CN101833325A - 一种演奏中阮的机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种演奏中阮的机器人及控制方法，该机器人与上位乐队的控制计算机相连，包括一机器人本体，该机器人本体包括手部、身体运行关节部、脸部、中阮，机器人包括主控制嵌入式电脑装置及分别与该主控制嵌入式电脑装置相连的演奏手法控制伺服系统、身体动作控制伺服系统、脸部表情控制伺服系统以及气源和气压控制系统；方法包括：自检步骤，系统进行自检；复位步骤，对机器人的动作进行复位；执行命令步骤，接受上位系统的控制计算机的控制命令，执行相应的操作。本发明的机器人能够实现演奏中阮，高仿真度的拟人外形和拟人的脸部表情和动作；实现中阮演奏的换把、换弦、按弦、弹弦、拨弦等演奏动作和效果，使机器人弹拨乐器演奏更逼真。

Description

一种演奏中阮的机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种演奏中阮的机器人及控制方法。

背景技术

近年来，在具有重大影响的国际展览会或机器人展览会上，机器人的演奏和机器人组成的乐队是相当吸引人的项目。

对于我国的民族乐器中阮，目前国内外还没有这方面的机器人，民族乐器中阮的演奏比较复杂，双手必须准确配合协调动作，本发明的申请人致力于开发一种具有高仿真度，且能实现民族乐器中阮的演奏的机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种演奏中阮的机器人及控制方法，它具有高仿真度，在国内外首次实现了民族弹拨乐器中阮的机器人演奏。

实现上述目的的技术方案是：

本发明之一的一种演奏中阮的机器人，该机器人与上位乐队的控制计算机相连以接收乐队的控制，它包括一机器人本体，该机器人本体包括手部、身体运行关节部、脸部、中阮，其中，它包括一主控制嵌入式电脑装置以及分别与该主控制嵌入式电脑装置相连的演奏手法控制伺服系统、身体动作控制伺服系统、脸部表情控制伺服系统以及气源和气压控制系统，其中：

所述的主控制嵌入式电脑装置实现对演奏中阮机器人的数据处理和命令发出，它与上位的乐队的控制计算机进行通信，接受上位乐队的控制计算机的演奏乐曲的信息，发送给上位乐队的控制计算机各种状态的数据；

所述的演奏手法控制伺服系统接受主控制嵌入式电脑装置的各种演奏命令，对机器人的手部进行控制，其中：

机器人手部的左手实现中阮的换把、换弦、按弦的演奏动作，左手的拇指连接在安置于中阮的琴把上的能沿琴把直线移动的步进电机驱动的机构上，接受主控制嵌入式电脑装置的演奏命令，所述的演奏手法控制伺服系统驱动相应步进电机以带动手腕正确移动到相应的琴把和琴弦位置，实现中阮演奏中的换把和换弦动作，左手的其他四指，各均分别安置有一负责手指的换弦动作的微气缸和拉动钢丝绳的一负责手指的按弦动作的微电机；

机器人手部的右手实现中阮的弹弦、拨弦的演奏动作，右手的手臂动作与一相应的步进电机机构相连接以实现准确移动到弹拨弦的相应位置，手腕是由驱动手腕拨动的气缸来完成其快速弹拨，在机器人右手的拇指和食指间安置有位置可进行微调的弹拨胶片，通过控制弹拨胶片的弹拨深度来实现弹拨声音的强弱；

所述的身体动作控制伺服系统接受主控制嵌入式电脑装置的运动命令，通过伺服电机驱动机器人本体的身体运行关节进行动作，实现点头、抬头、弯腰、转身的动作；

所述的脸部表情控制伺服系统接受主控制嵌入式电脑装置的表情命令，通过多个微电机和微气缸驱动和组合驱动机器人本体的脸部，实现模拟机器人脸部的多块肌肉运动，通过启动驱动嘴唇的微气缸，实现嘴唇的开启和闭合；

所述的气源和气压控制系统接受主控制嵌入式电脑装置的乐曲弹拨命令，通过控制一总气泵来控制该总气泵产生的压缩空气，并进行电转气的开关量控制，实现身体动作、脸部表情、演奏手法控制伺服系统中所有的气缸和其他启动元件的动作。

上述的演奏中阮的机器人，其中，还包括一与所述的主控制嵌入式电脑装置相连的数据采集和故障显示装置，它通过主控制嵌入式电脑装置收集各系统的数据，并判断是否正常工作或故障部位，并将此状态进行显示。

本发明之二的一种演奏中阮的机器人的控制方法，该机器人接受上位系统的控制计算机输出的PC控制命令，其中，包括以下步骤：

自检步骤，在开始后，系统进行自检；

复位步骤，对机器人的动作进行复位；

执行命令步骤，接受上位系统的控制计算机输出的PC控制命令，根据命令执行相应的操作，PC控制命令包括应急命令、休眠命令、状态查询命令、报幕命令、准备命令、演奏命令、停止命令，其中：

所述的准备命令为机器人执行准备动作；

所述的状态查询命令为查询当前状态，并通过主控制嵌入式电脑装置进行；

所述的应急命令为演奏应急歌曲；

所述的休眠命令为表演休眠动作；

所述的报幕命令为控制机器人进行报幕动作；

所述的演奏命令为通过主控制嵌入式电脑装置输出控制信号给相应的系统来进行演奏动作；

所述的停止命令为控制机器人动作停止。

上述的演奏中阮的机器人的控制方法，其中，所述的执行命令步骤包括以下步骤：

读入步骤，读入当前动作位置数据；

分解步骤，将机器人的左右手动作进行分解；

计算步骤，计算需要实现的机器人运动速度以及目标位置；

执行步骤，即左右手根据计算得出的运动速度以及目标位置执行相应的组合动作；

判断是否有停止命令，

若有停止命令，则停止动作，然后退出；

若没有停止命令，则进一步判断是否全部动作已经完成，

若所有动作都已经完成，则退出；

若所有动作没有全部完成，则返回读入步骤。

上述的演奏中阮的机器人的控制方法，其中，在执行演奏命令时，包括以下步骤：

检查曲目合法性，检查曲目是否合法，若不合法，则直接发送结束数据包，若合法，则读取曲目长度与起始地址位置；

读取信息，读取数据流中左右手音符、时间、力度信息；

输出节拍并执行弹拨，根据读取到的信息，输出手腕动作的节拍并执行弹拨；

等待，等待弹拨结束；

检测，依次检测演奏中阮的机器人是否受到保护、是否收到停止命令，

若受到保护，即演奏中阮的机器人不能再进行动作，则发送结束数据包，若没有受到保护，即演奏中阮的机器人处于无保护状态，则进一步检测是否收到停止命令；

若收到停止命令，则发送结束数据包，若没有受到结束命令，则向下搜索左手音符并计算位移时间，然后再向下搜索右手音符并计算位移时间；

发送执行数据包，根据计算得出的位移时间发送执行数据包以执行相应动作；

等待运动反馈；

检测演奏状态，即检测演奏是否完毕，

若演奏完毕，则发送结束数据包；

若演奏未完毕，则返回输出节拍并执行弹拨步骤。

本发明的有益效果是：本发明的机器人能够实现演奏中阮，高仿真度的拟人外形和拟人的脸部表情和动作；在国内外首次实现了民族弹拨乐器中阮的机器人演奏；实现中阮演奏的“换把、换弦、按弦”、“弹弦、拨弦”等专业演奏动作和效果，使得机器人弹拨乐器演奏更逼真；能实现惟妙惟肖的独立演奏和合奏；实现了非键盘方式的中国民族弹拨乐器的机器人演奏，向世界介绍了优秀的中国民族乐器---中阮，使人们进一步了解悠久的中国文明。

附图说明

图1是本发明之一的演奏中阮的机器人的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，图中示出了本发明之一的一种演奏中阮的机器人，该机器人与上位乐队的控制计算机7相连以接收乐队的控制，它包括一机器人本体(图中未示出)，该机器人本体包括手部(图中未示出)、身体运行关节部(图中未示出)、脸部(图中未示出)、中阮(图中未示出)，机器人本体左手握持中阮琴把进行换把、换弦和按弦，右手握持胶片进行拨弦演奏，本发明包括一主控制嵌入式电脑装置1以及分别与该主控制嵌入式电脑装置1相连的演奏手法控制伺服系统2、身体动作控制伺服系统3、脸部表情控制伺服系统4、气源和气压控制系统5、数据采集和故障显示装置6，其中：

主控制嵌入式电脑装置1实现对演奏中阮机器人的数据处理和命令发出，它与上位的乐队的控制计算机7进行通信，接受上位乐队的控制计算机7的演奏乐曲的信息，发送给上位乐队的控制计算机7各种状态的数据，主控制嵌入式电脑装置1是演奏中阮的机器人中处理数据和发出命令的控制中心，采用了ATMEL公司的AVR系列单片机的最高配置的一款单片机，能有效高速的处理各种数据保证稳定性，它是整个机器人系统的关键部分是命令发送和数据处理的重要环节，在系统信息的传输中采用了CAN技术，它具有突出的可靠性、实时性和灵活性。保证了运行的可靠和平稳；

演奏手法控制伺服系统2接受主控制嵌入式电脑装置1的各种演奏命令，对机器人的手部进行控制，其中：

机器人手部的左手实现中阮的换把、换弦和按弦的演奏动作，左手的拇指连接在安置于中阮的琴把上的能沿琴把直线移动的步进电机驱动(图中未示出)的机构(图中未示出)上，接受主控制嵌入式电脑装置1的演奏命令，演奏手法控制伺服系统2驱动相应步进电机(图中未示出)以带动手腕正确移动到相应的琴把和琴弦位置，实现中阮演奏中的换把和换弦动作，左手的其他四指，各均分别安置有一负责手指的换弦动作的微气缸(图中未示出)和拉动钢丝绳的一负责手指的按弦动作的微电机；

机器人手部的右手实现中阮的弹弦、拨弦的演奏动作，右手的手臂动作与一相应的步进电机机构相连接以实现准确移动到弹拨弦的相应位置，手腕是由驱动手腕拨动的气缸来完成其快速弹拨，在机器人右手的拇指和食指间安置有位置可进行微调的弹拨胶片(图中未示出)，通过控制弹拨胶片的弹拨深度来实现弹拨声音的强弱；

身体动作控制伺服系统3接受主控制嵌入式电脑装置1的运动命令，通过伺服电机(图中未示出)驱动机器人本体的身体运行关节进行动作，实现点头、抬头、弯腰、转身等多种动作，身体动作控制伺服系统3是中阮上主支架(图中未示出)驱动的重要部分，采用的伺服系统需要满足频带宽度宽和精度高的要求，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便，能够很好的协调机器人的动作。

脸部表情控制伺服系统4接受主控制嵌入式电脑装置1的表情命令，通过多个微电机(图中未示出)和微气缸驱动(图中未示出)和组合驱动机器人本体的脸部，实现模拟机器人脸部的多块肌肉运动，实现高仿真的机器人的眨眼、眯眼、转眼、微笑、开口说话等复杂的表情动作，其中，机器人的眨眼、眯眼、转眼由微电机进行控制，微笑、开口说话由微气缸进行控制；

气源和气压控制系统5接受主控制嵌入式电脑装置1的乐曲弹拨命令，通过控制一总气泵(图中未示出)来控制该总气泵产生的压缩空气，并进行电转气的开关量控制，实现身体动作、脸部表情、演奏手法控制伺服系统2中所有的气缸和其他启动元件的动作；

数据采集和故障显示装置6通过主控制嵌入式电脑装置1收集各系统的数据，并判断是否正常工作或故障部位，并将此状态进行显示，故障显示是为了直观的观察各部件的检测复位，通过检测各部件的工作状态及信息经过逻辑处理进行相应操作和提示，防止故障的进一步扩大，使得对系统维护人员的要求降低。

本发明之二的一种演奏中阮的机器人的控制方法，该机器人接受上位系统的控制计算机输出的PC控制命令，包括以下步骤：

自检步骤，在开始后，系统进行自检；

复位步骤，对机器人的动作进行复位；

执行命令步骤，接受上位系统的控制计算机输出的PC控制命令，根据命令执行相应的操作，PC控制命令包括应急命令、休眠命令、状态查询命令、报幕命令、准备命令、演奏命令、停止命令、示教命令，其中：准备命令为机器人执行准备动作；状态查询命令为查询当前状态，并通过主控制嵌入式电脑装置进行；应急命令为演奏应急歌曲；休眠命令为表演休眠动作；报幕命令为控制机器人进行报幕动作；演奏命令为通过主控制嵌入式电脑装置输出控制信号给相应的系统来进行演奏动作；停止命令为控制机器人动作停止。

在执行命令时，具体包括以下步骤：

读入步骤，读入当前动作位置数据；

分解步骤，将机器人的左右手动作进行分解；

计算步骤，计算需要实现的机器人运动速度以及目标位置；

执行步骤，即左右手根据计算得出的运动速度以及目标位置执行相应的组合动作；

判断是否有停止命令，

若有停止命令，则停止动作，然后退出；

若没有停止命令，则进一步判断是否全部动作已经完成，

若所有动作都已经完成，则退出；

若所有动作没有全部完成，则返回读入步骤。

在执行演奏命令时，包括以下步骤：

检查曲目合法性，检查曲目是否合法，若不合法，则直接发送结束数据包，若合法，则读取曲目长度与起始地址位置；

读取信息，读取数据流中左右手音符、时间、力度信息；

输出节拍并执行弹拨，根据读取到的信息，输出手腕动作的节拍并执行弹拨；

等待，等待弹拨结束；

检测，依次检测演奏中阮的机器人是否受到保护、是否收到停止命令，

若受到保护，即演奏中阮的机器人不能再进行动作，则发送结束数据包，若没有受到保护，即演奏中阮的机器人处于无保护状态，则进一步检测是否收到停止命令；

若收到停止命令，则发送结束数据包，若没有受到结束命令，则向下搜索左手音符并计算位移时间，然后再向下搜索右手音符并计算位移时间；

发送执行数据包，根据计算得出的位移时间发送执行数据包以执行相应动作；

等待运动反馈；

检测演奏状态，即检测演奏是否完毕，

若演奏完毕，则发送结束数据包；

若演奏未完毕，则返回输出节拍并执行弹拨步骤。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种演奏中阮的机器人，该机器人与上位乐队的控制计算机相连以接收乐队的控制，它包括一机器人本体，该机器人本体包括手部、身体运行关节部、脸部、中阮，其特征在于，它包括一主控制嵌入式电脑装置以及分别与该主控制嵌入式电脑装置相连的演奏手法控制伺服系统、身体动作控制伺服系统、脸部表情控制伺服系统以及气源和气压控制系统，其中：

所述的主控制嵌入式电脑装置实现对演奏中阮机器人的数据处理和命令发出，它与上位的乐队的控制计算机进行通信，接受上位乐队的控制计算机的演奏乐曲的信息，发送给上位乐队的控制计算机各种状态的数据；

所述的演奏手法控制伺服系统接受主控制嵌入式电脑装置的各种演奏命令，对机器人的手部进行控制，其中：

机器人手部的左手实现中阮的换把、换弦和按弦的演奏动作，左手的拇指连接在安置于中阮的琴把上的能沿琴把直线移动的步进电机驱动的机构上，接受主控制嵌入式电脑装置的演奏命令，所述的演奏手法控制伺服系统驱动相应步进电机以带动手腕正确移动到相应的琴把和琴弦位置，实现中阮演奏中的换把和换弦动作，左手的其他四指，各均分别安置有一负责手指的换弦动作的微气缸和拉动钢丝绳的一负责手指的按弦动作的微电机；

机器人手部的右手实现中阮的弹弦、拨弦的演奏动作，右手的手臂动作与一相应的步进电机机构相连接以实现准确移动到弹拨弦的相应位置，手腕是由驱动手腕拨动的气缸来完成其快速弹拨，在机器人右手的拇指和食指间安置有位置可进行微调的弹拨胶片，通过控制弹拨胶片的弹拨深度来实现弹拨声音的强弱；

所述的身体动作控制伺服系统接受主控制嵌入式电脑装置的运动命令，通过伺服电机驱动机器人本体的身体运行关节进行动作，实现点头、抬头、弯腰、转身的动作；

所述的脸部表情控制伺服系统接受主控制嵌入式电脑装置的表情命令，通过多个微电机和微气缸驱动和组合驱动机器人本体的脸部，实现模拟机器人脸部的多块肌肉运动，通过启动驱动嘴唇的微气缸，实现嘴唇的开启和闭合；

所述的气源和气压控制系统接受主控制嵌入式电脑装置的乐曲弹拨命令，通过控制一总气泵来控制该总气泵产生的压缩空气，并进行电转气的开关量控制，实现身体动作、脸部表情、演奏手法控制伺服系统中所有的气缸和其他启动元件的动作。

2.根据权利要求1所述的演奏中阮的机器人，其特征在于，还包括一与所述的主控制嵌入式电脑装置相连的数据采集和故障显示装置，它通过主控制嵌入式电脑装置收集各系统的数据，并判断是否正常工作或故障部位，并将此状态进行显示。

3.一种演奏中阮的机器人的控制方法，该机器人接受上位系统的控制计算机输出的PC控制命令，其特征在于，包括以下步骤：

自检步骤，在开始后，系统进行自检；

复位步骤，对机器人的动作进行复位；

执行命令步骤，接受上位系统的控制计算机输出的PC控制命令，根据命令执行相应的操作，PC控制命令包括应急命令、休眠命令、状态查询命令、报幕命令、准备命令、演奏命令、停止命令，其中：

所述的准备命令为机器人执行准备动作；

所述的状态查询命令为查询当前状态，并通过主控制嵌入式电脑装置进行；

所述的应急命令为演奏应急歌曲；

所述的休眠命令为表演休眠动作；

所述的报幕命令为控制机器人进行报幕动作；

所述的演奏命令为通过主控制嵌入式电脑装置输出控制信号给相应的系统来进行演奏动作；

所述的停止命令为控制机器人动作停止。

4.根据权利要求3所述的演奏中阮的机器人的控制方法，其特征在于，所述的执行命令步骤包括以下步骤：

读入步骤，读入当前动作位置数据；

分解步骤，将机器人的左右手动作进行分解；

计算步骤，计算需要实现的机器人运动速度以及目标位置；

执行步骤，即左右手根据计算得出的运动速度以及目标位置执行相应的组合动作；

判断是否有停止命令，

若有停止命令，则停止动作，然后退出；

若没有停止命令，则进一步判断是否全部动作已经完成，

若所有动作都已经完成，则退出；

若所有动作没有全部完成，则返回读入步骤。

5.根据权利要求3所述的演奏中阮的机器人的控制方法，其特征在于，在执行演奏命令时，包括以下步骤：

检查曲目合法性，检查曲目是否合法，若不合法，则直接发送结束数据包，若合法，则读取曲目长度与起始地址位置；

读取信息，读取数据流中左右手音符、时间、力度信息；

输出节拍并执行弹拨，根据读取到的信息，输出手腕动作的节拍并执行弹拨；

等待，等待弹拨结束；

检测，依次检测演奏中阮的机器人是否受到保护、是否收到停止命令，

若受到保护，即演奏中阮的机器人不能再进行动作，则发送结束数据包，若没有受到保护，即演奏中阮的机器人处于无保护状态，则进一步检测是否收到停止命令；

若收到停止命令，则发送结束数据包，若没有受到结束命令，则向下搜索左手音符并计算位移时间，然后再向下搜索右手音符并计算位移时间；

发送执行数据包，根据计算得出的位移时间发送执行数据包以执行相应动作；

等待运动反馈；

检测演奏状态，即检测演奏是否完毕，

若演奏完毕，则发送结束数据包；

若演奏未完毕，则返回输出节拍并执行弹拨步骤。

Images