一种用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备的制作方法

1.发明创造属于信息与通信工程消费电子领域，尤其是涉及一种用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备。


背景技术：

2.机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能的自动化机械，用以按控制程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
3.数控弹琴机械手是将数控技术和机器手技术相结合的一种自动化弹琴装置。它主要针对改进现有数控技术实验设备和机械手实验设备功能单一，综合性不足，实验过程乏味等缺点而设计的。它将数控技术、机械手技术、弹琴娱乐有机地结合在一起，让学生在轻松愉悦的状态下学习数控技术和机械手技术，是一种寓教于乐，综合性、趣味性很强的实验教学设备。它也可以用在高端娱乐场所。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明一种用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备，本设备可以适应不同开发板与钢琴型号，实现钢琴演奏的半自动化，降低教学成本与负担，并可模拟人手进行弹琴操作。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备，其特征在于：包括支架、驱动装置和弹奏臂，其中驱动装置的动力端连接在滑块上以驱动滑块横向移动，所述滑块和弹奏臂有两个，每一滑块上均设有一个弹奏臂，且弹奏臂朝向支架的同侧延伸；
7.所述弹奏臂包括臂主体、导线板、第一指节、第二指节、第三指节、拉线和舵机，其中导线板安装在臂主体的前端，导线板上设有导线孔，所述第一指节的第一端固定连接在导线板背向臂主体一侧，所述第一指节的第二端铰接于第二指节的第一端，第二指节的第二端铰接在第三指节的第一端，且第二指节与第一指节的铰接转动面和第二指节与第三指节的铰接转动面在同一平面，所述第一指节、第二指节和第三指节形成弹奏指，所述弹奏指有五个，五个所述弹奏指人手状布置；
8.所述导线板上设有穿线孔，每一所述弹奏臂上均设有五个舵机，每一舵机的动力端均通过拉线与五个弹奏指的第三指节连接，且拉线穿过穿线孔，所述舵机可通过拉线驱动弹奏臂上的五个弹奏指同侧弯曲。
9.作为优选的，所述第二指节上朝向弹奏指弯曲一侧设有导线结构，所述第三指节上朝向弹奏指弯曲一侧设有锁线结构，所述拉线有导线板上的穿线孔穿出，并穿过导线结构后末端固定在锁线结构上。
10.作为优选的，所述臂主体包括若干平行设置的若干个底板和连杆，相邻两个底板
之间通过连杆连接，每一底板上对应五个弹奏指处均设有穿线孔，所述拉线有穿线孔处穿过底板。
11.作为优选的，所述支架还安装有大跨度弹奏组件。
12.作为优选的，所述支架上还安装有上支架和上驱动装置，所述上支架上具有位于钢琴键盘上方的支架横框，所述该支架横框为边框式结构，所述支架横框中部具有沿键盘宽度方向开设的两个相互平行的上导轨，支架横框内部还具有沿键盘宽度方向开设的且相互平行的第一驱动丝杆和第二驱动丝杆，所述上导轨上安装有两个上滑块，所述边框式结构长度方向的中部具有分隔挡板，该分隔挡板将支架横框分隔成两个区域，所述上滑块可滑动的安装在两个上导轨上，且两个上滑块分别位于两个区域中，所述两个滑块分别具有横向贯穿的螺纹孔，两个滑块通过螺纹孔分别与第一驱动丝杆和第二驱动丝杆啮合，所述上驱动装置有两个独立的驱动动力端，两个驱动动力端分别与第一驱动丝杆和第二驱动丝杆对接，以通过驱动第一驱动丝杆和第二驱动丝杆转动的方式驱动上滑块沿支架横框长度方向滑移；所述上滑块上安装有动力动作的大跨度弹指结构，该大跨度弹指结构通过伸出端伸出的方式弹奏钢琴。
13.作为优选的，所述大跨度弹指结构为电缸。
14.作为优选的，所述大跨度弹指结构的伸出端的末端具有弹性橡胶覆盖件。
15.作为优选的，所述大跨度弹指结构移动方向的两侧面具有用于移动过程中防止与弹奏臂干涉的弹性传感器触片，该弹性传感器触片根本与大跨度弹指结构铰接，弹性传感器触片向大跨度弹指结构两侧张开，且大跨度弹指结构和弹性传感器触片的连接处设有角度传感器。
16.作为优选的，所述大跨度弹指结构收回时，大跨度弹指结构的伸出端高度大于弹奏臂的高度。
17.使用本发明的有益效果是：
18.本用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备，其通过底板、导线板、第一指节、第二指节和第三指节等形成模拟手掌和人类手指的结构，通过舵机驱动拉线的方式控制弹奏指动作，弹奏指中第一指节、第二指节和第三指节模拟人类关节活动，其完成的弹奏钢琴的动作与手弹钢琴的动作十分相似，通过十个舵机制成机械手模拟手指进行演奏，通过两个电机左右移动模拟手掌的左右移动。
19.可以适应不同开发板与钢琴型号，实现钢琴演奏的半自动化，降低教学成本与负担。
附图说明
20.图1为用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备的整体结构示意图。
21.图2为用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备中弹奏臂的结构示意图。
22.图3为用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备整体的侧面图。
23.图4为用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备中大跨度弹奏组件示意图。
24.图5为用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备中大跨度弹奏组件仰视
示意图。
25.附图标记包括：
26.1-支架，2-丝杆，3-滑块，4-弹奏臂，41-底板，42-穿线孔，43-连杆，44-导线板，45-第一指节，46-第二指节，47-第三指节，48-导线结构，49-锁线结构，410-拉线，5-上支架，51-支架横框，52-上导轨，53-第一驱动丝杆，54-第二驱动丝杆，55-上滑块，56-分隔挡板，6-大跨度弹指结构，7-弹性传感器触片。
具体实施方式
27.为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
28.如图1、图2所示，一种用于乐谱识别和钢琴自动演奏的智能化嵌入式设备，包括支架1、丝杆2、滑块3、驱动装置和弹奏臂4，其中丝杆2水平横置在支架1顶部位置，滑块3安装在滑块3上，驱动装置的动力端连接在滑块3上以驱动滑块3上丝杆2上横向移动，滑块3和弹奏臂4有两个，每一滑块3上均设有一个弹奏臂4，且弹奏臂4朝向支架1的同侧延伸；
29.弹奏臂4包括臂主体、导线板44、第一指节45、第二指节46、第三指节47、拉线410和舵机，其中导线板44安装在臂主体的前端，导线板44上设有导线孔，第一指节45的第一端固定连接在导线板44背向臂主体一侧，第一指节45的第二端铰接于第二指节46的第一端，第二指节46的第二端铰接在第三指节47的第一端，且第二指节46与第一指节45的铰接转动面和第二指节46与第三指节47的铰接转动面在同一平面，第一指节45、第二指节46和第三指节47形成弹奏指，弹奏指有五个，五个弹奏指人手状布置；
30.导线板44上设有穿线孔42，每一弹奏臂4上均设有五个舵机，每一舵机的动力端均通过拉线410与五个弹奏指的第三指节47连接，且拉线410穿过穿线孔42，舵机可通过拉线410驱动弹奏臂4上的五个弹奏指同侧弯曲。
31.作为优选的，为了让拉线410能够同时控制第二指节46和第三指节47，第二指节46上朝向弹奏指弯曲一侧设有导线结构48，第三指节47上朝向弹奏指弯曲一侧设有锁线结构49，拉线410有导线板44上的穿线孔42穿出，并穿过导线结构48后末端固定在锁线结构49上。
32.本实施例中，臂主体包括若干平行设置的若干个底板41和支撑杆，相邻两个底板41之间通过连杆43连接，每一底板41上对应五个弹奏指处均设有穿线孔42，拉线410有穿线孔42处穿过底板41。
33.本设备的整体结构如下，本设备通过十个舵机制成机械手模拟手指进行演奏，通过两个驱动装置(本实施例中为电机)左右移动模拟弹奏臂4的左右移动。舵机固定在平台上，并由电机进行左右移动的控制。所有舵机和电机连接到pca9685一路i2c总线转16路pwm控制信号拓展板上，并由具有gpio接口的嵌入式开发板进行控制。机械部分所有配件均采用通用件，并具有良好的拓展性，使用者可自行替换同类型的设备，增加更多的功能，改善使用体验。控制程序采用python和c 语言进行编写，具有良好的可移植性，可在不同开发板上运行，并提供开发板与外界的通信接口，使用者可自行开发更多的功能。该设备不仅可以满足基本的音乐教学的需求，同时可以提供一个编程学习的平台。
34.具体的，本实施例中的驱动装置优选为丝杆2和滑块3，通过两个丝杆2和滑块3分别控制两个弹奏臂4左右移动，每一组包括一个电机、一个丝杆2和一个滑块3，通过丝杆滑块组合，驱动滑块3精确横移，电机通过pca9685拓展板连接至开发板，并使用pwm控制信号将电机的转动转换为平面上的水平移动，用于模拟手腕的运动。
35.手指控制系统同样通过pca9685拓展板连接至开发板，并使用pwm控制信号进行控制，通过转动指定的角度来控制手指的上下移动。
36.控制板安装座位于平台下方，有若干个铜柱，用于固定开发板防止掉落。同时留有供信号线通过的凹槽，方便走线。
37.供电系统采用220v市电供电，通过供电模块将市电降压整流为直流电，供手指控制系统和手腕控制系统进行使用，同时在设计上采用防雷、防反接设计，提高了使用中的安全性。
38.图像录入系统采用usb摄像头作为主体，将印刷乐谱放置前方即可自动识别并保存含有乐谱信息的文件，并将文件转换为演奏系统可识别的数据格式。
39.进一步的，为了可以更为完整的演奏钢琴曲目，使本设备弹奏钢琴更灵活，因对弹奏臂4无法完成大跨度弹奏的问题，支架1还安装有大跨度弹奏组件。
40.具体的，支架1上还安装有上支架5和上驱动装置，上支架5上具有位于钢琴键盘上方的支架横框51，该支架横框51为边框式结构，支架横框51中部具有沿键盘宽度方向开设的两个相互平行的上导轨52，支架横框51内部还具有沿键盘宽度方向开设的且相互平行的第一驱动丝杆53和第二驱动丝杆54，上导轨52上安装有两个上滑块55，边框式结构长度方向的中部具有分隔挡板56，该分隔挡板56将支架横框51分隔成两个区域，上滑块55可滑动的安装在两个上导轨52上，且两个上滑块55分别位于两个区域中，两个滑块分别具有横向贯穿的螺纹孔，两个滑块通过螺纹孔分别与第一驱动丝杆53和第二驱动丝杆54啮合，上驱动装置有两个独立的驱动动力端，两个驱动动力端分别与第一驱动丝杆53和第二驱动丝杆54对接，以通过驱动第一驱动丝杆53和第二驱动丝杆54转动的方式驱动上滑块55沿支架横框51长度方向滑移；上滑块55上安装有动力动作的大跨度弹指结构6，该大跨度弹指结构6通过伸出端伸出的方式弹奏钢琴。
41.本实施中，通过上支架5、支架横框51、上导轨52、第一驱动丝杆53、第二驱动丝杆54和上滑块55的配合，可独立操作大跨度弹奏组件中的两个上滑块55横向移动，另外分隔挡板56使得两个上滑块55分隔在左右两个独立的分区，避免两个上滑块55相撞。
42.作为优选的，大跨度弹指结构6为电缸。大跨度弹指结构6的伸出端的末端具有弹性橡胶覆盖件，以减缓催钢琴按键的冲击。
43.大跨度弹指结构6移动方向的两侧面具有用于移动过程中防止与弹奏臂4干涉的弹性传感器触片7，该弹性传感器触片7根本与大跨度弹指结构6铰接，弹性传感器触片7向大跨度弹指结构6两侧张开，且大跨度弹指结构6和弹性传感器触片7的连接处设有角度传感器。大跨度弹指结构6收回时，大跨度弹指结构6的伸出端高度大于弹奏臂4的高度。
44.具体的，当上滑块55和弹奏臂4移动时，在两者快要接触时，弹奏臂4首先接触到弹性传感器触片7，由于角位移传感器可以检测到弹性传感器触片7偏转的角度，因此弹性传感器触片7是否与弹奏臂4接触可以被角位移触感器检测到，当弹奏臂4与弹性传感器触片7接触后，大跨度弹指结构6的伸出端强制缩回，避免大跨度弹指结构6和弹奏臂4碰撞。
45.如两个大跨度弹指结构6靠近时，两个大跨度弹指结构6对应一侧的弹性传感器触片7偏转的角度一致，在角位移传感器检测两个弹性传感器触片7偏转的角度一致的情况下，可以判定两个大跨度弹指结构6靠近，此时大跨度弹指结构6正常工作，不用强制退回停机。
46.以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。