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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于Arduino和Bluetooth控制的機(jī)器人樂(lè)隊(duì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 目前市場(chǎng)上音樂(lè)機(jī)器人種類數(shù)量較少且演奏效果一般，本項(xiàng)目融合電子、機(jī)械、樂(lè)理等相關(guān)知識(shí)，搭建了一支基于Arduino和Bluetooth技術(shù)控制的機(jī)器人樂(lè)隊(duì)，并自主開(kāi)發(fā)了一套可調(diào)試、編曲、播放的音樂(lè)機(jī)器人軟件。樂(lè)隊(duì)由電吉他、架子鼓和電子琴等演奏機(jī)器人組成，并能夠以USB有線連接或藍(lán)牙無(wú)線通訊方式在主控PC機(jī)控制下完成樂(lè)隊(duì)的協(xié)奏。自主研發(fā)軟件可將Midi和Gtp格式音樂(lè)文件轉(zhuǎn)換為音樂(lè)機(jī)器人運(yùn)行程序。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域正從過(guò)去的以工業(yè)應(yīng)用為主逐步向大眾生活轉(zhuǎn)變。最新的調(diào)查顯示，在機(jī)器人領(lǐng)域，娛樂(lè)性機(jī)器人已經(jīng)占有多達(dá)30%的市場(chǎng)份額。音樂(lè)機(jī)器人在市場(chǎng)上具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Α?作品搭建起了一支基于Arduino和Bluetooth技術(shù)控制的機(jī)器人樂(lè)隊(duì)。該樂(lè)隊(duì)主要由電吉他音樂(lè)機(jī)器人、架子鼓音樂(lè)機(jī)器人和電子琴音樂(lè)機(jī)器人組成，并且此三者能夠在藍(lán)牙通訊的支持下完成音樂(lè)的協(xié)奏。各音樂(lè)機(jī)器人能單獨(dú)演奏亦可合奏演出。合奏時(shí)電子琴機(jī)器人在樂(lè)隊(duì)中為主旋律演奏者，爵士鼓機(jī)器人為節(jié)奏統(tǒng)領(lǐng)者，電吉他機(jī)器人起和弦伴奏作用。 每個(gè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)由舵機(jī)、電磁鐵、步進(jìn)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)，經(jīng)專門設(shè)計(jì)的電路版控制?？刂蒲葑嗟某绦虼a由專門開(kāi)發(fā)的軟件將樂(lè)譜轉(zhuǎn)化編譯成控制代碼。通過(guò)控制輸出到各驅(qū)動(dòng)器脈沖的位置及時(shí)間實(shí)現(xiàn)音樂(lè)機(jī)器人的演奏樂(lè)器動(dòng)作。 作品采用了“星狀連接一主多從”的機(jī)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(gè)機(jī)器人的控制方面有明顯的優(yōu)勢(shì)?！爸本€連接”和“環(huán)狀連接”是在不同的機(jī)器人之間添加通訊，缺點(diǎn)是信號(hào)的傳輸途徑將明顯加長(zhǎng)，且對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲也將加長(zhǎng)，并且系統(tǒng)穩(wěn)定性差，若信號(hào)傳遞過(guò)程中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，整個(gè)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(jī)控制，因此可以減少系統(tǒng)的整體故障幾率。同時(shí)，系統(tǒng)的反饋?zhàn)孕Ｕ椒ǎ部梢员ＷC整個(gè)系統(tǒng)的同步性。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的意義：樂(lè)器演奏機(jī)器人是通過(guò)電子控制裝置控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，模擬人類演奏樂(lè)器的行為來(lái)演奏真實(shí)的樂(lè)器，是融合機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、電子以及音樂(lè)藝術(shù)的多學(xué)科的交叉課題。 基本思路： 1）主要通過(guò)PC上位機(jī)編輯播放軟件，以藍(lán)牙通訊為數(shù)據(jù)傳輸方式，同時(shí)控制各演奏機(jī)器人動(dòng)作，完成機(jī)器人的同步演奏； （2）通過(guò)樂(lè)理分析，設(shè)計(jì)各演奏機(jī)器人機(jī)構(gòu)，完成各演奏機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)論選用適當(dāng)驅(qū)動(dòng)形式； （3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)方式電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)時(shí)控制； （4）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)編輯播放軟件，實(shí)現(xiàn)各演奏機(jī)器人在統(tǒng)一樂(lè)曲編碼下同步演奏； （5）完成音階演奏實(shí)驗(yàn)，樂(lè)曲演奏實(shí)驗(yàn)，基本演奏技巧實(shí)驗(yàn)及合奏實(shí)驗(yàn)，獲得各樂(lè)器相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 創(chuàng)新點(diǎn)（1）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了不同樂(lè)器演奏機(jī)器人統(tǒng)一樂(lè)譜編碼，通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行各機(jī)器人控制信號(hào)的通訊，各演奏機(jī)器人控制各自樂(lè)器的同步演奏。 （2）完成鍵盤(pán)演奏機(jī)器人彈奏機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及簡(jiǎn)化手指運(yùn)動(dòng)模型。 （3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人樂(lè)隊(duì)群控系統(tǒng)專用軟件，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲編排的便捷性與標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。 （4）完成音階演奏實(shí)驗(yàn)，樂(lè)曲演奏實(shí)驗(yàn)，基本演奏技巧實(shí)驗(yàn)及合奏實(shí)驗(yàn)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）提出了機(jī)器人樂(lè)隊(duì)主從控制思想并加以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了不同種機(jī)器人演奏同一樂(lè)曲時(shí)，采用統(tǒng)一樂(lè)譜編碼，通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行各機(jī)器人控制信號(hào)的通訊，各演奏機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)發(fā)射的演奏編碼信號(hào)控制各自樂(lè)器的同步演奏，同步誤差小于0.05s。 （2）以機(jī)器人手指運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為主，通過(guò)矩陣法、幾何法求得機(jī)器人手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、逆解，確定關(guān)節(jié)角度與指尖末端位置狀態(tài)的數(shù)學(xué)關(guān)系。 （3）設(shè)計(jì)了應(yīng)用于精確控制各種帶有旋轉(zhuǎn)編碼器的直流微電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品。具有精確的速度、位置、電流三閉環(huán)設(shè)計(jì)，結(jié)合高性能的2000線增量編碼器，設(shè)計(jì)定位精度達(dá)到0.045°。 （4）首創(chuàng)開(kāi)發(fā)了機(jī)器人樂(lè)隊(duì)群控系統(tǒng)專用軟件，在上位機(jī)同一操作界面下實(shí)現(xiàn)選曲、編曲、控制演奏功能的集成，實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲編排的便捷性與標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- (1)2010年12月“爵士鼓演奏機(jī)器人”獲國(guó)家專利證書(shū),專利號(hào)201030150247.4 ； (2)2009-2010年“基于uCOS-Ⅱ多任務(wù)操作系統(tǒng)的機(jī)器人樂(lè)隊(duì)”獲國(guó)家級(jí)本科生科技創(chuàng)新項(xiàng)目一等獎(jiǎng) (3)2010年12月獲校級(jí)“搖籃杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng) (4)2011年獲省級(jí)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- ■實(shí)物、產(chǎn)品 ■圖紙 ■現(xiàn)場(chǎng)演示 ■圖片 ■錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作為一款演示性的機(jī)器人產(chǎn)品，音樂(lè)機(jī)器人樂(lè)隊(duì)可以在科教娛樂(lè)方面發(fā)揮較大的作用。從查閱的資料來(lái)看，目前市場(chǎng)上能實(shí)際演奏樂(lè)器的音樂(lè)機(jī)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(guó)家級(jí)重要科普、文化和商業(yè)等會(huì)展，從展出的反饋來(lái)看，本作品演奏效果良好，也具有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)開(kāi)發(fā)潛質(zhì)。 隨著項(xiàng)目的進(jìn)一步深入，音樂(lè)機(jī)器人樂(lè)隊(duì)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(lè)機(jī)器人樂(lè)隊(duì)的逐步產(chǎn)品化，其在科教娛樂(lè)、家用服務(wù)和項(xiàng)目展示方面能夠發(fā)揮越來(lái)越多的作用。此外，在音樂(lè)的演奏方式多元化領(lǐng)域也能夠發(fā)揮其作用，可以想象作品若投入市場(chǎng)后，一個(gè)機(jī)器人樂(lè)隊(duì)或人和機(jī)器人合奏的樂(lè)隊(duì)將在音樂(lè)和機(jī)器人領(lǐng)域引領(lǐng)起一股新的時(shí)尚。
同類課題研究水平概述
- 近年來(lái)，隨著生活水平的提高，娛樂(lè)機(jī)器人一直是各國(guó)研究的熱門項(xiàng)目。而其中音樂(lè)機(jī)器人以其較好的展示和互動(dòng)效果更是獲得了研究人員的青睞。從形式上來(lái)說(shuō)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室所研制的機(jī)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(jī)器人注重與人的交互體驗(yàn)，旨在讓機(jī)器人走進(jìn)家庭，使人在與音樂(lè)機(jī)器人互動(dòng)的過(guò)程中獲得放松。例如索尼公司的Miuro音樂(lè)機(jī)器人，可以通過(guò)傳感器和攝像實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)和音樂(lè)的播放。但這類機(jī)器人一般只設(shè)置了音樂(lè)播放機(jī)構(gòu)，而很少具備音樂(lè)演奏機(jī)構(gòu)。相比之下，擬人機(jī)器人則更加注重模擬真實(shí)演唱會(huì)的演奏效果。他們外形與普通人類相近，用小型電機(jī)或舵機(jī)模擬關(guān)節(jié)的活動(dòng)，并通過(guò)一系列的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)運(yùn)作，利用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)音樂(lè)演奏的自動(dòng)控制。 從演奏方式上來(lái)說(shuō)，主要有弦樂(lè)、打擊樂(lè)器、鍵盤(pán)樂(lè)器等種類。弦樂(lè)器演奏機(jī)器人一直是音樂(lè)機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)，主要原因是撥弦和壓弦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為困難。其中較為有名的是日本電氣通信大學(xué)的大、小提琴演奏機(jī)器人MUBOT。MUBOT主要由弓控制機(jī)構(gòu)和指控制機(jī)構(gòu)組成。其中弓控制機(jī)構(gòu)包括弦的選擇、弓壓力控制和弓往復(fù)控制，分別用3個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器組成伺服系統(tǒng)。小提琴的弓往復(fù)運(yùn)動(dòng)由聯(lián)桿機(jī)構(gòu)完成。而大提琴因?yàn)槠浔倔w大而重，不能采用與小提琴同樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)，所以讓大提琴本體靜止不動(dòng)，使弓往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圍繞大提琴本體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。兩者在弓的保持部分，都有弓壓力控制機(jī)構(gòu)。而目前在國(guó)內(nèi)外展會(huì)上展示的打擊樂(lè)器機(jī)器人多為架子鼓機(jī)器人，這種機(jī)器人由大量舵機(jī)連接而成，自由度多，動(dòng)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(jiàn)的打擊樂(lè)器機(jī)器人為木琴演奏機(jī)器人。其機(jī)械手由機(jī)械部分、控制部分、樂(lè)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(shí)現(xiàn)移槌、擊槌等動(dòng)作。鍵盤(pán)演奏機(jī)器人也是音樂(lè)機(jī)器人的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，而其中多數(shù)為鋼琴演奏機(jī)器人。其中日本早稻田大學(xué)研制的鋼琴演奏機(jī)器人在國(guó)際上影響較大。它共有88臺(tái)擊鍵器和兩臺(tái)踏板驅(qū)動(dòng)裝置，每臺(tái)都有一套伺服系統(tǒng)。為了提高信息的處理效率，整個(gè)控制系統(tǒng)分為上位、中位、下位3層。上位電腦對(duì)整套裝置和兩臺(tái)中位電腦進(jìn)行綜合管理，進(jìn)行樂(lè)曲數(shù)據(jù)的編輯和由樂(lè)曲數(shù)據(jù)生成驅(qū)動(dòng)波形。
