木琴演奏機(jī)械手的仿真分析與設(shè)計(jì)

王廷軍， 印 松， 馬西沛， 張歡歡， 胡申順， 徐 俊

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

木琴演奏機(jī)械手的仿真分析與設(shè)計(jì)

王廷軍， 印 松， 馬西沛， 張歡歡， 胡申順， 徐 俊

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

利用SolidWorks軟件對一種單槌擊鍵演奏模式的木琴演奏機(jī)械手進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，給出了木琴、移槌裝置、擊槌裝置和機(jī)械手支架等部分的三維造型、虛擬裝配和運(yùn)動仿真結(jié)果，提出了一種基于DSP芯片的機(jī)械手運(yùn)動控制方案。仿真結(jié)果表明：這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動靈活，演奏時(shí)能夠快速而準(zhǔn)確地定位擊鍵位置，為木琴演奏機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

木琴演奏機(jī)械手；仿真分析；三維模型

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的設(shè)計(jì)也不僅僅限制在工業(yè)環(huán)境的需求設(shè)計(jì)中，而向人類生活的各個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展，出現(xiàn)了如娛樂、導(dǎo)游等各種不同的機(jī)器人。近年來，娛樂機(jī)械人發(fā)展很快，已經(jīng)有演奏多種樂器的演奏機(jī)械手出現(xiàn)［1］。演奏機(jī)械手屬于表演類特種機(jī)器人，國外關(guān)于演奏機(jī)械手的研究主要集中在鍵盤樂器和弦樂器方面，管樂器自動演奏機(jī)械手的研究相比較就少些［2-4］。無論何種樂器，在演奏時(shí)都是通過人的手、口或腳的動作來實(shí)現(xiàn)的。木琴屬于西洋打擊樂器的一種［5］，由逐級加長的一排排鑲嵌的木條組成，按音階的順序排列在一框架上，可發(fā)出連續(xù)的音律。有的木琴的木條下方安裝了可調(diào)節(jié)音高的共鳴管，起到共鳴的作用。木琴是通過演奏者雙手握木槌去擊打鍵盤進(jìn)行演奏的，在原理上，能夠模仿人手并再現(xiàn)鍵盤的動作，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動演奏［6-7］。

為縮短木琴演奏機(jī)械手的設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，本文使用SolidWorks軟件［8］進(jìn)行了木琴演奏機(jī)械手的輔助設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

單槌擊鍵式木琴演奏機(jī)械手主要由機(jī)械部分和控制部分組成，包括工控機(jī)、移槌裝置、擊槌裝置、運(yùn)動控制器、木琴和支架等。它的三維模型如圖1所示。其工作原理是使用擊槌裝置代替人手去握持木槌和擊打琴鍵。擊槌裝置安裝在移槌裝置上，通過移槌裝置的左右水平快速移動完成木槌擊鍵位置的定位，利用擊槌裝置中的木槌操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)木槌的擊鍵動作，從而完成一個(gè)音符的演奏。

圖1 木琴演奏機(jī)械手三維模型Fig.1 Three－dimensional model of marimba manipulator

木琴演奏機(jī)械手系統(tǒng)圖如圖2所示。機(jī)械手的工控機(jī)輸出樂譜程序指令給運(yùn)動控制器，控制器發(fā)出移動命令，驅(qū)動移槌裝置和擊槌裝置連續(xù)交替動作實(shí)現(xiàn)樂曲演奏。演奏時(shí)的主要動作是木槌的橫向位置控制和向下的槌擊動作控制。

設(shè)計(jì)中，先對木琴實(shí)物進(jìn)行仿真建模，再對機(jī)械手的各部分進(jìn)行仿真建模。同時(shí)，進(jìn)行了虛擬裝配、干涉檢查和運(yùn)動仿真，確保其各部分在安裝后能夠無干涉并符合預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動方案。

圖2 木琴演奏機(jī)械手系統(tǒng)圖Fig.2 Marimba manipulator system

2 木琴的仿真建模

木琴的仿真主要是對一種724型木琴進(jìn)行整體建模，包括木琴架、琴鍵、共鳴管和支架等所有零部件。為確保合理的建?；鶞?zhǔn)及精準(zhǔn)的琴鍵位置、形狀尺寸，采用了自頂向下（Top－down）的建模方法。即先確定機(jī)械手的總體裝配結(jié)構(gòu)和零件組成，對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、組合，選擇出最佳設(shè)計(jì)方案，再對具體零件進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)。本文中演奏機(jī)械手固定在支架上，支架又通過木琴架與木琴相連，故在建模時(shí)采用木琴架為定位基準(zhǔn)，而不是普遍理解上的以支架作為基準(zhǔn)。

建模時(shí)，先建立木琴的外圍框架及琴鍵的定位架，然后對琴鍵建模，再按支架與琴鍵的相對位置對支架建模。木琴的三維模型如圖3所示。

圖3 木琴三維模型Fig.3 Three－dimensional model of marimba

3 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)及其仿真與分析

機(jī)械裝置部分主要由移槌裝置、擊槌裝置和支架等組成。按結(jié)構(gòu)對其各部分完成建模、裝配后，對其進(jìn)行初步運(yùn)動模擬，檢查移槌裝置、擊槌裝置在運(yùn)動中是否會產(chǎn)生干涉，確保運(yùn)動可行性。

在對既定的機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行建模并裝配后，進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動仿真。通過定義各部件間的運(yùn)動副，分析其各部件相對運(yùn)動形式，定義運(yùn)動部件的運(yùn)動方式。經(jīng)解算器解算得仿真結(jié)果及演示，輸出各個(gè)運(yùn)動件的位移量、速度及曲線圖。

3.1 移槌裝置

移槌裝置為小車狀物體，其傳動機(jī)構(gòu)采用同步齒形帶方式。同步帶使用軟齒條傳動，不會產(chǎn)生滑動，可以保證傳動時(shí)的準(zhǔn)確傳動比，噪聲較?。?］。它由滑座、頂蓋、滾珠導(dǎo)軌、步進(jìn)電動機(jī)、編碼器、減速機(jī)構(gòu)、同步帶和帶輪等組成。

頂蓋由不銹鋼制成，用于遮擋同步齒形帶和導(dǎo)軌等，使得傳動機(jī)構(gòu)外表美觀大方。滑座由上滑塊和下滑塊組成，上滑塊用于連接移槌裝置，下滑塊用于連接同步帶。上滑塊和下滑塊使用螺栓連接，兩者之間形成一個(gè)矩形間隙，頂蓋則在這個(gè)矩形間隙中穿過。下滑塊由同步帶拖動，在滑軌上水平移動。圖4給出了未安裝頂蓋和上滑塊的移槌裝置示意圖。

圖4 移槌裝置示意圖Fig.4 Mallet－moving device

圖5 移槌位移曲線Fig.5 Curve of displacement of mallet－moving device

滑座的運(yùn)動通過步進(jìn)電動機(jī)、編碼器組成的伺服系統(tǒng)由同步帶直接牽引，木槌固連在滑座上，隨滑座一起移動，按計(jì)算機(jī)程序給出的目標(biāo)值（音符數(shù)據(jù)）變換木槌位置。移槌裝置的移槌位移曲線如圖5所示，其移槌角加速度曲線如圖6所示。

圖6 移槌角加速度曲線Fig.6 Curve of angular acceleration velocity of mallet－moving device

3.2 擊槌裝置

擊槌裝置相當(dāng)于人的手掌和手腕部分，它由步進(jìn)電動機(jī)、握木槌機(jī)構(gòu)和支撐架等組成，由小步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動完成擊鍵動作。擊槌裝置的三維模型如圖7所示。圖8給出了擊槌裝置的位移曲線。演奏時(shí)，滑座的移動速度較快，故設(shè)計(jì)時(shí)考慮機(jī)械裝置盡可能地減輕質(zhì)量。

圖7 擊槌裝置三維模型圖Fig.7 Three－dimensional model of mallet－beating device

圖8 擊槌位移曲線Fig.8 Curve of displacement of mallet－beating device

擊槌電動機(jī)采用小步進(jìn)電動機(jī)，以功率夠、體積小、質(zhì)量輕為目標(biāo)，從而減少機(jī)構(gòu)的運(yùn)動慣性，提高滑座運(yùn)動時(shí)的位置精度。圖9給出了擊槌裝置的角加速度曲線。由圖可見，裝置運(yùn)動特性較好，適應(yīng)快速靈活運(yùn)動的要求。

圖9 擊槌角加速度曲線Fig.9 Curve of angular acceleration velocity for mallet－beating device

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制系統(tǒng)采用上位機(jī)－下位機(jī)控制模式。上位機(jī)使用工控機(jī)，它帶有操作系統(tǒng)，存儲了一些采用VC＋＋編排好的樂譜程序。下位機(jī)的微處理器采用TMS320F240DSP芯片，它具有高速、低功耗、易于開發(fā)等特點(diǎn)［10-12］，能夠滿足演奏機(jī)械手的快速運(yùn)動和變換運(yùn)動方向的工作需求。上位機(jī)通過通信模塊與底層控制器進(jìn)行通信，底層控制器驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的運(yùn)動控制［13］。機(jī)械手滑座的水平移動、擊槌裝置的木槌轉(zhuǎn)動都采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。光電式編碼器作為檢測電機(jī)軸的位置傳感器。系統(tǒng)的步進(jìn)電動機(jī)、反饋檢測元件光電式編碼器構(gòu)成了伺服控制系統(tǒng)。

通常，機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃與控制對機(jī)器人的工作非常重要［14-15］。對于木琴演奏機(jī)械手，其運(yùn)動軌跡有移槌和擊槌的復(fù)合運(yùn)動形成，體現(xiàn)在槌頭的軌跡是這兩個(gè)運(yùn)動的疊加結(jié)果?；鶛C(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動到待擊槌位置是保證機(jī)械手演奏定位精度的一個(gè)重要條件。

5 結(jié) 語

運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行了木琴演奏機(jī)械手的輔助設(shè)計(jì)，包括三維造型設(shè)計(jì)、三維虛擬裝配和運(yùn)動仿真。通過對木琴、移槌裝置、擊槌裝置和支架的仿真建模及虛擬裝配，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，利用參數(shù)驅(qū)動功能實(shí)現(xiàn)同步修改。根據(jù)三維裝配圖動態(tài)仿真機(jī)構(gòu)的傳動關(guān)系、干涉檢查和運(yùn)動仿真，確保了機(jī)械手各部分在安裝后無干涉并符合預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動方案，提高了設(shè)計(jì)效率。這種單槌擊鍵式機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動靈活、演奏定位準(zhǔn)確，能演奏簡單的編程樂曲。

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Simulation Analysis and Design of Marimba Manipulator

WANG Tingjun， YIN Song， MA Xipei， ZHANG Huanhuan， HU Shenshun， XU Jun
（School of Mechanical，Shanghai Dianji University，Shanghai 200245，China）

Using the software SolidWorks，this paper presents simulation analysis and design of marimba manipulator in which a key is beaten by only one mallet.The manipulator's three dimensional model，virtual assembly，motion simulation and structure optimization of marimba，mallet－moving device，mallet－beating device，and its bracket are discussed.The control model and motion controller are also described.A motion control method is proposed based on DSP.The results show that the manipulator has a simple structure and agility moving.It can quickly and accurately localize a poison that beats a key.The design may provide theoretical supports to marimba manipulator.

marimba manipulator；simulation analysis；three－dimensional model

TP 241.3

A

2095－0020（2011）03－0169－04

2011－04－19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目資助（2007AA041600）；上海市教育委員會重點(diǎn)學(xué)科資助（J51902）

王廷軍（1966－），男，副教授，博士，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械電子工程，E－mail：wangtj＠sdju.edu.cn