基本信息
- 项目名称：
- 基于Arduino和Bluetooth控制的机器人乐队
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前市场上音乐机器人种类数量较少且演奏效果一般，本项目融合电子、机械、乐理等相关知识，搭建了一支基于Arduino和Bluetooth技术控制的机器人乐队，并自主开发了一套可调试、编曲、播放的音乐机器人软件。乐队由电吉他、架子鼓和电子琴等演奏机器人组成，并能够以USB有线连接或蓝牙无线通讯方式在主控PC机控制下完成乐队的协奏。自主研发软件可将Midi和Gtp格式音乐文件转换为音乐机器人运行程序。
- 详细介绍：
- 随着科学技术的不断发展，机器人技术应用的领域正从过去的以工业应用为主逐步向大众生活转变。最新的调查显示，在机器人领域，娱乐性机器人已经占有多达30%的市场份额。音乐机器人在市场上具有相当的发展潜力。 作品搭建起了一支基于Arduino和Bluetooth技术控制的机器人乐队。该乐队主要由电吉他音乐机器人、架子鼓音乐机器人和电子琴音乐机器人组成，并且此三者能够在蓝牙通讯的支持下完成音乐的协奏。各音乐机器人能单独演奏亦可合奏演出。合奏时电子琴机器人在乐队中为主旋律演奏者，爵士鼓机器人为节奏统领者，电吉他机器人起和弦伴奏作用。 每个机器人各关节由舵机、电磁铁、步进电机等驱动，经专门设计的电路版控制。控制演奏的程序代码由专门开发的软件将乐谱转化编译成控制代码。通过控制输出到各驱动器脉冲的位置及时间实现音乐机器人的演奏乐器动作。 作品采用了“星状连接一主多从”的机器人群控制方法。此种控制方法相较于“直线连接”和“环状连接”在多个机器人的控制方面有明显的优势。“直线连接”和“环状连接”是在不同的机器人之间添加通讯，缺点是信号的传输途径将明显加长，且对应的时间延迟也将加长，并且系统稳定性差，若信号传递过程中某一环节出现故障，整个系统将出现崩溃的巨大故障。而“星状连接”的系统，由于有统一的上位机控制，因此可以减少系统的整体故障几率。同时，系统的反馈自校正方法，也可以保证整个系统的同步性。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的意义：乐器演奏机器人是通过电子控制装置控制机械结构，模拟人类演奏乐器的行为来演奏真实的乐器，是融合机械、计算机、自动化、电子以及音乐艺术的多学科的交叉课题。 基本思路： 1）主要通过PC上位机编辑播放软件，以蓝牙通讯为数据传输方式，同时控制各演奏机器人动作，完成机器人的同步演奏； （2）通过乐理分析，设计各演奏机器人机构，完成各演奏机器人的运动学、动力学分析，并根据结论选用适当驱动形式； （3）设计并实现各驱动方式电控系统，实现各种驱动方式的实时控制； （4）设计并实现PC上位机编辑播放软件，实现各演奏机器人在统一乐曲编码下同步演奏； （5）完成音阶演奏实验，乐曲演奏实验，基本演奏技巧实验及合奏实验，获得各乐器相应实验数据 创新点（1）设计并实现了不同乐器演奏机器人统一乐谱编码，通过无线方式进行各机器人控制信号的通讯，各演奏机器人控制各自乐器的同步演奏。 （2）完成键盘演奏机器人弹奏机构运动学分析及简化手指运动模型。 （3）设计并实现了机器人乐队群控系统专用软件，实现乐曲编排的便捷性与标准的统一。 （4）完成音阶演奏实验，乐曲演奏实验，基本演奏技巧实验及合奏实验。
科学性、先进性
- （1）提出了机器人乐队主从控制思想并加以实现。设计并实现了不同种机器人演奏同一乐曲时，采用统一乐谱编码，通过无线方式进行各机器人控制信号的通讯，各演奏机器人根据上位机发射的演奏编码信号控制各自乐器的同步演奏，同步误差小于0.05s。 （2）以机器人手指运动的运动学分析为主，通过矩阵法、几何法求得机器人手指的运动学正解、逆解，确定关节角度与指尖末端位置状态的数学关系。 （3）设计了应用于精确控制各种带有旋转编码器的直流微电机系统产品。具有精确的速度、位置、电流三闭环设计，结合高性能的2000线增量编码器，设计定位精度达到0.045°。 （4）首创开发了机器人乐队群控系统专用软件，在上位机同一操作界面下实现选曲、编曲、控制演奏功能的集成，实现乐曲编排的便捷性与标准的统一。
获奖情况及鉴定结果
- (1)2010年12月“爵士鼓演奏机器人”获国家专利证书,专利号201030150247.4 ； (2)2009-2010年“基于uCOS-Ⅱ多任务操作系统的机器人乐队”获国家级本科生科技创新项目一等奖 (3)2010年12月获校级“摇篮杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖 (4)2011年获省级“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■图纸 ■现场演示 ■图片 ■录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作为一款演示性的机器人产品，音乐机器人乐队可以在科教娱乐方面发挥较大的作用。从查阅的资料来看，目前市场上能实际演奏乐器的音乐机器人仍然很少，只有部分高校和公司有研制，且演奏效果一般。作品多次参加市、国家级重要科普、文化和商业等会展，从展出的反馈来看，本作品演奏效果良好，也具有相当的市场开发潜质。 随着项目的进一步深入，音乐机器人乐队的发展将朝小型化、智能化和多元化方向发展。随着音乐机器人乐队的逐步产品化，其在科教娱乐、家用服务和项目展示方面能够发挥越来越多的作用。此外，在音乐的演奏方式多元化领域也能够发挥其作用，可以想象作品若投入市场后，一个机器人乐队或人和机器人合奏的乐队将在音乐和机器人领域引领起一股新的时尚。
同类课题研究水平概述
- 近年来，随着生活水平的提高，娱乐机器人一直是各国研究的热门项目。而其中音乐机器人以其较好的展示和互动效果更是获得了研究人员的青睐。从形式上来说，各个实验室所研制的机器人都不尽相同，其中主要有非人形和拟人形两类。非人形机器人注重与人的交互体验，旨在让机器人走进家庭，使人在与音乐机器人互动的过程中获得放松。例如索尼公司的Miuro音乐机器人，可以通过传感器和摄像实现自主移动和音乐的播放。但这类机器人一般只设置了音乐播放机构，而很少具备音乐演奏机构。相比之下，拟人机器人则更加注重模拟真实演唱会的演奏效果。他们外形与普通人类相近，用小型电机或舵机模拟关节的活动，并通过一系列的机械结构带动运作，利用程序实现对音乐演奏的自动控制。 从演奏方式上来说，主要有弦乐、打击乐器、键盘乐器等种类。弦乐器演奏机器人一直是音乐机器人发展的一个难点，主要原因是拨弦和压弦机构的设计较为困难。其中较为有名的是日本电气通信大学的大、小提琴演奏机器人MUBOT。MUBOT主要由弓控制机构和指控制机构组成。其中弓控制机构包括弦的选择、弓压力控制和弓往复控制，分别用3个独立的调节器组成伺服系统。小提琴的弓往复运动由联杆机构完成。而大提琴因为其本体大而重，不能采用与小提琴同样的机械机构，所以让大提琴本体静止不动，使弓往复运动机构围绕大提琴本体进行转动。两者在弓的保持部分，都有弓压力控制机构。而目前在国内外展会上展示的打击乐器机器人多为架子鼓机器人，这种机器人由大量舵机连接而成，自由度多，动作迅速灵敏，演奏效果较好，但大多体型较小而不适用于正常尺寸的架子鼓。另一种较常见的打击乐器机器人为木琴演奏机器人。其机械手由机械部分、控制部分、乐谱程序和木琴等四大部分组成，由可编程序控制器控制，PLC 输出指令，实现移槌、击槌等动作。键盘演奏机器人也是音乐机器人的一个重要研究领域，而其中多数为钢琴演奏机器人。其中日本早稻田大学研制的钢琴演奏机器人在国际上影响较大。它共有88台击键器和两台踏板驱动装置，每台都有一套伺服系统。为了提高信息的处理效率，整个控制系统分为上位、中位、下位3层。上位电脑对整套装置和两台中位电脑进行综合管理，进行乐曲数据的编辑和由乐曲数据生成驱动波形。
