吉他演奏機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

郭 峰，錢黎明，沈 煜，張雨凌

（南通理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

1 引言

隨著人類社會的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，娛樂機(jī)器人越來越受到大家的追捧，其中音樂機(jī)器人最為突出。音樂機(jī)器人通過電子控制裝置和氣動裝置控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，參照仿生學(xué)原理，達(dá)到模擬人類演奏樂器的效果，目前主要有非人形和擬人形兩種形式[1]。這是一項融合機(jī)械、計算機(jī)、自動化、電子以及音樂藝術(shù)的多學(xué)科交叉課題[2]。本系統(tǒng)設(shè)計時通過分析人類在彈奏吉他時的動作，參照仿生學(xué)原理設(shè)計演奏機(jī)構(gòu)，完成各演奏機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

2.1 仿生學(xué)分析與設(shè)計要求

弦樂器根據(jù)演奏方式的不同，分為撥弦樂器、擦弦樂器和擊弦樂器[3]。其中吉他屬于撥弦樂器，通過指甲、指肉或者撥片直接撥動琴弦發(fā)聲。以吉他為例，分析弦樂器的演奏動作和要求[4-5]。根據(jù)基本的物理學(xué)原理，波動兩端張緊的彈性繩，便可聽到震動聲，并且彈性繩越緊，聲音越尖銳。為了得到確定的聲音，人們將吉他弦的震動頻率做了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)國際音高命名了按壓不同位置時撥動對應(yīng)琴弦所發(fā)出聲音的音名（DO、RE、MI、FA、SO、LA、XI/1、2、3、4、5、6、7）。人們右手撥弦，同時左手移動到不同位置壓弦，通過左右手相互配合產(chǎn)生不同的音。

參照人類演奏吉他的特點(diǎn)，根據(jù)仿生學(xué)提出了吉他自動演奏系統(tǒng)的設(shè)計要求[2，3]：

（1）具有相互獨(dú)立的撥弦和壓弦機(jī)構(gòu)；

（2）撥弦機(jī)構(gòu)個數(shù)等同于弦樂器弦數(shù)，每個機(jī)構(gòu)至少一個自由度，且運(yùn)作時相互獨(dú)立；

（3）壓弦機(jī)構(gòu)需快速到達(dá)發(fā)音位置，采取點(diǎn)陣方式；

（4）壓弦機(jī)構(gòu)需兼顧擊弦要求，能調(diào)整擊打力度；

（5）具有快速止震消音機(jī)構(gòu)；

（6）可根據(jù)不同樂譜進(jìn)行演奏。

2.2 自動演奏系統(tǒng)整體設(shè)計方案

根據(jù)仿生學(xué)所述的設(shè)計要求，弦樂器（吉他）演奏系統(tǒng)采用如下設(shè)計方案[6-7]：

（1）6個撥弦機(jī)構(gòu)固定在吉他尾部，采用直線氣缸進(jìn)行驅(qū)動，控制器選用二位三通電磁閥。

（2）壓弦機(jī)構(gòu)采用點(diǎn)陣方式，在相應(yīng)點(diǎn)上均設(shè)置一個小型氣缸。氣缸固定于氣缸槽中，通過氣缸的上下運(yùn)動，擊打琴弦，或者按壓琴弦，配合按壓氣流大小和按弦時間長短，產(chǎn)生三種演奏音效，即短音，配合撥弦的長音，和模擬擊打空弦。

（3）底層控制器采用STM32高速單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電磁閥和舵機(jī)的控制，并對上位機(jī)發(fā)送的音符命令解碼。

（4）上位機(jī)采用“串口調(diào)試助手”，用于發(fā)送電腦上編輯好的樂譜和演奏命令。根據(jù)上述設(shè)計要求，實(shí)物，如圖1所示。

圖1 吉他自動演奏系統(tǒng)Fig.1 Automatic Playing System of Guitar

3 弦樂器（吉他）壓弦機(jī)構(gòu)

壓弦機(jī)構(gòu)由支架、氣缸、擊弦墊組成，如圖2所示。由于演奏吉他時指法比演奏貝斯時難得多，根據(jù)吉他的按壓特點(diǎn)，壓弦機(jī)構(gòu)采用6*22的點(diǎn)陣方式，共使用了132個微型氣缸。通過氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)垂直于琴弦的上下運(yùn)動，打擊速度可達(dá)20次/毫秒，精確定位每個弦位，最多可同時彈奏132個音，演奏上百種和弦，突破人類一次只能彈六音和弦的極限。此外還能彈奏多聲部復(fù)調(diào)，超越樂器之王鋼琴的雙聲部或三聲部的演奏方式。氣缸選用行程為15mm的微型單作用氣缸，型號為CJ1B4-15SU4。該氣缸缸徑為4mm，缸體長度為58mm，工作氣壓為0.3MPa到0.7MPa，活塞運(yùn)動速度為0.5m/s到5m/s。

圖2 壓弦機(jī)構(gòu)Fig.2 String Mechanism

4 弦樂器（吉他）撥弦機(jī)構(gòu)

撥弦機(jī)構(gòu)由撥桿、支架、連桿、氣缸連桿、氣缸和氣缸槽組成。其中撥桿末端在氣缸1的作用下，在琴弦上做圓弧往復(fù)運(yùn)動，模仿人手撥弦的動作。氣缸槽1在氣缸2的作用下，作上下擺動，可以避免撥桿在返回的過程中，觸碰到弦。氣缸槽1和2與支架之間都采用螺絲固定，可調(diào)整撥桿末端和琴弦的初始距離，琴弦的撥動幅度在（3～8）mm之間，與人手撥弦時幅度一致。

圖3 撥弦機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型1分析Fig.3 Motion Model 1 Analysis of Plucked Mechanism

模型1撥弦機(jī)構(gòu)是一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。撥弦機(jī)構(gòu)的運(yùn)動極限參數(shù)設(shè)計如下（單位為mm）：

以A為原點(diǎn)，設(shè)置圖示坐標(biāo)系，則可計算出：

通過計算分析可知，撥桿末端的移動幅度滿足人手撥弦時，3～8mm琴弦撥動幅度的設(shè)計要求。

模型2是一個杠桿機(jī)構(gòu)，如圖4所示。氣缸2的主要作用是避免撥桿返回的時候觸碰到琴弦，因此這里只分析當(dāng)氣缸1作用到最長時的情況，此時AB長97mm。

AB=AB′=97；AE=AE′=56；BC=B′C′=32；AF=60；EF=60；E′F=70

由余弦定理可知：

帶入數(shù)據(jù)可得：

以A為原點(diǎn)，設(shè)置圖示坐標(biāo)系，則可計算出：

B=（-97，0）

B′=（-94.9，20.1）

駐B=B′-B=（2.1，20.1）

通過計算分析可知，在氣缸1返回前先啟動氣缸2，可以防止撥桿觸碰琴弦。

5 其它裝置設(shè)計方案

5.1 調(diào)速裝置設(shè)計方案

在撥弦機(jī)構(gòu)和壓弦機(jī)構(gòu)中都使用了調(diào)速機(jī)構(gòu)，其采用標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)進(jìn)行控制，舵機(jī)通過齒輪組改變節(jié)流閥進(jìn)氣口的大小控制氣流大小，從而改變壓弦和撥弦的力度，如圖5所示。

圖5 調(diào)速裝置Fig.5 Speed Regulating Device

5.2 撥弦機(jī)構(gòu)消音裝置設(shè)計方案

消音機(jī)構(gòu)由氣缸、支架、滑塊和硅膠條組成，如圖6所示。其中氣缸帶動滑塊在支架的內(nèi)部凹槽中上下移動；支架可將整個消音機(jī)構(gòu)固定在琴頭或琴尾上；硅膠條內(nèi)嵌于滑塊底部，其作為彈性材料，在氣缸的作用下直接接觸琴弦，效果類似用手指肚輕撫琴弦來減弱琴弦的震動，多用于控制延音的時間。

圖6 消音機(jī)構(gòu)Fig.6 Silencing Mechanism

6 測試及數(shù)據(jù)分析

6.1 基本動作測試

通過機(jī)械加工、3D打印、電路制作等加工制作技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了前文所述的設(shè)計內(nèi)容，樣機(jī)實(shí)物，如圖1所示。通過對樣機(jī)進(jìn)行基本動作測試、音符測試和樂譜演奏測試的結(jié)果表明，本設(shè)計的樣機(jī)功能和性能滿足設(shè)計要求，可以完成吉他樂譜的自動演奏，詳細(xì)測試內(nèi)容如下文所述：

自動演奏系統(tǒng)的基本動作分為撥弦動作、壓弦動作。分別對各基本動作進(jìn)行了測試和記錄。測試結(jié)果表明系統(tǒng)的撥弦和壓弦環(huán)節(jié)精度非常高，正確率達(dá)到了100%，如表1所示。

表1 基本動作測試記錄表Tab.1 The Record Sheet of Basic Action Test

由上述實(shí)驗數(shù)據(jù)可知，撥弦動作、壓弦動作、消音動作功能正常。

6.2 音符測試

演奏時，壓弦的位置、撥弦的弦號等因素會影響發(fā)音，而音符發(fā)音是否準(zhǔn)確，則直接影響著演奏效果。每個音符的頻率是唯一確定的，通過測量發(fā)音的頻率來驗證演奏音符是否準(zhǔn)確。測試結(jié)果，如圖7所示。音符測試記錄表，如表2所示。

圖7 音符測試圖Fig.7 Note Test Chart

表2 音符測試記錄表Tab.2 The Record Sheet of Note Test

由上述實(shí)驗數(shù)據(jù)可知，設(shè)計制作的樣機(jī)演奏樂符的頻率誤差較小，滿足設(shè)計要求（普通人耳的頻率辨別閾為（0.1～0.45）%）。

6.3 樂譜演奏測試

此次測試選用的樂譜為小星星（C大調(diào)），此曲共有24小節(jié)，每小節(jié)需演奏2個音符，實(shí)際演奏24小節(jié)，共演奏48個音符，演奏時常為1分23秒。在試驗過程中，撥弦機(jī)構(gòu)共工作48次，未卡弦，除氣泵聲音外未有雜音，壓弦機(jī)構(gòu)共工作24次，按壓正常，音高準(zhǔn)確，未有疵音。消音機(jī)構(gòu)共工作6次，按壓正常，消音效果顯著。

7 總結(jié)

主要對機(jī)器人樂隊的核心--自動演奏機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)功能和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）在電腦上編輯樂譜，通過通訊端口將樂譜和演奏命令遞給演奏系統(tǒng)控制器，演奏系統(tǒng)對接收到的樂譜進(jìn)行分析、分解執(zhí)行演奏動作，完成樂譜的自動演奏；

（2）通過分析人類在彈奏時的動作，根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計演奏機(jī)構(gòu)，完成各演奏機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)論選用適當(dāng)驅(qū)動形式；

（3）設(shè)計并實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動方式電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動方式的實(shí)時控制。