CN105945968B - 一种关节型扬琴演奏机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节型扬琴演奏机器人，设有左右两侧对称安装的肩部关节、肘部关节、手腕关节，大、小臂，腰部电机，腰部减速器和换位齿轮对；同侧腰部电机通过腰部减速器并经换位齿轮对带动肩部基座旋转；同侧肩部支撑架上安装有肩部电机及肩部减速器，肩部电机转动带动同侧大臂旋转；肘部关节的肘部基座经钣金件与同侧大臂连接，肘部支撑架经钣金件与同侧小臂固连，肘部舵机旋转带动小臂旋转；小臂与同侧手腕关节的手腕基座连接，手腕舵机的输出轴上固定有琴竹卡座，扬琴琴竹装在琴竹卡座内，手腕舵机驱动琴竹卡座带动扬琴琴竹上下往复运动，实现演奏敲击扬琴键的动作；本机器人外观拟人，控制方便，运动直观范围大，噪音小，演奏质量好。

Description

一种关节型扬琴演奏机器人

技术领域

本发明涉及一种关节型扬琴演奏机器人，具体地说涉及一种用于扬琴演奏机器人的关节型机械结构。

背景技术

目前，国内机器人发展十分迅速，音乐机器人是音乐与科学交叉领域的应用科学，在国内外已具有一定的影响力，音乐机器人属于表演类特种机器人，国外对音乐机器人的研究以键盘乐器和弦乐器居多，还没有涉及对中国传统乐器—扬琴的自动演奏机器人的相关研究。扬琴作为中国传统乐器的重要组成部分，而国内演奏机器人的开发还处于技术起步阶段，很多关键性的问题还得不到解决，目前已知的自动演奏机器人只有自贡市诚挚科技公司所设计的扬琴演奏机器人，其以机械臂带动气缸运动实现扬琴的演奏，但存在演奏稳定性差、敲击位置准确度差、噪声大等缺点。还有研究的扬琴演奏机器人，均为局部的机器人的机械结构。因此有必要开发一种新的能模拟人的上半身的多个关节，能稳定、精确地演奏，同时噪声小的扬琴演奏机器人，尤其很有必要开发一种关节型的能模拟人手敲击的扬琴演奏机器人。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，而提供一种可以结合扬琴艺术表演形式，噪声小、运动范围广，同时在外型上更接近于人类的肩、肘、腕关节，腰、手臂结构，更具有拟人化结构的一种关节型扬琴演奏机器人。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种关节型扬琴演奏机器人，至少包括结构完全相同且左右两侧对称安装的肩部关节、肘部关节、手腕关节、大臂和小臂、腰部电机、腰部减速器、腰部传动轴和换位齿轮对；所述的两侧腰部传动轴均通过两个轴承安装在上支撑板和下支承板上，上支撑板和下支撑板通过螺栓固定在一起，腰部传动轴上端通过平键和螺栓连接同侧肩部基座，所述的每侧换位齿轮对都有两个相同且相互啮合的换位齿轮，换位齿轮对中一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部传动轴上，另一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部减速器输出轴上；

所述的肩部关节设有肩部基座、肩部电机、肩部减速器和肩部支撑架，每个肩部减速器安装在同侧肩部基座上，两侧肩部电机分别与同侧肩部减速器相连，肩部减速器输出轴与同侧肩部支撑架相连，肩部电机通过肩部减速器后驱动肩部支撑架旋转，带动固连在肩部支撑架上的同侧大臂旋转；

所述的肘部关节设有肘部基座、肘部支撑架和肘部舵机，每个肘部基座通过钣金件与大臂下端连接，肘部基座与同侧肘部支撑架连接，肘部支撑架通过钣金件与同侧小臂上端固连，由肘部舵机驱动同侧肘部支撑架带动小臂旋转；

所述的手腕关节设有手腕基座和手腕舵机；手腕基座通过钣金件与小臂下端连接，同侧手腕基座与手腕舵机连接，琴竹卡座固定在手腕舵机的输出轴上，扬琴琴竹安装在琴竹卡座内，利用手腕舵机驱动琴竹卡座带动扬琴琴竹上下往复运动，实现演奏敲击扬琴键的动作；

所述的腰部电机通过同侧腰部减速器并经换位齿轮对带动同侧肩部基座旋转，进而带动同侧机械臂整体以腰部传动轴为轴心做圆周运动，所述的肩部电机驱动同侧大臂在竖直平面内以肩部支撑架为圆心做圆周运动，肘部舵机驱动同侧小臂在竖直平面内以肘部支撑架为圆心做圆周运动，实现扬琴琴竹在预定的三维空间内定位；

演奏时，两台腰部电机、两台肩部电机和两台肘部舵机，这三种驱动部件配合协同动作，将扬琴琴竹移动到指定敲击位置后，手腕舵机驱动扬琴琴竹实现敲击动作，使扬琴发声演奏。

所述的同侧肩部支撑架与大臂、肘部基座与大臂、肘部支撑架与小臂、小臂与手腕基座之间均采用钣金件通过螺栓固定在一起。

所述的每侧的换位齿轮对为同模数同齿数的两个完全相同的换位齿轮，用于将腰部电机的安装位置调整到更靠近机器人中轴线的位置，避免机器人机械臂在运动过程中与腰部电机发生干涉现象。

所述的左右两侧对称安装的两台肩部电机之间留有空隙，用于防止两台肩部电机在两个腰部传动轴分别带动旋转时出现干涉。

所述的琴竹卡座与扬琴琴竹采用过盈配合，两者之间较紧的安装配合使得扬琴琴竹在往复敲击琴弦的过程中不会出现松动。

本发明的关节型扬琴演奏机器人在演奏过程中，当需要敲击扬琴琴面上距离机器人最远的敲击点时，大臂和小臂构成的机械臂处于伸长状态，此时大臂和小臂可伸直成一条直线；当需要敲击扬琴琴面上距离机器人最近的敲击点时，机械臂处于收缩状态，此时机械臂的大臂与竖直平面呈锐角，大臂与小臂的夹角也为锐角。

安装本发明的关节型扬琴演奏机器人时，由于机械臂一定要在扬琴琴面上方，所以当大臂竖直下垂时，需要保证肘部的安装位置在扬琴琴面以上。

本发明的关节型扬琴演奏机器人与现有的技术相比具有的优点是：

⑴本发明的关节型扬琴演奏机器人利用三个转动副做为机器人的驱动定位机构，该机构具有运动范围大、动作灵活、结构紧凑等特点，使机器人体型适中，很好地满足了扬琴机器人大范围敲击的需求。

⑵本发明的关节型扬琴演奏机器人采用了在外观结构上拟人化的多关节的设计，使两个机械臂的运动很灵活，相较于其他驱动方式的扬琴演奏机器人，本机器人敲击动作更形象、控制更简单，同时工作时噪声小，不会影响扬琴演奏时的正常演奏效果，保证了敲击扬琴的音色。

⑶本发明的关节型扬琴演奏机器人的机械臂具有一定的通用性，可以将其应用到后续其他形式的音乐机器人结构中，同时为后续机器人设计提供设计思路，也为其他形式的机器人的开发与设计提供了基础和参考。

附图说明

图1为本发明的关节型扬琴演奏机器人整体结构示意图。

图2为本发明的机器人机械臂位置示意图。

图3为本发明的机器人腰部传动轴的结构示意图。

上述图中：1—扬琴琴竹；2—琴竹卡座；3—手腕基座；4—小臂；5—肘部支撑架；6—肘部基座；7—大臂；8—下支撑板；9—上支撑板；10—肩部减速器；11—肩部电机；12—肩部基座；13—肩部支撑架；14—换位齿轮对；15—腰部减速器；16—腰部电机；17—肘部舵机；18—钣金件；19—手腕舵机；20—腰部传动轴；21—平键；22—空隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明的关节型扬琴演奏机器人，其结构如图1、2所示。至少包括左右两侧结构完全相同且对称安装的肩部关节、肘部关节、手腕关节，大臂7和小臂4，腰部电机16，腰部减速器15，腰部传动轴20和换位齿轮对14。

腰部传动轴20的结构参见图3。所述的两侧腰部传动轴均通过两个轴承安装在上支撑板9和下支承板8上，上支撑板和下支撑板通过螺栓固定在一起，腰部传动轴上端通过平键21和螺栓连接同侧肩部基座12；所述的每侧换位齿轮对14都有两个相同的换位齿轮，换位齿轮对中的一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部传动轴上，另一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部减速器输出轴上，每侧换位齿轮对的两个换位齿轮相互啮合，换位齿轮对14为同模数同齿数的两个完全相同的齿轮，用于将腰部电机的安装位置调整到更靠近机器人中轴线的位置，避免机器人手臂在运动过程中与腰部电机发生干涉现象。

所述的肩部关节设有肩部基座12、肩部电机11、肩部减速器10和肩部支撑架13，同侧的肩部电机与肩部减速器10固连之后通过螺栓与肩部基座12固连，肩部支撑架与大臂通过钣金件18相连，肩部电机11驱动肩部减速器转动再由减速器输出轴通过平键驱动肩部支撑架，带动同侧的大臂7做绕肩部减速器的旋转运动。

所述的对称安装的两台肩部电机之间留有空隙22，用于防止两台肩部电机在两个腰部传动轴分别带动旋转时出现干涉现象。

所述的肘部关节设有肘部基座6、肘部支撑架5和肘部舵机17，每个肘部基座6通过钣金件18与同侧大臂下侧连接，同侧肘部基座6与肘部支撑架连接，肘部支撑架通过钣金件18与同侧小臂4上端固连，由肘部舵机驱动肘部支撑架带动同侧小臂绕肘部支撑架5旋转。

所述的手腕关节设有手腕基座和手腕舵机；手腕基座3一侧通过钣金件18连接在小臂4上，同侧手腕基座3与手腕舵机19连接，琴竹卡座2固定在手腕舵机19的输出轴上，扬琴琴竹1安装在琴竹卡座2内，由手腕舵机19驱动琴竹卡座带动扬琴琴竹上下往复运动，实现演奏敲击扬琴的动作。

所述的腰部电机16通过同侧腰部减速器并经换位齿轮对14带动同侧肩部基座旋转，进而带动同侧机械臂整体以腰部传动轴20为轴心做圆周运动，所述的肩部电机11驱动同侧大臂7在竖直平面内以肩部支撑架13为圆心做圆周运动，肘部舵机17驱动同侧小臂4在竖直平面内以肘部支撑架5为圆心做圆周运动，实现扬琴琴竹在预定的三维空间内定位。

演奏时，两台腰部电机16、两台肩部电机11、两台肘部舵机17，这三种驱动部件配合协同动作，将扬琴琴竹移动到指定敲击位置，之后手腕舵机驱动扬琴琴竹实现敲击动作，使扬琴发声演奏。

本发明的关节型扬琴演奏机器人演奏时需要扬琴琴竹1末端的运动范围可以覆盖整个扬琴琴面上需要敲击的琴键点位，当扬琴演奏机器人需要敲击离机器人最远的点位时，此时扬琴机器人大臂7与小臂4可成一直线，如图2中扬琴机器人左臂所示姿态；当扬琴演奏机器人需要敲击离机器人最近的点时，此时扬琴演奏机器人大臂7绕肩部关节的肩部支撑架13向机器人身后旋转，小臂4绕肘部关节的肘部支撑架5向机器人肩部后旋转，直到敲击到最近点为止，如图2扬琴机器人右臂所示，为敲击最近点时的姿态。

本发明的关节型扬琴演奏机器人结构简单，调试方便，容易控制，各关节运动灵活直观，运动范围广，演奏时噪音小，定位准确，演奏效果好。

Claims (1)

1.一种关节型扬琴演奏机器人，至少包括结构完全相同且左右两侧对称安装的肩部关节、肘部关节、手腕关节、大臂和小臂、腰部电机、腰部减速器、腰部传动轴和换位齿轮对；其特征在于：所述的两侧腰部传动轴均通过两个轴承安装在上支撑板和下支承板上，上支撑板和下支撑板通过螺栓固定在一起，腰部传动轴上端通过平键和螺栓连接同侧肩部基座，所述的每侧换位齿轮对都有两个相同且相互啮合的换位齿轮，换位齿轮对中一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部传动轴上，另一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部减速器输出轴上；所述的每侧的换位齿轮对为同模数同齿数的两个完全相同的换位齿轮，用于将腰部电机的安装位置调整到更靠近机器人中轴线的位置，避免机器人机械臂在运动过程中与腰部电机发生干涉现象；

所述的肩部关节设有肩部基座、肩部电机、肩部减速器和肩部支撑架，每个肩部减速器安装在同侧肩部基座上，两侧肩部电机分别与同侧肩部减速器相连，肩部减速器输出轴与同侧肩部支撑架相连，同侧肩部支撑架与大臂之间均采用钣金件通过螺栓固定在一起，肩部电机通过肩部减速器后驱动肩部支撑架旋转，带动固连在肩部支撑架上的同侧大臂旋转；所述的左右两侧对称安装的两台肩部电机之间留有空隙，用于防止两台肩部电机在两个腰部传动轴分别带动旋转时出现干涉；

所述的肘部关节设有肘部基座、肘部支撑架和肘部舵机，每个肘部基座通过钣金件与大臂下端连接，肘部基座与同侧肘部支撑架连接，肘部支撑架通过钣金件与同侧小臂上端固连，由肘部舵机驱动同侧肘部支撑架带动小臂旋转；

所述的手腕关节设有手腕基座和手腕舵机；手腕基座通过钣金件与小臂下端连接，同侧手腕基座与手腕舵机连接，琴竹卡座固定在手腕舵机的输出轴上，扬琴琴竹安装在琴竹卡座内，所述的琴竹卡座与扬琴琴竹采用过盈配合，两者之间较紧的安装配合，利用手腕舵机驱动琴竹卡座带动扬琴琴竹上下往复运动，实现演奏敲击扬琴键的动作；

所述的腰部电机通过同侧腰部减速器并经换位齿轮对带动同侧肩部基座旋转，进而带动同侧机械臂整体以腰部传动轴为轴心做圆周运动，所述的肩部电机驱动同侧大臂在竖直平面内以肩部支撑架为圆心做圆周运动，肘部舵机驱动同侧小臂在竖直平面内以肘部支撑架为圆心做圆周运动，实现扬琴琴竹在预定的三维空间内定位；

演奏时，两台腰部电机、两台肩部电机和两台肘部舵机，这三种驱动部件配合协同动作，将扬琴琴竹移动到指定敲击位置后，手腕舵机驱动扬琴琴竹实现敲击动作，使扬琴发声演奏。