钢琴表演机器人

技术领域：

本发明涉及一种钢琴表演机器人，采用控制、机械和声光电技术，可实现钢琴表演机器人在舞台上的生动表演，体现了高科技、娱乐和科普的完美统一，属于机电控制领域。

背景技术：

近年来，随着生活水平的提高和机器人技术的发展，人们对高科技娱乐设备的兴趣越来越浓厚，寓教于乐已成为目前科普工作的有效方法之一。因此，娱乐机器人技术发展得非常块，从步行机器人到吹笛子机器人，从机器宠物到机器人昆虫，许多娱乐机器人已经走进我们的生活。但目前专用的人形娱乐机器人只可进行某些简单乐谱的演奏，而且有音调失真度高、节拍缓慢单调的缺点，有的甚至只会发出一些单调的声音，不会进行动作与声音的协调表演。钢琴的演奏技巧要求非常高，如要实现机器人的动作与音乐节拍的协调一致，在机器人的系统设计方面的难度很大，目前还没有相关的专利技术。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种钢琴表演机器人，动作灵活准确，采用机器人自动运动轨迹规划或运动示教的方法，在正常的音乐节拍下，机器人的手指动作和移动位置象真正的钢琴家一样进行演奏，从而达到寓教于乐的目的。

本发明是根据以下技术方案实现的，钢琴表演机器人的结构主要包括：

1)机器人本体，包括头、嘴、眼、手、臂、腰、腿部分，共有28自由度(具体分布为：机器人点头、摇头、嘴动、眼皮动、眼眉动5个，两手10个、两臂8个、腰部2个、腿部3个)。

2)硬件控制系统，包括嵌入式控制器，运动控制卡，数据采集卡，图像处理卡、伺服电机驱动器、螺线管驱动器、旋转编码器、CCD摄像机等。

3)机械执行系统，包括伺服电机，减速器，螺线管等。

4)软件控制系统，包括自动运动轨迹规划软件、运动示教软件和图像识别软件等。

其连接方式为：机器人的主要硬件控制系统安装在机器人的腹部，机器人的软件控制系统安装在嵌入式控制器的存储器内。运动控制卡、数据采集卡安装在嵌入式控制器上。电机驱动器与运动控制卡相连，电机与电机驱动器相连。自动演奏钢琴的螺线管、限位开关等其它传感器的输入信号与数据采集卡相连。机器人的嘴、眼皮、眼眉、手指与相应的螺线管(13个)相连，螺线管与螺线管驱动器相连，螺线管驱动器与数据采集卡相连，接收数据采集卡的控制信号。臂部、腰部、腿部，颈部的关节通过连轴器与伺服电机的减速器相连，伺服电机的旋转编码器与运动控制卡相连，反馈各关节的位置信号。图像处理卡并列安装在嵌入式控制器上，CCD摄像机安装在机器人的眼睛内，CCD摄像机与图像处理卡相连。机器人的左右眼经过装饰，外观达到一样的效果。嵌入式控制器、运动控制卡、数据采集卡和图像处理卡采用层叠的安装方式，有体积小、结构紧凑的优点。

在自动钢琴开始演奏前，首先由机器人通过CCD摄像机和图像处理卡采集所要演奏的乐曲名称图像，由图像识别软件识别乐曲的名称，然后触发自动钢琴的演奏控制器演奏相应的曲目。机器人接下来的任务就是如何进行动作的表演，使机器人的动作与音乐协调一致。在机器人的运动协调控制方面，可以采用自动运动轨迹规划或运动示教两种策略。

当采用自动运动轨迹规划策略时，针对任意的钢琴曲目，在自动演奏钢琴的基础上，机器人内部的数据采集卡采集自动演奏钢琴内部螺线管的开关量信号，送入数据采集卡内，作为机器人手臂和手指的运动触发信号。根据“机器人手指就近弹奏”的原则，机器人的每个手指负责钢琴的某一部分琴键的演奏动作(琴键的运动由自动演奏钢琴本身来实现，机器人的手指在运动的琴键上方模拟击打的动作，不真正进行击打琴键)。根据不同的琴键位置，机器人的运动控制卡对手臂的关节运动进行轨迹规划，规划后的关节参数作为不同的运动控制量存储起来，留作机器人表演时调用。当自动演奏钢琴进行自动演奏时，钢琴内与琴键对应的某一开关量就会被依次采集进来，机器人的嵌入式控制器自动调用相应的运动控制参数进行运动规划。机器人的手指由螺线管驱动，螺线管由运动控制卡的开关量输出来控制(螺线管驱动器有光电隔离和驱动放大电路)。于是，当自动演奏钢琴自动弹奏音乐时，机器人随着音乐的节拍自动进行着同步表演，机器人的面部表情也可随着音乐的起伏而变化。

可见自动运动轨迹规划策略有功能强、动作丰富的优点，但前期进行轨迹规划的工作量很大，同时对机器人的响应速度的要求非常高。因此，为了简化机器人的软件设计工作量，针对某一首曲子，也可以采用机器人动作示教的策略。在音乐教师的指导下，首先对机器人的表演动作进行示教，然后将固定的一连串动作参数存储起来作为该曲目的弹奏动作参数存储起来。当自动钢琴开始进行演奏时，机器人自动调用这些动作参数，完成相应的表演任务。针对具体的指标要求，可以将这两种方法结合起来进行机器人表演动作的轨迹规划软件设计。

本发明具有独特的优点和显著的进步，所采用的直流伺服电机、奔腾级嵌入式控制器和运动控制卡使机器人的手臂运动响应速度很快，同时由于采用了位置伺服控制，使手指的定位精度非常高。当采用自动运动轨迹规划策略时，由于用琴键的输入开关量来触发手臂的运动动作，使声音与动作达到了协调一致。当采用示教策略时，根据音乐的起伏及人对音乐的主观理解，可赋予机器人以只有人才有的各种复杂表情和动作，从而使本发明能够满足娱乐场所和教育单位对机器人钢琴家声情并茂的高科技演出的要求。

本发明机器人的相关技术也可推广应用于其他需要协调运动控制的设备上。

附图说明：

图1为本发明的“钢琴表演机器人钢琴表演机器人”外形示意图。

如图1所示，本发明的“机器人钢琴家”采用人形结构，关键的几个运动部分是手1，眼2，嘴3，臂4，腰5，腿6，颈7。机器人本体共有28自由度(自由度的具体分布为：机器人点头、摇头、嘴动、眼皮动、眼眉动5个，两手10个、两臂8个、腰部2个、腿部3个)。在机器人的腹部8内安装硬件控制器。

图2为本发明“钢琴表演机器人”系统结构图。

如图2所示，除了机器人的本体手1，眼2，嘴3，臂4，腰5，腿6，颈7，腹部8外，钢琴表演机器人还包括硬件控制系统：嵌入式控制器9，运动控制卡10，数据采集卡11，图像处理卡12、伺服电机驱动器13、螺线管驱动器14、CCD摄像机15、旋转编码器16等；机械执行系统：伺服电机17，减速器18，螺线管19等；软件控制系统：自动运动轨迹规划软件、运动示教软件和图像识别软件等。软件控制系统安装在嵌入式控制器9的存储器内。

图中，20为自动演奏钢琴，21为自动演奏钢琴的螺线管，22为传感器，23为自动演奏钢琴控制器。