廖海燕，王婧怡，希治遠(yuǎn)，黃明揚(yáng)，余亞東，龐飛

(紹興文理學(xué)院 數(shù)理信息學(xué)院, 浙江紹興，312000）

0 引言

皮影戲作為中國首批非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，歷經(jīng)千年生生不息，但面對(duì)日新月異的時(shí)代，其傳承之路舉步維艱，近年來我國公開的皮影戲發(fā)展動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合顯示，其“模式舊”成為皮影藝術(shù)向前發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。

從國內(nèi)外研究我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為一種主流的傳播形式，將皮影藝術(shù)與數(shù)字化和機(jī)械融合,為傳統(tǒng)文化注入新的時(shí)代氣息，將傳統(tǒng)皮影的優(yōu)勢特點(diǎn)與現(xiàn)代的科技相結(jié)合，推陳出新，制作出符合當(dāng)代人們喜聞樂見的新式皮影戲，是未來皮影藝術(shù)的發(fā)展方向。皮影藝術(shù)的數(shù)字化我們能挖掘的內(nèi)容還有很多，可以與數(shù)字藝術(shù)相結(jié)合的內(nèi)容也有很多。

基于此，在如今科技發(fā)展迅速的時(shí)代背景下，皮影表演也需要在繼承傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上大膽改革創(chuàng)新。本文介紹了一種用于皮影戲表演的可擴(kuò)展機(jī)器人裝置，本設(shè)計(jì)充分運(yùn)用了分層指令集等技術(shù)，將單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合滑輪、聯(lián)軸器等機(jī)械零件設(shè)計(jì)出了皮影戲表演的機(jī)器人裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

該裝置的結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)作編排系統(tǒng)、主從機(jī)通信系統(tǒng)、機(jī)電控制執(zhí)行系統(tǒng)三大部分組成。其運(yùn)作流程如圖1所示，組成框圖如圖2所示。

圖1 運(yùn)作流程

圖2 系統(tǒng)整體框圖

本系統(tǒng)由兩個(gè)24V電源供電，該機(jī)器人表演系統(tǒng)啟動(dòng)后，由秒鐘層控制的獨(dú)立指令根據(jù)時(shí)間軸組合編排至分鐘層或時(shí)鐘層，主機(jī)接收到計(jì)算機(jī)編排好的動(dòng)作指令，將通信模塊觸發(fā)后，通過I2C總線進(jìn)行ATmega芯片系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信和傳遞，最后由電機(jī)控制執(zhí)行系統(tǒng)中的機(jī)械零件，帶動(dòng)影人開始表演。

程序運(yùn)行完成即表演完成時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將回到初始狀態(tài)，若表演未結(jié)束則繼續(xù)完成未完成動(dòng)作。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

主控板選取MEGA2560 R3單片機(jī)開發(fā)板，先確定I2C總線設(shè)備掛載，再運(yùn)行完成各個(gè)動(dòng)作的任務(wù)調(diào)動(dòng)，將每個(gè)支點(diǎn)任務(wù)傳送到子開發(fā)板。該單片機(jī)是一種集成電路（IC），以ATmega 16U2作為主控芯片，調(diào)試信息串口輸出，通過I2C協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)間的通信，核心處理器是AVR，具有先進(jìn)的RISC體系結(jié)構(gòu)。我們無需額外的編譯器，直接連接電腦USB接口，即可使用IDE進(jìn)行表演動(dòng)作的編程、編譯、燒錄，然后將數(shù)據(jù)送到指定寄存器即可。

圖3 電路原理圖

2.2 通信模塊

采用主從機(jī)通信，每個(gè)從機(jī)控制一個(gè)皮影人物的關(guān)節(jié)，主機(jī)通過I2C接口給從機(jī)發(fā)送控制命令，從而使得控制邏輯清晰，增加或減少關(guān)節(jié)時(shí)只需在主機(jī)中添加或刪除相應(yīng)的程序模塊即可，極大的提高了系統(tǒng)的易用性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。

圖4 主從機(jī)控制

2.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行部分主要由57mm 2相步進(jìn)電機(jī)組成，該電機(jī)具有低溫升和低噪音的優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)計(jì)主要依靠齒輪傳動(dòng)和滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的機(jī)械動(dòng)作。首先每個(gè)支點(diǎn)由兩個(gè)電機(jī)組合調(diào)控，分別依靠齒輪以及滑輪傳遞動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)和上下移動(dòng)；而位于底部的電機(jī)控其完成轉(zhuǎn)身動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的完美結(jié)合；選擇齒輪齒條的傳動(dòng)，可以使得工作平穩(wěn)，可靠性高，能保證恒定的傳動(dòng)比，傳遞任意夾角兩軸間的運(yùn)動(dòng)。而其整體的外部框架采用鋁材、鋼材的構(gòu)成支架結(jié)構(gòu)，在軌道中固定起支撐作用的底座、多個(gè)滾輪套件、若干支撐桿以及壓緊螺栓，這樣的結(jié)構(gòu)組合使表演平臺(tái)的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提升。

圖5 電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.4 藍(lán)牙模塊

為了增加人物表演的生動(dòng)性，我們選用XH-A158超清藍(lán)牙功放板播放音樂。該藍(lán)牙模塊主要由兩塊PAM8403芯片構(gòu)成，PAM8403是一種D類音頻功率放大器 IC，具有諧波失真低、噪聲串?dāng)_小的特點(diǎn)使其對(duì)聲音的重放得到較好的音質(zhì)。連接了兩個(gè)5W功率的優(yōu)質(zhì)揚(yáng)聲器，配接合適的皮影戲曲目可以放大4倍的音量并自由調(diào)整其節(jié)奏，使其與動(dòng)作匹配。

圖6 藍(lán)牙模塊

3 軟件控制設(shè)計(jì)

3.1 分層控制系統(tǒng)

基于分層指令集技術(shù)設(shè)計(jì)皮影戲動(dòng)作編排系統(tǒng)。指令集分為三層，第一層指令由若干能獨(dú)立完成一套動(dòng)作的指令構(gòu)成，每個(gè)第一層指令又可以分解為若干第二層指令，每個(gè)第二層指令都分別可以完成一個(gè)獨(dú)立動(dòng)作，每個(gè)第二層指令又可以分解為若干第三層令，每個(gè)第三層指令控制各個(gè)關(guān)節(jié)（節(jié)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)。

3.2 基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)

構(gòu)建分布式的進(jìn)程（或稱為節(jié)點(diǎn)）框架，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)進(jìn)程，向主節(jié)點(diǎn)訂閱指令，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)目內(nèi)容按時(shí)間順序發(fā)布指令，控制各個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動(dòng)作，演繹完美的節(jié)目。

3.3 代碼自動(dòng)生成系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)作編排系統(tǒng)輸出文件自動(dòng)生成代碼，按時(shí)間順序設(shè)定各個(gè)皮影角色動(dòng)作，包括動(dòng)作幅度、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，代碼自動(dòng)生成系統(tǒng)首先將角色動(dòng)作指令分解到各第三層，然后將第三層指令分配至各個(gè)節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上生成驅(qū)動(dòng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的代碼。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新分析

4.1 動(dòng)作編排自動(dòng)化

分層指令集大大降低了軟件的使用難度，使得皮影戲制作人員可以專心進(jìn)行皮影戲內(nèi)容創(chuàng)作，無需過多關(guān)注皮影角色動(dòng)作的具體實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)皮影戲制作人員在編排內(nèi)容時(shí)可以快速觀看皮影角色動(dòng)作效果并反復(fù)改進(jìn)，大大提高皮影戲制作效率和表演效果。

4.2 機(jī)電控制一體化

該機(jī)器人系統(tǒng)硬件模塊集開發(fā)板、驅(qū)動(dòng)器等機(jī)電裝置為一體，只要依靠后臺(tái)程序的程序操控，就能智能控制表演全過程，并且該機(jī)器人的設(shè)備較簡單成本較低，易于推廣使用。

4.3 皮影表演精細(xì)化

數(shù)字化的機(jī)器人表演模式是結(jié)合傳統(tǒng)文化與數(shù)字科技的新型表演形式，相較于傳統(tǒng)表演需要反復(fù)排練才能完成一場皮影戲，該系統(tǒng)通過聯(lián)軸器等機(jī)械元件揮舞皮影人物，后臺(tái)制作人員在編排內(nèi)容時(shí)可以根據(jù)需求觀看皮影角色動(dòng)作效果，無需排練即可精準(zhǔn)表演。

5 裝置功能測試與分析

首先計(jì)算出人物的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，結(jié)合電機(jī)的步距角為1.8o進(jìn)行插值量化，基于MCU微控制器編程技術(shù)構(gòu)建分層指令，將關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)（如位置、速度信號(hào)以及各種通訊信息）轉(zhuǎn)化得到關(guān)節(jié)位置變化或轉(zhuǎn)速，再通過Arduino完成人物角色的動(dòng)作編排程序，并將程序燒錄到主單片機(jī)開發(fā)板。

程序燒錄完成后，控制指令依次完成從主機(jī)、子機(jī)、驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)的傳遞。開發(fā)板和擴(kuò)展板基于I2C通信協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器接收到該支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)基于電機(jī)微分驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及控制寄存器的設(shè)置執(zhí)行特定功能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過PID算法自動(dòng)控制電機(jī)，輔以滑輪、導(dǎo)軌、齒輪等機(jī)械零件，在步進(jìn)電機(jī)達(dá)到3%高精度的基礎(chǔ)上，由伸縮繩連接滑輪、彈簧連接動(dòng)作支點(diǎn)人物帶動(dòng)手部及頭部的位置變換，由剛性聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)人物整體的旋轉(zhuǎn)變化，通過以上動(dòng)作的不斷變化從而完成表演。

圖7 表演系統(tǒng)測試

本裝置通過不斷地將各模塊細(xì)化調(diào)試，成功地完成了較為完整的皮影戲表演節(jié)目測試，其中有自創(chuàng)曲目《猴王戲虎》以及創(chuàng)新曲目《小豬佩奇》等表演。

同時(shí)本設(shè)計(jì)裝置的技術(shù)可推廣使用，不僅可以在大型舞臺(tái)上實(shí)現(xiàn)皮影大幅度的動(dòng)作變換，而且通過數(shù)字化媒體配以唱腔故事，不需要排練就可以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的動(dòng)作。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)打造演繹皮影劇的可擴(kuò)展機(jī)電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的皮影戲表演，從而提高表演效率。通過智能化的皮影藝術(shù)，在科技飛速發(fā)展時(shí)代，將傳統(tǒng)的地域文化升級(jí)，使人們對(duì)非遺文化的數(shù)字化保護(hù)重視起來，走出遺失的困境，實(shí)現(xiàn)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的創(chuàng)新發(fā)展和永續(xù)傳承，同時(shí)爭取將智能化表演模式快速推廣。

本文通過對(duì)皮影戲表演機(jī)器人裝置系統(tǒng)各功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的相關(guān)介紹，較完整地闡述了系統(tǒng)從模塊到相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的過程，并通過對(duì)相關(guān)表演功能進(jìn)行測試，表現(xiàn)該系統(tǒng)的整體表演性能較為優(yōu)良，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較高，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。