TWI680451B - 自動演奏裝置 - Google Patents

Abstract

一種自動演奏裝置包括機體、夾持機構、揮弓機構、按弦機構以及控制系統。機體具有內部空間以及頂面。夾持機構配置在機體的頂面上，並用以夾持定位提琴。揮弓機構具有安裝座以及機械手臂，安裝座設置在機體的頂面上且位在夾持機構的一側，機械手臂連接在安裝座上且用以夾持琴弓。按弦機構連接於夾持機構且位於提琴上方。控制系統配置於機體的內部空間中且電性耦接揮弓機構以及按弦機構。

Description

自動演奏裝置

本發明是有關於一種演奏裝置，且特別是有關於一種用以演奏提琴的自動演奏裝置。

提琴是一種透過弓弦摩擦而發出聲音的樂器，提琴的細部分類包括有小提琴、中提琴、大提琴和低音提琴多種，其中又以小提琴最受歡迎及注目。小提琴係現代弦樂器中最重要的高音樂器。由於它的旋律優美、音域寬廣，節奏與音色的變換靈活，既能演奏抒情的小曲，也可演奏令人振奮的華麗樂章，使得演奏者可以發揮高度的演奏技巧，又能充分表現音樂情感。

近年來，隨著感測與控制技術的進步，機器人已逐漸從工廠產線的加工應用發展到娛樂或家庭方面的應用，如寵物機器人、足球競賽機器人、清掃機器人等。此外，擬人化機器人也是近來持續發展的重要項目，以演奏提琴樂器為例，機器人需模擬人的揮弓、按弦、揉弦等技巧，並依據樂譜的音階內容而改變揮弓力道及接觸摩擦對應的琴弦。為此，研發一種可自動演奏提琴的裝置，用以模擬人類的動作並演奏出動聽的音樂，已成為重要的發展目標。

本發明提供一種自動演奏裝置，透過控制系統的自動控制而達到自動化演奏提琴的功效。

本發明的自動演奏裝置，適用於演奏提琴。自動演奏裝置包括機體，具有內部空間以及頂面。夾持機構配置在機體的頂面上並用以夾持定位提琴。揮弓機構具有安裝座以及機械手臂。安裝座設置在機體的頂面上且位在夾持機構的一側，機械手臂連接在安裝座上且用以夾持一琴弓。按弦機構連接於夾持機構且位於提琴上方。控制系統，配置於機體的內部空間中且電性耦接揮弓機構以及按弦機構。控制系統依據內建樂譜資料，自動分析所需的弓法與指法，並轉換為控制指令而控制機械手臂相對於安裝座產生多個自由度的移動，以使琴弓個別摩擦接觸提琴的多個琴弦，且同時控制按弦機構對於多個琴弦進行按弦或揉弦。

基於上述，本發明的自動演奏裝置用以演奏提琴，透過夾持機構夾持定位提琴，並以控制系統依據琴譜資料而同時控制揮弓機構的機械手臂以及按弦機構，分別對於提琴進行拉弦與按弦動作，進而演奏出琴譜中的音樂。此外，按弦機構可藉由控制系統的控制指令，而實現揉弦動作，使自動演奏裝置更加接近真人的演奏技術。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧自動演奏裝置

110‧‧‧機體

111‧‧‧移動輪

120‧‧‧夾持機構

121‧‧‧支柱

122‧‧‧平板

123‧‧‧托架

130‧‧‧揮弓機構

131‧‧‧安裝座

132‧‧‧機械手臂

133‧‧‧驅動馬達

134‧‧‧手臂部件

135‧‧‧夾爪

136‧‧‧力量回授器

140‧‧‧按弦機構

141‧‧‧陣列式致動器

142‧‧‧按壓塊

143‧‧‧氣壓缸

144‧‧‧輔助氣壓缸

150‧‧‧控制系統

200‧‧‧提琴

210‧‧‧琴頭

220‧‧‧琴身

230‧‧‧琴弦

240‧‧‧琴頸

250‧‧‧拉奏區

300‧‧‧琴弓

B‧‧‧底面

T‧‧‧頂面

CS‧‧‧弧面

H1‧‧‧高度差

IS‧‧‧內部空間

圖1A是依據本發明一實施例的一種自動演奏裝置的立體示意圖。

圖1B是圖1A的自動演奏裝置的前視平面示意圖。

圖1C是圖1A的自動演奏裝置的側視平面示意圖。

圖1D是圖1A的提琴的立體示意圖。

圖2A是圖1A的自動演奏裝置的演奏流程方塊示意圖。

圖2B及圖2C是圖1A的按弦機構加壓於琴弦的放大結構示意圖。

圖1A是依據本發明一實施例的一種自動演奏裝置的立體示意圖。圖1B是圖1A的自動演奏裝置的前視平面示意圖。圖1C是圖1A的自動演奏裝置的側視平面示意圖。圖1D是圖1A的提琴的立體示意圖。

請參考圖1A至圖1D，本實施例的自動演奏裝置100適用於提琴族群類樂器，包括小提琴、中提琴、大提琴以及低音提琴等。惟，為詳細解說本實施例的自動演奏裝置100，本案係以小提琴為說明實例。此說明，本案的自動演奏裝置100亦可根據各類提琴的特性，而調整自動演奏裝置100的尺寸大小而適用於自動 演奏相應的提琴樂器。

本實施例的自動演奏裝置100包括機體110、夾持機構120、揮弓機構130、按弦機構140以及控制系統150。機體110具有內部空間IS以及頂面T並用以承載提琴200。進一步而言，機體110具有多個移動輪111，分別配置在機體110相對於頂面T的底面B，使機體110可易於搬移。此外，機體110可採用重量較輕且強度較佳的鋁合金材料或是其它金屬材質。

夾持機構120配置在機體110的頂面T上並用以夾持定位提琴200。於本實施例中，提琴200無需移動而是固定在機體110上，因此夾持機構120可以最少範圍夾持定位提琴200，進而突顯出提琴200之琴頭210與琴身220的平滑外觀。

揮弓機構130具有安裝座131以及機械手臂132。安裝座131設置在機體110的頂面T上且位在夾持機構120的一側，其中安裝座131與夾持機構120之間的間隔距離可依據使用者或是提琴200的尺寸而自行調整。機械手臂132連接在安裝座131上且用以夾持琴弓300，機械手臂132適於模擬真人手臂動作以帶動琴弓300對於提琴200進行揮弓擦弦動作。

按弦機構140連接於夾持機構120且位於提琴200上方。按弦機構140適於模擬真人手指動作以對於提琴200進行按弦動作。

圖2A是圖1A的自動演奏裝置的演奏流程方塊示意圖。 圖2B及圖2C是圖1A的按弦機構加壓於琴弦的放大結構示意圖。

請配合參考圖2A至圖2C。控制系統150配置於機體110的內部空間IS中且電性耦接揮弓機構130以及按弦機構140。其中控制系統150作為自動演奏裝置100的邏輯運算核心，且具備指令轉換、執行、資料存儲以及訊號接收分析等功能。簡言之，控制系統150依據內建樂譜資料，並自動分析樂譜資料中所需的弓法與指法，並轉換為控制指令而控制機械手臂132相對於安裝座131產生多個自由度的移動，以使琴弓300個別摩擦接觸提琴200的多個琴弦230，以依序演奏出樂譜資料的各個音符。同時，控制系統150控制按弦機構140對於多個琴弦進行按弦或揉弦，以改變提琴200的音準與音色。

參考圖1A至圖1C。本實施例的夾持機構120包括支柱121、平板122以及托架123。支柱121設置在機體110的頂面T上且朝上垂直延伸。平板122配置在支柱121上且平行於頂面T。托架123配置在平板121上並用以夾持提琴200的琴頸240。進一步而言，托架123自平板122處朝上方延伸，使得定位於托架123中的提琴200懸空於平板122而具有高度差H1。由於托架123僅夾持在部分的琴頸240上，使得提琴200的琴身220與琴頭210為完整展示在平板122上。

請參考圖1A至圖1C。機械手臂132包括多個驅動馬達133與多個手臂部件134(本實施例顯示為六個驅動馬達與五個手臂部件)。多個驅動馬達133分別配置在安裝座131與相應的多個手臂部件134上，進而連接多個手臂部件134。多個驅動馬達133 依據控制系統150的揮弓指令，分別帶動相應的多個手臂部件134旋轉而達成多個自由度(本實施例為六個自由度)的移動以揮動琴弓300，使琴弓300可於提琴200的拉奏區250中進行拉弦、換弦以演奏出相應的音符。

進一步而言，揮弓機構130包括夾爪135以及力量回授器136。夾爪135連接於相應的手臂部件134且受到相應的驅動馬達133帶動旋轉。夾爪135適於夾持琴弓300。力量回授器136配置於夾爪135上，當夾爪135夾持琴弓300與拉奏區250中的多個琴弦230摩擦接觸時，力量回授器136用以偵測琴弓300與多個琴弦230之間的接觸力大小，藉此判斷演奏過程中琴弓300是否接觸琴弦230、拉弦時音量的大小是否符合標準或是判別拉弦時是否同時接觸到多個琴弦230。

參考圖2A至圖2C，按弦機構140包括陣列式致動器141以及多個按壓塊142。陣列式致動器141位在提琴200上方且對位於琴頸240的多個琴弦230。多個按壓塊142分別連接於陣列式致動器141上。當按弦機構140接收到控制系統150的按弦指令，而進行按弦時，使陣列式致動器141線性帶動多個按壓塊142朝下並持續抵靠於多個琴弦230上。當按弦機構140接收到控制系統150的揉弦指令進行揉弦時，使陣列式致動器141線性帶動多個按壓塊往復抵靠於多個琴弦230上。此外，各個按壓塊142朝向機體110的頂面T的一側形成弧面CS，此弧面CS為朝內凹陷且對應於提琴200的琴頸240的外形，而適於同時抵靠多個琴弦 230。

詳細而言，當按弦機構140切換為按弦模式時，陣列式致動器141使多個按壓塊142同時抵靠加壓多個琴弦230。而揮弓機構130於拉弦動作時，琴弓300僅摩擦接觸其中一條琴弦230。如此可確保陣列式致動器141依據樂譜資料而按壓至正確位置，使琴弓300接觸至琴弦230時可產生正確的音準。此外，本案的控制系統150只需在全音符有按弦需求時，直接控制按壓塊142抵靠全部的琴弦再配合琴弓300的拉弦即可，無須抵靠特定音符的對應琴弦230。此大幅簡化按弦機構140的結構組成與控制系統150的辨識及運算過程。

當按弦機構140切換為揉弦模式時，控制系統150命令陣列式致動器141使多個按壓塊142往復抵靠加壓多個琴弦230，即多個按壓塊142在多個琴弦230上微幅擺動，進而持續變動施加於多個琴弦230上的外力。藉由按壓塊142的揉弦技巧，使琴弓300接觸至琴弦230時可產生快速的揉音，其功效在於柔緩單調的原始音符，使聲音的表現更為優美。

以下補充說明揉弦的意義，琴弦振動時所產生的聲波為一種橫波，一般而言耳朵聽到的聲音以主頻率為主，因為主頻率具有最大音量。其中，琴弦受到的壓力大小會影響其音色，每根琴弦都具有一額定壓力值，意指到達或超過此額定壓力後，琴弦的音色已不存在差別，此時琴弦振動的聲音稱為基礎音。當施加在琴弦上的外力小於額定壓力，使得琴弦的振動受到干擾，音量降低，有時 也會產生泛音，泛音具有音頻高以及音色尖銳的特性。

依據上述原理，可持續調整施加在琴弦上的壓力，使之在額定壓力值上下擺蕩，此導致琴弦振動時除了產生原有的基礎音外，也同時產生泛音。

在本實施例中，請配合參考圖2A及圖2C。陣列式致動器141具有多個氣壓缸143以及多個輔助氣壓缸144。各個按壓塊142連接相應的各個氣壓缸143與各個輔助氣壓缸144。各個氣壓缸123與各個輔助氣壓缸144均受控於控制系統150，以下詳細說明。

當進行按弦時(參考圖2C)，控制系統150同時啟動各個氣壓缸143以及各個輔助氣壓缸144，以達到額定壓力值的第一外力加壓推動各個按壓塊142，朝下抵靠多個琴絃230，使各個琴弦230沉靠在琴頸240上。控制系統150使按壓塊142持續抵靠於多個琴弦230，此時各個琴弦230於拉奏振動後可發出基礎音。

當進行揉弦時(參考圖2B及圖2C)，首先，控制系統150控制各個氣壓缸143以稍低於額定壓力值的第二外力加壓推動各個按壓塊142，朝下抵靠多個琴絃230，使各個琴弦230部份沉靠在琴頸240上。接著，控制系統150以特定頻率觸發啟動各個輔助氣壓缸144，輔助推動各按壓塊142以額定壓力值的外力往復下壓於各個琴弦230。使得琴弦230所受到的外力在額定壓力值上來回震蕩。當輔助氣壓缸144被觸發啟動時，按壓塊142抵靠於多個琴弦230的第二外力增加至額定壓力值(此時琴弦230可發出基 礎音)形成第一外力。當輔助氣壓缸144未啟動時，按壓塊142抵靠於多個琴弦230的第二外力低於額定壓力值(此時琴弦230可發出基礎音及泛音)。透過控制系統150對於輔助氣壓缸144的觸發啟動與否，可達成對於多個琴弦230於演奏時的揉弦技巧。

此外，控制系統150亦可控制單一組氣壓缸143、輔助氣壓缸144與按壓塊142或多組氣壓缸143、輔助氣壓缸144與按壓塊142對於提琴200進行按弦及揉弦，以達到不同音階的演奏。

在另一實施例中，陣列式致動器具有多個氣壓缸，分別連接對應的按壓塊。控制系統以壓力變動模式(大於、小於額定壓力)控制氣壓缸，使按壓塊往復加壓琴弦，以達到揉弦的效果。

以下簡述自動演奏裝置100對於提琴的演奏過程。

參考圖1A、2A至2C，首先將待演奏的樂譜資料以數位格式存入控制系統150中，控制系統150可透過對應的分析軟體讀取樂譜資料的音符以及相關的演奏內容，再由分析軟體判別並分析樂譜資料中對應的指法與弓法，接著將對應的指法與弓法轉換為控制按弦機構140與揮弓機構130的控制指令。將控制指令透過控制系統150而傳遞至按弦機構140與揮弓機構130，以分別驅動陣列式致動器141以及機械手臂132，其中陣列式致動器141帶動多個按壓塊142線性移動以持續抵靠琴弦230或往復抵靠琴弦230，同時機械手臂132產生多自由度的移動，以揮動琴弓300接觸摩擦拉奏區250上的琴弦230。於自動演奏過程中，力量回授器136持續傳送所偵測之接觸力數值至控制系統150以判別揮弓 機構130與按弦機構140的所施加的外力是否符合內建的演奏標準。當完成演奏後，揮弓機構130與按弦機構140停止作動且回復到控制系統150所預設的方位。

綜上所述，本發明的自動演奏裝置採用側掛型的機械手臂且具備多個自由度的揮弓運動能力，而適用於演奏各類提琴樂器。本發明透過夾持機構夾持定位提琴，使提琴於演奏過程中為固定不動，而能突顯琴頭與琴身的平滑外觀。本發明以控制系統分析琴譜資料的指法與弓法並轉換為相應的控制指令，並同時控制揮弓機構的機械手臂以及按弦機構，分別對於提琴進行拉弦與按弦動作，進而演奏出琴譜中的音樂。此外，按弦機構可藉由陣列式致動器的往復線性移動，而實現揉弦動作，使自動演奏裝置更加接近真人的演奏技術。

進一步而言，本發明以氣壓缸及輔助氣壓缸構成陣列式致動器，可取代現有空壓裝置，以大幅縮減自動演奏裝置的體積，且本發明以線性移動方式實現揉弦效果，可避免傷害琴頸也具備較優美的音色。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種自動演奏裝置，適用於演奏一提琴，該自動演奏裝置包括：一機體，具有一內部空間以及一頂面；一夾持機構，配置在該機體的該頂面上，並用以夾持定位該提琴；一揮弓機構，具有一安裝座以及一機械手臂，該安裝座設置在該機體的該頂面上且位在該夾持機構的一側，該機械手臂連接在該安裝座上且用以夾持一琴弓；一按弦機構，連接於該夾持機構且位於該提琴上方，該按弦機構包括一陣列式致動器以及多個按壓塊，該些按壓塊分別連接於該陣列式致動器上；以及一控制系統，配置於該機體的該內部空間中且電性耦接該揮弓機構以及該按弦機構，其中，該控制系統依據內建樂譜資料，自動分析所需的弓法與指法，並轉換為控制指令而控制該機械手臂相對於該安裝座產生多個自由度的移動，以使該琴弓個別摩擦接觸該提琴的多個琴弦，同時控制該按弦機構對於該些琴弦進行按弦或揉弦，當進行按弦時，該陣列式致動器帶動該些按壓塊持續抵靠於該些琴弦上，當進行揉弦時，該陣列式致動器帶動該些按壓塊往復抵靠於該些琴弦上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中該陣列式致動器具有多個氣壓缸以及多個輔助氣壓缸，各該按壓塊連接相應的各該氣壓缸與各該輔助氣壓缸，且各該氣壓缸與各該輔助氣壓缸受控於該控制系統。
3. 如申請專利範圍第2項所述的自動演奏裝置，當進行按弦時，各該氣壓缸與各該輔助氣壓缸加壓推動各該按壓塊朝向該些琴弦，施加符合額定壓力值的一第一外力於該些琴弦上。
4. 如申請專利範圍第2項所述的自動演奏裝置，當進行揉弦時，各該氣壓缸加壓推動各該按壓塊，施加低於額定壓力值的一第二外力於該些琴弦上，同時各該輔助氣壓缸以特定頻率觸發啟動，並輔助推動各該按壓塊，使該第二外力增加形成符合額定壓力值的一第一外力，並施加於該些琴弦上。
5. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中該陣列式致動器具有多個氣壓缸，分別連接對應的各該按壓塊，該控制系統以壓力變動模式控制各該氣壓缸，使各該按壓塊往復加壓該些琴弦。
6. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中各該按壓塊朝向該機體的該頂面的一側形成一弧面，而適於同時抵靠該些琴弦。
7. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中該機械手臂包括多個驅動馬達與多個手臂部件，該些驅動馬達分別配置在該安裝座與相應的該些手臂部件上，且該些驅動馬達分別帶動該些手臂部件旋轉而達成多個自由度的移動。
8. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中該揮弓機構包括一夾爪以及一力量回授器，該夾爪適於夾持該琴弓，該力量回授器配置於該夾爪上，用以偵測該琴弓與該些琴弦之間接觸力。
9. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中該夾持機構包括一支柱、一平板以及一托架，該些支柱設置在該機體的該頂面上，該平板配置在該支柱上且平行於該頂面，該托架配置在該平板上並用以夾持該提琴的一琴頸。
10. 如申請專利範圍第1項所述的自動演奏裝置，其中該機體具有多個移動輪，分別配置在該機體相對於該頂面的一底面。