CN217020387U - 一种智能古筝演奏机器人 - Google Patents

Abstract

一种智能古筝演奏机器人，仿人形设计，包括驱动机构、扫描机构、语音机构、控制机构，控制机构包括主控制器和辅控制器，主控制器连接扫描机构、语音机构和辅控制器，辅控制器连接驱动机构；扫描机构包括机器人眼部的双摄像头，通过识别标准纸质谱上的乐谱，收集视觉信号，并将视觉信号转化为电信号传输给主控制器进行分析；语音机构包括机器人耳部内置的麦克风和嘴部内置的发声装置，麦克风用于将外部的声音信号转化为内部电信号并传输给主控制器以进行分析；驱动机构包括肘部关节、手腕关节、手指关节的关节活动结构，关节活动结构通过舵机进行控制，舵机连接辅控制器，辅控制器用于通过接收主控制器的指令以控制舵机动作，从而实施演奏操作。

Description

一种智能古筝演奏机器人

技术领域

本实用新型涉及人工智能机器人领域，尤其涉及一种智能古筝演奏机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展以及政府的大力支持，机器人产业在国内迎来了发展的春天，各式各样的机器人陆续出现在人们的视野中。其中，演奏机器人作为机器人研究领域的一个全新发展方向，其研究成果备受关注。从技术层面上说，目前国际上流行的演奏型机器人一般有两种，一种为通过采集外部指令，从而做出相关反应的机器人；另一种为能够自主演奏某种乐器的机器人。目前，古筝演奏机器人在世界上已有先例：英特尔公司制作的古筝机器人，以6根巨大的扇叶状机械臂，能够独立进行古筝的弹奏。其机器臂覆盖面广，移动幅度较小，实现的技术要求较低。武汉科技馆中展示的古筝机器人，具有仿人型的外观，但在演奏时，动作较为呆板僵硬，且灵活度不足，难以体现古筝弹奏的音乐性。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种智能古筝演奏机器人，不仅可以实现古筝的基础演奏功能，还可以在扫描纸质乐谱后，通过相应程序进行提取、识别、乐谱元素等一系列操作，并转换为动作控制信号输出，最终实现机器人的自动识谱演奏。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种智能古筝演奏机器人，所述智能古筝演奏机器人采用仿人形设计，其包括驱动机构、扫描机构、语音机构、控制机构和供电机构；所述供电机构为机器人供电；所述控制机构包括主控制器和辅控制器，所述主控制器连接扫描机构、语音机构和辅控制器，所述辅控制器连接驱动机构；所述扫描机构包括机器人眼部的双摄像头，所述双摄像头用于通过识别标准纸质谱上的乐谱，收集视觉信号，并将视觉信号转化为电信号传输给主控制器进行分析；所述语音机构包括机器人耳部内置的麦克风和嘴部内置的发声装置，所述麦克风用于将外部的声音信号转化为内部电信号并传输给主控制器以进行分析；所述驱动机构包括肘部关节、手腕关节、手指关节的关节活动结构，所述关节活动结构通过舵机进行控制，所述舵机连接辅控制器，所述辅控制器用于通过接收主控制器的指令以控制舵机动作，从而实施演奏操作。

所述控制机构的主控制器采用主频为1.2GHz的ARM Cortex-A53架构的四核处理器，具有多个外接接口用于连接其他机构。

所述主控制器上还设有无线WIFI/BLE电路。

所述控制机构的辅控制器采用ARM核Cortex-M4系列芯片。

所述舵机采用PCA9685舵机。

所述供电机构包括同步整流的降压稳压模块，其由高效率大电流的降压芯片TPS40057和TPCA8016-H场效应管构成，用于将输入为9～35V的电压稳压至5V，且输出电流达到5A。

所述智能古筝演奏机器人的5个手指两两之间共装有4个影像传感器，所述影像传感器连接辅控制器，以通过影像传感器与手指形成的角度判断手指之间的侧向运动，同时界定手指关节的自由度。

所述智能古筝演奏机器人的手掌内部安装有微型电机，所述微型电机连接辅助控制器，以控制手掌的整体运动及在演奏过程中的协调。

所述智能古筝演奏机器人的每根手指前端均设有义甲。

相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：

本实用新型能够实现独立演奏数据库中的古筝曲目，或通过扫描纸质曲谱，经自动识别转换后，可进行即兴演奏。此外，还可通过电脑控制其演奏和交互功能，从而实现将传统乐器与高科技元素相结合，推动音乐艺术的发展。

本实用新型智能古筝演奏机器人，使用仿人型的外观，通过对演奏所需的机械部位进行设计，提高机械指的控制精确度以及动作协调性，可以更好地体现古筝弹奏的音乐性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为智能古筝演奏机器人的手部结构示意图；

图3为本实用新型的控制结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

参见图1～3，本实用新型提供的一种智能古筝演奏机器人采用仿人形设计，包括驱动机构、扫描机构、语音结构、控制机构、供电机构；

所述驱动机构包括头部(6)、颈部(9)、躯干(11)、手部关节(4)、肘部关节(5)、肩关节(10)、腿部关节(13)、膝盖关节(7)、踝关节(14)、手指关节(15)、义甲(22)等部位，与所述控制机构连接；

所述头部(6)与所述颈部(9)、所述颈部(9)与所述躯干(11)、所述躯干(11)与所述腰部(12)，所述躯干(11)与所述肩关节(10)、所述肩关节(10)与所述肘部关节(5)、所述肘部关节(5)与所述手部关节(4)、所述手部关节(4)与所述手指关节(15)，所述手指关节(15)与所述义甲(22)均相互连接，且关节采用球形设计，可以灵活旋转，从而模仿人类演奏活动。

所述扫描机构包括机器人眼部(1)内置的双摄像头，与所述控制机构连接；

所述语音机构包括机器人耳部(8)内置的麦克风和嘴部(3)内置的发声装置，与所述控制机构连接；

所述控制机构位于机器人胸腔处(2)，提供多个接口，可连接电脑。控制机构包括主控制器和辅控制器，主控制器连接扫描机构、语音结构和辅控制器，控制机构还包括移动通信装置和SIM通信卡，使用者可通过互联网Wi-Fi或移动通信网连接到该机器人，从而进行控制。

所述控制机构的主控制器采用英国卡片电脑树莓派3代B型，是一块主频为1.2GHz的ARM Cortex-A53架构的四核处理器，提供丰富的外设接口，并在板卡背面增加无线WIFI/BLE电路。所述控制机构的辅助控制器控制机器人弹奏动作，并且驱动相关的外围设备模块实现用户动作的检测和音乐节点信息的提示，该控制器采用ST公司的ARM核Cortex-M4系列芯片，拥有多种协议接口，可以用于驱动不同的协议外设。

所述供电机构位于机器人腰部内(12)用于为整个机器人提供动力能源，为满足该机器人的长时间演奏需要，选用一款同步整流的降压稳压模块，由高效率大电流的降压芯片TPS40057和TPCA8016-H场效应管构成，将输入为9～35V的电压稳压至5V，且输出电流达到5A。

所述驱动机构的肘部关节、手部关节、手指关节使用到多个舵机，选取PCA9685舵机控制模块来自上而下的控制机器人实现弹奏的功能。在使用辅控制器进行控制时，只需要使用两个具有IIC功能的引脚就可以实现对机器人的控制。

本实用新型机器人眼部(1)内置的双摄像头设计，配合颈部(9)的转动，可获得全方位的摄像。耳部(8)内置的麦克风在接收外部的声音信号后，转换成内部的电信号传至控制结构，经控制结构的主控制器分析、处理后，得到反馈电信号，通过嘴部(3)内置的发声装置转换成声音信号输出，从而实现机器人的语音互动。所述控制机构的移动通信装置和SIM通信卡，其中SIM通信卡在移动公司合法注册，有单独号码，具有唯一性，从而使用户能够通过互联网Wi-Fi或移动通信网连接到该机器人，并使用专用控制软件，对机器人进行控制。

本实用新型机器人手指设计为中空形式，内含辅助指尖传感器(21)和电机(20)，该传感器的作用在于控制指尖动作。每个手指的指段采用整体构件式设计，每个关节单独用舵机驱动，从而对机器人演奏的力度和速度把控更加精确。机器人手指前端配有义甲(22)，可使机器人更便捷的完成拨弦动作。机器人5个手指两两之间共装有4个影像传感器(17)，通过影像传感器(17)与手指形成的角度，来判断手指之间的侧向运动，同时界定手指关节的自由度，从而对机器人演奏的精确度和力度进行优化。

为保证各个手指在运动过程中有一个支撑，尤其是为保证大拇指的按弦动作，手掌的设计采用圆弧形结构和对半式结构的设计思路，并在手掌内部安装微型电机(16)，以控制手掌的整体运动及其在演奏过程中的协调。

下面结合具体的实施方式对本实用新型提供的一种智能古筝演奏机器人的工作原理进行说明。

机器人接入电源即自动开机，经授权的使用者通过互联网Wi-Fi或移动通信网连接到该机器人，即可进入机器人的操作系统。使用者在主界面操作系统可选择不同的演奏模式，进行已录入的古筝曲的演奏，或是现场识谱的即兴演奏；选择相应的演奏模式后，位于机器人胸腔(2)内部的控制机构将控制机器人肢体的各个关节，包括头部(6)、颈部(9)、躯干(11)、手部关节(4)、肘部关节(5)、肩关节(10)、腿部关节(13)、膝盖关节(7)、踝关节(14)、手指关节(15)、义甲(22)等，进行演奏，或通过眼部(1)内置的双摄像头及耳部(8)内置的麦克风与周围的使用者或环境进行一定的动作互动。本实用新型机器人的驱动软件为专用的控制软件，有开关、多模式演奏、面部姿态和人机互动等功能，机主可以设定操控人员(访问人)权限、多模式演奏、面部姿态和人机互动等权限。

本实用新型所述扫描机构、语音机构与控制机构的主控制器连接，用于将接受的外部信号传输给主控制器进行处理，主控制器进而将电信号传递给辅控制器，控制各个关节实现相应的动作。

本实用新型机器人不仅可以实现古筝的基础演奏功能；还可以在扫描纸质乐谱后，通过相应程序进行提取、识别、乐谱元素等一系列操作，并转换为动作控制信号输出，最终实现机器人的自动识谱演奏。

Claims (9)

1.一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述智能古筝演奏机器人采用仿人形设计，其包括驱动机构、扫描机构、语音机构、控制机构和供电机构；所述供电机构为机器人供电；所述控制机构包括主控制器和辅控制器，所述主控制器连接扫描机构、语音机构和辅控制器，所述辅控制器连接驱动机构；所述扫描机构包括机器人眼部的双摄像头，所述双摄像头用于通过识别标准纸质谱上的乐谱，收集视觉信号，并将视觉信号转化为电信号传输给主控制器进行分析；所述语音机构包括机器人耳部内置的麦克风和嘴部内置的发声装置，所述麦克风用于将外部的声音信号转化为内部电信号并传输给主控制器以进行分析；所述驱动机构包括肘部关节、手腕关节、手指关节的关节活动结构，所述关节活动结构通过舵机进行控制，所述舵机连接辅控制器，所述辅控制器用于通过接收主控制器的指令以控制舵机动作，从而实施演奏操作。

2.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述控制机构的主控制器采用主频为1.2GHz的ARM Cortex-A53架构的四核处理器，具有多个外接接口用于连接其他机构。

3.如权利要求2所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述主控制器上还设有无线WIFI/BLE电路。

4.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述控制机构的辅控制器采用ARM核Cortex-M4系列芯片。

5.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述舵机采用PCA9685舵机。

6.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述供电机构包括同步整流的降压稳压模块，其由高效率大电流的降压芯片TPS40057和TPCA8016-H场效应管构成，用于将输入为9～35V的电压稳压至5V，且输出电流达到5A。

7.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述智能古筝演奏机器人的5个手指两两之间共装有4个影像传感器，所述影像传感器连接辅控制器，以通过影像传感器与手指形成的角度判断手指之间的侧向运动，同时界定手指关节的自由度。

8.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述智能古筝演奏机器人的手掌内部安装有微型电机，所述微型电机连接辅助控制器，以控制手掌的整体运动及在演奏过程中的协调。

9.如权利要求1所述的一种智能古筝演奏机器人，其特征在于：所述智能古筝演奏机器人的每根手指前端均设有义甲。

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