钢琴演奏机器人的制作方法

本实用新型涉及仿生机器人领域，具体是一种钢琴演奏机器人。

背景技术：

现阶段仿生钢琴演奏机器人有两大主要组成部分：一是以微型气缸作为主要执行元件，驱动各个部分完成动作；二是以电源控制、伺服电机控制和气动执行元件的控制系统，结合传感器向系统反馈运行状态；但是，复杂的设计导致机器人弹奏钢琴时的自由度较低，从而准确度较低。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提出了一种钢琴演奏机器人，整体形态与人体结构相似，头部，躯体，上肢和下肢；通过头部视觉传感器识别以及手指来完成钢琴演奏，设计简单，自由度高，提高了准确率。

所述的钢琴演奏机器人，包括：头部，脖子，躯干，腹部，腰部以及行走机构；头部通过脖子连接躯干，躯干通过腹部和腰部连接行走机构；腰部安装有中心处理器。

躯干包括肩部关节，两个手臂，两个手掌以及手指，每个手臂分别包括大臂和小臂；大臂和小臂之间通过肘部关节进行连接，小臂与手掌之间通过腕关节连接。

头部由外壳和左右眼视觉传感器组成，两个视觉传感器识别并采集左右手指与琴键的相对位置，传输至中心处理器，中心处理器反馈出演奏的数据和躯干的动作，控制肩部带动手臂以及手指完成按键。

具体结构为：

肩部关节设计为移动副，通过安装在腹部内的驱动电机驱使大臂进行前后的平动，整个大臂始终与琴键垂直；肘部关节含有齿轮成为一个转动副，同样通过安装在腹部内的另一个驱动电机，驱动肘部关节以肘部为中心点，带动小臂进行左右水平摆动。当小臂在左右水平摆动时，手腕关节处的齿轮带动手掌也转动相同的角度，但手掌和手指始终保持朝前，全部位于琴键的正上方且与琴键平行。

手指运动为丝传动机构，通过安装在手掌中内部的舵机驱动手指完成上下按键动作，每个手的手指部分都包括3个主指和4个副指，主副指平行交错连接在手掌上，且3个主指各有一个手指关节，副指没有手指关节，主指和副指通过掌关节连接手掌，通过上下摆动完成按压琴键。

腹部与腰部之间为垂直方向的升降移动机构，升降移动机构包括导向支撑杆，驱动杆和小型电机。

腰部为向后延伸的平板，平板前端上方安装有两个导向支撑杆和一个驱动杆；下方安有三轮移动平台作为行走机构；平板后端上方垂直安装电源控制模块，下方安装小型电机。

两个导向支撑杆分别位于两侧，中间的驱动杆下面连接小型电机，上面连接机器人腹部，小型电机控制驱动杆的爬升与下降，带动机器人上半身体上升与下降，从而调节手指和琴键之间的垂直距离。

本实用新型的优点在于：

一种钢琴演奏机器人，只有两个驱动电机，一个实现肘部的水平转动，一个实现肩部的平移运动，考虑弹奏的控制和运动速度要求，以及运动的可靠性，在能实现弹奏任务的同时尽可能的减少自由度。

附图说明

图1为本实用新型钢琴演奏机器人的整体结构主示意图；

图2为本实用新型钢琴演奏机器人的整体结构左示意图；

图3为本实用新型钢琴演奏机器人的整体结构后示意图；

图4为本实用新型钢琴演奏机器人的整体结构上示意图；

图5为本实用新型钢琴演奏机器人的头部侧向图；

图6为本实用新型钢琴演奏机器人的头部正向图；

图7为本实用新型钢琴演奏机器人的肘关节运动示意图；

图8为本实用新型钢琴演奏机器人的肘部手部合成运动；

图9为本实用新型钢琴演奏机器人的手掌和手指示意图；

图10为本实用新型钢琴演奏机器人的腰部升降模块；

图11为本实用新型钢琴演奏机器人的行走机构。

1-头部；2-大臂；3-肘部关节；4-小臂；5-手掌及手指；6-升降移动机构；7-前轮；8-后轮；9-电源控制模块；10-肩部关节；11-小型电机。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的详细和深入描述。

本实用新型公开了一种钢琴演奏机器人，如图1所示，包括：头部，脖子，躯干，腹部，腰部以及行走机构；头部通过脖子连接躯干，躯干通过腹部和腰部连接行走机构；腰部安装有中心处理器。

如图2，图3和图4所示，躯干包括肩部关节10，两个手臂，两个手掌以及手指5，每个手臂分别包括大臂2和小臂4；大臂2和小臂4之间通过肘部关节3进行连接，小臂4与手掌5之间通过腕关节连接，手掌和手指之间通过掌关节连接。

如图5和图6所示，头部1通过长长的脖子可以接近琴键的正上方，有利于采集精确可靠的位置数据。头部1由外壳和左右眼视觉传感器等零件组成，左眼视觉传感器连接左手掌，右眼视觉传感器连接右手掌；两个视觉传感器识别并定位手指5的位置，监控弹奏过程中手指与琴键的相对位置，将精确可靠的位置数据传输至中心处理器，中心处理器进行识别处理再产生反馈，使得控制系统进行实时控制：通过电机驱动控制肩部关节10和肘部关节3，进行两自由度的运动，一个转动副和一个移动副，驱动大臂2和小臂4完成动作，进而带动手臂以及手掌5进行相应的动作要求。

具体为：

肩部关节10设计为移动副，在机器人的胸部位置里，安装有驱动大臂2动作的驱动电机，电机驱动带轮机构运行，驱使大臂2进行前后的平动，整个大臂2始终与琴键垂直；肘部关节3含有齿轮成为一个转动副，肘部同样通过机器人胸部位置里的另一驱动电机，驱动肘部关节3以肘部为中心点，带动小臂4进行左右水平摆动。小臂4左右平移的范围为平行肩部中心线左右各呈30°，整个小臂4张开的范围为60°；

如图7所示，肘部关节3、小臂4和腕关节设计成一个平行运动机构(可以通过连杆机构、齿轮机构或带轮机构实现)，这样可以使肘部关节3带动小臂4在左右范围内水平平移时，手腕关节处的齿轮带动手掌也转动相同的角度，手指可以始终保持朝前的方向，全部位于琴键的正上方且与琴键平行。

如图8所示，虽然手指5和琴键可以保持平行，但手部的运行轨迹是一条曲线，而琴键的排列是一条直线，所以要求手部的运动轨迹是一条平行于钢琴的直线，直线度可以要求不高，这时需要肩部和肘部的运动合成为手部的直线运动轨迹。肩部和肘部需要控制器精确控制，最终实现手指在琴键上方水平直线运动，较少的自由度可以实现快速运动。

如图9所示，手指5的设计比较特殊，是专门适合弹钢琴的机械手指，手指运动为丝传动机构，通过安装在手掌中内部的舵机驱动手指完成上下按键动作。

每个手的手指部分都包括3个主指和4个副指，主指长于副指，优选副指长度为主指长度的一半或者副指的长度到主指的手指关节处，且主副指平行交错连接在手掌上。手掌两侧的主指外侧各有一个副指，中间的主指左右两侧各一个副指，且3个主指各有一个手指关节，副指没有手指关节，且主指和副指均通过掌关节连接在手掌上，保证副指整体能够，通过上下摆动完成按压琴键，主指对应黑色琴键，副指对应白色琴键，手掌的宽度等于4个白色琴键的宽度。

视觉传感器确定了手指与琴键的相对位置后，传输到中心处理器，中心处理器反馈出演奏琴键的数据，以及手臂和手指需要的动作，通过机器人胸部内安装的两个驱动电机以及手掌中的舵机，分别驱动肩部带轮机构，肘部旋转小臂以及手指完成上下按琴键。

如图10所示，腹部与腰部之间为垂直方向的升降移动机构6，用来调节弹奏前手指和琴键之间的垂直距离。升降移动机构6包括导向支撑杆，驱动杆和小型电机11。

腰部为向后延伸的平板，平板前端上方安装有两个导向支撑杆和一个驱动杆；下方安有三轮移动平台作为行走机构；平板后端上方垂直安装电源控制模块9，下方安装小型电机11。

电源控制模块9平行于导向支撑杆和驱动杆，导向支撑杆分别位于驱动杆的两侧，为腰部升降提供轨迹支撑，中间的驱动杆下面连接小型电机11，上面连接机器人腹部，小型电机11控制驱动杆的爬升与下降，带动机器人上半身体上升与下降，从而调节手指和琴键之间的垂直距离。

如图11所示，三轮移动平台的两个前轮7对称，支撑架做成异形结构，类似于人的下肢，后轮8作为支撑和转向，垂直于后延平板。

当机器人开启工作，首先头部的左右眼视觉传感器，辨识手部和琴键的距离，将距离数据化，传导至腰部的中心处理器，进行数据分析，然后产生反馈，通过两个驱动电机和一个小型电机来完成所要求的动作，如驱动腰部的升降移动系统，肩部的带轮机构，以及肘部的齿轮机构，使整体手臂处在与琴键已预先设定好的基础距离，完成机器人初始调整距离工作。

然后，输入所要求弹奏的曲谱数据，机器人进行第二阶段工作，通过头部传感器来判定手指和琴键位置数据，相应的位置数据即为相应的按键音，传感器接收数据传递至中心处理器进行处理，驱动电机分别带动腰部的升降移动系统，肩部的带轮机构，以及肘部的齿轮机构，使手掌达到按键位置，然后舵机驱动手指按动琴键，多个副指与主指可同时被驱动，从而达到曲子的演奏流畅，最终完成演奏任务。

本实用新型分为三部分：头部视觉系统，双臂弹奏系统和底部移动系统。一般机器人自由度表示了机器人动作灵活的尺度，自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性越好，系统的灵活性也是相应的增加，功能也是会相应增加。不过随着自由度的增加，控制越复杂调试的复杂程度也会相应增加，系统潜在的机械共振点也会越多，精度控制越困难，达到同样精度所需的成本越高。