架子鼓演奏机器人控制系统设计

赵 恒 郭 峰 钱黎明

（南通理工学院 机械工程学院，南通 226002）

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，达到了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。系统设计时通过分析人类在击打时的动作，参照仿生学原理设计演奏机构，完成了各演奏机构的控制系统设计[1]。

1 架子鼓机器人的总体设计

1.1 系统总体设计方案

为达到架子鼓机器人的运动控制目标，使架子鼓机器人能够完成相应的演奏动作，控制系统整体设计如图1所示。

图1 控制系统整体设计

1.2 控制器硬件设计

1.2.1 主控电路

采用Arduino Mega 2560单片机作为主控制器，主要作用是驱动各个电机的动作，包括伺服电机驱动电路、减速电机驱动电路和微型伺服电机驱动电路。此外，要连接电源管理电路、显示电路和串口通信电路。

1.2.2 步进电机驱动电路

根据架子鼓机器人的整体设计方案，需要4个电机作为机械臂的动力元件。通过各种参数对比，选用42 mm行星减速步进电动机，型号为42HB48-401A，保持扭矩0.6 N·m[2]。使用小步步伺服控制板驱动步进电机，采用14位高精度磁编码器，安装在42 mm步进电机上，实现位置反馈。输入电压为8～36 V直流，峰值输出电流为±2 A，闭环反馈频率6 kHz，精度高于0.112 5°。

1.2.3 直流减速电机设计

为了满足机器人行走时的稳定性，选用具有减速齿轮的直流电机，能够产生较慢的转速和较大的扭矩，具有高过载能力。选用型号42GA775的直流减速电机作行走机构的执行元件，转速高达600 r·min-1，最大扭矩为60 kgf·cm。驱动电路采用L298N驱动芯片，具有过热自断和反馈检测功能，直接控制电机[3]。通过主控芯片的I/O输入设定其控制电平，为电机进行正转反转驱动，操作简单，稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。

1.2.4 微型伺服电机（舵机）设计

考虑到机械臂工作空间有限，机械臂小臂采用微型伺服电机（舵机）作为动力元件。通过分析架子鼓机器人机械臂手腕的工作空间、敲击架子鼓鼓面所需最高频率及承受的最大力矩，选用型号为MG995的金属铜齿轮度舵机。工作电压为3.0～7.2 V，工作扭矩为13 kg·cm-1。通过调整PWM信号的占空比运转，脉冲宽度相差0.5～2.5 ms时，微型伺服电机输出轴的旋转角度在0°～180°改变[4]。使用舵机时，由于舵机堵转或者快速转动的瞬间会产生相对较大的反向电流，易烧掉MCU，因此采用光耦隔离器TLP280进行保护。

1.2.5 电源管理电路设计

设计使用3种不同数值的直流电压源。步进电机和直流减速电机驱动电路为24 V直流电源。主控电路输入电压为12 V，采用三端稳压集成电路LM7812对直流24 V电源降压、滤波后获得。微型伺服电机（舵机）工作电压为3.0～7.2 V。选用稳压芯片LM2596S-ADJ对直流24 V电源降压、滤波后获得直流可调电源[5]。

2 软件设计

软件分为主程序、步进电机控制程序、直流减速电机控制程序、舵机控制程序和限位开关控制程序5个组成部分。通过主程序实现直流减速电机、步进电机、舵机和限位开关的控制和调用，如图2所示。

图2 软件功能结构框图

步进电机程序的主要功能通过对机械臂逆运动学分析，求解出机械臂使用不同姿态和处在不同位置时各关节的步进电机需要转过的角度，将角度和步进电动机的步数相关联，从而实现对机械臂的精确控制。舵机作为机械臂小臂关节和机械脚的动力元件，通过指令控制小臂在0°～180°随意旋转，准确敲击鼓面。直流减速电机作为行走机构，通过PWM指令控制机器人的前进、后退、制动停止以及速度调节等操作。

3 测试分析

通过对架子鼓机器人的机械臂定位和乐谱演奏进行测试，证明架子鼓演奏机构设计的合理性。

3.1 机械臂定位测试

分别对两个机械臂定位到各个鼓面的精度进行实验和分析。机械臂定位测试记录，如表1所示。

表1 机械臂定位测试记录表

通过对机械臂定位精度的测试实验及正确率计算，左、右机械臂能够精确完成所需的工作，达到了机械臂的设计需求。

3.2 基础节奏测试

基础节奏演奏时，测试采用网上乐谱，需要演奏72个音符。架子鼓机器人共进行50次演奏，未出现漏音符演奏或者音符演奏错误的情况。一次演奏时长为45 s，人工演奏传统架子鼓需要40 s，基础节奏的演奏准确情况在可接受的误差范围。

4 结语

本文对架子鼓演奏机器人的控制结构进行研究，通过分析人类在打击时的动作，根据仿生学设计演奏机构，完成演奏机构控制系统设计，实现了各种驱动方式的实时控制。文章完成了控制系统的硬件选型，包括步进电机、舵机和直流电机等主要器件的选型和驱动电路设计，并完成了相应的软件设计。最后，通过对架子鼓演奏机器人进行机械臂定位测试和基础节奏测试，验证了控制系统设计的正确性。