一種彈鋼琴機電裝置的設(shè)計

秦承運

（合肥探奧自動化有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著計算機技術(shù)、電氣自動化技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，彈鋼琴機器人、彈唱機器人、下棋機器人、樂隊指揮機器人等眾多教育類型的能夠體現(xiàn)科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的機器人被陸續(xù)創(chuàng)造出來，該類機器人最先被普通百姓所了解，在各種場合的展覽展示出來。

彈鋼琴機器人作為該類機器人的典型代表，在1984年，日本科學(xué)家研發(fā)出名為WABOT-2的彈琴機器人[1]，后來還出現(xiàn)了包括踏板控制的彈鋼琴機器人[2]；2010年，臺灣展覽上第一次出現(xiàn)了可以用10根手指彈鋼琴的機器人；意大利科學(xué)家研制出音樂機器人“泰奧·特尼克”，擁有19根手指，可以演奏任何旋律或歌曲[3]。該類彈鋼琴機器人為了表現(xiàn)出技術(shù)的先進性和展覽的精彩程度，其功能設(shè)計往往比較復(fù)雜，從而其結(jié)構(gòu)設(shè)計也比較精密。但對于普通觀眾而言，只能從觀看機器人表演中領(lǐng)略高新科技的快速發(fā)展，而對其具體機電機構(gòu)的運作方式很難理解。

本設(shè)計的一種彈鋼琴機電裝置，采用模擬人雙臂和雙手的形式簡單設(shè)計“雙臂機構(gòu)”和“雙手機構(gòu)”，并采用相對簡單的伺服電機和氣動元件作為驅(qū)動設(shè)備，實現(xiàn)彈奏鋼琴的功能需求，結(jié)構(gòu)較為簡單，可以讓人們不局限于觀看機器人表演來了解機器人，還可以通過認識機器人的機電機構(gòu)來揭開彈鋼琴機器人的神秘面紗，具有一定的應(yīng)用場景。

1 機電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體機構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過調(diào)研分析，若要使設(shè)計的機電裝置實現(xiàn)彈奏鋼琴的功能，就需要模擬出人手敲擊琴鍵的動作，在彈奏鋼琴時，人手主要有手部的左右移動和手指的上下敲擊這兩類動作，而模擬這兩類動作的難點在于如何準確定位左右移動和精確把握上下敲擊的時刻。為實現(xiàn)彈鋼琴動作的模擬，本文所述的機電裝置主要由雙臂機構(gòu)、雙手機構(gòu)、固定架等構(gòu)成，如圖1，固定架可以采用螺栓連接的形式固定于任一平臺上。

1.2 雙臂機構(gòu)的設(shè)計

人手在鋼琴琴鍵上進行左右移動時，會動用人體手臂的多個關(guān)節(jié)和肌肉同時聯(lián)動，這是個極為復(fù)雜的動作過程，而完全采用機電裝置的設(shè)計來模擬這一復(fù)雜過程是非常困難的。因此，在模擬人手左右移動這一動作時，設(shè)計采用簡化的電動實現(xiàn)小范圍的左右移動，以達到能夠彈奏鋼琴的目的，而不使雙臂機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

雙臂機構(gòu)由兩條模擬“人手臂”的單臂機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)控制機構(gòu)組成，單臂機構(gòu)主要由固定法蘭、肩部連接結(jié)構(gòu)、手臂和手連接板構(gòu)成，如圖2所示。手連接板、手臂和肩部連接結(jié)構(gòu)之間通過焊接的方式連接，三者通過固定法蘭利用螺栓連接固定于固定架上；手連接板可以與雙手機構(gòu)中的臂連接板通過螺栓進行連接。

圖2 單臂機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)控制機構(gòu)主要由電機、電機安裝法蘭和電機輸出法蘭構(gòu)成，如圖3所示。電機通過電機安裝法蘭采用螺栓固定于固定架上，通過電機輸出法蘭采用螺栓與單臂機構(gòu)相連接，電機的旋轉(zhuǎn)可帶動單臂機構(gòu)旋轉(zhuǎn)。

圖3 旋轉(zhuǎn)控制機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

雙臂機構(gòu)運行時的綜合表現(xiàn)為：電機帶動單臂機構(gòu)繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了單臂機構(gòu)手連接板一端在一定范圍內(nèi)的左右移動，也即是通過模擬手臂肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)了手部的小范圍左右移動。

1.3 雙手機構(gòu)的設(shè)計

人的手由5根手指組成，每根手指由若干骨骼和肌肉組成，手指的運動是靠各手指的肌肉組帶動各關(guān)節(jié)骨骼運動來實現(xiàn)的，彈鋼琴時手指對琴鍵的敲擊也會根據(jù)不同情況觸發(fā)不同的肌肉作用，而完全采用機電裝置的設(shè)計來真實模擬手指的復(fù)雜運動也是基本不可能的。因此，在設(shè)計機電機構(gòu)模擬上下敲擊琴鍵這一動作時，弱化手指由多個關(guān)節(jié)聯(lián)動運動的實際情況，而注重實現(xiàn)手指端部對琴鍵的上下敲擊，來簡化整個雙手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

雙手機構(gòu)由兩個單手掌機構(gòu)和手指控制機構(gòu)構(gòu)成，單手掌機構(gòu)主要由5根手指、臂連接板和手掌板構(gòu)成，如圖4所示，臂連接板可與雙臂機構(gòu)中的手連接板通過螺栓連接固定。每根手指由2個手指板夾著1個手指肚和1個手指頭構(gòu)成。手指尾部與手掌板通過手指軸連接，整根手指可以繞手指軸轉(zhuǎn)動；在手指尾部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)，穿過手指軸，其一端與手指尾部相連，另一端與手指控制機構(gòu)相連（圖5）。

圖4 單手掌機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖5 手指結(jié)構(gòu)圖

手指控制機構(gòu)主要由氣動元件、氣管、旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)、電磁閥等構(gòu)成見圖6。氣動元件采用氣缸，氣缸通過氣缸座固定在手掌機構(gòu)的手掌板上，氣缸驅(qū)動軸連接旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)的一端，旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)的另一端穿過手指軸固定于手指尾部；氣缸通過氣管與電磁閥連通，電磁閥控制氣缸輸出軸的伸出和縮回運動，伸出運動通過旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)驅(qū)動手指頭向上運動，縮回運動通過旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)驅(qū)動手指頭向下運動，從而實現(xiàn)手指指端的上下運動。

圖6 手指控制機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

雙手機構(gòu)運行時的綜合表現(xiàn)為：通過電磁閥控制氣缸輸出軸的伸出和縮回，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)杠桿傳動機構(gòu)驅(qū)動手指指頭進行上下運動，實現(xiàn)了模擬手指上下敲擊琴鍵的功能。

2 機電裝置電控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電控系統(tǒng)組成

彈鋼琴機械裝置的控制系統(tǒng)組成見圖7，主要由主機、I/O板卡、電磁閥、氣缸、氣泵、運動控制卡、伺服電機等組成。其中，主機、I/O板卡和運動控制卡是整個控制系統(tǒng)的核心部分，彈鋼琴功能的執(zhí)行控制均由其完成，主機通過運動控制卡發(fā)送指令給伺服電機從而控制其旋轉(zhuǎn)速度及角度等參數(shù)，通過手臂旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)手部的左右移動動作；主機通過I/O板卡發(fā)送指令給電磁閥從而控制氣缸伸出和縮回運行，通過推動旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)實現(xiàn)手指的上下敲擊動作。

圖7 電控系統(tǒng)組成

2.2 雙臂機構(gòu)運行控制原理

開發(fā)者根據(jù)需要彈奏的音樂樂譜規(guī)劃出雙臂機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動步驟，通過編碼將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動雙臂機構(gòu)運行速度、角度等參數(shù)的控制指令，預(yù)設(shè)于運動控制卡上。運行時，伺服電機接到運動控制卡發(fā)來的程序指令，產(chǎn)生脈沖控制伺服電機旋轉(zhuǎn)，從而帶動雙臂機構(gòu)運行到指定位置。

選用的運動控制卡支持多達12軸直線插補、任意圓弧插補、空間圓弧、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨、虛擬軸、機械手指令等；采用優(yōu)化的通訊協(xié)議可以實現(xiàn)實時的運動控制支持以太網(wǎng)，RS232通訊接口和電腦相連，接收電腦的指令運行，并可以通過CAN總線去連接各個擴展模塊，為整個系統(tǒng)的功能擴展提供基礎(chǔ)。

運動控制卡的應(yīng)用程序可以使用VC，VB，VS，C++，C#等軟件來開發(fā)。程序運行時需要動態(tài)庫zmotion.dll。調(diào)試時可以把ZDevelop軟件同時連接到控制器，從而方便調(diào)試和觀察。

伺服電機選用交流伺服電機BH48-60CB040C-020000，輸出功率400 W，額定轉(zhuǎn)矩1.27 N·m，轉(zhuǎn)速3600 r/min，采用DSP數(shù)字電機控制方式，可以實現(xiàn)多種電機控制算法，可提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩三種控制模式，能夠很好地滿足彈鋼琴機電裝置的功能需求。

2.3 雙手機構(gòu)運行控制原理

開發(fā)者根據(jù)需要彈奏的音樂樂譜規(guī)劃出雙手機構(gòu)手指上下運動步驟，形成每個手指敲擊動作的程序指令，通過I/O板卡發(fā)送指令給電磁閥，電磁閥與氣缸、起源的連接如圖8所示，電磁閥接到指令后，根據(jù)指令控制氣缸的伸出或縮回。伸出時，通過旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)驅(qū)動手指端部向上運動；縮回時，通過旋轉(zhuǎn)杠桿機構(gòu)驅(qū)動手指端部向下運動，從而實現(xiàn)敲擊琴鍵動作。

圖8 氣缸、起源連接原理圖

I/O板卡選用阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡USB5538，擁有16路隔離數(shù)字量輸入（干接點、濕接點），16路隔離數(shù)字量輸出（集電極開路），具備DI數(shù)字量輸入功能；軟件支持VC、VB、C++Builder、Delphi、Labview、LabWindows/CVI、組態(tài)軟件等語言平臺驅(qū)動，工程級源代碼開放，可直接編譯通過，方便根據(jù)彈鋼琴機電裝置的功能需求進行開發(fā)。

氣缸采用SMC針型氣缸CDJP2T6-5D，為雙作用動力方式氣缸，缸徑6mm，標準行程5 mm，最大行程25 mm，作用力6.4 N，最大負荷19.8 N。氣缸尺寸和負載能力均可滿足彈鋼琴機電裝置的需求。

2.4 系統(tǒng)整體控制流程

整體控制流程見圖9，彈鋼琴演奏的軟件開發(fā)者根據(jù)需要演奏的鋼琴曲曲目進行手部移動和手指敲擊運動的步驟規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃形成控制手部移動的伺服電機控制指令和控制手指敲擊的電磁閥控制指令，并在兩者間通過時序進行協(xié)同配合設(shè)計，完成兩者的有序融合。運行時，伺服電機控制指令通過運動控制卡發(fā)送給伺服電機，同時電磁閥控制指令通過I/0板卡發(fā)送給電磁閥，兩者協(xié)同控制，實現(xiàn)對樂曲的彈奏。

圖9 整體控制流程

3 應(yīng)用場景簡述

設(shè)計的彈鋼琴機電裝置通過簡單的機電機構(gòu)實現(xiàn)了模擬人手彈奏鋼琴的功能，具有一定的實際應(yīng)用價值，可用于科技館、機器人技術(shù)展示館等科普活動。通過藝術(shù)設(shè)計為該機電裝置一個有科幻感的外形。從外觀上看上去有頭部、腹部、腿部等完整造型，就座于一臺鋼琴前，遠觀猶如一個未來世界的鋼琴家。設(shè)置一臺互動終端，可以是觸摸屏或平板電腦等，在終端上，觀眾可以通過按下虛擬畫面中的不同音符按鍵，讓機器人跟隨運動，彈出音符樂音，實現(xiàn)與機電裝置之間的互動，還可以選擇任一既定曲目，讓機電裝置進行彈奏表演。觀眾還可以近距離觀察機電裝置的具體機構(gòu)及電控系統(tǒng)，揭開彈鋼琴機器人的神秘面紗。

該裝置還可用于學(xué)校、培訓(xùn)機構(gòu)等學(xué)習(xí)教育中，作為一個DIY機器人的教育案例，讓學(xué)生們在自己動手設(shè)計和制作機電裝置實現(xiàn)彈鋼琴功能的過程中，學(xué)習(xí)機械設(shè)計、電氣設(shè)計、電機的運用、氣動元件的運用等相關(guān)知識。

4 結(jié)語

本設(shè)計的彈鋼琴機電裝置，通過雙臂和雙手的設(shè)計來模擬人彈鋼琴時的手部動作，通過伺服電機驅(qū)動雙臂機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)手部在一定范圍內(nèi)的左右移動，通過氣缸驅(qū)動雙手機構(gòu)中10個手指的上下運動實現(xiàn)手指對琴鍵的敲擊動作，兩者協(xié)同運作，能夠彈奏出鋼琴樂曲。機電裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，電控系統(tǒng)成熟，具備一定的應(yīng)用場景。