基本信息
- 項目名稱：
- 基于Arduino和Bluetooth控制的機器人樂隊
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 目前市場上音樂機器人種類數(shù)量較少且演奏效果一般，本項目融合電子、機械、樂理等相關知識，搭建了一支基于Arduino和Bluetooth技術控制的機器人樂隊，并自主開發(fā)了一套可調試、編曲、播放的音樂機器人軟件。樂隊由電吉他、架子鼓和電子琴等演奏機器人組成，并能夠以USB有線連接或藍牙無線通訊方式在主控PC機控制下完成樂隊的協(xié)奏。自主研發(fā)軟件可將Midi和Gtp格式音樂文件轉換為音樂機器人運行程序。
- 詳細介紹：
- 隨著科學技術的不斷發(fā)展，機器人技術應用的領域正從過去的以工業(yè)應用為主逐步向大眾生活轉變。最新的調查顯示，在機器人領域，娛樂性機器人已經(jīng)占有多達30%的市場份額。音樂機器人在市場上具有相當?shù)陌l(fā)展?jié)摿Α?作品搭建起了一支基于Arduino和Bluetooth技術控制的機器人樂隊。該樂隊主要由電吉他音樂機器人、架子鼓音樂機器人和電子琴音樂機器人組成，并且此三者能夠在藍牙通訊的支持下完成音樂的協(xié)奏。各音樂機器人能單獨演奏亦可合奏演出。合奏時電子琴機器人在樂隊中為主旋律演奏者，爵士鼓機器人為節(jié)奏統(tǒng)領者，電吉他機器人起和弦伴奏作用。 每個機器人各關節(jié)由舵機、電磁鐵、步進電機等驅動，經(jīng)專門設計的電路版控制?？刂蒲葑嗟某绦虼a由專門開發(fā)的軟件將樂譜轉化編譯成控制代碼。通過控制輸出到各驅動器脈沖的位置及時間實現(xiàn)音樂機器人的演奏樂器動作。 作品采用了“星狀連接一主多從”的機器人群控制方法。此種控制方法相較于“直線連接”和“環(huán)狀連接”在多個機器人的控制方面有明顯的優(yōu)勢。“直線連接”和“環(huán)狀連接”是在不同的機器人之間添加通訊，缺點是信號的傳輸途徑將明顯加長，且對應的時間延遲也將加長，并且系統(tǒng)穩(wěn)定性差，若信號傳遞過程中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將出現(xiàn)崩潰的巨大故障。而“星狀連接”的系統(tǒng)，由于有統(tǒng)一的上位機控制，因此可以減少系統(tǒng)的整體故障幾率。同時，系統(tǒng)的反饋自校正方法，也可以保證整個系統(tǒng)的同步性。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的意義：樂器演奏機器人是通過電子控制裝置控制機械結構，模擬人類演奏樂器的行為來演奏真實的樂器，是融合機械、計算機、自動化、電子以及音樂藝術的多學科的交叉課題。 基本思路： 1）主要通過PC上位機編輯播放軟件，以藍牙通訊為數(shù)據(jù)傳輸方式，同時控制各演奏機器人動作，完成機器人的同步演奏； （2）通過樂理分析，設計各演奏機器人機構，完成各演奏機器人的運動學、動力學分析，并根據(jù)結論選用適當驅動形式； （3）設計并實現(xiàn)各驅動方式電控系統(tǒng)，實現(xiàn)各種驅動方式的實時控制； （4）設計并實現(xiàn)PC上位機編輯播放軟件，實現(xiàn)各演奏機器人在統(tǒng)一樂曲編碼下同步演奏； （5）完成音階演奏實驗，樂曲演奏實驗，基本演奏技巧實驗及合奏實驗，獲得各樂器相應實驗數(shù)據(jù) 創(chuàng)新點（1）設計并實現(xiàn)了不同樂器演奏機器人統(tǒng)一樂譜編碼，通過無線方式進行各機器人控制信號的通訊，各演奏機器人控制各自樂器的同步演奏。 （2）完成鍵盤演奏機器人彈奏機構運動學分析及簡化手指運動模型。 （3）設計并實現(xiàn)了機器人樂隊群控系統(tǒng)專用軟件，實現(xiàn)樂曲編排的便捷性與標準的統(tǒng)一。 （4）完成音階演奏實驗，樂曲演奏實驗，基本演奏技巧實驗及合奏實驗。
科學性、先進性
- （1）提出了機器人樂隊主從控制思想并加以實現(xiàn)。設計并實現(xiàn)了不同種機器人演奏同一樂曲時，采用統(tǒng)一樂譜編碼，通過無線方式進行各機器人控制信號的通訊，各演奏機器人根據(jù)上位機發(fā)射的演奏編碼信號控制各自樂器的同步演奏，同步誤差小于0.05s。 （2）以機器人手指運動的運動學分析為主，通過矩陣法、幾何法求得機器人手指的運動學正解、逆解，確定關節(jié)角度與指尖末端位置狀態(tài)的數(shù)學關系。 （3）設計了應用于精確控制各種帶有旋轉編碼器的直流微電機系統(tǒng)產品。具有精確的速度、位置、電流三閉環(huán)設計，結合高性能的2000線增量編碼器，設計定位精度達到0.045°。 （4）首創(chuàng)開發(fā)了機器人樂隊群控系統(tǒng)專用軟件，在上位機同一操作界面下實現(xiàn)選曲、編曲、控制演奏功能的集成，實現(xiàn)樂曲編排的便捷性與標準的統(tǒng)一。
獲獎情況及鑒定結果
- (1)2010年12月“爵士鼓演奏機器人”獲國家專利證書,專利號201030150247.4 ； (2)2009-2010年“基于uCOS-Ⅱ多任務操作系統(tǒng)的機器人樂隊”獲國家級本科生科技創(chuàng)新項目一等獎 (3)2010年12月獲校級“搖籃杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎 (4)2011年獲省級“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- ■實物、產品 ■圖紙 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 作為一款演示性的機器人產品，音樂機器人樂隊可以在科教娛樂方面發(fā)揮較大的作用。從查閱的資料來看，目前市場上能實際演奏樂器的音樂機器人仍然很少，只有部分高校和公司有研制，且演奏效果一般。作品多次參加市、國家級重要科普、文化和商業(yè)等會展，從展出的反饋來看，本作品演奏效果良好，也具有相當?shù)氖袌鲩_發(fā)潛質。 隨著項目的進一步深入，音樂機器人樂隊的發(fā)展將朝小型化、智能化和多元化方向發(fā)展。隨著音樂機器人樂隊的逐步產品化，其在科教娛樂、家用服務和項目展示方面能夠發(fā)揮越來越多的作用。此外，在音樂的演奏方式多元化領域也能夠發(fā)揮其作用，可以想象作品若投入市場后，一個機器人樂隊或人和機器人合奏的樂隊將在音樂和機器人領域引領起一股新的時尚。
同類課題研究水平概述
- 近年來，隨著生活水平的提高，娛樂機器人一直是各國研究的熱門項目。而其中音樂機器人以其較好的展示和互動效果更是獲得了研究人員的青睞。從形式上來說，各個實驗室所研制的機器人都不盡相同，其中主要有非人形和擬人形兩類。非人形機器人注重與人的交互體驗，旨在讓機器人走進家庭，使人在與音樂機器人互動的過程中獲得放松。例如索尼公司的Miuro音樂機器人，可以通過傳感器和攝像實現(xiàn)自主移動和音樂的播放。但這類機器人一般只設置了音樂播放機構，而很少具備音樂演奏機構。相比之下，擬人機器人則更加注重模擬真實演唱會的演奏效果。他們外形與普通人類相近，用小型電機或舵機模擬關節(jié)的活動，并通過一系列的機械結構帶動運作，利用程序實現(xiàn)對音樂演奏的自動控制。 從演奏方式上來說，主要有弦樂、打擊樂器、鍵盤樂器等種類。弦樂器演奏機器人一直是音樂機器人發(fā)展的一個難點，主要原因是撥弦和壓弦機構的設計較為困難。其中較為有名的是日本電氣通信大學的大、小提琴演奏機器人MUBOT。MUBOT主要由弓控制機構和指控制機構組成。其中弓控制機構包括弦的選擇、弓壓力控制和弓往復控制，分別用3個獨立的調節(jié)器組成伺服系統(tǒng)。小提琴的弓往復運動由聯(lián)桿機構完成。而大提琴因為其本體大而重，不能采用與小提琴同樣的機械機構，所以讓大提琴本體靜止不動，使弓往復運動機構圍繞大提琴本體進行轉動。兩者在弓的保持部分，都有弓壓力控制機構。而目前在國內外展會上展示的打擊樂器機器人多為架子鼓機器人，這種機器人由大量舵機連接而成，自由度多，動作迅速靈敏，演奏效果較好，但大多體型較小而不適用于正常尺寸的架子鼓。另一種較常見的打擊樂器機器人為木琴演奏機器人。其機械手由機械部分、控制部分、樂譜程序和木琴等四大部分組成，由可編程序控制器控制，PLC 輸出指令，實現(xiàn)移槌、擊槌等動作。鍵盤演奏機器人也是音樂機器人的一個重要研究領域，而其中多數(shù)為鋼琴演奏機器人。其中日本早稻田大學研制的鋼琴演奏機器人在國際上影響較大。它共有88臺擊鍵器和兩臺踏板驅動裝置，每臺都有一套伺服系統(tǒng)。為了提高信息的處理效率，整個控制系統(tǒng)分為上位、中位、下位3層。上位電腦對整套裝置和兩臺中位電腦進行綜合管理，進行樂曲數(shù)據(jù)的編輯和由樂曲數(shù)據(jù)生成驅動波形。
