电子琴演奏机器人实验教学平台开发

王 旭

（北京科技大学高等工程师学院，北京100083）

0 引 言

乐器演奏机器人（Instrument Playing Robot）将模拟人的高级技巧活动——演奏乐器作为机器人技术的研究领域，受到国内外研究者的持续关注［1-5］。根据乐器的种类，演奏机器人主要有管乐（笛子、萨克斯等）［6-9］、弦乐（吉他、小提琴等）［10-13］、键盘打击乐（钢琴、架子鼓等）［14-17］3 种类型。研究技术主要集中在：机构设计、驱动控制、机器视觉、拟人化等方向［18-21］。乐器演奏机器人具有综合性、学科交叉等技术特点，又具有成果展示度高、平台拓展性强的特点，是机电综合实验训练、激发学生兴趣的良好平台。

本文通过电子琴演奏机器人实验教学平台开发，实现模拟人手演奏动作、乐谱编辑、乐曲播放、演奏技巧等功能。

1 系统总体设计

已知演奏电子琴琴键数量为61 个，键宽22 mm，琴键间隙1.5 mm，设计要求机器人能够根据曲谱，实现快速、准确、平稳的按键动作。系统组成如图1 所示，机械结构包括仿人机械手、双手横移机构；控制系统包括控制系统硬件、编曲及播放软件。

图1 电子琴演奏机器人系统组成

2 机械结构

2.1 仿人机械手

机械手指模拟人类手指的弯曲和伸展，实现下按及抬起动作。设计需要满足行程、力量、速度、形似等要求。

（1）手指运动原理及分析。各手指需要有独立驱动，为实现形似效果，需要具有人类手指的3 个关节。仿人机械手指设计采用多连杆机构，原理如图2 所示，各指节通过连杆互连。

图2 机械手指连杆运动原理图

手指运动过程：驱动OA 转动，通过AB 杆推动指根BCFG绕C点转动，使得连杆DE 推动中指EFH绕F点转动，同时使得连杆GI 推动指尖IHJ 绕H 点转动，压下琴键。……