促进科技与艺术的结合，使音乐披上人工智能化的裙摆在未来中生生不息源远流长。

图6 LabVIEW上位机操作界面(部分后面板)