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演奏鋼琴的機器人

2010/12/06 楊嘉慧
審稿/林礽昌(明新科技大學機械系副教授)、黃信行(明新科技大學機械系副教授)
鋼琴機器人除了左右手腕能橫向移動、指間可開合、手指能垂直、前後移動之外,手掌及手指移動或旋轉速度更要相當迅速,才能彈出各式各樣的曲目。

 近年來全球各地有越來越多人研發演奏型機器人,而可以流利彈奏鋼琴的機器人卻未曾出現,原因是彈鋼琴不只要能做出彈的動作,手指開合及手掌橫移速度還得夠快、夠精準,才有辦法應付各種曲目。明新科技大學機械系、電機系與上銀科技合作研發的「鋼琴機器人」,以機器手演奏「月亮代表我的心」、「夢中的婚禮」等耳熟能詳的樂曲時,一點都不輸真人表演。


以雙手彈奏電子琴的鋼琴機器人是藉由氣壓缸及馬達,控制手指及手掌旋轉或移動的能力。影像為機器人演奏「夢中的婚禮」。(影像來源:明新科技大學)


十指的自由度


 一般人彈琴時,手掌會前後、左右移動,手指則是垂直、前後移動以及左右旋轉(即手指的開合)等。為了讓鋼琴機器人具備彈奏的功能,並且簡化手掌的設計,機器人的手指設計成三個自由度(物體繞著某一固定軸旋轉或單一方向來回移動稱為一個自由度):第一個自由度是垂直移動,控制指尖按壓琴鍵;第二個自由度是手指前後移動,讓手指可向前彈奏黑鍵或向後回到白鍵。這兩個自由度是讓機器手指連著兩個線性氣壓缸,藉由控制氣壓閥而達到控制手指垂直與前後移動的目的。第三個自由度是手指的旋轉運動,藉由伺服馬達與皮帶相互配合,從指節下方帶動手指旋轉,使其跨越數個黑鍵與白鍵,達到音階變化的目的。為了迅速移到曲譜指定的琴鍵,伺服馬達的轉速必須能在 0.2 秒之內旋轉 120°。


機器手指演奏鋼琴會用到的動作示意圖:(1)機器手指尚未彈奏鋼琴的初始狀態;(2)機器手掌的指間利用伺服馬達開合,使五根手指可跨越12個白鍵,增加彈奏樂曲的音域;(3)機器手掌的手指利用氣壓缸垂直移動,以按壓琴鍵,目前按壓力道大於0.2公斤重,是按壓琴鍵所需的最小力量。(影像來源:明新科技大學)


機器手指自由度示意圖:(1)機械手掌示意圖;(2)機械手指第一與第二自由度示意圖;(3)機械手指第三自由度示意圖。(影像來源:明新科技大學)


機器手掌靠線性馬達移動


 鋼琴或電子琴是由 88 個琴鍵組成,十指要涵蓋到全部音域,手掌必須左右橫移。鋼琴機器人的兩隻機械手腕是安裝在線性馬達上,藉由操控動子(一種永久磁鐵,與它相對應的是定子,定子是磁場隨電場改變的電磁鐵,當磁場方向改變,就會趨使動子移動,說明詳見影片)的左右位移與速度,可以靈活控制手腕的動作。線性馬達的構造可視為將傳統做旋轉運動的馬達從表面切至軸中心然後攤平,兩者的工作原理都是利用磁鐵同性相斥、異性相吸的原理,產生機械運動。以一個三公斤重的機器手掌而言,線性馬達的移動速度可達每秒 3~4 公尺。


線性馬達原理簡介。(影像來源:上銀科技)


動子移動的原理。(影像來源:上銀科技)


 鋼琴機器人還不具備辨識琴譜的功能,必須事先將曲目資料寫到資料檔裡,輸入的資料包括手指按壓時間、各手指旋轉的角度及手腕移動的距離等,再透過讀譜與介面控制程式控制機械人的運動。未來希望發展出具備直接識譜的功能,可以即時彈奏樂曲。


(資料來源:明新科技大學)







延伸閱讀

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〈國人研發 全球首見雙手彈奏鋼琴機器人〉,《智慧型機器人產業情報報告》42期

《PIC單晶片機器人專題製作-使用Basic》,楊旺枝著,台科大出版

《災害處理機器人研發》,CAVE教育團隊,藍海文化出版


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