CN209273452U - 一种教学、表演两用打鼓机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及智能机器人领域，公开了一种教学、表演两用打鼓机器人，包括机器人、架子鼓、控制盒、第一节拍传感器、第二节拍传感器、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯；传感器设置于机器人内部，第一节拍传感器安装于架子鼓的鼓面，第二节拍传感器安装于架子鼓的镲面，第一节拍提示灯安装于架子鼓的鼓面，第二节拍提示灯安装于架子鼓的镲面，第一节拍传感器、第二节拍传感器、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯均与控制盒连接。其有益效果在于：既可以单独表演又可以用于教学，解决了现有架子鼓无法进行有效的自学等问题。

Description

一种教学、表演两用打鼓机器人

技术领域

本实用新型涉及智能机器人领域，具体涉及一种教学、表演两用打鼓机器人。

背景技术

目前，市面上具有各种各样的演奏机器人，它们的表演虽然可以给人强烈的视觉冲击力，但是由于表演的曲目大都是事先设计好的程序，不具备较好的智能性，而且价格昂贵、复杂，无法得到很好的普及。更重要的是，它还缺乏相应的教育辅佐功能，功能比较单一，无法真正的走入到平常百姓家。在这种情况下，研发具有教育功能的演奏机器人具有重要的实际应用价值。

打鼓机器人作为敲击类乐器演奏机器人的一种，具有很强的艺术观赏性。机器人商演作为一个新兴市场，不仅仅只是为了满足消费需求，更是对传统机器人行业发展的有力辅助，通过对新技术的吸纳和研发资金的输出，能够推动更多机器人行业的技术发展，从这点来看，机器人商演市场的蓬勃发展也具有明显的行业意义。目前，我国对于基于音乐特征识别的打鼓机器人研究还不是很完善，现有架子鼓教学模式单一、无法进行有效的自学。所以，研究一套用于教育和表演的打鼓机器人系统具有重要的现实意义和长远意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种可教学、表演两用机器人。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：一种教学、表演两用打鼓机器人，包括机器人、架子鼓、控制盒、节拍检测模块和节拍提示灯模块；所述控制盒设置于机器人内部，所述节拍检测模块包括第一节拍传感器和第二节拍传感器，所述第一节拍传感器安装于架子鼓的鼓击面，所述第二节拍传感器安装于架子鼓的镲面，所述节拍提示灯模块包括第一节拍提示灯和第二节拍提示灯，所述第一节拍提示灯安装于架子鼓的鼓面，所述第二节拍提示灯安装于架子鼓的镲面，所述第一节拍传感器、第二节拍传感器、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯均与控制盒连接。

进一步地，所述控制盒的内部设置有相连接的第一控制器和第二控制器；所述机器人与第二控制器连接，所述第一节拍传感器、第二节拍传感器、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯均与第二控制器连接。

进一步地，所述机器人包括基座、机身、头部和多条机械臂；所述机身安装于基座，所述头部安装于机身，所述控制盒安装于头部中，所述机身上均匀安装有多条机械臂，所述机械臂与控制盒连接。

进一步地，还包括旋转云台，所述基座通过旋转云台与机身连接，所述旋转云台与控制盒连接。

进一步地，所述头部设有液晶显示屏，所述液晶显示屏与控制盒连接。

进一步地，所述机械臂包括第一转动件、演奏鼓棒和至少两个固定臂；所述固定臂之间通过第一转动件连接，且位于首端的固定臂与机身连接，位于尾端的固定臂与演奏鼓棒连接，所述第一转动件和演奏鼓棒均与控制盒连接。

进一步地，所述演奏鼓棒包括第二转动件、传动件、减震器和鼓槌；所述第二转动件安装于位于尾端的固定臂，所述传动件和控制盒均与第二转动件连接，所述传动件通过减震器与鼓槌连接。

进一步地，所述传动件包括摆动架和连接杆；所述摆动架与第二转动件连接，所述连接杆安装于摆动架，所述连接杆通过减震器与鼓槌连接。

进一步地，所述摆动架包括第一侧板、第二侧板和横梁，所述第一侧板安装于横梁的一侧面的一端，所述第二侧板安装于横梁的一侧面的另一端，所述第一侧板与第二转动件的输出轴连接，所述第二侧板与第二转动件转动连接，所述连接杆安装于横梁的另一侧面。

一种教学、表演两用打鼓机器人的工作方法：包括如下模式，

教学模式：将要演奏的乐曲发送至第一控制器，第一控制器对乐曲进行处理分析，并将控制指令发送至第二控制器，第二控制器根据控制指令控制第一节拍提示灯和第二节提示灯工作，学习者根据第一节拍提示灯和第二节拍提示灯的提示，对不同的鼓面或镲面进行敲击，第一节拍传感器感应鼓的敲击情况并将敲击数据回馈至第二控制器，第二节拍传感器感应镲的敲击情况并将敲击数据回馈至第二控制器，第二控制器对敲击数据进行分析学习者根据液晶显示屏上的数据对自己的演奏进行分析总结；

表演模式：将要演奏的乐曲发送至第一控制器，第一控制器对乐曲进行处理分析，并将控制指令发送至第二控制器，第二控制器根据控制指令控制旋转云台、第一转动件、第二转动件、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯工作，使机器人敲击架子鼓进行表演。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

1、本实用新型可用于架子鼓教学，架子鼓中的鼓面和镲面上都安装有节拍检测模块和节拍提示灯模块，节拍提示灯模块用于指引人们即将需要敲击的动作，节拍检测模块用于检测在规定的时间内是否有相应的敲击动作，通过节拍提示灯模块的提示，学习者对应敲击不同的鼓面或镲面对乐曲进行练习，通过使用本实用新型，可自学如何使用架子鼓演奏乐曲，对推动架子鼓的学习具有长远意义。

2、本实用新型中采用基于多特征融合的SVM分类算法来处理乐曲，能够支持多种用于架子鼓教学的音频文件，留给用户更丰富的选择。

3、本实用新型中可用于商业表演，机器人通过第一控制器和第二控制器来控制旋转云台和第一转动件和第二转动件的工作，进行乐曲演奏，演奏时第一节拍提示灯和第二节拍提示灯可以根据需要亮起，渲染演奏气氛。

4、本实用新型中的机器人还设有液晶显示屏，最终一首乐曲的错误敲击次数或者敲击遗漏的次数将在作品演奏结束后，在液晶显示屏上显示出来，学习者可根据这些数据对自己的操作进行分析，了解自己的不足，进行针对性练习。

附图说明

图1是本实用新型的教学、表演两用打鼓机器人的结构示意图；

图2是本实用新型中机器人的结构示意图；

图3是本实用新型中基座的结构示意图；

图4是本实用新型中机械臂的结构示意图；

图5是本实用新型中演奏鼓棒的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中PC客户端向服务器发送乐曲的工作流程图；

图7是本实用新型实施例中服务器与客户端(包括PC客户端和机器人客户端端)连接的工作流程图；

图8是本实用新型实施例中第一控制器和第二控制器的工作流程图；

图中，1为机器人；2为架子鼓；3为第一节拍传感器；4为第二节拍传感器；5为第一节拍提示灯；6为第二节拍提示灯；7为基座；8为机身；9为头部；10为旋转云台；11为第一转动件；12为固定臂；13为第二转动件；14为减震器；15为鼓槌；16为连接杆；17为第一侧板；18为第二侧板；19为横梁；20为服务器数据接收线程；21为音频处理；22为音频播放进程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1-图5所示的教学、表演两用打鼓机器人，包括机器人1、架子鼓2、控制盒、节拍检测模块和节拍提示灯模块；所述控制盒设置于机器人1内部，所述节拍检测模块包括第一节拍传感器3和第二节拍传感器4，所述第一节拍传感器3安装于架子鼓2中的鼓面，所述第二节拍传感器4安装于架子鼓2中的镲面，所述节拍提示灯模块包括第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6，所述第一节拍提示灯5安装于架子鼓2中的鼓面，所述第二节拍提示灯6安装于架子鼓2中的镲面，所述第一节拍传感器3、第二节拍传感器4、第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6均与控制盒连接。其中：第一节拍传感器3和第二节拍传感器4均采用薄膜式压力传感器，例如：FSR超薄型电阻式压力传感器，其质量轻、厚度薄，既不影响实际演奏效果，又准确检测敲击节拍，第一节拍传感器3的检测范围为整个鼓面，第二节拍传感器4的检测范围为整个镲面；第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6采用贴片式LED雾灯，功耗低，质量轻，雾状发光表面，不刺眼，亮度高，用于指引即将敲击的动作。本实用新型既可以由机器人1进行打鼓表演，又可以进行教学，寓教于乐，提供独具特色的教学，解决现有架子鼓教学模式单一、无法进行有效的自学等问题。架子鼓2中包括不同类型的鼓和不同类型的镲，架子鼓2中各类型的鼓面均安装有第一节拍传感器3和第一节拍提示灯5，各类型的镲面均安装有第二节拍传感器4和第二节拍提示灯6。

所述控制盒的内部设置有相连接的第一控制器和第二控制器；所述机器人1与第二控制器连接，所述第一节拍传感器3、第二节拍传感器4、第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6均与第二控制器连接。其中：第一控制器采用第3代Raspberry Pi主板，此第一控制器还可以外接音响，方便实现乐曲的播放。第二控制器选用Arduino控制器或STM32。本实用新型中利用基于多特征融合的SVM分类法处理乐曲能够支持多种用于架子鼓教学的音频文件，相较于流行的神经网络模型，SVM分类模型成本低，效果好，通过嵌入式编程开发，将打鼓智能系统软件算法在第3代Raspberry Pi第一控制器上运行，同时，机器人1的敲击控制部分运行在第二控制器上。即第一控制器利用SVM分类模型来分析处理乐曲，对乐曲中需敲打鼓或镲的节奏点进行区分，并将区分结果以控制指令的方式实时发送至第二控制器，第二控制器控制机器人1打鼓，同时，第一控制器播放乐曲。

所述机器人1包括基座7、机身8、头部9和多条机械臂；所述基座7通过旋转云台10与机身8连接，所述头部9安装于机身8，所述控制盒安装于头部9中，所述机身8上均匀安装有多条机械臂，所述机械臂、旋转云台10均与控制盒中的第二控制器连接。基座7和机械臂均采用PVC材质制成，其具有价格便宜，韧性好、抗拉伸、抗弯曲、抗冲击等优点。旋转云台10的内部安装有舵机。

所述头部9设有液晶显示屏，所述液晶显示屏与控制盒中的第二控制器连接。一首作品的错误敲击次数或者敲击遗漏的次数将在作品演奏结束后，显示在液晶显示屏中。

所述机械臂包括第一转动件11、演奏鼓棒和三个固定臂12；所述相邻的两个固定臂12之间通过第一转动件11连接，且位于首端的固定臂12与机身8连接，位于尾端的固定臂12与演奏鼓棒连接，所述第一转动件11和演奏鼓棒均与第二控制器连接。第二控制器驱动第一转动件11运动，使机械臂摆动，从而使演奏鼓棒敲击架子鼓2。

所述演奏鼓棒包括第二转动件13、传动件、减震器14和鼓槌15；所述第二转动件13安装于位于尾端的固定臂12，所述传动件和第二控制器均与第二转动件13连接，所述传动件通过减震器14与鼓槌15连接。第二转动件13通过传动件带动鼓槌15摆动，从而敲击架子鼓2，进行演奏。减震器14选为钢丝制成的减震弹簧，其弹性好，经久耐用；鼓槌15采用传统木质鼓棒，其材质轻便，演奏音效好。

所述传动件包括摆动架和连接杆16；所述摆动架与第二转动件13连接，所述连接杆16安装于摆动架，所述连接杆16与减震器14的一端连接，减震器14的另一端与鼓槌15连接。

所述摆动架包括第一侧板17、第二侧板18和横梁19，所述第一侧板17安装于横梁19的一侧面的一端，所述第二侧板18安装于横梁19的一侧面的另一端，所述第一侧板17与第二转动件13的输出轴连接，所述第二侧板18与第二转动件13的输出轴的相对侧转动连接，所述连接杆16安装于横梁19的另一侧面。其中，第二转动件13的输出轴的相对侧安装有轴承，所述第二侧板18与轴承连接，这样摆动架即可在第二转动件13的驱动下摆动，从而带动鼓槌15敲击架子鼓2。第一转动件11和第二转动件13均为舵机，其反应快，旋转角度准确。相邻的两个固定臂12之间通过舵机连接，两个固定臂12之间的与舵机的连接结构类似于使用第一侧板17和第二侧板18。

本实用新型中的架子鼓2、薄膜式压力传感器、贴片式LED雾灯、舵机、旋转云台10、3代Raspberry Pi主板和Arduino控制器、STM32等均可自市场购买。

本实用新型具有两种工作模式：

向机器人发送演奏乐曲的方法有多种，本实施例中仅展开介绍通过服务器(此服务器中储存了大量音频文件)发送乐曲的方法，第一控制器和服务器均连接同一个局域网，服务器通过此局域网向第一控制器传递信息，还有用于给服务器发送指令的PC客户端(可以为服务器中运行的程序；也可以为另外一台电脑上运行的程序，这台电脑与服务器连接同一个局域网)，另外也可选用手机APP发送等其他方式。

教学模式：如图6-图8所示，通过PC客户端给服务器(服务器中储存了大量音频文件)发送指令(即将演奏的歌曲名称)，服务器接到指令后会进行校验(此指令来自PC客户端或机器人客户端即第一控制器)，判断来自PC客户端后，服务器便会接收演奏的歌曲名称，并在音频目录文件夹下搜寻有没有与这首歌名相匹配的歌曲，若未能顺利找到，给PC客户端发送一个错误信息；若成功找到，服务器便发送歌曲信息给与其连接的所有机器人客户端(第一控制器)，随后各个第一控制器通过预设好的程序对乐曲进行处理(包括乐曲中鼓点、镲点元素的提取等)，处理后将数据进行存储；为了使服务器连接的所有机器人1保持动作、音乐协调一致，启动NTP对时服务，约定的时间到后，所有机器人1中的第一控制器开始播放乐曲，并将乐曲中需亮灯的数据发送至第二控制器，第二控制器控制第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6工作。即在教学模式中，第一控制器播放乐曲，根据第一节拍提示灯5或第二节拍提示灯6会随乐曲的节奏相应亮起，学习者根据提示灯的提示对不同的鼓面或镲面进行敲击，第一节拍传感器3和第二节拍传感器4感应鼓面和镲面的敲击情况，第二控制器对敲击数据进行分析，并将整首歌曲的错误敲击次数或者敲击遗漏的次数在液晶显示屏显示。利用教学模式学习者可根据节拍灯提示进行演奏，并根据液晶显示屏上的数据进行纠错，反复练习，利用本实用新型，学习者可快速学会演奏架子鼓。

表演模式：通过PC客户端给服务器发送指令(即将演奏的歌曲名称)，服务器接到指令后会进行校验(此指令来自PC客户端或机器人客户端即第一控制器)，判断来自PC客户端后，服务器便会接收演奏的歌曲名称，并在音频目录文件夹下搜寻有没有与这首歌名相匹配的歌曲，若未能顺利找到，给PC客户端发送一个错误信息；若成功找到，服务器便发送歌曲信息给与其连接的所有机器人客户端(第一控制器)，随后各个第一控制器通过预设好的程序对乐曲进行处理(包括乐曲中鼓点、镲点元素的提取等)，处理后将数据进行存储；为了使服务器连接的所有机器人1保持动作、音乐协调一致，启动NTP对时服务，约定的时间到后，所有机器人1中的第一控制器开始播放乐曲，并将乐曲中需亮灯的数据发送至第二控制器，第二控制器控制舵机(即旋转云台10、第一转动件11、第二转动件13)和LED灯(即第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6)工作，从而使机器人1敲击架子鼓2进行表演，并通过第一节拍提示灯5和第二节拍提示灯6渲染气氛。(图7中的客户端包括PC客户端和机器人客户端，服务器会校验接收到的指令，从而确定指令是来自PC客户端或机器人客户端)

本实用新型的教学、表演两用打鼓机器人，即可单独进行架子鼓的教学，又可进行演出，对架子鼓的学习、推广具有重要的长远意义。

上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：包括机器人、架子鼓、控制盒、节拍检测模块和节拍提示灯模块；所述控制盒安装于机器人的内部，所述节拍检测模块包括第一节拍传感器和第二节拍传感器，所述第一节拍传感器安装于架子鼓的鼓面，所述第二节拍传感器安装于架子鼓的镲面，所述节拍提示灯模块包括第一节拍提示灯和第二节拍提示灯，所述第一节拍提示灯安装于架子鼓的鼓面，所述第二节拍提示灯安装于架子鼓的镲面，所述第一节拍传感器、第二节拍传感器、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯均与控制盒连接。

2.根据权利要求1所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述控制盒的内部设置有相连接的第一控制器和第二控制器；所述机器人与第二控制器连接，所述第一节拍传感器、第二节拍传感器、第一节拍提示灯和第二节拍提示灯均与第二控制器连接。

3.根据权利要求1所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述机器人包括基座、机身、头部和多条机械臂；所述机身安装于基座，所述头部安装于机身，所述控制盒安装于头部中，所述机身上均匀安装有多条机械臂，所述机械臂与控制盒连接。

4.根据权利要求3所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：还包括旋转云台，所述基座通过旋转云台与机身连接，所述旋转云台与控制盒连接。

5.根据权利要求3所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述头部设有液晶显示屏，所述液晶显示屏与控制盒连接。

6.根据权利要求3所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述机械臂包括第一转动件、演奏鼓棒和至少两个固定臂；所述固定臂之间通过第一转动件连接，且位于首端的固定臂与机身连接，位于尾端的固定臂与演奏鼓棒连接，所述第一转动件和演奏鼓棒均与控制盒连接。

7.根据权利要求6所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述演奏鼓棒包括第二转动件、传动件、减震器和鼓槌；所述第二转动件安装于位于尾端的固定臂，所述传动件和控制盒均与第二转动件连接，所述传动件通过减震器与鼓槌连接。

8.根据权利要求7所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述传动件包括摆动架和连接杆；所述摆动架与第二转动件连接，所述连接杆安装于摆动架，所述连接杆通过减震器与鼓槌连接。

9.根据权利要求8所述的教学、表演两用打鼓机器人，其特征在于：所述摆动架包括第一侧板、第二侧板和横梁，所述第一侧板安装于横梁的一侧面的一端，所述第二侧板安装于横梁的一侧面的另一端，所述第一侧板与第二转动件的输出轴连接，所述第二侧板与第二转动件转动连接，所述连接杆安装于横梁的另一侧面。