专利名称：吹笛机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种吹笛机器人，是一种可以吹奏乐曲，集娱乐、观赏和高技术的机电产品，属于机器人技术领域。
日本早稻田大学从1990年开始开发了WF系列长笛自动演奏机器人，在机器人上开发了能够进行呼、吸气的人工肺，并根据人们的演奏经验，演奏姿势和音程之间的一定关系，研究出更广音域的控制法，功能逐步完善，演奏效果越来越逼真。演奏长笛时，长笛与人体各器官的关系中最基础的部分是肺，因此在机器人上首先开发了能够进行呼、吸气的人工肺。为了能和人一样进行演奏，希望能和人有相同的肺活量，参考了人的肺活量参数，最终设计为5100ml。从人工肺呼出的气束需要控制流速，所以又加上口唇部分。根据人们的演奏经验，演奏姿势和音程之间是有一定关系的，作为更广音域的控制法，着眼于变化长笛吹口与下唇的距离，对气束长度进行微调，这是利用演奏姿势对音程进行补充调节。其硬件是具有X、Z、θ三自由度的演奏姿势控制机构，它可以控制气束的长度、角度、偏心及被称为GAP的气束位置等条件。但是，他们研究工作仅仅局限在实验室内的功能实现。
日本东洋大学也开发研制过长笛自动演奏机器人。该机器人的工作原理用空气压缩器输入压缩空气，经过空气干燥器、过滤器、烟雾隔板、贮气箱，送到电动气压比例阀和高速开关的同时，也通过总管送到各小气筒内，用于控制键的开闭。小气筒是内径和动程均为10mm的复动式笔式简，共使用10个。在机械手及手指设计以及机器人本体的研究方面，采用的是垂直方向简单的运动，模拟人吹笛时手指洞音控制功能，几乎没有考虑外观，在实验架上实现吹笛。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以商品化的新型吹笛机器人，能解决机器人吹奏歌曲中洞音控制、口风控制和演奏技巧等问题，结构简单，控制方便。
为实现这样的目的，本发明设计的吹笛机器人由一台主控机(计算机或单片机)控制机器人两个灵巧手的六个活动手指和吹奏口风。机器人手指运动采用六个电磁阀控制六个小汽缸，来实现吹笛洞音的控制。通过D/A输出控制自动调节阀来实现口风控制。洞音的控制必须与口风控制相协调，尤其是在乐曲吹奏过程中音符之间的切换，可以根据不同要求由主控机实施协调控制。整个机器人气源由一台空气压缩机提供。
本发明具体包括主控机、空气压缩机、手动和自动调压阀、数字式电磁阀和机器人灵巧手，空气压缩机提供整个系统的动力气源，通过气路连接到手动调压阀，其中手动调压阀主要起稳定系统气压，控制气流湿度的作用。手动调压阀则通过气路分别向数字式电磁阀和自动调压阀提供动力源，其中六组数字式电磁阀对应控制六个直动式微型气缸，自动调压阀通过减压装置、缓冲装置(柔性气囊)向竖笛提供吹奏气流。数字式电磁阀和自动调压阀的控制信号分别由主控机通过DI/O和D/A输出提供。
系统工作时，首先通过调节手动调压阀将系统气源调到系统稳定工作的气压(在稳定工作的前提下尽量低)，同时将气流湿度调到合理值。当吹奏乐曲时，主控机按照曲谱，协调输出DI/O量和D/A量(考虑协调控制所需的延时)，DI/O输出控制六组数字电磁阀的开闭，实现笛孔按堵气缸的相应动作，从而实现对洞音的控制；D/A输出控制自动调压的气流气压，结合减压装置、缓冲装置，合理输出合适竖笛吹奏的吹奏气流，即合适的气压、气流量。其中气缸的物理位置布置参照人吹奏竖笛的姿势，在系统设计中，将六个气缸分为两组，分别对应人的两个手，左手和右手。
本发明的机器人灵巧手由类人化的手背和五个手指组成，大拇指用于支撑并固定短笛，左、右手的食指、中指和无名指分别控制笛子的六个洞音孔。左、右手的手背中安装三个微型汽缸，分别驱动食指、中指和无名指。微型汽缸安装在手腕支撑杆上，且可以绕支撑杆转动。气管直接连接在汽缸上。除大拇指外，灵巧手手指和人的手指一样，分别由三个关节构成。每个手指与汽缸之间有一个连接滑动块，使手指可以弯曲转动。通过调节可使手指有效堵住笛孔的位置。手指指端采用硅胶制成，其柔软性可使手指压住笛孔时不漏气。当汽缸电磁阀开关时，汽缸推动手指转动，并实现硅胶指端压住笛孔。
本发明由主控机实施控制，采用空气压缩机为动力源，微型汽缸驱动灵巧手的手指协调动作，解决了机器人吹奏歌曲中的技术难题，实现吹笛机器人吹奏时的洞音控制(即手指控制)、口风的控制(即吹气口气流控制)和演奏技巧等，使吹笛机器人更具娱乐性、观赏性和实用性。
如
图1所示，本发明的系统主机采用PC机或单片机，通过DI/O和D/A与数字式电磁阀和自动调压阀连接，提供输出控制信号。空气压缩机为动力气源，通过气路连接到手动调压阀，手动调压阀则通过气路分别连接数字式电磁阀和自动调压阀并提供动力源，数字式电磁阀有六组，分别对应控制六个安装在灵巧手上的直动式微型气缸，自动调压阀通过减压装置、柔性气囊向竖笛提供吹奏气流。
图2为本发明机器人灵巧手的结构示意图。
图3为灵巧手的活动手指结构示意图。
图2图3中所示各部件为气路气管1，手背2，微型汽缸3，手腕支撑杆4，由三个关节7、8、9构成的手指，手指与汽缸之间的连接滑动块5，滑动块支撑杆6，硅胶制成的手指指端10，大拇指11。
本发明的机器人系统如图1所示，主控机通过DI/O和D/A分别与数字式电磁阀和自动调压阀连接，提供输出控制信号。空气压缩机通过气路连接到手动调压阀，手动调压阀则通过气路分别连接数字式电磁阀和自动调压阀并提供动力源，数字式电磁阀有六组，分别对应控制六个安装在灵巧手上的直动式微型气缸，自动调压阀通过减压装置、柔性气囊连接到竖笛，向竖笛提供吹奏气流。
吹笛机器人灵巧手结构如图2图3所示，由手背和五个手指构成，按图中所示坐标系，沿y递增方向，依次为小指、无名指、中指、食指以及大拇指。
大拇指11支撑并固定短笛，左、右手的食指、中指和无名指分别控制笛子的六个洞音孔。左、右手的手背2，是一块铝型材雕铣成中空的人手背形，其中安装三个微型汽缸3，分别驱动食指、中指和无名指。微型汽缸安装在手腕支撑杆4上，且可以绕手腕支撑杆4转动。汽缸3一端连接气管1，汽缸伸缩杆通过安装在滑动块支撑杆6上的滑动块5与对应的手指相连。除大拇指11外，灵巧手手指和人的手指一样，分别由三个关节7、8、9构成。手指可以绕z轴转动调节并用内六角螺钉固定在滑动块5上，手指关节可以绕y轴转动调节并用内六角螺钉固定。通过调节使手指调节到可以有效堵住笛孔的位置。手指指端10是由硅胶制成的，类人手指指端柔软，压住笛孔时不漏气。当汽缸电磁阀开关时，汽缸推动手指绕滑动块支撑杆6转动，并实现硅胶指端压住笛孔。
本发明的实施例中采用普通的常闭三通直动型汽缸完成导通和断开就可满足条件，汽缸的最大使用压力是0.7Mpa，考虑系统的整体稳定性和体积要求，选择了SMC的SY114-5M。
本发明实现了洞音控制、口风控制和吹奏技巧。
洞音就是吹笛音阶对应的指法，所以洞音控制实际就是通过选择合适的模拟手指和合理的手指动作设计。音符对应的手指信号采用计算机端口输出，这样就可以直接利用计算机控制每首歌曲的洞音。考虑到手指信号输入是同时的，所以计算机信号输出方式为并行输出。
吹笛机器人的口风控制，选用了SMC的ITV2030-212S自动减压阀来实现。它的输入信号为0～5V的直流电压，输出为0.005～0.1Mpa的气压，而人的吹气气压大致不超过5000Pa，因此比较匹配。另外在自动减压阀到吹气口之间还有连接柔性气管，且直径较小，具有减压作用。
针对系统洞音和口风控制两个环节，进行气压和气量调节，可实现对相关的吹奏延时进行气流协调、同音区分，通过隔离出气口、电磁阀和手指与笛子之间增加缓冲硅胶的方法消除杂音，通过调节口风方式实现乐曲技巧主要是颤音的尝试。
权利要求
1.一种吹笛机器人，其特征在于包括主控机、空气压缩机、手动和自动减压阀、数字式电磁阀和机器人灵巧手，主控机通过DI/O和D/A分别与数字式电磁阀和自动调压阀连接，空气压缩机通过气路连接到手动调压阀，手动调压阀则分别连接数字式电磁阀和自动调压阀，六组数字式电磁阀分别对应控制六个安装在灵巧手上的直动式微型气缸，自动调压阀通过减压装置、柔性气囊连接到竖笛。
2.如权利要求1所说的吹笛机器人，其特征在于灵巧手由手背和五个手指构成，手背中安装可绕手腕支撑杆(4)转动的三个微型汽缸(3)，分别驱动食指、中指和无名指，汽缸(3)一端连接气管(1)，汽缸伸缩杆通过安装在滑动块支撑杆(6)上的滑动块(5)与对应的手指相连，除大拇指(11)外，灵巧手手指分别由三个关节(7、8、9)构成，手指指端(10)由硅胶制成。
全文摘要
一种吹笛机器人，主控机通过DI/O和D/A分别与数字式电磁阀和自动调压阀连接，空气压缩机连接到手动调压阀，再分别连接数字式电磁阀和自动调压阀，六组数字式电磁阀分别对应控制六个安装在灵巧手上的直动式微型气缸，自动调压阀通过减压装置、柔性气囊连接到竖笛。本发明由主控机实施控制，采用空气压缩机为动力源，由微型汽缸驱动灵巧手的手指协调动作，实现吹笛机器人吹奏时的洞音控制、口风的控制和演奏技巧等，使吹笛机器人更具娱乐性、观赏性和实用性。
文档编号B25J13/00GK1417005SQ0215106
公开日2003年5月14日 申请日期2002年12月5日 优先权日2002年12月5日
发明者殷跃红, 吕恬生, 盛鑫军 申请人:上海交通大学