摘要：本文主要介紹了一種非人型打擊類機(jī)器人。機(jī)器人工作方式類似于彈鋼琴，用機(jī)械臂敲擊音鍵來(lái)演奏。整體以STM32單片機(jī)為控制核心，機(jī)械敲擊臂以舵機(jī)為活動(dòng)關(guān)節(jié)并受芯片控制，它具有人機(jī)交互功能，用戶可以使用操作界面來(lái)控制機(jī)器人、管理系統(tǒng)的音樂(lè)程序文件，不但可以保存文件而且用戶還可以修改它的內(nèi)容，并且支持用戶使用界面自定義編寫程序文件，在演奏時(shí)這些文件里的內(nèi)容由微控制器處理后被翻譯成指令，并通過(guò)串口來(lái)控制電機(jī)敲打出音樂(lè)。

1.引言

現(xiàn)在社會(huì)越來(lái)越智能化，更多的機(jī)器人出現(xiàn)在人們的視野里，進(jìn)入人們的生活，無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是日常生活起居都隨處可見(jiàn)它們的身影。機(jī)器人已經(jīng)從科幻小說(shuō)里的未來(lái)之物變成人們生活中不可缺少的東西。智能化作為近些年來(lái)十分火熱的話題，許多的產(chǎn)品都在朝這個(gè)方向發(fā)展，其目的在于給人們帶來(lái)舒適便捷的使用感。在智能機(jī)器人這方面，雖不斷有新的重大突破，但是在音樂(lè)這方面卻鮮有可以進(jìn)行人機(jī)交流互動(dòng)的，并且可以讓使用者切實(shí)感受到這款機(jī)器人的操作簡(jiǎn)單易懂還可以激發(fā)興趣的產(chǎn)品還少之又少，一般的音樂(lè)播放器只是將音頻播放出來(lái)而已，而我們這次要做的智能化的音樂(lè)機(jī)器人是現(xiàn)場(chǎng)演奏，音色相比擴(kuò)音器里出來(lái)的更加真實(shí)。它有一個(gè)機(jī)械敲擊臂，使用舵機(jī)控制，可以繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)并且上下敲擊，下面放有發(fā)音板，板上有不同的音鍵，它可以像彈鋼琴一樣演奏。還有就是它的人機(jī)交互功能，支持用戶通過(guò)操作界面自編程譜曲，是這款機(jī)器人的一大亮點(diǎn)。

2.總體方案

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

音樂(lè)機(jī)器人主要由兩部分組成，即它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械敲擊臂、發(fā)音板和外部整體固定框架。機(jī)械臂采用雙自由度控制，即使用兩個(gè)舵機(jī)分別控制兩個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；發(fā)音板上面固定有音鍵，敲擊臂這就是敲擊這些音鍵來(lái)演奏的?？刂葡到y(tǒng)的功能就是按照指令控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用可觸摸液晶顯示屏作為人機(jī)交互媒介，控制部分以stm32單片機(jī)為其控制核心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)文件、讀取內(nèi)部的音樂(lè)文件并且翻譯使用者需要執(zhí)行的音樂(lè)程序，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合演奏。

2.2工作原理

可以說(shuō)這款機(jī)器人能夠完美演奏很大程度上是依賴于其控制系統(tǒng)，這也是此項(xiàng)目的重點(diǎn)所在。使用操作界面編寫音樂(lè)文件和讀取文件類似于電腦上“編寫保存文件”和“打開(kāi)讀取文件”的功能，使用者通過(guò)操作界面編寫的曲子將會(huì)由系統(tǒng)保存起來(lái)，當(dāng)需要演奏時(shí)從中選取指定的文件，執(zhí)行文件時(shí)系統(tǒng)會(huì)將文件內(nèi)容翻譯成控制指令，就相當(dāng)于給機(jī)器人輸入了編程指令，按照指令控制敲擊臂做出動(dòng)作來(lái)敲擊發(fā)音板。這是音樂(lè)機(jī)器人工作的整體思路。整個(gè)項(xiàng)目的控制系統(tǒng)可以拆分成不同的功能單元，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的工作，主要有主控單元、供電單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、人機(jī)交互單元、文件管理單元。主控單元控制整個(gè)機(jī)構(gòu)；供電單元為整個(gè)工作系統(tǒng)提供合適的電壓；人機(jī)交互單元可以使用戶操作機(jī)器，完成文件的瀏覽、編輯和執(zhí)行，同時(shí)支持演奏時(shí)控制暫停、切換文件等功能；文件管理單元用來(lái)保存、調(diào)用和管理文件；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元接收控制芯片的命令控制電機(jī)配合演奏?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1音樂(lè)機(jī)器人控制原理圖

3.機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由機(jī)械部分來(lái)完成的，使用敲擊臂敲擊發(fā)音板來(lái)演奏。敲擊臂采用兩個(gè)舵機(jī)來(lái)作為活動(dòng)關(guān)節(jié)，其一可以使其在水平面內(nèi)繞一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)可以使其在豎直方向上做上下敲擊的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)如圖2所示。因?yàn)榍脫舯鄣幕顒?dòng)范圍是扇形，所以發(fā)音板每個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的鍵位呈環(huán)形在敲擊臂周圍。

圖2機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

敲擊臂為木制，木質(zhì)的敲擊臂輕盈，價(jià)格便宜，每次敲擊對(duì)下面的發(fā)音板也比較友好。發(fā)音板的音符鍵為鋁制，可以選擇不同的音級(jí)數(shù)，比如選擇七音或者八音。發(fā)音板的結(jié)構(gòu)類似于市面上的七音琴，木質(zhì)支架鋁制音鍵，利用鋁制音鍵的長(zhǎng)短不同來(lái)發(fā)出不同的音。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇上使用的是舵機(jī)，無(wú)論從活動(dòng)范圍還是控制精度而言，舵機(jī)都是最佳選擇。

4.機(jī)器人控制方法的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)機(jī)器人開(kāi)啟后，機(jī)器人初始化完成，顯示屏上便出現(xiàn)操作界面，并支持編寫一些簡(jiǎn)單的文本，用戶可以新建文件并且編寫保存，也可以選擇文件來(lái)執(zhí)行，在執(zhí)行時(shí)，文本會(huì)被系統(tǒng)翻譯成相應(yīng)的音符，其節(jié)拍停頓都可以由文本內(nèi)容決定。

4.1硬件選擇

1)主控單元

控制芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，幾乎所有任務(wù)都是靠芯片來(lái)調(diào)度的，包括顯示編輯儲(chǔ)存的文件，人機(jī)交互界面的控制，文件對(duì)應(yīng)程序的執(zhí)行和電機(jī)的控制。綜合來(lái)看，我們選擇了意法半導(dǎo)體公司出品的STM32F407芯片，STM32F407是一款擁有高性能、低成本、低功耗的芯片，采用Cortex-M4內(nèi)核，主頻高達(dá)到168Mhz（可獲得210DMIPS的處理能力），主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a)價(jià)格低廉。

b)更先進(jìn)的內(nèi)核。STM32F4采用CortexM4內(nèi)核，帶FPU和DSP指令集。

c)增強(qiáng)的外設(shè)功能。對(duì)于相同的外設(shè)部分，STM32F4具有更快的模數(shù)轉(zhuǎn)換速度、更低的ADC/DAC工作電壓、32位定時(shí)器、帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、IO復(fù)用功能大大增強(qiáng)、4K字節(jié)的電池備份SRAM以及更快的USART和SPI通信速度。

d)可在線調(diào)試。無(wú)需仿真器，只需一個(gè)串口便可下載代碼。

2)人機(jī)交互單元

操作界面使用的屏幕是TFTLCD電阻式觸摸屏，相比較于手機(jī)上常用到的電容式觸摸屏，電阻式雖然透光性不好且不支持多點(diǎn)觸摸，但是它精度高，抗干擾能力和穩(wěn)定性都比后者要強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求比較低，可以在有灰塵等不友好的環(huán)境下正常工作，價(jià)格更加便宜，控制芯片的選擇上使用的是ADS7843。

3)文件管理單元

目前市面上有很多外部存儲(chǔ)設(shè)備，其中最適合單片機(jī)系統(tǒng)的莫過(guò)于SD卡了，SD卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻譯為安全數(shù)碼卡，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。它不僅容量可以做到很大（32Gb以上），而且支持SPI接口，方便移動(dòng)，并且有幾種體積的尺寸可供選擇，能滿足不同應(yīng)用的要求。擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性。

4)電機(jī)控制單元

在舵機(jī)的選擇上，決定選用數(shù)字舵機(jī)，相較于傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)，數(shù)字舵機(jī)可以在將動(dòng)力脈沖發(fā)送到舵機(jī)馬達(dá)之前，對(duì)輸入的信號(hào)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行處理；而且數(shù)字舵機(jī)的脈沖頻率更高，這也意味著它的反應(yīng)變得更快，精度更好。還有防抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

5)供電單元

整個(gè)操作系統(tǒng)需要5V電壓，內(nèi)部有電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，分別給控制芯片和舵機(jī)供電?？梢灾苯咏邮须娛褂谩＿€有一個(gè)蓄電池，作為備用電源使用，在使用市電的時(shí)候蓄電池處于充電狀態(tài)，沒(méi)電的時(shí)候可以打開(kāi)蓄電池來(lái)給機(jī)器人供電。

4.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1)主要操作流程

當(dāng)按下開(kāi)機(jī)按鈕后，系統(tǒng)程序開(kāi)始初始化，如果失敗則會(huì)提示重新啟動(dòng)，初始化成功之后，便可以通過(guò)觸摸屏來(lái)操作整個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)顯示屏看到SD卡里的文件，這時(shí)候可以進(jìn)行文件的編輯保存或者新建文件，可以在演奏的時(shí)候在屏幕上進(jìn)行其他操作，比如當(dāng)前正在執(zhí)行文件的暫停與停止。主要流程如圖3所示。

圖3控制系統(tǒng)流程圖

2)文件管理系統(tǒng)

負(fù)責(zé)讀取、管理外部存儲(chǔ)設(shè)備的文件，選用的是FatFs，F(xiàn)atFs是一個(gè)完全免費(fèi)開(kāi)源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，所以具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，可以移植到8051、ARM等系列單片機(jī)上而只需做簡(jiǎn)單的修改。它支持多個(gè)存儲(chǔ)媒介；有獨(dú)立的緩沖區(qū)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀和寫。使用者無(wú)需理會(huì)FatFs的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的FAT協(xié)議，只要會(huì)使用FatFs提供的一系列應(yīng)用接口函數(shù)，如f_open（打開(kāi)/創(chuàng)建一個(gè)文件）、f_close（關(guān)閉一個(gè)文件）、f_read（讀文件）、f_write（寫文件）、f_rename（重命名/移動(dòng)一個(gè)文件或文件夾）等，就算完全不懂C語(yǔ)言，也可以使用，就像在電腦上對(duì)文件操作一樣簡(jiǎn)單。

3)文本內(nèi)容翻譯

MIDI樂(lè)器數(shù)字接口，是20世紀(jì)80年代初為解決電聲樂(lè)器之間的通信問(wèn)題而提出的。MIDI是編曲界最廣泛的音樂(lè)標(biāo)準(zhǔn)格式，可稱為“計(jì)算機(jī)能理解的樂(lè)譜”。它用音符的數(shù)字控制信號(hào)來(lái)記錄音樂(lè)。一首完整的MIDI音樂(lè)只有幾十KB大，而能包含數(shù)十條音樂(lè)軌道。幾乎所有的現(xiàn)代音樂(lè)都是用MIDI加上音色庫(kù)來(lái)制作合成的。MIDI傳輸?shù)牟皇锹曇粜盘?hào)，而是音符、控制參數(shù)等指令,它指示設(shè)備要做什么，怎么做，如演奏哪個(gè)音符、多大音量等。它們被統(tǒng)一表示成MIDI消息。

借鑒于此，我們采用txt格式文本來(lái)作為音樂(lè)存儲(chǔ)文件。文本可以由樂(lè)譜轉(zhuǎn)化而來(lái)，即便用戶要自己編寫，規(guī)則也很簡(jiǎn)單，就是用各種數(shù)字和符號(hào)代替樂(lè)譜中的各種信息，簡(jiǎn)單展示一下樂(lè)譜和其對(duì)應(yīng)的文本文件所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，如圖4所示。

圖4歌曲曲譜和其對(duì)應(yīng)的txt文本

系統(tǒng)把發(fā)音板上的每個(gè)音符鍵坐標(biāo)化，從0度到N度，每個(gè)音符對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)。在文件里，數(shù)字對(duì)應(yīng)的是不同的音符，執(zhí)行文件時(shí)，系統(tǒng)又把每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換成角度控制舵機(jī)，需要敲擊那個(gè)音符的時(shí)候，控制芯片發(fā)送的命令就是轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)的角度，節(jié)拍快慢就是舵機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，下面的發(fā)音板可以更換，選擇具有更多音符鍵的發(fā)音板可以演奏出比較復(fù)雜的曲子。

5.總結(jié)

本文介紹了一種打擊型音樂(lè)演奏機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案和控制方法的實(shí)現(xiàn)?？梢詫⑾胍シ诺囊魳?lè)現(xiàn)場(chǎng)演奏，具有非常強(qiáng)烈的新鮮感?？梢苿?dòng)的敲擊臂采用舵機(jī)精確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度和上下敲擊幅度，保證演奏中不會(huì)出現(xiàn)失誤。無(wú)論是用戶操作機(jī)器人還是文件管理系統(tǒng)的使用都是簡(jiǎn)單易懂，音樂(lè)程序文件的編寫規(guī)則更是如此。此項(xiàng)目結(jié)合了機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)控制甚至音樂(lè)等多方面的知識(shí)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的音樂(lè)演奏完全滿足要求，并且具有一定的新穎性。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，在演奏一些簡(jiǎn)單的樂(lè)曲時(shí)，機(jī)器人工作狀態(tài)良好，完全符合設(shè)計(jì)要求，兼具娛樂(lè)和教育的功能。