基于Arduino的木偶戲機器人

周榆準 王邦洲 胡彬 劉敏 賈嫣

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，我國在國際上的地位日益增長的同時，國家領(lǐng)導入也在鼓勵廣大青年要善于將傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代科技相結(jié)合，去其糟粕，取其精華，形成一種新的文化。故本文主要介紹如何基于Arduino將傳統(tǒng)文化進行改變，完成傳統(tǒng)文化的繼承與創(chuàng)新的目標。木偶戲又稱為傀儡戲，主要是用木偶表演故事的戲劇，是我國傳統(tǒng)藝術(shù)之一川。本文使用Arduino制作木偶戲機器人，利用金屬齒輪數(shù)字標準舵機進行提線控制木偶的四肢，自動完成木偶戲最簡單最基本的動作表演。

關(guān)鍵詞：傀儡戲;機器人;Arduino;舵機

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）04-0242-02

收稿日期：2019-11-21

基金項目：甘肅農(nóng)業(yè)大學省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：201810733011）

作者簡介：賈嫣（1978—），山西太原人，碩士，副教授，通信作者，主要研究方向為數(shù)字圖像處理。

Arduino-based Puppet Show Robot

ZHOU Yu-huai，W ANG Bang-zhou，HU Bin，LIU Min，JIA Yan

（School of Information Science and Technology，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China）

Abstract：With the rapid development of science and technology，China's position in the world is growing day by day，at the same time，the national leaders are also encouraging the majority of young people to be good at combining traditional culture with modern science and technology，to get rid of its bad situation，take its essence，and form a new culture.Therefore，this paper mainly introduces how to change traditional culture based on Arduino to achieve the goal of inheritance and innovation of traditional culture.As one of the tradi is used to make a puppet robot，and the metal gear digital standard steering engine is used to control the limbs of the puppet with strings，so as to automatically complete the simplest and most basic action performance of the puppet show.tional arts in China，puppet plays，also known as puppetry，are mainly plays that use puppets to perform stories ['].In this paper，Arduino

Key words：puppet show;robot;Arduino;steering engine

1 概述

我國有著上下五千年的歷史，是四大古國中唯一個沒有文化斷層的國家，而木偶戲就是我國五千年歷史長河中的一點星光。木偶戲源于漢，興于唐，三國時期已有偶人可進行雜技表演，隋代則開始用偶人表演故事[1]。宋代黃庭堅也在《涪翁雜說》中說：“傀儡戲，木偶人也?；蛟划敃龝?，蓋象古之魁曇之士，仿佛其言行也。”2006年5月20日，木偶戲經(jīng)國務院批準列人第一批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。

木偶戲是臺灣民間最神秘詭異的劇種，一般民間戲曲多為廟會酬神之用，兼具娛神、娛人特色，唯獨傀儡戲以除煞禳災為主要功能，除必要的工作人員及主事者外，并不歡迎一般“閑雜人等”，而除煞儀式所使用的咒語、手訣、符咒及法索、七星劍等法器，也使傀儡戲更具神秘色彩[2]。隨著朝代更替與文化的相互交融與碰撞，慢慢地木偶戲被用于表演，表演時，演員在幕后-邊操縱木偶，一邊演唱，并配以音樂。但是由于近現(xiàn)代外來文化的入侵、人們生活節(jié)奏的變化和娛樂方式的改變，木偶戲的傳承和發(fā)展面臨著前所未有的困難。把科學技術(shù)與傳統(tǒng)文化相互結(jié)合，是我們義不容辭的責任與義務。本項目是在上代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上重新對機械臂等基礎(chǔ)機構(gòu)進行了新的改進。

2 功能與結(jié)構(gòu)

2.1 Arduino控制器模塊

Arduino是一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面板，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。Arduino 包含兩個主要的部分[5]：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板;軟件部分是Arduino IDE程序開發(fā)環(huán)境。在IDE中編寫程序代碼，將程序;上傳到Arduino電路板后，Arduino主控板就會根據(jù)程序執(zhí)行相應的任務。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。主控板上

的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器[3]。

本系統(tǒng)所采用的主控板是Arduino UNO R3開發(fā)板，主控板主要負責接收按鈕發(fā)送的信號，在接收到信號后控制電機和舵機運轉(zhuǎn)，完成對電機的PWM調(diào)速和舵機的轉(zhuǎn)動角度控制，控制各個舵機運轉(zhuǎn)完成預期動作[4]。

2.2 PCA9685 16路12位PWM信號發(fā)生器

2.2.1 PCA9685 16路12位PWM信號發(fā)生器的簡介

在該作品中，PCA9685 16路12位PWM信號發(fā)生器是最主要的部件，該模塊使用I2C總線可控制16路PWM輸出，每路12位分辨率（4096級），其內(nèi)置25MHz晶振，可以不連接外部晶振，也可以連接外部晶振，但是最大晶振為50MHz。該模塊支持2.3-5.5V電壓，最大耐壓值為5.5V，該模塊還具有上電復位及軟件復位等功能。在該模塊使用過程中，必須確定I2C地址，通過焊接A5-A0確定模塊的I2C地址，如果不做任何焊接，默認地址是0x80，其V+引腳用于給舵機供電。在本次實驗中使用十個舵機，來分別控制兩個人偶完成相應的動作。

2.2.2 精度控制

如果假設(shè)舵機為50Hz的控制頻率，脈寬為0.5ms-2.5ms，12位分辨率（4096級），相關(guān)精度計算如下：

·PWM周期：

·時間分辨率：

·最大脈寬時間：

·最大脈寬時間可分成的份數(shù)：

.0-180o的舵機，角度分辨率為：

2.3 供電模塊

供電模塊由5V可充電電池和9V干電池組成，9V干電池用于給Arduino控制器供電，5V電池用于PCA968516路12位PWM信號發(fā)生器供電。Arduino 5V引腳接PCA968516 路12位PWM信號發(fā)生器Vec引腳供電示意圖如下：

2.4 硬件連接說明

Arduino通過庫函數(shù)來驅(qū)動PCA968516路12位PWM信號發(fā)生器，它們的具體連接如圖2所示。

2.5 機械臂的結(jié)構(gòu)與組成

機械臂由一個JX11092.5Kg大金屬舵機和四個MG90S 9g金屬舵機組成，2.5Kg金屬舵機用來控制木偶轉(zhuǎn)身，其他四個9g金屬小舵機分別控制木偶的四肢，通過五個舵機的相互配合木偶可完成一些較為復雜的動作，本實驗中使用完全相同的兩個機械臂來控制兩個木偶，通過編程控制舵機轉(zhuǎn)動不同的角度來實現(xiàn)相應的動作，在、再配以音樂，可以完成簡單的木偶戲表演。

2.5.1 舵機

舵機是由直流電機、控制電路板、可調(diào)電位器、變速齒輪組等組成，（如圖2所示）這些器件被封裝在舵機外殼里，簡單地來說，舵機就是一個封裝 好的伺服馬達，英文Servo。

其簡單的工作原理是：控制電路電路接收控制源的信號，并控制小型直流電機轉(zhuǎn)動，變速齒輪組將電機的轉(zhuǎn)速成倍的縮小，并將電機的輸出扭矩放大相應的倍數(shù)，然后進行輸出?？烧{(diào)電位器和變速齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機軸轉(zhuǎn)動的角度，控制電路板檢測并根據(jù)可調(diào)電位器判斷舵機轉(zhuǎn)動角度，以達到控制舵機轉(zhuǎn)動相應角度的目的。實驗所用的舵機外殼是塑料外殼，舵機散熱效果并不理想，對實驗結(jié)果有輕微的影響，如使用金屬外殼舵機，能大大提高舵機的散熱效果。變速此輪組按照材料的不同也分為：塑料此輪組、金屬此輪組和混合此輪組。塑料齒輪組價格低廉，噪音小，但是強度較低。金屬此輪組一般噪聲大，價格相比于塑料齒輪組要貴，但是強度高?；旌淆X輪組在金屬齒輪組和塑料齒輪組間做了折中，如電機輸出扭矩不大時，一般采用塑料齒輪。

2.5.2 機械臂的物理結(jié)構(gòu)

第一代實驗作品采用如下機械臂機構(gòu)：

第一代機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示，由1個大扭力舵機.和4個9g舵機構(gòu)成，能夠基本滿足提線木偶戲表演的操作需求，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、易組裝的特點，同時也滿足了提線木偶表演的強度需要。舵機A為大扭力舵機，通過轉(zhuǎn)動，帶動十字架型機械臂及4個9g舵機的位置移動，從而實現(xiàn)提線木偶的轉(zhuǎn)身動作。舵機1、舵機2、舵機3、舵機4為9g舵機，每個舵機上分別牽引著木偶雙手和雙腳上的線，通過程序控制每個舵機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對木偶的每條胳膊、每條腿的控制，完成較為復雜的動作。每個舵機上分別牽引著木偶雙手和雙腳上的線，通過程序控制每個舵機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對木偶的每條胳膊、每條腿的控制，完成較為復雜的動作[4]。

第二代實驗作品采用如下機械臂機構(gòu)：

機械臂最上方是一個2.5Kg大舵機，該舵機固定在舞臺的上方的橫梁上，大舵機的下方是一個“工”字形的舵機支架，大，舵機的轉(zhuǎn)動軸固定在“工”字支架的中間位置，當大舵機轉(zhuǎn)動時可以控制其下方的其他結(jié)構(gòu)和木偶轉(zhuǎn)動，以達到轉(zhuǎn)身效果?！肮ぁ弊中徒Y(jié)構(gòu)的一端朝上開有四個小孔。另一端的近地面固定著是個9g小舵機，小舵機的轉(zhuǎn)動軸上固定著條形結(jié)構(gòu)長度剛好到達小孔下方，木偶四肢的提線由，上至下穿過小孔固定在條形結(jié)構(gòu)的末端。當四個小舵機開始擺動時，木偶四肢的提線被拉動，以此控制木偶四肢的運動。

第一代實驗作品因為舵機在運動時，控制木偶的提線不在同一水平線上抽動，導致木偶在運動時會出現(xiàn)極不協(xié)調(diào)的肢體動作。在重新設(shè)計機械臂結(jié)構(gòu)以后，人偶肢體協(xié)調(diào)度得到顯著改善。

3 實驗結(jié)果

該實驗可以通過編程實現(xiàn)對舵機多個舵機進行控制，多個舵機相互配合可以實現(xiàn)不同的動作，如抬手遮臉行走移動、轉(zhuǎn)身、抬腿等動作，各動作相互配合，再配上傳統(tǒng)木偶戲音樂，基本可以完成簡單的表演，在該實驗中，我們選的木偶人物為神話人物七仙女和董永，所選音樂為黃梅戲天仙配選段。

參考文獻：

[1]葉明生.中國傀儡戲史-古代、近現(xiàn)代卷，Antiquity to moderm periods：古代、近現(xiàn)代卷Antiquity to modern periods[M].北京：中國戲劇出版社，2017.

[2]葉明生.臺灣傀儡戲探源[J].臺灣研究，2004（6）：52-55.

[3]閆洪猛.基于Arduino的移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（7）：106.

[4]周榆淮，賈嫣，孫文燕，等.基于Arduino的提線木偶戲機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（18）：193-195.

[通聯(lián)編輯：梁書]