基于STM32的智能皮影戲設(shè)備

王懿品 楊斌 耿 方建華 任宇 戚本正

摘 要：文中針對(duì)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)—皮影戲如何融入新時(shí)代、如何傳承和保護(hù)的問題，設(shè)計(jì)了一套智能皮影戲設(shè)備。該設(shè)備硬件部分由三支基于STM32的六自由度機(jī)械臂及亞克力外殼組成，軟件部分利用PC端上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與智能皮影戲設(shè)備的連接，再配合聲、光實(shí)現(xiàn)對(duì)皮影戲的還原、記錄和保護(hù)。首先，使用者利用PC端上位機(jī)將每支機(jī)械臂的6個(gè)舵機(jī)根據(jù)需要調(diào)整出不同角度，并將不同角度自由組合，設(shè)計(jì)出皮影戲人物的分解動(dòng)作，將每一場皮影戲需要的動(dòng)作編成一個(gè)動(dòng)作組，點(diǎn)擊運(yùn)行即可完成表演。實(shí)驗(yàn)及調(diào)研結(jié)果表明，本設(shè)備可結(jié)合聲、光、電完成對(duì)皮影戲表演的高度還原，執(zhí)行過程較為簡單，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定，皮影戲錄入設(shè)備使用方便，受到傳承人及大眾的一致好評(píng)。

關(guān)鍵詞：智能皮影戲設(shè)備;STM32;上位機(jī);機(jī)械臂;非物質(zhì)文化遺產(chǎn);皮影戲

中圖分類號(hào)：TP242;TP368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的青年人更關(guān)注著事物的娛樂價(jià)值，而非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。皮影戲因傳承人減少、趣味度低等原因正瀕臨消失[1-2]。

智能設(shè)備是當(dāng)下的熱門產(chǎn)品，也是萬物互聯(lián)時(shí)代廣大群眾關(guān)注的重點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人們生活水平日益提高，消費(fèi)重點(diǎn)由柴米油鹽、日常起居轉(zhuǎn)移到如何提高生活質(zhì)量上。據(jù)調(diào)查，市場上少有專為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)設(shè)計(jì)的智能設(shè)備，智能設(shè)備與傳統(tǒng)文化相結(jié)合是非遺保護(hù)的必然趨勢(shì)[3-4]。

文中設(shè)計(jì)的基于STM32的智能皮影戲設(shè)備是迎合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展潮流，將傳統(tǒng)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)與電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件開發(fā)、機(jī)械構(gòu)造、人機(jī)交互等多種技術(shù)相結(jié)合，用以記錄、傳承和發(fā)揚(yáng)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)—皮影戲的一種智能設(shè)備。該設(shè)備在硬件方面做到對(duì)皮影戲進(jìn)行高度還原，也可以通過上位機(jī)操控，讓更多人親自體會(huì)皮影戲創(chuàng)作的樂趣。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。該設(shè)備選用STM32單片機(jī)作為核心處理器，其每一支機(jī)械臂均基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)備接入電源后，所有舵機(jī)復(fù)位到指定角度。將皮影的三根挑桿分別固定在機(jī)械臂首端特殊設(shè)計(jì)的卡槽內(nèi)，通過串口通信與PC端連接、通過藍(lán)牙與移動(dòng)端連接。通過上位機(jī)改變每支機(jī)械臂6個(gè)舵機(jī)的角度，三支機(jī)械臂每一幀共同的動(dòng)作構(gòu)成一個(gè)動(dòng)作組，通過使用者編碼的不同動(dòng)作組完成皮影戲表演。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備內(nèi)部由三支六自由度的機(jī)械臂、皮影箱（63 cm×63 cm×78 cm）、幕布（78 cm×63 cm）、藍(lán)牙播放器及一套LED照明裝置構(gòu)成，設(shè)備模型如圖2所示。

控制皮影的3支六自由度機(jī)械臂使其在二維平面及三維空間內(nèi)靈活、自由的活動(dòng)，3支機(jī)械臂配合，使皮影人物擺出操作者想要表現(xiàn)的姿勢(shì)。每個(gè)機(jī)械手的6個(gè)自由度分別為肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和彎曲擺，大臂的彎曲擺，小臂的彎曲擺，手腕和手握的旋轉(zhuǎn)。

機(jī)械手的底座固定，連接到底座的肩部可以360°旋轉(zhuǎn)，連接到肩部的手臂可以90°擺動(dòng)，手腕可以旋轉(zhuǎn)180°或擺動(dòng)90°，爪子末端可以-90°擺動(dòng)，爪子部分通過一對(duì)齒輪旋轉(zhuǎn)。通過爪子的打開和關(guān)閉可以實(shí)現(xiàn)夾緊操作。

機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快，且均為180°電機(jī)，便于控制。3個(gè)機(jī)械臂V字型固定在皮影箱內(nèi)，使得機(jī)械臂上固定的皮影可在幕布上自由活動(dòng)而不受前后距離的影響。

皮影箱中央為LED照明裝置，可高度還原皮影戲真實(shí)表演時(shí)的燈光狀態(tài)，使幕布前盡可能呈現(xiàn)出最真實(shí)的皮影戲表演，藍(lán)牙播放器為皮影戲表演播放音樂。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備以STM32F103系列芯片為控制核心，該單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，芯片為3.3 V供電。

該單片機(jī)共有64個(gè)引腳，可以保證機(jī)械臂正常運(yùn)行;有128 KB的閃存存儲(chǔ)器，能夠在單片機(jī)中下載230種不同類型的動(dòng)作組文件?？刂瓢宓恼９ぷ麟妷悍秶鸀?.4～8.4 V，低于6.4 V時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出低壓報(bào)警信號(hào)，提醒使用者及時(shí)充電。CH340實(shí)現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)串口與PC端的串口操作。USB接口用于下載程序、動(dòng)作組及調(diào)試機(jī)械臂，只需連接電腦打開上位機(jī)即可，為調(diào)試提供了極大便利。同時(shí)也可以通過藍(lán)牙連接手機(jī)（下載配套APP），操控機(jī)械臂正常運(yùn)行動(dòng)作組文件。在控制板上，預(yù)留了3.3 V，5 V端口，控制板可為外接設(shè)備提供電源[4-7]。系統(tǒng)主要電路如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件流程介紹

皮影表演方式：當(dāng)選擇圖形界面操作時(shí)，可通過拖動(dòng)圖像界面皮影的各部位按照規(guī)定方向進(jìn)行表演，或通過圖像的參數(shù)變化，將參數(shù)傳遞給舵機(jī)進(jìn)行表演。軟件使用流程如圖4所示。

當(dāng)選擇使用舵機(jī)表演時(shí)，可以選擇導(dǎo)入已有動(dòng)作，或手動(dòng)改變舵機(jī)參數(shù)控制舵機(jī)進(jìn)行皮影表演。

從FLASH中對(duì)應(yīng)位置讀出動(dòng)作數(shù)據(jù)，然后調(diào)用ServoSetPluseAndTime函數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作運(yùn)行。這中間還添加有判斷數(shù)據(jù)，用以判斷操作是否被正確處理，防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)后的錯(cuò)誤動(dòng)作。為能夠執(zhí)行一個(gè)完整的動(dòng)作組，就需要讓程序在執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作后延時(shí)該動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)超過執(zhí)行時(shí)間后，則認(rèn)為該動(dòng)作執(zhí)行完畢，開始執(zhí)行新的動(dòng)作（函數(shù)檢查動(dòng)作組運(yùn)行標(biāo)志為真則執(zhí)行動(dòng)作組，否則不執(zhí)行）。

SystemTickCount是程序開始運(yùn)行到此刻所經(jīng)過的時(shí)間（ms）。當(dāng)下時(shí)間加上動(dòng)作運(yùn)行的時(shí)間即為動(dòng)作運(yùn)行完成的全過程時(shí)間。當(dāng)?shù)竭_(dá)該時(shí)間時(shí)，則認(rèn)為動(dòng)作運(yùn)行完成或動(dòng)作組運(yùn)行完畢。

4.2 系統(tǒng)軟件實(shí)測

通過鼠標(biāo)或移動(dòng)端觸摸屏拖動(dòng)皮影的關(guān)節(jié)控制皮影進(jìn)行動(dòng)作表演。皮影身上共有6個(gè)固定點(diǎn)，對(duì)應(yīng)皮影的6個(gè)可動(dòng)部位，ID1～I(xiàn)D6分別對(duì)應(yīng)皮影的右小臂、右大臂、左小臂、左大臂、左腿、右腿。軟件界面如圖5所示。

每當(dāng)皮影的部位發(fā)生變化后，ID都會(huì)從起始點(diǎn)更改為終止點(diǎn)，可通過改變ID的數(shù)值進(jìn)行皮影表演。

皮影每個(gè)部分對(duì)應(yīng)不同的按鈕，通過不同的串口連接機(jī)械臂進(jìn)行控制。記錄皮影不同部位改變時(shí)的各部位坐標(biāo)點(diǎn)，實(shí)時(shí)調(diào)用函數(shù)，將參數(shù)傳遞給不同機(jī)械臂的舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像界面皮影控制。

根據(jù)上位機(jī)的ID順序給機(jī)械臂的每個(gè)舵機(jī)標(biāo)注ID，通過調(diào)節(jié)舵機(jī)位置范圍來控制舵機(jī)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。軟件設(shè)置包括在線運(yùn)行功能、循環(huán)運(yùn)行功能等。

當(dāng)編輯好皮影的表演動(dòng)作后，可以將動(dòng)作文件保存到上位機(jī)，或者從上位機(jī)導(dǎo)入已編輯好的動(dòng)作進(jìn)行在線表演。

5 系統(tǒng)實(shí)測運(yùn)行

將設(shè)備接通電源后，各機(jī)械臂復(fù)位到指定位置，打開在上位機(jī)中提前編輯好的動(dòng)作組，點(diǎn)擊運(yùn)行，經(jīng)多次測試，設(shè)備可以按照動(dòng)作組的設(shè)置進(jìn)行皮影戲表演，配合實(shí)錄的正宗皮影戲唱腔和暖黃色燈光，高度還原了傳統(tǒng)的皮影戲表演，實(shí)現(xiàn)了皮影戲記錄和保護(hù)的目的。設(shè)備實(shí)物如圖6所示。

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于STM32的智能皮影戲設(shè)備。該設(shè)備可以還原、記錄、傳承、保護(hù)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)—皮影戲。經(jīng)實(shí)地調(diào)研及多方考察，該設(shè)備能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)的皮影戲藝人提供與時(shí)代背景相符的保護(hù)和記錄方法，將非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)落在實(shí)處。通過借力大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、人工智能等技術(shù)，非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)形式將更加豐富。

注：本文通訊作者為楊斌。

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