可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器的制作方法

本发明涉及一种可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器，属于智能穿戴设备领域，尤其涉及基于arduino(单片机开发板)和android平台(安卓应用开发平台)的智能穿戴设备领域。

背景技术：

智能穿戴设备(wearablesmartdevices)是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称。广义的智能穿戴设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或者部分的功能(例如智能手表或智能眼镜等)，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备(如智能手机)配合使用(如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等)。

穿戴式智能设备的思想和雏形在20世纪60年代即已出现，而具备可穿戴式智能设备形态的设备则于70－80年代出现。穿戴式技术在国际计算机学术界和工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅仅停留在概念领域。随着移动互联网的发展、技术进步和高性能低功耗处理芯片的推出等，部分穿戴式设备已经从概念化走向商用化，新式穿戴式设备不断传出。随着计算机标准化软硬件以及互联网技术的高速发展，可穿戴式智能设备的形态开始变得多样化，逐渐在工业、医疗、军事、教育、娱乐等诸多领域表现出重要的研究价值和应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的是解决传统弦乐体积较大而难以携带，各类乐器音色固定且响度不可控，弹奏需要一定的功底并且弹奏极易疲劳的问题，提出一种基于arduino和android平台的可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器，集成了专业模式、炫酷模式、二胡模式、录音回放等功能。

所述的可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器的工作原理图如图1所示。可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器依照功能分为三个装置：左手识别装置、右手识别装置、发声装置。左手识别装置的功能是接收右手识别装置的拨弦信号、检测左手手势、传出发声指令到发声装置。右手识别装置的功能是检测右手手势以及弹奏模式，发出拨弦信号到左手识别装置。发声装置依托于智能手机，实现的功能是接收左手识别装置发来的发声指令，调用相应音源文件借助手机扬声器发声。

所述的可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器在专业模式下的工作原理图如图2所示。将模式选择开关拨至专业模式，由右手识别装置检测右手弹拨手势，识别出所弹拨的琴弦，将琴弦编号经过通信模块发送给左手识别装置。左手识别装置接收到拨弦信号，即琴弦编号后，扫描左手识别装置中的检测模块，绘制出3*6薄膜开关矩阵的所有按键所处的状态。由于实际弹奏中，品位高的位置优先级高，故左手识别装置的微运算单元便将对应琴弦编号中，代表高品位的并且检测到已被按中的按键发送给手机。手机接收到发声信号，即左手识别装置所发的按键地址，调用吉他中该位置对应的音源文件，发出吉他的声音，完成专业模式的弹奏。所述的吉他的音源文件，是将吉他每根线的空弦以及前三个品位的音调，共24个音调录制而成。

所述的可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器在炫酷模式下的工作原理图如图3所示。将模式选择开关拨至炫酷模式，每当右手识别装置检测到右手按动一次，便将一个拨弦信号，即“*”发给左手识别装置，左手识别装置检测到所发拨弦信号是“*”而非琴弦编号后，直接转发给手机。手机软件调整到炫酷模式下，接收到“*”后，调用炫酷模式的音源文件，播放一首曲目的下一个小节。如此，通过使用者控制节奏，右手每按动一次，手机播放一小节，完成炫酷模式的弹奏。所述炫酷模式的音源文件，是将吉他弹奏的一个曲目，按照音乐小节，分割为各个音源文件并以时间顺序排序。

所述的可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器在二胡模式下的工作原理图如图4所示。将模式选择开关拨至二胡模式，每当右手识别装置检测到右手按动并且没有松手，便不断的发送拨弦信号“*”到左手识别装置，直到检测到松手后，发送一个结束信号“#”。左手识别装置检测到所发拨弦信号是“*”或“#”而非琴弦编号后，便直接转发给手机。手机软件调整到二胡模式下，每当接收到一串“*”后，便不停的调用同一个二胡的音源文件，直到收到“#”后，换用下一个音源文件，在收到下一个“*”后开始播放下一个音源文件。所述的二胡的音源文件是将二胡弹奏的一段曲目，按照音名，分割为不同的音源文件并以时间顺序排序。

本发明的优点在于：

(1)本发明能够准确的识别弹奏的手势，并且按照不同的模式，准确的处理成各种控制信号。

(2)本发明能够实时的检测到弹奏手势并实时准确的发出对应的音符，有很好的互动体验。

(3)本发明体积小，可穿戴，并能够完成多种乐器的弹奏体验。本发明预留拓展口，可以添加其他弦乐、弹拨乐乐器。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明在专业模式下的工作原理图；

图3为本发明在炫酷模式下的工作原理图；

图4为本发明在二胡模式下的工作原理图；

图5为本发明的左手识别装置的外壳框架实物图；

图6为本发明的左手识别装置的外壳框架设计图；

图7为本发明的左手识别装置的检测模块实物图；

图8为本发明的右手识别装置的外壳框架实物图；

图9为本发明的右手识别装置的外壳框架反面实物图；

图10为本发明的智能手机软件发声装置界面图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明提供的可穿戴虚拟多功能弦乐弹奏器及其实现方法进行详细说明。

所述的左手识别装置，包含供电模块、微运算单元模块、通信模块、检测模块和外壳框架等五个部分。供电模块采用9v叠层电池配以过流保护电路，提供整个左手识别装置各个部分的能源。微运算单元模块采用arduinomicro开发板，通过编程实现各个模块的协调管理，处理来自检测模块的信号，分析出弹奏的和弦并传送给通信模块。通信模块包括两个蓝牙模块。一个蓝牙模块与右手识别装置中的蓝牙模块配对，从而接收右手识别装置发来的拨弦信号，实现左手识别装置和右手识别装置之间的通信。另一块蓝牙模块通过特定的通讯协议，将来自微运算单元模块的发声指令搭载到电磁波上，传给与之通过蓝牙配对的手机，以供手机软件发声使用。

所述的左手识别装置外壳框架采用3d打印的加工工艺，主要原料为塑料，外形设计考虑了手掌结构并融入了力学分析，如图5和图6中所示。外壳框架的外侧是平面，固定有左手识别装置的检测模块。外壳框架内侧是弯曲曲面，与手掌大鱼际紧密贴合，在提供受力面的同时可增强弹奏过程中的舒适度。外壳框架底部的凸起结构，可与手掌小鱼际贴合，提供反向力矩以平衡指尖在弹奏时产生的扭矩。外壳框架还包括细长的卡具结构，可跨过左手虎口贴近手背，依靠手背产生竖直方向的作用力以平衡左手识别装置的重力，进而解放四根手指提高了弹奏的灵活性。

所述的左手识别装置检测模块是检测左手手势的核心，如图7所示。该模块在软件上的特征在于采用了所需端口较少的矩阵法检测手势，其优点在于显著减少了电路连线的复杂程度，同时因为端口较少，减小了微运算单元模块的运算量。矩阵法检测手势的代码存放于微运算单元模块。左手识别装置检测模块在硬件上的特征在于采用定制的3行6列的薄膜开关矩阵。每个按键下部均采用细长型弹簧片，检测装置的总宽度与吉他的琴枕宽度相同，长度与木吉他三个品位的跨度相同，较好的模仿出吉他的外形。所述薄膜开关矩阵的优点在于体积小、按键灵敏。

所述的矩阵法使用了9个i/o端口分别接矩阵的3行和6列。该算法在所述的微运算单元模块中实现。初始状态各端口设置为高电平，并创建4*6的二维数组。初始化的二维数组中，第1行的6个值均为1，代表吉他弹奏中的六根空弦，其余3行均为0，代表吉他前三个品位中，没有按中的弦。进入工作环后，对应三个横行的i/o端口依次拉为低电平再拉高，当某行处于低电平时，读取6列的各个电平，存放到对应的二维数组中。在运算操作过程中，由于微运算单元模块运算速度快，即使经过微秒级的消抖延时后，仍然可以近乎实时的在4*6二维数组中就绘制出左手按动和弦后各个按键处在的状态。当检测到拨弦信号是琴弦编号x时，意味着弹奏器工作在专业模式，便将x列中高电平所对应的位置中，行号最大的存储单元的地址作为发声指令发给手机终端；当检测到拨弦信号是特定字符“*”时，意味弹奏器工作在非专业模式，便将“*”直接作为发声指令发送给手机终端。

所述的右手识别装置包含供电模块、微运算单元模块、通信模块、检测模块和外壳框架等五个部分。供电模块采用9v叠层电池配以过流保护电路，提供整个右手识别装置各个部分的能源。微运算单元模块采用arduinomicro开发板，通过编程实现各个模块的协调管理，处理来自检测模块的信号，分析出弹奏的和弦并传送给通信模块。通信模块由一块蓝牙模块构成，用以将微运算单元模块输出的拨弦信号发送给左手装置。所述的右手装置的外壳框架采用3d打印的加工工艺，主要原料为塑料，外形设计考虑了右手结构。

所述的右手识别装置检测模块是检测右手手势的核心。该模块在软件上的特征在于仍然采用所需端口较少的矩阵法检测手势，其优点在于显著减少了电路连线的复杂程度，同时因为端口较少，减小了微运算单元模块的运算量。矩阵法检测手势的代码存放于微运算单元模块。该模块在硬件上的特征在于，合理布局3乘3的矩阵按键，即在用手指捏起右手识别装置的外壳框架时，食指、中指和无名指指尖下部各安置一个按键，分别代表吉他的三弦、二弦和一弦(如图8所示)；在拇指下方以拇指指尖滑动的弧线布局，安置三个按键，分别代表吉他的六弦、五弦和四弦；在拇指第二关节下方布置一个按键，用以扩展功能使用。如图9所示。在装置的底部，有供电模块的开关和模式切换开关。

所述的发声装置是由智能手机软件应用，如图10所示。该部分由蓝牙连接、模式选择、录音、重放四个功能模块组成。其中模式选择功能模块中，包含专业模式、炫酷模式和二胡模式。工作时先连接左手识别装置中的蓝牙，默认是进入专业模式，可以通过模式选择模块选择相应的弹奏模式。在各个弹奏模式下对于左手装置发来的发声信号，如左手装置的工作原理中所述。使用录音功能时，软件会记录各个发声信号之间的次序以及间隔时间，当点击重放功能时，软件会将所记录的发声信号按照记录的次序和时间间隔，用来控制发声，实现重放功能。使用智能手机软件的优势在于，可以有更好的扩展性，可以调整乐器音色，调整曲目旋律。使用耳机时，可以实现独享音乐，不影响周围人。