CN102615648A - 机器人系统及利用该机器人系统弹奏和弦的方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人系统，其可双手弹奏钢琴，该机器人系统包括一含有一避免碰撞程序的计算机、两线性马达、两组移动装置及两组手指装置。两组手指装置分别连接在两组移动装置上，各组手指装置包括多个电磁阀，且所述电磁阀交错地分列两排，其中各电磁阀利用通电时的电磁感应，以伸缩一电磁杆。通过执行计算机的避免碰撞程序来避免所述移动装置出现碰撞的情况。通过计算机控制该两线性马达，以驱动两组移动装置，再通过计算机控制两组手指装置，以决定通电与否来伸缩电磁杆，由此达到弹奏钢琴并防止两组移动装置彼此碰撞的目的。

Description

机器人系统及利用该机器人系统弹奏和弦的方法

技术领域

本发明涉及一种机器人系统及利用该机器人系统来弹奏和弦的方法。

背景技术

机器人的发展已有一段时日，但目前所提出的钢琴弹奏系统，在功能上往往不够完整，其等常常因为机构自由度的限制，而只能按压钢琴的白键或是一次只能按压一个琴键。因此，有必要提出一种不仅可以按压黑键或白键，还可以演奏出和弦的系统。

目前已提出的钢琴弹奏系统，大部分都只有设计一组弹奏机构，但真正的钢琴演奏大部分却都是包含有主旋律与副旋律等部分，因此，目前仍需要提供一种弹奏系统，其可同时弹奏主旋律与副旋律的和弦，以模拟人类的弹奏方式，同时可以在不同音域之间滑移而不会发生碰撞。

有鉴于此，为了可以同时弹奏主旋律与副旋律的和弦，实有必要提供一种机器人系统及利用该机器人系统弹奏和弦的方法，以达到模拟人类的弹奏状况，且在不同音域之间滑移而不会发生碰撞。

发明内容

本发明的主要目的是要提供一种机器人系统，以及利用该机器人系统来弹奏和弦的方法，其可模拟人类的弹奏，同时不仅可以按压黑键或白键，还可以演奏出和弦。

本发明的另一主要目的是要提供一种机器人系统，以及利用该机器人系统来弹奏和弦的方法，其可模拟人类的弹奏情况，并在不同音域之间滑移而不会发生碰撞。

本发明所提供的机器人系统，其可双手弹奏钢琴，该机器人系统包括一计算机、两线性马达、两组移动装置及两组手指装置。该计算机包含有一避免碰撞程序。两线性马达及两组手指装置分别与计算机电性相连；两组移动装置分别连接在两线性马达上，并通过两线性马达来控制两组移动装置的定位；各组手指装置均包括多个电磁阀，且所述电磁阀交错地分列成两排；各个电磁阀利用通电时的电磁感应，以伸缩一电磁杆。本发明通过执行该避免碰撞程序，来避免所述移动装置出现碰撞的情况，并通过计算机控制该两线性马达，以驱动两组移动装置，并用计算机控制两组手指装置，而通过决定通电与否来伸缩电磁杆，以由此弹奏钢琴。

较佳者，在所述手指装置中的一组弹奏一乐曲的主旋律时，另一组手指装置则会弹奏该乐曲的副旋律。

为了可以同时按压黑键和白键，并且具有演奏和弦的能力，每组手指装置较佳地设有十六个电磁阀，交错地分列为每排八个电磁阀。每组手指装置最左边与最右边的电磁阀共相距一个八度的音阶，如此可以解决当有和弦的两个音超过五个琴键宽度时，便会导致无法弹奏的情形，也可以降低滑台移动的频率，使演奏过程变得比较流畅。

此外，本发明还提供一种利用如上所述的机器人系统弹奏钢琴和弦的方法，其包含：

步骤S1：依据所述电磁阀其中之一的音高定位，提供多个对照表；

步骤S2：将一乐谱的每个音符分别转换为一乐器数字接口(MusicalInstrument Digital Interface；简称MIDI)的数值；

步骤S3：依据所述数值除以12，分别取余数；及

步骤S4：依据各该余数及所述对照表，判断应对应启动的所述电磁阀其中的任一。

较佳者，该方法还可包含以下步骤：

步骤S5：判断该两组手指装置中，相同位置的电磁阀是否相距为九个琴键。

本发明具有低成本、容易维护与操控等特性，是目前有效解决钢琴弹奏问题的系统与方法。

附图说明

图1为本发明的机器人系统的立体示意图；

图2为手指装置的立体示意图；

图3A与3B分别为左、右两边电磁阀的排列说明；

图4为本发明的机器人系统的功能方块示意图；

图5为利用机器人系统弹奏钢琴和弦的方法流程图。

主要元件符号说明

机器人系统1

计算机11                  线性马达12

移动装置13                手指装置14R、14L

继电器LR1-LR16、RR1-RR16  电磁阀L1-L16、R1-R16

控制电路15

控制器152                 IC(集成电路)151a-151b’

驱动器121

具体实施方式

为了使得本发明的技术内容能被更充分地了解，以下特例举具体实施例并说明如下：

请先参考图1，本发明所提供的机器人系统1，其可以双手来弹奏钢琴。如图所示，机器人系统包括一计算机11、两线性马达12、两组移动装置13及两组手指装置14R、14L。计算机11包含有一避免碰撞程序。两线性马达12及两组手指装置14R、14L分别与计算机11电性相连。本发明是通过执行计算机11的避免碰撞程序，来避免所述移动装置13出现碰撞的情况。两组移动装置13分别连接在两线性马达12上，并通过两线性马达12来控制两组移动装置13的定位作用；也就是其可通过计算机11来控制两线性马达12，以驱动两组移动装置13。

较佳者，机器人系统1还包含一控制电路15，两组手指装置14R、14L实质上是通过控制电路15与计算机11电性相连，以下将有详细说明。

各组手指装置14L或14R包括有多个电磁阀，为了说明左、右两边的各组手指装置14L或14R，各个电磁阀分别用L或R开头以资区别。以手指装置14L为例，请同时参考图2及图3A，十六个电磁阀L1-L16交错地分列为两排，也就是电磁阀L1-L8会形成一排，另一排则是由电磁阀L9-L16所组成，且电磁阀L1-L8与电磁阀L9-L16实际上为非对齐地交错排列；如此一来，电磁阀L1-L8将负责按压钢琴的白键，而电磁阀L9-L16则负责按压钢琴的黑键。如图3B所示，右手边电磁阀R1-R16也有相同的排列方式，以负责弹奏右手的琴键。例如，当左边的手指装置14L弹奏一乐曲的主旋律时，右边的手指装置14R则可以弹奏该乐曲的副旋律。

请参考图2，以左边的手指装置14L为例，各电磁阀L1-L16是利用通电时的电磁感应，来将电磁杆L11-L161加以伸缩。虽然图标未显示，可了解的是，右边的手指装置14R的电磁阀R1-R16也是利用通电时的电磁感应，来将电磁杆加以伸缩(未有图示)。请同时参考图1，计算机11会控制两组手指装置14L、14R，以决定通电与否并进而伸缩电磁杆，由此而得以弹奏钢琴。图2所示的电磁杆L11-L161均为已经伸出，此时为下压键盘的状态；由于电磁阀(例如：L1-L16)是利用通电的电磁原理，以使得电磁杆(例如：L11-L161)进行伸缩，此为已知的技术，故不在此赘述。

为了可以同时按压黑键和白键并且具有演奏和弦的能力，每组手指装置14R或14L较佳地设有十六个电磁阀R1-R16或L1-L16，其是交错地分列为每排八个电磁阀R1-R8及R9-R16或是L1-L8及L9-L16；如此一来，每组手指装置(例如：14L)最左边电磁阀L1或L9与最右边的电磁阀L8或L16共相距一个八度，依此，可以解决当有和弦的两个音超过五个琴键宽度时，会导致无法弹奏的情形，也可以降低移动装置13的移动频率，使演奏过程变得比较流畅。

请接着参考图4，其说明本发明的控制电路15。两组手指装置14L及14R实质上通过该控制电路15与计算机11电性相连。举例而言，在计算机11先储存有电子琴谱时，计算机11会通过RS-232传输接口，而将电子琴谱中应弹奏的指令传送到控制器152(控制器152可以例如是BS2微处理器)，再由控制器152判断要弹奏的琴键是由哪一个IC(IC 152a-152b’)控制，并进而驱动对应的继电器；该IC可以例如是SN74HC595芯片。计算机11通过驱动器121来控制两线性马达12，并获知电磁阀L1-L16及R1-R16目前所在位置及应移动的位置。电磁阀L1-L16及R1-R16实质上分别通过一继电器LR1-LR16及RR1-RR16来控制通电与否，并进而下压琴键。

本发明还提供一种利用如上所述的机器人系统的弹奏钢琴和弦的方法。本发明的方法实质上可以通过以计算机执行一弹奏程序而达到，请参考图5；本发明的方法包含步骤S1-S5，以下将分别说明之。

·步骤S1：依据所述电磁阀中之一的音高定位，来提供多个对照表。

例如：两线性马达12分别与计算机11电性相连，由此即可知各电磁阀L1-L16及R1-R16的所在位置。下述的说明是以编号L9的电磁阀位于C、D、E、F、G、A、B等音高位置为例，分别列出七个对照表(表一至表七)。

·步骤S2：将一乐谱的每个音符分别转换为一乐器数字接口(MIDI)的数值。

乐器数字接口(MIDI)是一个工业标准的电子通讯协议，其用于为电子乐器等演奏装置(例如：电子钢琴)定义各种音符或弹奏码；此为现有的技术，故不在此赘述。

例如：假设目前用来定位的电磁阀L9位于琴键C5的位置，若其需同时按压E5、G#5及B5的键盘，E5、G#5及B5的MIDI数值则分别为64、68及71。

·步骤S3：依据MIDI数值除以12，分别取余数。

上例的E5、G#5及B5的MIDI数值分别除以12之后，余数分别为4、8及11。

·步骤S4：依据各该余数及所述对照表，判断应对应启动的所述电磁阀。

以上述的例子，对照表一可得知对应的电磁阀指令码为0x04、0x10和0x40；将指令利用逻辑运算的OR合并，以得到以下的编码：

Left_f＝0x10

Left_r＝0x04|0x40＝0x44

根据上述的编码结果，查询表一可以知道电磁阀编号L5、L11和L15将会被执行按压的动作。此时连同另外两个IC组成一道控制指令，并交给BS2微处理器执行下压作用。

应注意的是，本发明的方法步骤流程并无顺序关系，例如：将一乐谱的每个音符分别转换为一乐器数值接口的数值的步骤(S2)，也可以最先被执行。

以编号L9的电磁阀分别位于C、D、E、F、G、A、B等音高位置为例，可列出以下七个对照表。

表一：L9的电磁阀位于“C”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

C#

D#

F#

G#

A#

余数

1

3

6

8

10

指令

0X01

0X02

X08

0X10

0X20

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

C

D

E

F

G

A

B

余数

0

2

4

5

7

9

11

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X 10

0X20

0X40

表二：L9的电磁阀位于“D”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

D#

F#

G#

A#

C#

余数

3

6

8

10

1

指令

0X01

0X04

X08

0X10

0X40

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

D

E

F

G

A

B

C

余数

2

4

5

7

9

11

0

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X 10

0X20

0X40

表三：L9的电磁阀位于“E”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

F#

G#

A#

C#

D#

余数

6

8

10

1

3

指令

0X02

0X04

X08

0X20

0X40

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

E

F

G

A

B

C

D

余数

4

5

7

9

11

0

2

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X 10

0X20

0X40

表四：L9的电磁阀位于“F”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

F#

G#

A#

C#

D#

余数

6

8

10

1

3

指令

0X01

0X02

0X04

0X10

0X20

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

F

G

A

B

C

D

E

余数

5

7

9

11

0

2

4

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X10

0X20

0X40

表五：L9的电磁阀位于“G”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

G#

A#

C#

D#

F#

余数

6

8

1

3

6

指令

0X01

0X02

0X08

0X10

0X40

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

G

A

B

C

D

E

F

余数

7

9

11

0

2

4

5

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X10

0X20

0X40

表六：L9的电磁阀位于“A”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

A#

C#

D#

F#

G#

余数

8

1

3

6

8

指令

0X01

0X04

0X08

0X20

0X40

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

A

B

C

D

E

F

G

余数

9

11

0

2

4

5

7

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X10

0X20

0X40

表七：L9的电磁阀位于“B”的对照表

电磁阀

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

音高

C#

D#

F#

G#

A#

余数

1

3

6

8

10

指令

0X02

0X04

0X10

0X20

0X40

电磁阀

L9

L10

L11

L12

L13

L14

L15

L16

音高

B

C

D

E

F

G

A

余数

11

0

2

4

5

7

9

指令

0X01

0X02

0X04

0X08

0X10

0X20

0X40

此外，为了避免碰撞发生，本发明设计了一个避碰机制。因此，较佳者，本发明还可在步骤S4之前，利用计算机执行避免碰撞程序，完成以下步骤：

·步骤S5：判断该两组手指装置中，相同位置的电磁阀是否相距为九个琴键。

例如在前述的机器人系统1中，利用计算机11执行避免碰撞程序，进行步骤S5的判断。也就是，左、右线性马达12在不碰撞下，可以允许最靠近的距离是电磁阀L9和R9相距九个琴键宽，所以每当线性马达要移动时，就做以下的判断(以左边的线性马达为例)：

定义：last_posi_L；/*左线性马达目前的位置*/

      last_posi_R；/*右线性马达目前的位置*/

      goal_posi_L；/*左线性马达的目的位置*/

      goal_posi_R；/*右线性马达的目的位置*/

if(|goal_posi_L-last_posi_R|≥9)

{

  move to goal_posi_L；

  last_posi_L←goal_posi_L；

}

else

{

  goal_posi_L←last_posi_R-9；

  move to goal_posi_L；

  last_posi_L←goal_posi_L；

}

如此一来，即可避免左、右两边发生碰撞。因此，本发明的系统将被简单化，并具备功能的完整性，其只需利用两组线性马达与32个电磁阀，即可完成弹奏钢琴的要求；再者，电磁阀的运作原理非常简单，线性马达位移的精确度也很高，在实际操作上非常容易可靠，而且，避碰机制也可以确实发挥作用，并在实验运作时没有碰撞发生；最后，根据实验结果，通过指令编码的方式来处理和弦的演奏，在同一个八度内的和弦都可以同时并且无误地被弹奏出来。

本发明在功能上具备了很高的完整度，而且相较于使用多维度的机械手指与手臂的弹奏系统，本发明具有低成本、容易维护与操控等特性，是目前有效解决钢琴弹奏问题的系统与方法。

应注意的是，上述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，本发明所主张的保护范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种机器人系统，其可双手弹奏钢琴，其特征在于，该机器人系统包括：

一计算机，其包含有一避免碰撞程序；

两线性马达，分别与该计算机电性相连；

两组移动装置，分别连接在该两线性马达上，以通过此两线性马达来控制该两组移动装置的定位作用，并通过执行该避免碰撞程序，来避免所述移动装置出现碰撞的情况；以及

两组手指装置，分别与该计算机电性相连，且所述两组手指装置分别连接在该两组移动装置上，而各组手指装置均包括多个电磁阀，且所述电磁阀交错地分列成两排；

其中各个电磁阀利用通电时的电磁感应，以将一电磁杆加以伸缩，并通过该计算机控制所述两线性马达，以驱动该两组移动装置，且该计算机控制该两组手指装置，决定通电与否，以伸缩该电磁杆，由此弹奏钢琴。

2.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述电磁阀为十六个电磁阀，且交错地分列为每排八个电磁阀。

3.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，各电磁阀分别通过一继电器控制通电与否。

4.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，还包含一控制电路，该两组手指装置通过该控制电路与该计算机电性相连。

5.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，在所述手指装置中的一组弹奏一乐曲的主旋律时，另一组手指装置则会弹奏该乐曲的副旋律。

6.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，该计算机进一步具有一弹奏程序，以完成以下的步骤：

依据所述电磁阀其中之一的音高定位，提供多个对照表；

将一乐谱的每个音符分别转换为一乐器数字接口的数值；

依据所述数值除以12，分别取一余数；及

依据各该余数及所述对照表，判断应对应启动的所述电磁阀其中任一。

7.如权利要求6所述的机器人系统，其特征在于，该避免碰撞程序进一步完成以下的步骤：

判断该两组手指装置中，相同位置的电磁阀是否相距为九个琴键。

8.一种利用如权利要求1所述的机器人系统弹奏钢琴和弦的方法，其特征在于，包含：

依据所述电磁阀其中之一的音高定位，提供多个对照表；

将一乐谱的每个音符分别转换为一乐器数字接口的对应数值；

依据所述数值除以12，分别取一余数；及

依据各该余数及所述对照表，判断应对应启动的所述电磁阀其中任一。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：

判断该两组手指装置中，相同位置的电磁阀是否相距为九个琴键。

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