專利名稱：吹笛機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吹笛機器人，是一種可以吹奏樂曲，集娛樂、觀賞和高技術(shù)的機電產(chǎn)品，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。
日本早稻田大學從1990年開始開發(fā)了WF系列長笛自動演奏機器人，在機器人上開發(fā)了能夠進行呼、吸氣的人工肺，并根據(jù)人們的演奏經(jīng)驗，演奏姿勢和音程之間的一定關(guān)系，研究出更廣音域的控制法，功能逐步完善，演奏效果越來越逼真。演奏長笛時，長笛與人體各器官的關(guān)系中最基礎的部分是肺，因此在機器人上首先開發(fā)了能夠進行呼、吸氣的人工肺。為了能和人一樣進行演奏，希望能和人有相同的肺活量，參考了人的肺活量參數(shù)，最終設計為5100ml。從人工肺呼出的氣束需要控制流速，所以又加上口唇部分。根據(jù)人們的演奏經(jīng)驗，演奏姿勢和音程之間是有一定關(guān)系的，作為更廣音域的控制法，著眼于變化長笛吹口與下唇的距離，對氣束長度進行微調(diào)，這是利用演奏姿勢對音程進行補充調(diào)節(jié)。其硬件是具有X、Z、θ三自由度的演奏姿勢控制機構(gòu)，它可以控制氣束的長度、角度、偏心及被稱為GAP的氣束位置等條件。但是，他們研究工作僅僅局限在實驗室內(nèi)的功能實現(xiàn)。
日本東洋大學也開發(fā)研制過長笛自動演奏機器人。該機器人的工作原理用空氣壓縮器輸入壓縮空氣，經(jīng)過空氣干燥器、過濾器、煙霧隔板、貯氣箱，送到電動氣壓比例閥和高速開關(guān)的同時，也通過總管送到各小氣筒內(nèi)，用于控制鍵的開閉。小氣筒是內(nèi)徑和動程均為10mm的復動式筆式簡，共使用10個。在機械手及手指設計以及機器人本體的研究方面，采用的是垂直方向簡單的運動，模擬人吹笛時手指洞音控制功能，幾乎沒有考慮外觀，在實驗架上實現(xiàn)吹笛。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以商品化的新型吹笛機器人，能解決機器人吹奏歌曲中洞音控制、口風控制和演奏技巧等問題，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明設計的吹笛機器人由一臺主控機(計算機或單片機)控制機器人兩個靈巧手的六個活動手指和吹奏口風。機器人手指運動采用六個電磁閥控制六個小汽缸，來實現(xiàn)吹笛洞音的控制。通過D/A輸出控制自動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)口風控制。洞音的控制必須與口風控制相協(xié)調(diào)，尤其是在樂曲吹奏過程中音符之間的切換，可以根據(jù)不同要求由主控機實施協(xié)調(diào)控制。整個機器人氣源由一臺空氣壓縮機提供。
本發(fā)明具體包括主控機、空氣壓縮機、手動和自動調(diào)壓閥、數(shù)字式電磁閥和機器人靈巧手，空氣壓縮機提供整個系統(tǒng)的動力氣源，通過氣路連接到手動調(diào)壓閥，其中手動調(diào)壓閥主要起穩(wěn)定系統(tǒng)氣壓，控制氣流濕度的作用。手動調(diào)壓閥則通過氣路分別向數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥提供動力源，其中六組數(shù)字式電磁閥對應控制六個直動式微型氣缸，自動調(diào)壓閥通過減壓裝置、緩沖裝置(柔性氣囊)向豎笛提供吹奏氣流。數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥的控制信號分別由主控機通過DI/O和D/A輸出提供。
系統(tǒng)工作時，首先通過調(diào)節(jié)手動調(diào)壓閥將系統(tǒng)氣源調(diào)到系統(tǒng)穩(wěn)定工作的氣壓(在穩(wěn)定工作的前提下盡量低)，同時將氣流濕度調(diào)到合理值。當吹奏樂曲時，主控機按照曲譜，協(xié)調(diào)輸出DI/O量和D/A量(考慮協(xié)調(diào)控制所需的延時)，DI/O輸出控制六組數(shù)字電磁閥的開閉，實現(xiàn)笛孔按堵氣缸的相應動作，從而實現(xiàn)對洞音的控制；D/A輸出控制自動調(diào)壓的氣流氣壓，結(jié)合減壓裝置、緩沖裝置，合理輸出合適豎笛吹奏的吹奏氣流，即合適的氣壓、氣流量。其中氣缸的物理位置布置參照人吹奏豎笛的姿勢，在系統(tǒng)設計中，將六個氣缸分為兩組，分別對應人的兩個手，左手和右手。
本發(fā)明的機器人靈巧手由類人化的手背和五個手指組成，大拇指用于支撐并固定短笛，左、右手的食指、中指和無名指分別控制笛子的六個洞音孔。左、右手的手背中安裝三個微型汽缸，分別驅(qū)動食指、中指和無名指。微型汽缸安裝在手腕支撐桿上，且可以繞支撐桿轉(zhuǎn)動。氣管直接連接在汽缸上。除大拇指外，靈巧手手指和人的手指一樣，分別由三個關(guān)節(jié)構(gòu)成。每個手指與汽缸之間有一個連接滑動塊，使手指可以彎曲轉(zhuǎn)動。通過調(diào)節(jié)可使手指有效堵住笛孔的位置。手指指端采用硅膠制成，其柔軟性可使手指壓住笛孔時不漏氣。當汽缸電磁閥開關(guān)時，汽缸推動手指轉(zhuǎn)動，并實現(xiàn)硅膠指端壓住笛孔。
本發(fā)明由主控機實施控制，采用空氣壓縮機為動力源，微型汽缸驅(qū)動靈巧手的手指協(xié)調(diào)動作，解決了機器人吹奏歌曲中的技術(shù)難題，實現(xiàn)吹笛機器人吹奏時的洞音控制(即手指控制)、口風的控制(即吹氣口氣流控制)和演奏技巧等，使吹笛機器人更具娛樂性、觀賞性和實用性。
如

圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)主機采用PC機或單片機，通過DI/O和D/A與數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥連接，提供輸出控制信號。空氣壓縮機為動力氣源，通過氣路連接到手動調(diào)壓閥，手動調(diào)壓閥則通過氣路分別連接數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥并提供動力源，數(shù)字式電磁閥有六組，分別對應控制六個安裝在靈巧手上的直動式微型氣缸，自動調(diào)壓閥通過減壓裝置、柔性氣囊向豎笛提供吹奏氣流。
圖2為本發(fā)明機器人靈巧手的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為靈巧手的活動手指結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2圖3中所示各部件為氣路氣管1，手背2，微型汽缸3，手腕支撐桿4，由三個關(guān)節(jié)7、8、9構(gòu)成的手指，手指與汽缸之間的連接滑動塊5，滑動塊支撐桿6，硅膠制成的手指指端10，大拇指11。
本發(fā)明的機器人系統(tǒng)如圖1所示，主控機通過DI/O和D/A分別與數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥連接，提供輸出控制信號?？諝鈮嚎s機通過氣路連接到手動調(diào)壓閥，手動調(diào)壓閥則通過氣路分別連接數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥并提供動力源，數(shù)字式電磁閥有六組，分別對應控制六個安裝在靈巧手上的直動式微型氣缸，自動調(diào)壓閥通過減壓裝置、柔性氣囊連接到豎笛，向豎笛提供吹奏氣流。
吹笛機器人靈巧手結(jié)構(gòu)如圖2圖3所示，由手背和五個手指構(gòu)成，按圖中所示坐標系，沿y遞增方向，依次為小指、無名指、中指、食指以及大拇指。
大拇指11支撐并固定短笛，左、右手的食指、中指和無名指分別控制笛子的六個洞音孔。左、右手的手背2，是一塊鋁型材雕銑成中空的人手背形，其中安裝三個微型汽缸3，分別驅(qū)動食指、中指和無名指。微型汽缸安裝在手腕支撐桿4上，且可以繞手腕支撐桿4轉(zhuǎn)動。汽缸3一端連接氣管1，汽缸伸縮桿通過安裝在滑動塊支撐桿6上的滑動塊5與對應的手指相連。除大拇指11外，靈巧手手指和人的手指一樣，分別由三個關(guān)節(jié)7、8、9構(gòu)成。手指可以繞z軸轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)并用內(nèi)六角螺釘固定在滑動塊5上，手指關(guān)節(jié)可以繞y軸轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)并用內(nèi)六角螺釘固定。通過調(diào)節(jié)使手指調(diào)節(jié)到可以有效堵住笛孔的位置。手指指端10是由硅膠制成的，類人手指指端柔軟，壓住笛孔時不漏氣。當汽缸電磁閥開關(guān)時，汽缸推動手指繞滑動塊支撐桿6轉(zhuǎn)動，并實現(xiàn)硅膠指端壓住笛孔。
本發(fā)明的實施例中采用普通的常閉三通直動型汽缸完成導通和斷開就可滿足條件，汽缸的最大使用壓力是0.7Mpa，考慮系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和體積要求，選擇了SMC的SY114-5M。
本發(fā)明實現(xiàn)了洞音控制、口風控制和吹奏技巧。
洞音就是吹笛音階對應的指法，所以洞音控制實際就是通過選擇合適的模擬手指和合理的手指動作設計。音符對應的手指信號采用計算機端口輸出，這樣就可以直接利用計算機控制每首歌曲的洞音?？紤]到手指信號輸入是同時的，所以計算機信號輸出方式為并行輸出。
吹笛機器人的口風控制，選用了SMC的ITV2030-212S自動減壓閥來實現(xiàn)。它的輸入信號為0～5V的直流電壓，輸出為0.005～0.1Mpa的氣壓，而人的吹氣氣壓大致不超過5000Pa，因此比較匹配。另外在自動減壓閥到吹氣口之間還有連接柔性氣管，且直徑較小，具有減壓作用。
針對系統(tǒng)洞音和口風控制兩個環(huán)節(jié)，進行氣壓和氣量調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)對相關(guān)的吹奏延時進行氣流協(xié)調(diào)、同音區(qū)分，通過隔離出氣口、電磁閥和手指與笛子之間增加緩沖硅膠的方法消除雜音，通過調(diào)節(jié)口風方式實現(xiàn)樂曲技巧主要是顫音的嘗試。
權(quán)利要求
1.一種吹笛機器人，其特征在于包括主控機、空氣壓縮機、手動和自動減壓閥、數(shù)字式電磁閥和機器人靈巧手，主控機通過DI/O和D/A分別與數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥連接，空氣壓縮機通過氣路連接到手動調(diào)壓閥，手動調(diào)壓閥則分別連接數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥，六組數(shù)字式電磁閥分別對應控制六個安裝在靈巧手上的直動式微型氣缸，自動調(diào)壓閥通過減壓裝置、柔性氣囊連接到豎笛。
2.如權(quán)利要求1所說的吹笛機器人，其特征在于靈巧手由手背和五個手指構(gòu)成，手背中安裝可繞手腕支撐桿(4)轉(zhuǎn)動的三個微型汽缸(3)，分別驅(qū)動食指、中指和無名指，汽缸(3)一端連接氣管(1)，汽缸伸縮桿通過安裝在滑動塊支撐桿(6)上的滑動塊(5)與對應的手指相連，除大拇指(11)外，靈巧手手指分別由三個關(guān)節(jié)(7、8、9)構(gòu)成，手指指端(10)由硅膠制成。
全文摘要
一種吹笛機器人，主控機通過DI/O和D/A分別與數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥連接，空氣壓縮機連接到手動調(diào)壓閥，再分別連接數(shù)字式電磁閥和自動調(diào)壓閥，六組數(shù)字式電磁閥分別對應控制六個安裝在靈巧手上的直動式微型氣缸，自動調(diào)壓閥通過減壓裝置、柔性氣囊連接到豎笛。本發(fā)明由主控機實施控制，采用空氣壓縮機為動力源，由微型汽缸驅(qū)動靈巧手的手指協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)吹笛機器人吹奏時的洞音控制、口風的控制和演奏技巧等，使吹笛機器人更具娛樂性、觀賞性和實用性。
文檔編號B25J13/00GK1417005SQ0215106
公開日2003年5月14日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者殷躍紅, 呂恬生, 盛鑫軍 申請人:上海交通大學