傳承閩南文化的布袋木偶機械臂改造與實現(xiàn)

肖怡欣，張煌杰，張世超，林凡（通訊作者）

（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州，363000）

0 引言

布袋木偶戲是福建省的傳統(tǒng)戲劇，是傳統(tǒng)藝術(shù)的瑰寶，國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)之一。最初在福建泉州地區(qū)形成并得到繁衍，而后在晉江、惠安和漳州等地區(qū)得到廣泛傳播。在新中國成立后，南派布袋戲的發(fā)展重新煥發(fā)出生機，大部分南派布袋戲戲曲形式得到了良好傳承，在地區(qū)范圍內(nèi)得到發(fā)展，并獲得了國家級的榮譽[1]。布袋木偶的藝術(shù)特點可用“形神俱佳” 來總結(jié)，木偶的頭部是使用銀木或柚木雕琢而成，臉的顏色則是使用褐石上色，制作布袋木偶的師傅會根據(jù)人物的不同特征，用墨汁繪制出相應(yīng)人物的五官。人物分為“文將、武將、刀馬旦等”許多形象，布袋木偶的外形特點具有十分濃厚的地方特色和民族特色，忠奸分明，符合大眾的審美。布袋木偶的藝術(shù)曲調(diào)也風(fēng)格迥異，唱腔與唱詞不盡相同，每一曲風(fēng)都飽含歷史風(fēng)韻。

現(xiàn)如今布袋木偶戲這項民間傳統(tǒng)藝術(shù)正面臨著技藝失傳的難題，時代的變遷和科技的發(fā)展使布袋木偶戲的傳承情況不容樂觀，年輕人鮮有愿意去深入了解進而學(xué)習(xí)布袋木偶技藝的[2]。布袋木偶的傳承具有時代性的意義，于地域文化而言，布袋木偶藝術(shù)作為現(xiàn)存最質(zhì)樸珍貴的活態(tài)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，具有豐富的造型藝術(shù)與表演藝術(shù)雙重屬性。于高校文化自覺而言，提倡將布袋木偶戲引入高校，走進課堂，有利于為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承提供新的方法和途徑，為非遺保護、傳承找到新的路徑和平臺，為非遺傳承和學(xué)校藝術(shù)教育搭建橋梁[3]?；诖?，本文提出結(jié)合機械臂改造和設(shè)計來實現(xiàn)布袋木偶戲劇的演繹，將傳統(tǒng)藝術(shù)與科技創(chuàng)新相結(jié)合，增加布袋木偶戲的趣味性和多樣性，以期激發(fā)年輕人的興趣，達到文化傳承的目的。

1 機械臂硬件改造

通過走訪布袋木偶戲的表演藝術(shù)家，發(fā)現(xiàn)布袋木偶戲的控制技巧有許多講究，要將右手拇指伸入布袋木偶左手內(nèi)，食指伸入布袋木偶的頭部支撐柱偶頭，中指、無名指和小拇指伸入布袋木偶的右手內(nèi)。以此形式來利用手掌與五指的搖擺和張合來操縱布袋木偶的偶頭和身體，通過手指就可以表現(xiàn)出不同的立姿、頭姿、手姿、步姿[4]。指的注意的是，布袋木偶戲操偶的首要規(guī)則就是食指必須保持豎直向上，因為木偶的頭部在表演中必須保持直立。布袋木偶表演手部姿勢如圖1(a)所示。

圖1 硬件改造圖

采用的機械臂是模擬人手的外觀進行設(shè)計，由亞克力板制成機械臂的手掌，通過組裝條形亞克力板連接組成五根手指，其外形如圖1(b)所示。存在的主要問題：材料為亞克力板較為僵直，沒有彈性，且手指各關(guān)節(jié)比真人手指略長；大拇指與食指角度呈90°，與布袋木偶戲表演的手指開合度不同；食指并不是豎直向上的，不符合布袋木偶戲的表演所需手部動作基本要求；整體重量較重，套上布袋木偶后顯得笨重，運動時整體重心不穩(wěn)。

改造機械臂首先拆除了部分手指關(guān)節(jié)，縮短了小拇指的長度，使之與真人手指更接近；進而對大拇指部位重新鉆孔，將大拇指角度進行調(diào)整，重新組裝；接著調(diào)整整個手掌的角度，使食指豎直朝上，能夠更好地支撐整個布袋木偶；最后舍去了中指與無名指，雖然這不符合人體構(gòu)造，但是在布袋木偶戲表演中，中指、無名指、小拇指三指的作用都是控制布袋木偶的右手，且這個做法既讓布袋木偶看起來不那么臃腫，而且還減輕了手掌的重量，使整體重心穩(wěn)定達到表演所需的條件[5]。改造后機械臂外形如圖1(c)所示。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

通過現(xiàn)場觀看、學(xué)習(xí)并錄制閩南布袋木偶戲的一些經(jīng)典劇目片段，后對視頻進行仔細研究，將木偶表演藝術(shù)家所呈現(xiàn)的人物動作、姿態(tài)、音效配合等進行細致的分解、記錄。使用PC上位機編寫分解后的動作指令，存儲并下載。進而通過單片機控制5路舵機控制模塊對各個舵機的角度和速度進行調(diào)整，從而靈活控制改造后機械臂的各個關(guān)節(jié)，實現(xiàn)布偶動作演繹。結(jié)合MP3音樂播放模塊同步播放戲曲音效及對白，并利用PS2無線手柄控制實現(xiàn)不同角色布袋木偶之間的協(xié)調(diào)表演。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

中央控制器采用了STM32F103C8T6單片機，由定時器產(chǎn)生的5路PWM脈沖通過串口輸出到大拇指、食指、小指微型舵機及手腕、底盤數(shù)字舵機，控制關(guān)節(jié)的運動。Flash存儲器采用W25Q64芯片，存取在PC上位機上編寫的動作指令轉(zhuǎn)化而成的數(shù)據(jù)字符串。MP3音樂模塊采用MP3-TF-16P，PS2無線手柄控制模塊通過SPI通信協(xié)議實現(xiàn)角色表演切換和劇目切換，另外系統(tǒng)還具有指示和欠壓報警提醒功能。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

■3.1 舵機控制模塊

機械臂各關(guān)節(jié)運動通過舵機控制實現(xiàn)，舵機由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成，有三條導(dǎo)線，分別為：電源線、地線、控制線，控制線用于傳輸控制信號。木偶表演中經(jīng)分解后的動作指令，存儲于存儲器中，單片機讀取存儲的動作指令，輸出PWM調(diào)制脈沖通過串口將信號發(fā)送給舵機，以此控制各路舵機的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。

由于木偶表演中要求機械臂手指關(guān)節(jié)的運動速度快、運動角度精確而細膩，所以采用微型防堵轉(zhuǎn)舵機。該類型舵機內(nèi)置堵轉(zhuǎn)保護算法，確保舵機不易因堵轉(zhuǎn)、碰撞而燒壞，這樣可以確保動作靈活且延長舵機使用壽命。微型防堵轉(zhuǎn)舵機尺寸圖如圖3所示。該舵機的控制方式為PWM脈寬控制，脈寬范圍為500~2500μs，對應(yīng)角度0~180°。

圖3 微型堵轉(zhuǎn)舵機尺寸圖

表演中的大幅度動作的完成則要求機械臂平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)底座和轉(zhuǎn)動手腕，這需要較大的力量，且要求線性度高，旋轉(zhuǎn)角度能被精準(zhǔn)控制，因此采用數(shù)字金屬齒輪舵機。選擇堵轉(zhuǎn)扭力為17kgf·cm，且采用柔啟動方式，延長舵機使用壽命。該舵機的控制方式為PWM脈寬控制，脈寬范圍為500~2500μs，對應(yīng)0~270°。數(shù)字金屬齒輪舵機尺寸圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字金屬齒輪舵機尺寸圖

■3.2 MP3音樂模塊

戲曲音效及對白通過MP3-TF-16P音樂模塊進行播放，該模塊自帶TF內(nèi)存卡，可以存儲預(yù)先下載的戲曲錄音，音樂播放時指示燈亮起。該模塊連接中央控制器的總線舵機接口接收音樂播放指令，MP3音樂模塊接線如圖5所示。

圖5 音樂模塊接線圖

■3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要是實現(xiàn)單片機、串口等初始化、啟動定時器設(shè)置、上下位機通訊、PWM輸出等功能。根據(jù)布袋木偶表演的不同劇目片段中布偶精細分解動作，使用PC上位機編寫分解后的動作指令，設(shè)置好動作延時，存儲到Flash存儲器中，形成一套完整的動作組指令，方便后續(xù)直接調(diào)用[6]。單片機根據(jù)PS2的按鍵狀態(tài)，將存儲器中動作指令讀取后，通過定時器的時序來輸出相應(yīng)的PWM調(diào)制波形，并通過串口輸出控制各個舵機轉(zhuǎn)動角度及速度。程序總流程圖如圖6所示。

圖6 程序總流程圖

多個舵機的同時控制利用定時器中斷來實現(xiàn)。舵機控制信號的最高電平時間為2.5ms，故而將舵機20ms的周期分成8份，用8份時間分別完成8個舵機控制。此外，為了保證舵機執(zhí)行時的平滑性，使舵機能夠進行速度控制，設(shè)計了舵機速度控制模塊[7]。該模塊讓五個舵機單獨實現(xiàn)不同角度和不同速度的轉(zhuǎn)動。該模塊使用脈沖細分法，即將預(yù)期的PWM值劃分成若干個PWM的值，舵機的每個角度則對應(yīng)于不同的PWM值，這個值可以使舵機從起始位置經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)動后到達預(yù)期的位置。由于舵機的控制信號周期通常為20ms，而舵機的PWM脈寬范圍為500-2500μs，所以舵機需要轉(zhuǎn)動N次才能產(chǎn)生一次預(yù)期PWM值，期間所需的時間為20ms＊N，這樣就可以達到速度控制的目的。舵機速度控制流程圖如圖7所示。舵機通過數(shù)據(jù)插補，從而能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制。

圖7 舵機速度控制流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

完成系統(tǒng)調(diào)試后，分別用兩套機械臂來操控兩個布袋木偶，實現(xiàn)閩南布袋木偶戲雙人武斗橋段的演繹，達到了較為滿意的測試效果，測試現(xiàn)場照片如圖8所示。

圖8 雙人武斗布袋木偶戲表演

表演中，布袋木偶的每個動作，包括動作幅度、角度、節(jié)奏、時長等，都與藝術(shù)家表演的較為吻合。戲曲鼓點、音樂配合同步、融洽，整段布袋木偶戲惟妙惟肖，具有觀賞性。通過PS2無線手柄按鍵控制可以靈活選取表演的角色，或者切換表演劇目，如《鐘馗元帥》、《大名府》等經(jīng)典木偶戲片段。

但是，機械臂相較于人手靈活度與伸展度還是有限，雖然在設(shè)計過程中已經(jīng)進行許多改裝，但是受一些部件限制，導(dǎo)致部分精細動作（如控制布偶甩袖）無法達到藝術(shù)家的表演效果，表演時略顯生硬。后續(xù)改進上，可以考慮增加機械臂的自由度，增加幾個關(guān)節(jié)，更細分舵機轉(zhuǎn)動的角度，使其更加靈活，動作更加多變。

5 結(jié)語

本次的設(shè)計是現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)文化交融的嘗試，讓機械臂代替人手來演繹布袋木偶戲，增加該傳統(tǒng)文化的多元性、趣味性。讓閩南布袋木偶文化融入于科學(xué)技術(shù)中，用科技語言來保留傳統(tǒng)文化精粹，使傳統(tǒng)文化能通過科技更好地在年輕人中學(xué)習(xí)、傳承。筆者感嘆中華文化的博大精深以及傳承優(yōu)秀中華文化的重要性，現(xiàn)代科技高速發(fā)展，但優(yōu)秀傳統(tǒng)文化不能因此被遺忘，可以充分利用現(xiàn)代科技對其進行推廣并傳承。