劉佩霞，丁 翀，劉 碩，魏 凱，王曉瑩

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化開(kāi)始逐漸深入貫徹到我們的生活中，慢慢的，具有完整編程意識(shí)的機(jī)器人開(kāi)始出現(xiàn)，并且代替人類(lèi)做一些重復(fù)而機(jī)械性的操作，例如生產(chǎn)線運(yùn)作，貨運(yùn)等?，F(xiàn)如今，人們?cè)谔岣呶镔|(zhì)生活質(zhì)量的同時(shí)越來(lái)越注重生活品質(zhì)的提升,科技來(lái)源于生活，也受益于生活，如語(yǔ)音助手、人臉識(shí)別，智能攝像頭、掃地機(jī)器人等等，藝術(shù)與科技的搭配也將引起越來(lái)越多的人去關(guān)注與探索[1]。在閑暇時(shí)分聽(tīng)一首悠揚(yáng)婉轉(zhuǎn)、動(dòng)人心弦的琴曲，會(huì)讓人身心放松愉悅，自動(dòng)彈琴機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生，它可用于各種展示廳、音樂(lè)廳或者家庭演奏。只要時(shí)間和運(yùn)行電量足夠，自動(dòng)彈琴機(jī)器人就可以二十四小時(shí)連續(xù)工作，讓用戶(hù)體會(huì)到智能科技的迅速發(fā)展，也能感受音樂(lè)的另一番動(dòng)感呈現(xiàn)。本機(jī)器人采用集成化的方式將各種功能集合到一起，提供統(tǒng)一智能化的服務(wù)，給人們生活帶來(lái)輕松快樂(lè)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈琴機(jī)器人的機(jī)械部分主要由機(jī)械手和琴鍵兩部分組成，機(jī)械手由線性滑桿、57二相四線混合式步進(jìn)電機(jī)[2]、20 kg數(shù)字舵機(jī)和琴棒構(gòu)成。四個(gè)舵機(jī)上下組合實(shí)現(xiàn)左右、上下兩個(gè)自由度的運(yùn)轉(zhuǎn)，組合成二自由度機(jī)械臂[3]完成敲琴動(dòng)作，57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑桿，帶動(dòng)機(jī)械臂控制多個(gè)琴鍵的敲擊。

圖1 二自由度機(jī)械臂

2 主控制器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用的是STM32F103C8T6單片機(jī)[4]作為主控制器，采用最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)控制電路。驅(qū)動(dòng)電路采用TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電路，共陰極接法，32細(xì)分，輸出電流為3A，輸入電壓為20V，具有過(guò)流過(guò)熱保護(hù)、輸入電壓防反接保護(hù)、抗高頻干擾功能。穩(wěn)壓電路采用LM2596S DC-DC直流可調(diào)降壓電源模塊穩(wěn)壓板，使用固態(tài)電容，高Q值大功率電感，帶輸出LED指示燈。

圖2 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖

圖3 TB6600共陽(yáng)極接法以及與控制器、電機(jī)、電源接線示意圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、上位機(jī)通信以及藍(lán)牙控制。本次設(shè)計(jì)采用的是HC-05藍(lán)牙串口通信模塊[5]，藍(lán)牙與單片機(jī)使用串口通信[6]，無(wú)線工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK，模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-85dBm，板載PCB天線，可以實(shí)現(xiàn)10 m距離通信。舵機(jī)接收的是PWM信號(hào)，當(dāng)信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓，觸發(fā)電機(jī)通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)電位器移動(dòng)，使電壓差為零時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而達(dá)到伺服的效果。一般來(lái)說(shuō)，舵機(jī)接收的PWM信號(hào)頻率為50 Hz，即周期為20 ms。當(dāng)高電平的脈寬在0.5 ms～2.5 ms之間時(shí)舵機(jī)就可以對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)到不同的角度。在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制上加入梯形加減速算法，用于控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，讓電機(jī)啟動(dòng)或者停止更加平滑，避免抖動(dòng)。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW編寫(xiě)人機(jī)交互界面。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序，VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊[7]。彈琴機(jī)器人使用的上位機(jī)labVIEW通過(guò)安裝VISA插件，實(shí)現(xiàn)與STM32單片機(jī)的串口通訊，進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)調(diào)用windows底層語(yǔ)音識(shí)別接口，進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，識(shí)別操作者的各種語(yǔ)音指令，還進(jìn)行對(duì)PC機(jī)所按下的按鍵進(jìn)行采集，進(jìn)行相應(yīng)的濾波消抖處理，獲得正確的按鍵值，觸發(fā)相應(yīng)的事件分支，發(fā)送所需的操作給單片機(jī)，并且對(duì)PC機(jī)采集操作者的鼠標(biāo)軌跡信息，通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的區(qū)域，觸發(fā)相應(yīng)的事件分支，發(fā)送所需的操作給單片機(jī)。

圖5 LabVIEW上位機(jī)操作界面(前面板)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要進(jìn)行了彈琴機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究，分為彈琴機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、LabVIEW人機(jī)交互界面以及語(yǔ)音控制模塊設(shè)計(jì)、藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)等部分。自動(dòng)彈琴機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與STM32單片機(jī)串口通信、語(yǔ)音輸入點(diǎn)歌、機(jī)械臂準(zhǔn)確彈奏歌曲、藍(lán)牙遠(yuǎn)程操作等功能，界面友好，使用便捷，曲目完成度高，機(jī)械手操作靈活準(zhǔn)確，帶給用戶(hù)良好的體驗(yàn)。自動(dòng)彈琴機(jī)器人是順應(yīng)社會(huì)文化生活需求產(chǎn)生的一種設(shè)備，它將促進(jìn)科技與藝術(shù)的結(jié)合，使音樂(lè)披上人工智能化的裙擺在未來(lái)中生生不息源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。

圖6 LabVIEW上位機(jī)操作界面(部分后面板)