魏新宇

摘 要：在機(jī)器人控制理論和鋼琴演奏技法的基礎(chǔ)上，文章提出了一種通過(guò)在機(jī)械控制、電磁控制、軟件控制等層面對(duì)鋼琴自動(dòng)彈奏系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，并設(shè)計(jì)了一種基于可控力度的琴鍵擊錘系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)鋼琴的機(jī)器人自動(dòng)彈奏。研究結(jié)果表明，在應(yīng)用機(jī)械手彈奏系統(tǒng)時(shí)，50名音樂(lè)學(xué)院鋼琴專(zhuān)業(yè)本科四年級(jí)學(xué)生中，有26人認(rèn)為該機(jī)器人的演奏技法達(dá)到或者超過(guò)了他們的技法掌握程度，占總數(shù)的52%。另外，音樂(lè)廳邀請(qǐng)的50位專(zhuān)業(yè)資深鋼琴教師中，有22人表示該機(jī)器人的演奏水平達(dá)到了商業(yè)演出標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的44%。雖然該機(jī)器人在情感表達(dá)上尚有不足，但已經(jīng)得到了較大比例聽(tīng)眾的認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;機(jī)器人鋼琴;自動(dòng)彈奏;力度控制;主觀評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：J624.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-9699（2023）06-0032-06

早期電子音樂(lè)來(lái)自MIDI合成技術(shù)（MusicalInstrument Digital Interface），該技術(shù)通過(guò)電子合成音源，控制揚(yáng)聲器同時(shí)發(fā)出多個(gè)頻率聲音，擬聲合成相應(yīng)的音樂(lè)旋律。后期MIDI合成技術(shù)通過(guò)不斷發(fā)展，在前者的基礎(chǔ)之上可以進(jìn)行不同力度、揉弦等樂(lè)器演奏技巧的音樂(lè)表達(dá)效果高保真還原。但是MIDI合成技術(shù)最大的短板是其沒(méi)有原始音源設(shè)備，在極端演奏條件下其合成音源的保真度依然不盡如人意，并且無(wú)法達(dá)到真實(shí)樂(lè)器的低頻共鳴帶來(lái)的重低音效果，也無(wú)法表現(xiàn)出不同樂(lè)器因?yàn)楣缠Q腔結(jié)構(gòu)微小差異而帶來(lái)的聽(tīng)覺(jué)感官差異。所以音樂(lè)從事人員和研究人員找到了新的解決問(wèn)題思路，即使用機(jī)械手系統(tǒng)直接彈奏樂(lè)器，且該思路已經(jīng)成為當(dāng)前電子擬聲音樂(lè)的研究重點(diǎn)[1]。

杭小羽等[2]研究人員以?xún)和撉賹W(xué)習(xí)為主要研究對(duì)象，分析個(gè)性化教學(xué)對(duì)兒童鋼琴學(xué)習(xí)欲望的作用，明確個(gè)性化教學(xué)價(jià)值，提高兒童鋼琴學(xué)習(xí)效果;余嘉安等[3]研究人員基于人工智能時(shí)代背景下，合理應(yīng)用人工智能技術(shù)，創(chuàng)新高校鋼琴教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)流程，提高教學(xué)效果;楊小影等[4]研究人員通過(guò)“智能+鋼琴”教育構(gòu)想，使用全新設(shè)計(jì)的機(jī)械手硬件系統(tǒng)，配合相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人手演奏的相關(guān)觸感、力度及常見(jiàn)彈奏技法的模擬，改變了早期研究中只可對(duì)節(jié)奏進(jìn)行有效控制的系統(tǒng)缺陷，使機(jī)械手的鋼琴?gòu)椬嘈Ч咏耸?，且因?yàn)闄C(jī)械手為每個(gè)琴鍵均配置對(duì)應(yīng)擊錘，有效拓展了人手手指數(shù)量的限制。

從鋼琴演奏模式分析，其屬于按鍵式擊弦樂(lè)器，且有弱音（落下弱音板）、延音（抬起切音板）等功能模式。受限于手指生理構(gòu)造限制，人手演奏時(shí)手指的岔開(kāi)距離限制了和弦音的表達(dá)方式，在彈奏大跨度四聯(lián)和弦音時(shí)，局限性即被表現(xiàn)出來(lái)。使用機(jī)械手系統(tǒng)可以為每個(gè)琴鍵布置專(zhuān)用擊錘，且對(duì)鋼琴的多個(gè)功能踏板布置按壓裝置，這就讓鋼琴的實(shí)際表現(xiàn)能力得到有效提升。文章重點(diǎn)研究琴鍵擊錘的機(jī)械控制模式和音樂(lè)解碼模式，以進(jìn)一步提升鋼琴?gòu)椬鄼C(jī)器人的實(shí)際演奏效果。

1 琴鍵擊錘的機(jī)械控制模式設(shè)計(jì)

從機(jī)械原理分析，鋼琴琴鍵按下時(shí)，并非直接作用于琴弦，而是根據(jù)按下力度和時(shí)間，由打弦機(jī)判斷控制擊弦錘和止音器對(duì)琴弦作出相應(yīng)操作。打弦機(jī)由一系列連桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，不同品牌和價(jià)位的鋼琴，打弦機(jī)結(jié)構(gòu)有所差異，但基本保證按下琴鍵時(shí)，止音器抬起，擊弦錘落下并迅速?gòu)?fù)位，抬起琴鍵時(shí)，止音器復(fù)位。該機(jī)械手操作一個(gè)外部擊錘以不同的彈奏手法擊發(fā)琴鍵，觸動(dòng)打弦機(jī)操作。此時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制機(jī)械手擊錘按下的力度和抬起的時(shí)間[5]。上述機(jī)械手琴鍵擊錘與打弦機(jī)的聯(lián)合控制模式，如圖1所示。

圖1中，機(jī)械手控制模組共有2套結(jié)構(gòu)，當(dāng)提鍵電磁組通電時(shí)，琴鍵擊錘被提起，彈簧片蓄力，當(dāng)其斷電時(shí)，琴鍵擊錘在彈簧片的蓄力釋放作用下落下，敲擊琴鍵。根據(jù)彈簧片的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)不同，琴鍵擊錘敲擊琴鍵后，可能因彈簧片地正校核而直接彈起，也可能因?yàn)閺椈善剡^(guò)校核而始終按壓琴鍵并等待提鍵電磁組的下一次通電作用。彈簧片的預(yù)緊力通過(guò)承力支點(diǎn)后部的力度電磁組吸引彈簧片尾端的力度永磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)。早期的鋼琴?gòu)椬鄼C(jī)器人，使用螺桿定位法控制擊錘彈簧片的預(yù)緊力，但其受制于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而有較大的力度調(diào)整延遲時(shí)間，演奏需要快速調(diào)整力度時(shí)，此模式無(wú)法提供快速響應(yīng)功能[6]，所以，該設(shè)計(jì)將螺桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)為力度電磁組系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用給不同電磁組通電的方式，快速調(diào)整彈簧片力度，使其的響應(yīng)速度高于人手的響應(yīng)速度。上述機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)中最復(fù)雜的部分為力度電磁組部分，其結(jié)構(gòu)圖局部放大后，如圖2所示。

圖2中，共給出7種不同力度，其中±0、-1、-2控制了琴鍵擊錘的彈性抬起過(guò)程;1、2、3、4控制了琴鍵擊錘的持續(xù)按壓過(guò)程。7個(gè)電磁裝置呈扇形安裝在一個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)的控制下，可以做出小角度回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵力度的高精度微調(diào)[7]。上述琴鍵擊錘的力度電磁組功能定義，如表1所示。

表1中，通過(guò)按鍵力度步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確定位，在對(duì)應(yīng)的力度電磁組中選擇某個(gè)電磁閥通電實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵擊錘彈簧片力度永磁體的吸引并設(shè)定按鍵力度。松開(kāi)提鍵電磁組后，實(shí)現(xiàn)琴鍵激發(fā)，同時(shí)控制提鍵電磁組的復(fù)電時(shí)間，控制琴鍵提起。

2 機(jī)械手的電控模式設(shè)計(jì)

該機(jī)械手的核心控制目標(biāo)是控制88個(gè)琴鍵上配置的88個(gè)琴鍵擊錘。常規(guī)的鋼琴配置，分為88鍵、85鍵、83鍵、65鍵、92鍵等，其中88鍵布局（含52個(gè)白鍵和36個(gè)黑鍵）是最為常見(jiàn)的鋼琴鍵盤(pán)布局[8]。該研究針對(duì)88鍵布局進(jìn)行電控模式設(shè)計(jì)。根據(jù)前文分析，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)琴鍵擊錘的控制，每個(gè)琴鍵擊錘的機(jī)械手控制模組中共包含8個(gè)電磁鐵閥組（7個(gè)力度閥和1個(gè)提鍵閥）和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)。電磁控制閥通過(guò)1個(gè)數(shù)據(jù)位控制，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)4個(gè)數(shù)據(jù)位控制，控制過(guò)程共使用12個(gè)數(shù)據(jù)位[9]，控制系統(tǒng)詳見(jiàn)圖3。

圖3中，步進(jìn)電機(jī)控制器中的控制模塊包括電磁控制閥（每個(gè)琴鍵擊錘配置8 個(gè)，共704個(gè)）和解碼模塊（每個(gè)琴鍵擊錘配置1 個(gè)，共88個(gè)）。

（1）電磁控制閥設(shè)計(jì)思路。電磁控制閥的核心控制思路是通過(guò)大容量電容器控制電磁繞組的瞬時(shí)力度。首先晶閘管接收控制信號(hào)后，將電磁控制閥釋放。在釋放過(guò)程中，電容器的充電狀態(tài)不應(yīng)中斷。

此時(shí)，Dt-IN 的高電平為+3.3 V，VCC保持+12V 供電，GND給出±0 V 參照零電勢(shì)。當(dāng)晶閘管激發(fā)時(shí)，VCC和電容器同時(shí)向電磁繞組輸出電量，控制閥連通從電磁繞組尾端接地到電容器負(fù)極側(cè)接地的回路。在回路上布置一個(gè)保護(hù)電阻器，保護(hù)電阻和電磁繞組的阻抗同時(shí)提供電磁吸合回路負(fù)荷。此時(shí)，從Dt-IN 到VCC 的單向二極管并不導(dǎo)通，但可以為其下方的反向晶閘管主回路提供保護(hù)電流回路，防止較大功率和雜波將晶閘管擊穿。此時(shí)電容器作為高頻雜波的濾波電容[10]。

綜上，該電磁控制閥的核心作用是當(dāng)Dt-IN輸入一個(gè)+3.3 V 高電平時(shí)，Dt-OUT輸出一個(gè)+12 V 高電平;當(dāng)Dt-IN 恢復(fù)±0 V 或-3.3 V 低電平時(shí)，Dt-OUT 處于開(kāi)路浮空狀態(tài)。該模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜電磁閥組的高速模式切換控制，且保持了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（2）解碼模塊設(shè)計(jì)思路。解碼模塊接收一組8位的地址碼、1位的觸發(fā)碼和16位的數(shù)據(jù)碼。當(dāng)8位地址碼與跳線配置結(jié)構(gòu)一致時(shí)，對(duì)狀態(tài)鎖存器寫(xiě)入信息。當(dāng)觸發(fā)碼置于高電平時(shí)，執(zhí)行鎖存器動(dòng)作。解碼模塊的核心設(shè)計(jì)思路是接收中央控制器發(fā)出的琴鍵擊錘信號(hào)并將其翻譯為控制器可識(shí)別的電控信號(hào)[11]。

因?yàn)槊總€(gè)琴鍵擊錘的控制信號(hào)均較為復(fù)雜，傳統(tǒng)模式下，每個(gè)琴鍵擊錘都應(yīng)有獨(dú)立的嵌入算力進(jìn)行單獨(dú)控制，但此舉容易因?yàn)闀r(shí)鐘偏差而造成節(jié)奏偏差。所以，該解碼器的控制時(shí)鐘應(yīng)與中央控制器保持一致。

（3）接地線分層。為了增加控制精度，該系統(tǒng)的接地分為：做功接地，提供所有電磁繞組的0～+12V 做功電流的接地回饋;信號(hào)接地，提供0～+3.3V 控制信號(hào)的接地回饋，該信號(hào)接地與中央控制器嵌入算力系統(tǒng)的GND引腳相連，確保其信號(hào)地0電勢(shì)與中央控制器0電勢(shì)相等;安全接地，提供控制系統(tǒng)外殼的安全接地，確保內(nèi)部電磁屏蔽環(huán)境，為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠性保障措施[12]。不同線路板之間的接地耦合模式，通過(guò)杜邦線連接實(shí)現(xiàn)。

3 軟件控制模式設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制模式

該系統(tǒng)軟件控制的核心目標(biāo)是將樂(lè)譜信息翻譯成硬件系統(tǒng)可以識(shí)別的控制信號(hào)，即對(duì)樂(lè)譜中每個(gè)音符進(jìn)行分解[13]，形成如下表2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在表2中，每行可執(zhí)行命令都包含96字節(jié)的有效信息。每個(gè)命令分段之間使用4 bit的分隔符（H1001）進(jìn)行分隔，命令前使用8 bit的起始符（H10101100），命令后使用8 bit 的終止符（H00111010）。因此，每行命令的最終存儲(chǔ)占用量為144 bit。由于每條命令只能實(shí)現(xiàn)一次琴鍵抬起或者落下，實(shí)際控制中，每一次按鍵需要兩條命令組合完成。因此，在實(shí)際操作中，每次按鍵需要占用288 bit的存儲(chǔ)空間。按照常規(guī)的16樂(lè)句（64小節(jié)）樂(lè)譜計(jì)算，常規(guī)演奏條件下，按鍵次數(shù)可以達(dá)到3000～7000次。當(dāng)這個(gè)樂(lè)譜被編譯為可執(zhí)行文件后，長(zhǎng)度約為108 KByte～252 KByte。為了充分發(fā)揮機(jī)器人演奏的自由度，在“炫技”的條件下，每16樂(lè)句的按鍵次數(shù)可能超過(guò)20 000次，此時(shí)，可執(zhí)行文件的長(zhǎng)度約為720 KByte。這些數(shù)據(jù)量都在嵌入系統(tǒng)的控制范圍內(nèi)[14]。

在表2中，除了時(shí)間戳和校驗(yàn)分段外，其他控制分段的定義如下：

（1）動(dòng)作琴鍵序號(hào)，控制該命令對(duì)應(yīng)的琴鍵。在常規(guī)操作下，同一節(jié)拍下可能同時(shí)觸發(fā)3～8個(gè)琴鍵，每個(gè)琴鍵有不同的觸發(fā)力度和按壓延遲，以實(shí)現(xiàn)兩聲部和弦控制。所有指令會(huì)被硬件部分的解碼模塊鎖定在鎖存器中，在時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊的觸發(fā)下，這些指令會(huì)同時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)釋放電信號(hào)。

（2）力度控制和輔助力度控制，用于控制彈簧片的張緊力度。在常規(guī)演奏下，輔助力度控制的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作并不頻繁。這個(gè)控制過(guò)程也會(huì)在鎖存器觸發(fā)的情況下進(jìn)行。

（3）激發(fā)狀態(tài)，控制提鍵電磁閥組。例如，當(dāng)需要大力度彈性重?fù)羟冁I時(shí)，提鍵電磁閥會(huì)在釋放瞬間同時(shí)加電。這樣，即使落下的擊錘被彈簧片的高蓄力按下，也可以在觸發(fā)琴鍵的同時(shí)被收回。在常規(guī)控制模式下，特別是在輕微力度控制下，提鍵電磁閥組，一般可以在兩個(gè)節(jié)拍中間或者下一次觸發(fā)之前進(jìn)行提鍵操作。

（4）命令種類(lèi)與校驗(yàn)碼聯(lián)合控制命令的完整性。其中校驗(yàn)碼運(yùn)行在物理層，控制所有數(shù)據(jù)位的奇偶性;而命令種類(lèi)運(yùn)行在邏輯層，判斷上述命令中的命令構(gòu)成是否與命令種類(lèi)給出的代碼一致。

3.2 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

綜合上述分析，在系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)控制算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有12個(gè)雙精度浮點(diǎn)變量（Double格式）輸入，6個(gè)雙精度浮點(diǎn)變量和1個(gè)邏輯型變量（Logical格式）輸出，其數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4中，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模塊在本質(zhì)上是一個(gè)由外圍變量控制的6列并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。外圍控制變量為當(dāng)前鋼琴機(jī)械手控制中心點(diǎn)坐標(biāo)及其目標(biāo)坐標(biāo)。6列并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是從6個(gè)鋼琴按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。而判斷模塊數(shù)據(jù)取自干預(yù)變量的降維模塊輸出量和6列并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出量。最終，輸出一個(gè)二值化的Logical變量Check。

該過(guò)程無(wú)須考慮數(shù)據(jù)損失，僅做出數(shù)據(jù)合法性判斷?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行效率，其隱藏層也應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化，將隱藏層設(shè)計(jì)為2層，分別為7節(jié)點(diǎn)和3節(jié)點(diǎn)?？紤]到數(shù)據(jù)降維需求，將7個(gè)輸入變量降維到1個(gè)輸出變量。

4 演奏效果評(píng)價(jià)

研究者邀請(qǐng)了50名音樂(lè)學(xué)院鋼琴專(zhuān)業(yè)的四年級(jí)本科生和50名鋼琴專(zhuān)業(yè)的資深老師，來(lái)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)感受該機(jī)器人的演奏過(guò)程。演奏的曲目包括《小夜曲》《天鵝湖》《命運(yùn)》和《土耳其進(jìn)行曲》等，這些樂(lè)曲都有不同的表現(xiàn)手法。演奏現(xiàn)場(chǎng)設(shè)在學(xué)校的排練中心樂(lè)池，這里具有音樂(lè)欣賞的基礎(chǔ)隔音和混響環(huán)境[15]。演奏過(guò)程中并未使用電子擴(kuò)音設(shè)備，而是使用立式鋼琴直接原聲演奏。研究者要求上述100名鋼琴專(zhuān)業(yè)的評(píng)委根據(jù)他們的主觀感受給出評(píng)價(jià)，滿分10分，最差0分。評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

在表3中可以看到，《小夜曲》和《天鵝湖》等樂(lè)譜的情感表達(dá)技巧相對(duì)簡(jiǎn)單;《命運(yùn)》的情感表達(dá)則需要提供更多的大力度演奏，但同時(shí)也需要考慮到鋼琴本身的表現(xiàn)能力;《土耳其進(jìn)行曲》中快節(jié)奏樂(lè)句較多，對(duì)機(jī)器人的高速動(dòng)作控制能力要求較強(qiáng)。在實(shí)際的主觀感受中，兩組評(píng)價(jià)者均認(rèn)為機(jī)器人在演奏《小夜曲》和《天鵝湖》等樂(lè)譜時(shí)的表達(dá)能力超過(guò)在演奏《命運(yùn)》和《土耳其進(jìn)行曲》等樂(lè)譜時(shí)的表達(dá)能力。

同 時(shí)，在額外的調(diào)查中，50名音樂(lè)學(xué)院鋼琴專(zhuān)業(yè)的四年級(jí)本科生中，有26人（占52%）認(rèn)為該機(jī)器人的演奏技法達(dá)到或者超過(guò)他們自己的技法掌握程度。而在被邀請(qǐng)的50名專(zhuān)業(yè)資深鋼琴教師中，有22人（占44%）表示該機(jī)器人的演奏水平達(dá)到了商業(yè)演出的標(biāo)準(zhǔn)。這些調(diào)查結(jié)果表明，盡管機(jī)器人演奏在情感表達(dá)上尚不健全，但已經(jīng)可以得到較大比例聽(tīng)眾的認(rèn)可。

5 結(jié)論

該研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)鋼琴演奏機(jī)器人的機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械控制、電磁控制和軟件控制層面的綜合設(shè)計(jì)，使其在鋼琴演奏過(guò)程中的表現(xiàn)技法更為豐富，有效提升了鋼琴演奏機(jī)器人演奏音樂(lè)的現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)程度。由于研究條件的限制，本研究?jī)H涉及了鋼琴演奏機(jī)器人的機(jī)械和機(jī)械控制部分，僅從硬件控制角度進(jìn)行鋼琴?gòu)椬鄼C(jī)器人的控制升級(jí)，未涉及人工智能樂(lè)譜識(shí)別等人工智能功能。在后續(xù)的研究中，研究者將通過(guò)軟件優(yōu)化等技術(shù)路徑，進(jìn)一步提升機(jī)器人演奏的技法表達(dá)和感情的詮釋能力，使其演奏效果得到進(jìn)一步提升。

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[12]跨時(shí)空的變革：雅馬哈自動(dòng)演奏鋼琴Disklavier幫考生圓夢(mèng)[J].鋼琴藝術(shù)，2020（8）：62-63.

[13]雅馬哈跨界鋼琴將音樂(lè)帶進(jìn)每個(gè)家庭[J].鋼琴藝術(shù)，2020（5）：62-63.

[14]劉南.以聽(tīng)眾視角聆聽(tīng)自我的新途徑：論現(xiàn)代自動(dòng)演奏鋼琴?gòu)?fù)奏功能的應(yīng)用[J].南京藝術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（音樂(lè)與表演），2018（4）：147-151.

[15]本刊+KLASSIKOM 音樂(lè)資訊中心.施坦威全球典藏版系列鋼琴與施坦威·SPIRIO 新悅高解析度自動(dòng)演奏鋼琴亮相中國(guó)（上海）國(guó)際樂(lè)器展[J].音樂(lè)愛(ài)好者，2016（12）：71.

責(zé)任編輯：肖祖銘