CN111531562A - 箜篌演奏机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种箜篌演奏机器人，包括智能解析系统，用于读取待演奏的电子乐谱，生成箜篌演奏的控制指令；运动控制系统，用于根据所述控制指令，生成底层控制电平信号；结构执行系统，包括具有多个运动自由度的执行机构，用于根据所述底层控制电平信号，执行相应的演奏和舞蹈动作；本发明提供的箜篌演奏机器人能够模拟真人，弹奏箜篌乐器，身体跟随音乐节奏进行上肢的舞蹈，很有舞台感，能够部分减轻人类演员舞台表演的压力，为观众带来全新的艺术表现和交互体验，用现代科技传承古老的中国文化。

Description

箜篌演奏机器人

技术领域

本发明属于人工智能技术领域，具体涉及一种箜篌演奏机器人。

背景技术

机器人能够替代人类从事重复的体力劳动，或是那些危险、超出人类极限的工作，已经被普遍应用于工业制造、医疗、国防、应急救援、家庭服务中。近年来，伴随科技与艺术的交叉融合，以及人们对文化消费的增长，表演机器人方兴未艾，出现了诸如舞蹈机器人、无人机编队表演、机器人乐队等形态的机器人。

目前，已存在弦类乐器的机器人，主要是吉他和贝斯音乐机器人，而且有关弦乐器机器人研究较为完善。从已经公开的文献中可以看到，现有吉他机器人每个弦上对应设置压弦气缸，通过压弦气缸的上下运动击打或按压琴弦，配合按压气流大小和按弦时间长度，产生短音、配合拨弦机构拨弦的长音、以及模拟击打空弦三种演奏音效，操作方便，实现吉他的自动演奏。

但是现有的弦类乐器机器人只能演奏西洋乐器，并且智能识谱和执行能力有限，以及没有复杂、丰富的肢体动作表现能力。并且没有一套统一通用的乐曲编码解码系统，其备选曲目只有少数几首，其它曲目需向公司定制，不能实现灵活的任意曲目选曲演奏。并且机器人演奏时只是单纯的机械式的演出，没有一种人形机器人演出的状态，更多设计是实现拨弦方式结构的设计，亦不具备智能识谱和执行能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种箜篌演奏机器人，以解决现有技术中机器人演奏时动作单调，不具备智能识谱和执行能力的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种箜篌演奏机器人，包括：

智能解析系统，用于读取待演奏的电子乐谱，生成箜篌演奏的控制指令；

运动控制系统，用于根据所述控制指令，生成底层控制电平信号；

结构执行系统，包括具有多个运动自由度的执行机构，用于根据所述底层控制电平信号，执行相应的演奏和舞蹈动作。

进一步的，所述运动控制系统，包括：

单片机，用于根据智能解析系统生成的控制指令，生成各执行机构所需要的电平信号，以驱动各执行机构执行相应的演奏和舞蹈动作；

串口控制模块，用于单片机与智能解析系统之间的数据通信；

舵机控制板，用于控制所述执行机构的舵机运动；

电磁阀集装组，用于控制所述执行机构的气缸的往复拨弦运动；

所述串口控制模块、舵机控制板以电磁阀集装组分别与所述单片机连接。

进一步的，所述运动控制系统，还包括：

24V电源模块，用于为所述电磁阀集装组提供电能；

7V电源模块，用于为所述单片机、舵机控制板提供电能。

进一步的，所述结构执行系统，包括：

头部执行机构，用于在所述运动控制系统的控制下，执行头部旋转、侧摆和俯仰三个自由度的机械动作；

上肢执行机构，用于在所述运动控制系统的控制下，执行手臂侧摆和前伸两个自由度的机械动作及执行大臂旋转、肘部弯曲、手腕左右摆、手腕上下摆和五根手指弯曲共十个自由度的机械动作；

腰部和躯干执行机构，用于在所述运动控制系统的控制下，执行腰部和躯干俯仰和旋转两个自由度的机械动作；

下肢执行机构，位于所述腰部和躯干执行机构的下方，无主动自由度。

进一步的，所述头部执行机构，包括：头部、脖子及后背；

所述头部包括面部及后脑勺，所述头部通过头部舵机座安装在用于提供旋转动力的第一头部舵机上，所述第一头部舵机通过舵机托台安装在所述脖子上，所述第一头部舵机座与脖子可发生相对转动；

所述舵机托台下设置有双向轴承，用于支持所述头部；所述后背上设有第二头部舵机，通过鱼眼轴承与所述双向轴承相连，用于为所述头部提供侧摆动力；

肩膀上设有第三头部舵机，通过一蜗杆和一蜗块与所述双向轴承相连，用于为所述头部提供俯仰动力，脖子上安装可相对转动的第三头部舵机座，与第三头部舵机固连；第三头部舵机盘与蜗杆固连，蜗块一方面沿蜗杆做直线运动，一方面与双向轴承发生相对转动。

进一步的，所述上肢执行机构包括：肩膀及手臂，所述肩膀连接脖子，用于支撑头部；

所述肩膀上设有第一连接片，用于通过第一旋转中心轴连接第一肩部舵机座和手臂，所述手臂通过所述第一旋转中心轴进行旋转；所述第一肩部舵机座上安装用于提供手臂侧摆的旋转动力的第一肩部舵机；所述第一肩部舵机通过第一蜗杆和第一蜗块与所述第一旋转中心轴相连，所述第一肩部舵机与所述第一蜗杆固连，第一蜗块一方面沿第一蜗杆做直线运动，一方面与所述第一旋转中心轴发生相对转动；

所述肩膀上还设有第二连接片，用于连接第二肩部舵机座和手臂，所述第二肩部舵机座上安装用于提供手臂前伸动力的第二肩部舵机；所述第二肩部舵机通过第二蜗杆和第二蜗块与所述第二连接片连接，所述第二蜗块一方面沿第二蜗杆做直线运动，另一方面与所述第二连接片发生相对转动。

进一步的，所述手臂，包括：大臂、肘部、小臂、手腕以及手；

所述大臂包括上大臂和下大臂，所述上大臂内设有大臂舵机，用于提供旋转动力；所述大臂舵机通过大臂舵机盘连接下大臂，所述下大臂随大臂舵机盘旋转完成旋转动作；

所述小臂包括上小臂和下小臂，所述下大臂与上小臂通过第二旋转中心轴连接，用于完成肘部屈肘动作；所述上小臂内设有第一小臂舵机，所述第一小臂舵机通过第一小臂舵机盘连接下大臂；所述下大臂通过第三蜗杆和第三蜗块与所述第二旋转中心轴相连，所述第一小臂舵机与第三蜗杆固连，第三蜗块一方面沿第三蜗杆做直线运动，一方面与所述第二旋转中心轴发生相对转动；

所述上小臂内还设有第二小臂舵机，用于提供旋转动力；所述第二小臂舵机通过第二小臂舵机盘与下小臂连接，所述下小臂随第二小臂舵机盘旋转完成旋转动作；

所述手腕与下小臂通过双向轴承连接，所述下小臂内设有手腕舵机盘，用于安装手腕舵机，所述手腕舵机用于为手腕提供运动动力；所述下小臂内还设有第一绕线组、第二绕线组、第三绕线组、第四绕线组和集线块，所述第一绕线组一端与手腕右端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于向右拉动手腕；所述第二绕线组一端与手腕左端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于向左拉动手腕；所述第三绕线组一端与手腕上端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于向上拉动手腕；所述第四绕线组一端与手腕下端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于拉动手腕向下；所述集线块用于将第一绕线组、第二绕线组、第三绕线组和第四绕线组的线集中；

所述手包括手掌和手指，每根手指皆包括：指根、指中和指尖；

所述指根和指尖均设有两个孔，用于在指根和指尖在手掌的手背一侧通过橡胶皮筋穿过指中连接到手掌，在手掌的手心一侧通过绕线组上的细线连接到手掌；所述手掌内设有小舵机，用于为手指弯曲的动力。

进一步的，所述腰部和躯干执行机构，包括：腰部、胯部、及连接腰部和肩膀的躯干；

所述腰部内设有第一腰部舵机，用于为腰部提供俯仰的动力，所述第一腰部舵机连接第一腰部蜗杆，所述第一腰部蜗杆上设有第一腰部蜗块，所述第一腰部蜗块能够将第一腰部蜗杆的转动转换为直线运动；所述第一腰部蜗块连接腰部结构件，所述腰部结构件底端通过转动副连接胯部结构，所述胯部机构用于支撑躯干和第一腰部舵机，所述腰部结构件与跨部结构相对转动，所述第一腰部蜗杆转动带动第一腰部蜗块平移，推动腰部上升或下降；

所述躯干和腰部固定在腰部齿轮圆盘上，所述腰部齿轮圆盘设置在大齿轮上，所述大齿轮与小齿轮啮合，所述大齿轮与小齿轮设置在齿轮箱内，所述小齿轮通过第二腰部舵机座设置在第二腰部舵机的输出轴上；所述第二腰部舵机用于为所述腰部和躯干提供旋转动力。

进一步的，所述下肢执行机构，包括：安装在腰部下方的大腿、小腿、底座和脚；

所述大腿与小腿之间通过一万向轴承连接；

所述小腿与脚之间通过一万向轴承连接；

所述大腿、小腿及脚采用硬木制成。

进一步的，还包括：箜篌琴，所述箜篌琴包括：

两排琴弦，每排琴弦31根，共计62根弦；

气缸，用于通过往复运动提供拨弦头拨弦的动力；

气缸底座，用于承载气缸；

拨弦机构方管，用于承载气缸底座和气缸，共两根，分别设置在所述箜篌琴的两侧；

拨弦片，与气缸推柱相连，在气缸的作用下，往复拨动琴弦。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

本申请提供的箜篌机器人按照中国风设计的人形机器人，箜篌演奏机器人能够模拟真人，弹奏箜篌乐器，身体跟随音乐节奏进行上肢的舞蹈，很有舞台感，达到了人类熟练演奏者的水平，能够部分减轻人类演员舞台表演的压力，为观众带来全新的艺术表现和交互体验，用现代科技传承古老的中国文化。本申请中的机器人为了提高拨弦频率，本申请使用双作用气缸作为气动执行器件，大大提高拨弦频率；为了保证箜篌31根琴弦弹奏效果，设计可调式结构，实现精准调试拨弦气缸拨弦机构相对琴弦的位置；为了大大提升了整体的美感和舞台效果，通过设计高自由度人形机器人在箜篌旁边模仿人去弹奏箜篌，可以实现人类演奏家的各种动作，肢体动作表现能力十分丰富；箜篌演奏机器人具备了智能识谱和执行的功能，提高了机器人乐手的解析能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种箜篌演奏机器人的系统功能架构图；

图2为本发明一实施例提供的一种箜篌演奏机器人的运动控制系统的电路原理图；

图3为本发明一实施例提供的一种箜篌演奏机器人的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种箜篌演奏机器人的左视图；

图5为本发明一实施例提供的一种箜篌演奏机器人的主视图；

图6为本发明一实施例提供的一种箜篌演奏机器人的俯视图；

图7为本发明一实施例提供的头部执行机构的整体结构图；

图8为本发明一实施例提供的头部旋转自由度的机械结构图；

图9为本发明一实施例提供的头部侧摆自由度的机械结构图；

图10为本发明一实施例提供的头部执行机构处于俯仰自由度时的前身和后背的对比示意图；

图11为本发明一实施例提供的肩部侧摆自由度的机械结构图；

图12为本发明一实施例提供的肩部前伸自由度的机械结构图；

图13为本发明一实施例提供的手臂的整体结构图；

图14为本发明一实施例提供的大臂旋转自由度的机械结构放大图；

图15为本发明一实施例提供的肘部弯曲自由度的机械结构放大图；

图16为本发明一实施例提供的小臂旋转自由度的机械结构放大图；

图17为本发明一实施例提供的手腕左右摆自由度的机械结构放大图；

图18为本发明一实施例提供的手腕上下摆自由度的机械结构放大图；

图19为本发明一实施例提供的箜篌演奏机器人的手指的机械结构图；

图20为本发明一实施例提供的腰部和躯干执行机构的整体结构图；

图21为本发明一实施例提供的腰部和躯干执行机构处于俯仰自由度时，前视图和左视图的对比示意图；

图22为本发明一实施例提供的腰部和躯干执行机构处于旋转自由度时，前视图、左视图、俯视图的对比示意图；

图23为本发明一实施例提供的下肢执行机构的整体结构图；

图24为本发明一实施例提供的箜篌琴结构放大图；

图25为本发明一实施例提供的智能学习系统中乐谱智能解析的工作流程图；

图26为本发明一实施例提供的智能学习系统中动作学习与智能编排的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的箜篌演奏机器人。

如图1所示，本申请实施例中提供的箜篌演奏机器人包括：

智能解析系统1，用于读取待演奏的电子乐谱，生成箜篌演奏的控制指令；

运动控制系统2，用于根据所述控制指令，生成底层控制电平信号；

结构执行系统3，包括具有多个运动自由度的执行机构，用于根据所述底层控制电平信号，执行相应的演奏和舞蹈动作。

可以理解的是，箜篌演奏机器人的工作原理为：其包括智能解析系统1、运动控制系统2、结构执行系统3共3个部分，这三个部分相当于是机器人的“大脑”、“小脑”、“骨骼肌肉”，由智能解析系统1决策产生控制指令，由运动控制系统2生成底层控制电平信号，由结构执行系统3的具体动作最终实现机器人的舞蹈和演奏。

一些实施例中，如图2所示，所述运动控制系统2，包括：

单片机21，用于根据智能解析系统1生成的控制指令，生成各执行机构所需要的电平信号，以驱动各执行机构执行相应的演奏和舞蹈动作；

串口控制模块22，用于单片机21与智能解析系统1之间的数据通信；

舵机控制板23，用于控制所述执行机构的舵机运动；

电磁阀集装组24，用于控制所述执行机构的气缸的往复拨弦运动；

继电器25，用于放大控制电平信号；

所述串口控制模块22、舵机控制板23、电磁阀集装组24以及继电器25 分别与所述单片机21连接。

优选的，所述运动控制系统2，还包括：

24V电源模块26，用于为所述电磁阀集装组24提供电能；

7V电源模块27，用于为所述单片机21、舵机控制板23提供电能。

具体的，运动控制系统2接收智能解析系统1发出的控制指令，由控制电路生成各执行器所需要的电平信号，驱动执行器动作。

运动控制系统2中单片机21的工作流程为：

分配控制地址：在单片机21内，用软件编程的方法，为各输出控制信号分配输入输出寄存器地址；

解析控制指令：单片机21软件解析智能解析系统1输入的控制指令，得到各输入输出寄存器地址的逻辑和数值时间序列；

生成控制电信号：单片机21根据各输入输出地址的信号时间序列，在相应管脚344生成5V开关电平、PWM波和模拟信号，通过继电器25或电压跟随器进一步放大成驱动执行器所需的控制电信号。

具体的，如图2所示，本申请中各个器件的工作原理是，

单片机21：运动控制系统2的核心部件，根据控制指令，在对应输出管脚 344生成所需的5V控制电平信号；可接受外部计算机对单片机21的程序下载和调试；

继电器25：将5V开关控制电平信号放大为24V开关控制电平信号；

电磁阀集装组24：由24V开关电平信号控制31个双作用气缸的往复拨弦运动；

串口控制模块22：运动控制系统2通过该模块与外部系统做串口通信；

舵机控制板23：根据控制指令生成PWM方波，控制机器人肢体29个舵机的运动；

24V电源模块26：为电磁阀集装组24提供24V直流电源；

7V电源模块27：为单片机21、舵机控制板23、舵机提供7V直流电源。

需要说明的是，本申请中提供的单片机21还可以采用可编程逻辑控制器 (PLC)、DSP、FPGA、PC等，本申请中箜篌演奏机器人采用3D打印材料，还可采用树脂、尼龙、PLA等多数高分子材料等，本申请在此不做限定。

一些实施例中，如图3、图4、图5和图6所示，所述结构执行系统3，包括：

头部执行机构31，用于在所述运动控制系统2的控制下，执行头部311旋转、侧摆和俯仰三个自由度的机械动作；

上肢执行机构32，用于在所述运动控制系统2的控制下，执行手臂322侧摆和前伸两个自由度的机械动作及执行大臂3221旋转、肘部3223弯曲、手腕3224左右摆、手腕3224上下摆和五根手指弯曲共十个自由度的机械动作；

腰部和躯干执行机构33，用于在所述运动控制系统2的控制下，执行腰部和躯干俯仰和旋转两个自由度的机械动作；

下肢执行机构34，位于所述腰部和躯干执行机构的下方，无主动自由度。

具体的，在所述运动控制系统2的控制下，头部执行机构31在所述运动控制系统2的控制下执行头部311旋转、侧摆和俯仰的机械动作，上肢执行机构 32执行手臂322侧摆和前伸两个自由度的机械动作及执行大臂3221旋转、肘部3223弯曲、手腕3224左右摆、手腕3224上下摆和五根手指弯曲的机械动作，腰部和躯干执行机构33执行腰部和躯干俯仰和旋转的机械动作，下肢执行机构 34位于腰部和躯干执行机构33下方，下肢执行机构34主要用于装饰，给人以美感。

一些实施例中，如图7所示，所述头部执行机构31，包括：头部311、脖子312及后背313；

如图8所示，所述头部311包括面部及后脑勺3111，所述头部311通过第一头部舵机座3112安装在用于提供旋转动力的第一头部舵机3113上，所述第一头部舵机3113通过舵机托台3114安装在所述脖子312上，所述第一头部舵机座3112与脖子312可发生相对转动；

如图9和图10所示，所述舵机托台3114下设置有双向轴承3115，用于支持所述头部311；所述后背313上设有第二头部舵机，通过鱼眼轴承3116与所述双向轴承3115相连，用于为所述头部311提供侧摆动力；

肩膀上还设有第三头部舵机，通过一蜗杆和一蜗块与双向轴承相连，用于为所述头部311提供俯仰动力，脖子312上安装可相对转动的第三头部舵机座，与第三头部舵机固连；第三头部舵机盘与蜗杆固连，蜗块一方面沿蜗杆做直线运动，一方面与双向轴承3115发生相对转动。

具体的，箜篌机器人头部311由第一头部舵机3113的旋转直接驱动头部 311的旋转，第二头部舵机安装在机器人的肩部，第二头部舵机通过鱼眼轴承3116连接到头部311。由第二头部舵机旋转提供动力，鱼眼轴承3116运动进行传动，第二头部舵机通过滑轮绕线组连接到头部311。由第三头部舵机旋转提供动力，蜗块沿蜗杆做直线运动实现低头和抬头。

一些实施例中，所述上肢执行机构32包括：肩膀321及手臂322，所述肩膀321连接脖子312，用于支撑头部311。

如图11所示，所述肩膀321上设有第一连接片3211，用于通过第一旋转中心轴3212连接第一肩部舵机座3213和手臂322，所述手臂322通过所述第一旋转中心轴3212进行旋转；所述第一肩部舵机座3213上安装用于提供手臂 322侧摆的旋转动力的第一肩部舵机3214；所述第一肩部舵机3214通过第一蜗杆3215和第一蜗块3216与所述第一旋转中心轴3212相连，所述第一肩部舵机 3214与所述第一蜗杆3215固连，第一蜗块3216一方面沿第一蜗杆3215做直线运动，一方面与所述第一旋转中心轴3212发生相对转动；

如图12所示，所述肩膀321上还设有第二连接片3217，用于连接第二肩部舵机座3219和手臂322，所述第二肩部舵机座3219上安装用于提供手臂322 前伸动力的第二肩部舵机3218；所述第二肩部舵机3218通过第二蜗杆32110 和第二蜗块32111与所述第二连接片3217连接，所述第二蜗块32111一方面沿第二蜗杆32110做直线运动，另一方面与所述第二连接片3217发生相对转动。

具体的，手臂322以第一旋转中心轴3212为中心进行侧摆，第一肩部舵机座3213与连接片连接，并可以与第一连接片3211相对旋转；第一肩部舵机3214 与第一蜗杆3215连接，带动第一蜗杆3215旋转，第一蜗块3216与第一蜗杆 3215连接，可以沿着第一蜗杆3215的方向(如图11所示方向)移动，第一蜗杆3215将第一肩部舵机3214产生的旋转驱动力转化成第一蜗块3216的直线运动，实现肩部侧摆。第二肩部舵机3218通过第二蜗杆32110和第二蜗块32111 与所述第二连接片3217连接，实现肩部前伸。

一些实施例中，如图13所示，所述手臂322，包括：大臂3221、小臂3222、肘部3223、手腕3224以及手3225；

如图14所示，所述大臂3221包括上大臂32211和下大臂32212，所述上大臂32211内设有大臂舵机32213，用于提供旋转动力；所述大臂舵机32213 通过大臂舵机盘32214连接下大臂32212，所述下大臂32212随大臂舵机盘 32214旋转完成旋转动作；

如图15所示，所述小臂3222包括上小臂32221和下小臂32222，所述下大臂32212与上小臂32221通过第二旋转中心轴32223连接，用于完成肘部3223 屈肘动作；所述上小臂32221内设有第一小臂舵机32224，所述第一小臂舵机32224通过第一小臂舵机盘32225连接下大臂32212，第一小臂舵机32224安装在一小臂舵机座32226上；所述下大臂32212通过第32248三蜗杆32227和第三蜗块32228与所述第二旋转中心轴32223相连，所述第一小臂舵机32224与第三蜗杆32227固连，第三蜗块32228一方面沿第三蜗杆32227做直线运动，一方面与所述第二旋转中心轴32223发生相对转动；

如图16所示，所述上小臂3222内还设有第二小臂舵机32229，用于提供旋转动力；所述第二小臂舵机32229通过第二小臂舵机盘322210与下小臂3222 连接，所述下小臂3222随第二小臂舵机盘322210旋转完成旋转动作；

如图17和图18所示，所述手腕3224与下小臂32222通过双向轴承32241 连接，所述下小臂3222内设有手腕舵机盘32242，用于安装手腕舵机32243，所述手腕舵机32243用于为手腕3224提供运动动力；所述下小臂3222内还设有第一绕线组32244、第二绕线组32245、第三绕线组32246、第四绕线组32247 和集线块32248，所述第一绕线组32244一端与手腕右端连接，另一端与手腕舵机盘32242连接，用于向右拉动手腕3224；所述第二绕线组32245一端与手腕左端连接，另一端与手腕舵机盘32242连接，用于向左拉动手腕3224；所述第三绕线组32246一端与手腕上端连接，另一端与手腕舵机盘32242连接，用于向上拉动手腕3224；所述第四绕线组32247一端与手腕下端连接，另一端与手腕舵机盘32242连接，用于拉动手腕3224向下；所述集线块32248用于将第一绕线组32244、第二绕线组32245、第三绕线组32246和第四绕线组32247 的线集中；

如图19所示，所述手3225包括手掌和手指，每根手指皆包括：指根32251、指中32252和指尖32253；

所述指根32251和指尖32253均设有两个孔，用于在指根32251和指尖 32253在手掌的手背一侧通过橡胶皮筋32254穿过指中32252连接到手掌，在手掌的手心一侧通过绕线组32255上的细线连接到手掌；所述手掌内设有小舵机32256，用于为手指弯曲的动力。

可以理解的是，本申请提供的机器人含有两条手臂322，两个手3225，所以，上肢执行机构32包括大臂旋转、肘部弯曲、手腕左右摆、手腕上下摆和五根手指弯曲共十个自由度的动作。本申请中，手腕3224与小臂3222通过双向轴承32241连在一起，本身具有两个转动自由度，可以使得手腕3224在小臂 3222上绕两个轴转动。集线块32248的作用是将绕线组32255的线集中起来，避免线缠绕在一起。

具体的，在靠近手背的一侧通过橡胶皮筋32254将五根手指从指尖32253 穿过指中32252和指根32251连接到手掌上，当手指受小舵机牵引弯曲后，小舵机32256复位以后，橡胶皮筋32254拉动手指复位，在靠近手心的一侧用绕线组32255的细绳将五根手指从指尖32253穿过指中32252和指根32251连接到手掌上，在小舵机32256的牵引力下，牵引手指做弯曲动作。

如图20所示，一些实施例中，所述腰部和躯干执行机构33，包括：腰部 331、胯部332、及连接腰部和肩膀的躯干；

如图21所示，所述腰部331内设有第一腰部舵机3311，用于为腰部331 提供俯仰的动力，所述第一腰部舵机3311连接第一腰部蜗杆3312，所述第一腰部蜗杆3312上设有第一腰部蜗块3313，所述第一腰部蜗块3313能够将第一腰部蜗杆3312的转动转换为直线运动；所述第一腰部蜗块3313连接腰部结构件3314，所述腰部结构件3314底端通过转动副连接胯部结构3315，所述胯部机构用于支撑躯干和第一腰部舵机，所述腰部结构件3314与胯部结构3315相对转动，所述第一腰部蜗杆3312转动带动第一腰部蜗块3313平移，推动腰部上升或下降；腰部与胯部之间通过一旋转中心轴3316连接。

如图22所示，所述躯干和腰部固定在腰部齿轮圆盘3303上，所述腰部齿轮圆盘3303设置在大齿轮3304上，所述大齿轮3304与小齿轮3305啮合，所述大齿轮3304与小齿轮3305设置在齿轮箱3306内，所述小齿轮3305通过第二腰部舵机座3307设置在第二腰部舵机3308的输出轴上；所述第二腰部舵机 3308用于为所述腰部和躯干提供旋转动力。

图21显示的是腰部及躯干俯仰自由度的机械结构图，第一腰部舵机与第一腰部蜗杆3312固连，通过第一腰部蜗杆3312转动使得其上的第一腰部蜗块 3313平移，推动脊柱背部上升或下降，实现腰部俯仰运动。

可以理解的是，图22显示的是腰部及躯干旋转自由度的机械结构图，图 21是将机器人躯干和腰部其余部分连接在一个大齿轮3304上，使用第二腰部舵机3308旋转驱动小齿轮3305，小齿轮3305通过啮合传动带动大齿轮3304 及与其固连的躯干运动，从而实现旋转。

一些实施例中，如图23所示，所述下肢执行机构34，包括：安装在腰部下方的大腿341、小腿342、底座343和脚344；

所述大腿341与小腿342之间通过一万向轴承连接；

所述小腿342与脚344之间通过一万向轴承连接；

所述大腿341、小腿342及脚344采用硬木制成。

具体的，大腿341、小腿342、底座343和脚344均无主动自由度。

一些实施例中，如图3和图24所示，还包括：箜篌琴35，所述箜篌琴35 包括：

两排琴弦351，每排琴弦35131根，共计62根弦；

气缸352，用于通过往复运动提供拨弦头拨弦的动力；

气缸底座353，用于承载气缸352；

拨弦机构方管354，用于承载气缸底座343和气缸，共两根，分别设置在所述箜篌琴35的两侧；

拨弦片355，与气缸352推柱相连，在气缸352的作用下，往复拨动琴弦 351。

优选的，本申请中的气缸为双作用气缸。

最后，需要说明的是，箜篌演奏机器人智能解析系统有两个方面的主要功能：一是乐谱智能解析：智能地理解和分析电子乐谱，生成自动弹奏箜篌的控制代码；二是动作学习与智能编排：综合和学习人类弹奏箜篌的舞蹈动作，生成箜篌机器人的肢体控制代码，其工作流程如下。

1，乐谱智能解析，如图25所示，

(1)查表

通过查找标准的电子乐谱音符表，从电子乐谱中提取乐谱的音符编码及其对应的时间长度。

(2)填表

将提取的乐谱音符编码及其对应的时间长度，映射为乐曲数组。映射规则和含义如表1所示。

表1

(3)查模板

查找程序模板，具体含义为：

a)delay(Time00)

对于步骤2生成的数组内容(0,0,Time00)，延迟Time00毫秒，期间不进行吹奏。

b)StringFlag[i]＝KonghouPlay(Range,Note,Time,StringFlag[i])；

对于步骤2生成的数组内容(音阶，唱名，时间)，当音阶不为0时，则填写该函数，Range＝音阶，Note＝唱名，Time＝时间(ms)；StringFlag[i]为箜篌智能拨片的状态记录数组，其数值随着琴弦的拨动在0和1之间切换；琴弦号i＝ 7×(Range-1)+(Note-3)。

这一行函数的含义是，拨动第i根琴弦，之后间隔Time毫秒后再拨动下一根琴弦。若Time＝0，则表明智能拨片将同时拨动此行和其上一行对应的琴弦。

(4)填程序

按照程序模板，将步骤2生成的乐曲数组填入控制程序代码段中，生成控制程序代码。

2，动作学习与智能编排，如图26所示，

1)动作设计实例化

专家(动画师或设计师)根据经验和艺术化设计，在机器人虚拟模型上进行动作编排，生成一系列虚拟机器人模型的动作模板。

2)查表

系统学习带有专家经验的动作模板，查找动作映射表的各自由度含义、限制、映射系数等数学参数，如表2所示。

表2

结合查找的动作映射表内容，按一定的映射算法和规则，由虚拟机器人模型的自由度运动数据，生成机器人肢体的动作控制代码。映射算法有很多种，一种常见的为线性限幅映射。设虚拟机器人模型自由度运动数据为θ，机器人控制数据为x，则有映射规则x＝f(Aθ+B)。其中，A和B为线性变换矩阵，f为关节转动的限幅函数。

综上所述，本发明提供一种箜篌演奏机器人，本发明按照中国风设计的人形机器人，箜篌演奏机器人能够模拟真人，弹奏箜篌乐器，身体跟随音乐节奏进行上肢的舞蹈，很有舞台感，达到了人类熟练演奏者的水平，能够部分减轻人类演员舞台表演的压力，为观众带来全新的艺术表现和交互体验，用现代科技传承古老的中国文化。本申请中的机器人为了提高拨弦频率，本申请使用双作用气缸作为气动执行器件，大大提高拨弦频率；为了保证箜篌31根琴弦弹奏效果，设计可调式结构，实现精准调试拨弦气缸拨弦机构相对琴弦的位置；为了大大提升了整体的美感和舞台效果，通过设计高自由度人形机器人在箜篌旁边模仿人去弹奏箜篌，可以实现人类演奏家的各种动作，肢体动作表现能力十分丰富；箜篌演奏机器人具备了智能识谱和执行的功能，提高了机器人乐手的解析能力。

可以理解的是，上述提供的系统实施例与上述的方法实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令方法的制造品，该指令方法实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种箜篌演奏机器人，其特征在于，包括：

智能解析系统，用于读取待演奏的电子乐谱，生成箜篌演奏的控制指令；

运动控制系统，用于根据所述控制指令，生成底层控制电平信号；

结构执行系统，包括具有多个运动自由度的执行机构，用于根据所述底层控制电平信号，执行相应的演奏和舞蹈动作。

2.根据权利要求1所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述运动控制系统，包括：

单片机，用于根据智能解析系统生成的控制指令，生成各执行机构所需要的电平信号，以驱动各执行机构执行相应的演奏和舞蹈动作；

串口控制模块，用于单片机与智能解析系统之间的数据通信；

舵机控制板，用于控制所述执行机构的舵机运动；

电磁阀集装组，用于控制所述执行机构的气缸的往复拨弦运动；

继电器，用于放大控制电平信号；

所述串口控制模块、舵机控制板、电磁阀集装组以及继电器分别与所述单片机连接。

3.根据权利要求2所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述运动控制系统，还包括：

24V电源模块，用于为所述电磁阀集装组提供电能；

7V电源模块，用于为所述单片机、舵机控制板提供电能。

4.根据权利要求1所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述结构执行系统，包括：

头部执行机构，用于在所述运动控制系统的控制下，执行头部旋转、侧摆和俯仰三个自由度的机械动作；

上肢执行机构，用于在所述运动控制系统的控制下，执行手臂侧摆和前伸两个自由度的机械动作及执行大臂旋转、肘部弯曲、手腕左右摆、手腕上下摆和五根手指弯曲共十个自由度的机械动作；

腰部和躯干执行机构，用于在所述运动控制系统的控制下，执行腰部和躯干俯仰和旋转两个自由度的机械动作；

下肢执行机构，位于所述腰部和躯干执行机构的下方，无主动自由度。

5.根据权利要求4所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述头部执行机构，包括：头部、脖子及后背；

所述头部包括面部及后脑勺，所述头部通过第一头部舵机座安装在用于提供旋转动力的第一头部舵机上，所述第一头部舵机通过舵机托台安装在所述脖子上，所述第一头部舵机座与脖子可发生相对转动；

所述舵机托台下设置有双向轴承，用于支持所述头部；所述后背上设有第二头部舵机，通过鱼眼轴承与所述双向轴承相连，用于为所述头部提供侧摆动力；

肩膀上设有第三头部舵机，通过一蜗杆和一蜗块与所述双向轴承相连，用于为所述头部提供俯仰动力，脖子上安装可相对转动的第三头部舵机座，与第三头部舵机固连；第三头部舵机盘与蜗杆固连，蜗块一方面沿蜗杆做直线运动，一方面与双向轴承发生相对转动。

6.根据权利要求5所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述上肢执行机构包括：肩膀及手臂，所述肩膀连接脖子，用于支撑头部；

所述肩膀上设有第一连接片，用于通过第一旋转中心轴连接第一肩部舵机座和手臂，所述手臂通过所述第一旋转中心轴进行旋转；所述第一肩部舵机座上安装用于提供手臂侧摆的旋转动力的第一肩部舵机；所述第一肩部舵机通过第一蜗杆和第一蜗块与所述第一旋转中心轴相连，所述第一肩部舵机与所述第一蜗杆固连，第一蜗块一方面沿第一蜗杆做直线运动，一方面与所述第一旋转中心轴发生相对转动；

所述肩膀上还设有第二连接片，用于连接第二肩部舵机座和手臂，所述第二肩部舵机座上安装用于提供手臂前伸动力的第二肩部舵机；所述第二肩部舵机通过第二蜗杆和第二蜗块与所述第二连接片连接，所述第二蜗块一方面沿第二蜗杆做直线运动，另一方面与所述第二连接片发生相对转动。

7.根据权利要求6所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述手臂，包括：大臂、肘部、小臂、手腕以及手；

所述大臂包括上大臂和下大臂，所述上大臂内设有大臂舵机，用于提供旋转动力；所述大臂舵机通过大臂舵机盘连接下大臂，所述下大臂随大臂舵机盘旋转完成旋转动作；

所述小臂包括上小臂和下小臂，所述下大臂与上小臂通过第二旋转中心轴连接，用于完成肘部屈肘动作；所述上小臂内设有第一小臂舵机，所述第一小臂舵机通过第一小臂舵机盘连接下大臂；所述下大臂通过第三蜗杆和第三蜗块与所述第二旋转中心轴相连，所述第一小臂舵机与第三蜗杆固连，第三蜗块一方面沿第三蜗杆做直线运动，一方面与所述第二旋转中心轴发生相对转动；

所述上小臂内还设有第二小臂舵机，用于提供旋转动力；所述第二小臂舵机通过第二小臂舵机盘与下小臂连接，所述下小臂随第二小臂舵机盘旋转完成旋转动作；

所述手腕与下小臂通过双向轴承连接，所述下小臂内设有手腕舵机盘，用于安装手腕舵机，所述手腕舵机用于为手腕提供运动动力；所述下小臂内还设有第一绕线组、第二绕线组、第三绕线组、第四绕线组和集线块，所述第一绕线组一端与手腕右端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于向右拉动手腕；所述第二绕线组一端与手腕左端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于向左拉动手腕；所述第三绕线组一端与手腕上端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于向上拉动手腕；所述第四绕线组一端与手腕下端连接，另一端与手腕舵机盘连接，用于拉动手腕向下；所述集线块用于将第一绕线组、第二绕线组、第三绕线组和第四绕线组的线集中；

所述手包括手掌和手指，每根手指皆包括：指根、指中和指尖；

所述指根和指尖均设有两个孔，用于在指根和指尖在手掌的手背一侧通过橡胶皮筋穿过指中连接到手掌，在手掌的手心一侧通过绕线组上的细线连接到手掌；所述手掌内设有小舵机，用于为手指弯曲的动力。

8.根据权利要求4所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述腰部和躯干执行机构，包括：腰部、胯部、及连接腰部和肩膀的躯干；

所述腰部内设有第一腰部舵机，用于为腰部提供俯仰的动力，所述第一腰部舵机连接第一腰部蜗杆，所述第一腰部蜗杆上设有第一腰部蜗块，所述第一腰部蜗块能够将第一腰部蜗杆的转动转换为直线运动；所述第一腰部蜗块连接腰部结构件，所述腰部结构件底端通过转动副连接胯部结构，所述胯部机构用于支撑躯干和第一腰部舵机，所述腰部结构件与跨部结构相对转动，所述第一腰部蜗杆转动带动第一腰部蜗块平移，推动腰部上升或下降；

所述躯干和腰部固定在腰部齿轮圆盘上，所述腰部齿轮圆盘设置在大齿轮上，所述大齿轮与小齿轮啮合，所述大齿轮与小齿轮设置在齿轮箱内，所述小齿轮通过第二腰部舵机座设置在第二腰部舵机的输出轴上；所述第二腰部舵机用于为所述腰部和躯干提供旋转动力。

9.根据权利要求8所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，所述下肢执行机构，包括：安装在腰部下方的大腿、小腿、底座和脚；

所述大腿与小腿之间通过一万向轴承连接；

所述小腿与脚之间通过一万向轴承连接；

所述大腿、小腿及脚采用硬木制成。

10.根据权利要求1至9任一项所述的箜篌演奏机器人，其特征在于，还包括：箜篌琴，所述箜篌琴包括：

两排琴弦，每排琴弦31根，共计62根弦；

气缸，用于通过往复运动提供拨弦头拨弦的动力；

气缸底座，用于承载气缸；

拨弦机构方管，用于承载气缸底座和气缸，共两根，分别设置在所述箜篌琴的两侧；

拨弦片，与气缸推柱相连，在气缸的作用下，往复拨动琴弦。

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