可編程控制的提線木偶

龔瑩瑜+謝作如

提線木偶是古老的漢族木偶戲的一種，表演時(shí)，藝人用線牽引木偶表演動(dòng)作（如圖1）。當(dāng)看到提線木偶的表演時(shí)，一個(gè)有趣的念頭突然出現(xiàn)在筆者的腦海中，如果將提線木偶與Arduino結(jié)合在一起，用現(xiàn)代化的技術(shù)重新闡述這門古老的藝術(shù)，一定能夠綻放異樣的火花！這樣做，既能讓學(xué)生積極參與動(dòng)手創(chuàng)作，又能讓他們感受到中華藝術(shù)的博大精深，何樂而不為呢？

● 原理分析

提線木偶，顧名思義就是通過提拉線使木偶完成特定的動(dòng)作。提線木偶一般會(huì)由五條線來控制，這五條線分別連著四肢和頭頂，提拉每一根線都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的反應(yīng)，同時(shí)提拉幾根線則可以完成一系列連貫的動(dòng)作，這就形成了表演。

舵機(jī)是常見的動(dòng)作輸出電子模塊，多用在需要角度轉(zhuǎn)換的作品中，用以精準(zhǔn)控制角度。舵機(jī)本身能轉(zhuǎn)動(dòng)，加上搖臂之后，就能帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)過一定的角度，在這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，搖臂上的每個(gè)點(diǎn)都沿著弧線走過一段距離（如圖2），其中離中心最遠(yuǎn)的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的半圓最大，走過的距離也最長(zhǎng)。本次實(shí)驗(yàn)就是利用這一原理，把提線木偶的線綁在搖臂上，然后讓舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)搖臂運(yùn)動(dòng)，這樣與搖臂直接相連的線也就能夠被拉動(dòng)，從而可以完成讓木偶做動(dòng)作的效果。

● 原型設(shè)計(jì)

這個(gè)作品用到的材料并不多，僅需Arduino主控板、擴(kuò)展板和五個(gè)舵機(jī)，外加按鈕、鞋盒子和雙面膠、棉線之類。

首先，木偶都是在舞臺(tái)上表演的，我們需要先設(shè)計(jì)一個(gè)適合的舞臺(tái)，這里選擇最常見的小鞋盒作為舞臺(tái)的背景，把提線木偶安裝在舞臺(tái)上。用鞋盒做舞臺(tái)背景有一個(gè)很特殊的優(yōu)點(diǎn)，即鞋盒是一個(gè)長(zhǎng)方形的立體空間，主板、舵機(jī)、按鈕和電池都能完美地被隱藏在“幕布”之后，因此會(huì)讓整個(gè)作品變得非常整潔（如上頁圖3）。

為了讓提線木偶的線能方便地被舵機(jī)拉扯，我們可以在四肢對(duì)應(yīng)的鞋盒上鉆幾個(gè)洞，以便讓線通過洞與鞋盒中的舵機(jī)相連（如圖4）。

確定好四肢線的位置之后，將舵機(jī)安裝在盒子背后的相應(yīng)位置，為了讓舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)最大化地變成線的移動(dòng)，我們需要用雙面膠把舵機(jī)固定在鞋盒上。隨后，我們?cè)侔讯鏅C(jī)連接到擴(kuò)展板上，使舵機(jī)的初始狀態(tài)能夠貼近盒子，這就為之后搖臂的運(yùn)動(dòng)提供了充足的運(yùn)動(dòng)空間。

舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)過一定的角度，再拉扯線就能夠使木偶做運(yùn)動(dòng)。木偶的動(dòng)作需要讓觀眾清楚地感受到，這就要求線運(yùn)動(dòng)的距離要長(zhǎng)，不能只是輕微地拉一下，那如何才能讓線走過的距離盡可能地長(zhǎng)呢？

做圓周運(yùn)動(dòng)的物體有兩個(gè)速度，分別是角速度和線速度，線速度=角速度×半徑。在舵機(jī)轉(zhuǎn)速既定的情況下，搖臂做的圓周運(yùn)動(dòng)角速度既定，而直接影響木偶扯線運(yùn)動(dòng)距離的則是搖臂上與扯線相連的點(diǎn)的線速度，該點(diǎn)的線速度越大，扯線的運(yùn)動(dòng)距離越大。根據(jù)上面的公式可知，要增大該點(diǎn)的線速度，我們可以通過加長(zhǎng)連接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)半徑，也就是加長(zhǎng)搖臂的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)這一效果。本實(shí)驗(yàn)選擇在舵機(jī)原有的搖臂上另接一段木棍，再將扯線綁在木棍上（如圖5）。

● 編程控制

制作完提線木偶的外觀之后，我們就可以開始進(jìn)入編程階段，本次實(shí)驗(yàn)使用的是Mixly的編程環(huán)境。

在編寫代碼之前，我們應(yīng)先為木偶設(shè)計(jì)幾個(gè)基本動(dòng)作。木偶的四肢都連接了線，所以可以設(shè)置幾個(gè)四肢運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)作，如抬左右手、踢腳等。如圖6所示，提拉每個(gè)部位相應(yīng)的線，就能達(dá)到所需的效果。

設(shè)計(jì)好基本動(dòng)作之后，我們就可以編程了。Mixly的執(zhí)行器中有舵機(jī)控制的節(jié)點(diǎn)，利用該節(jié)點(diǎn)，我們可以方便地控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度（如圖7）。

舵機(jī)是執(zhí)行器，因此要連接在數(shù)字引腳中，而且舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是一定范圍內(nèi)可選擇的，因此可把舵機(jī)接在PWM腳處，這里以3，4，6，7引腳為例。

經(jīng)過調(diào)試得知，當(dāng)3號(hào)引腳舵機(jī)的角度是150度時(shí)，舵機(jī)能夠貼近盒子，因此，把150度作為左腳放下的狀態(tài)。調(diào)整3號(hào)引腳的角度，當(dāng)調(diào)節(jié)到50度的時(shí)候，木偶的右腳能夠被提起到合適的高度（舵機(jī)的安裝狀態(tài)不同，初始位置的角度和拉扯線的角度都會(huì)有差別，因此角度需要根據(jù)自己的情況而定）。右手、右腳、左手的角度調(diào)試和左腳相同。為了方便之后的動(dòng)作調(diào)用，我們可以利用Mixly的函數(shù)功能模塊，把四肢的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)都封裝成函數(shù)。因?yàn)樗闹\(yùn)動(dòng)有快有慢，有不同的運(yùn)動(dòng)頻率，所以可使用帶有參數(shù)傳遞的函數(shù)節(jié)點(diǎn)（如圖8）。

四肢運(yùn)動(dòng)的參考代碼分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

除了最簡(jiǎn)單的動(dòng)四肢外，我們還可以放飛想象，制作一些復(fù)合的動(dòng)作，如雙手一起舞動(dòng)，雙腳一起跳躍，四肢一起舞動(dòng)，等等。

● 拓展提升

制作完基本動(dòng)作之后，我們就可以給木偶安排表演的曲目了。選擇一曲節(jié)奏感強(qiáng)的歌曲，并想象在這樣的歌曲中，你會(huì)如何舞動(dòng)，然后把你的動(dòng)作附給木偶，讓木偶和你一起舞動(dòng)，這絕對(duì)是件愜意的事情！

● 小結(jié)

舵機(jī)是一個(gè)十分實(shí)用的零件，與馬達(dá)相比，它能夠方便地控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，如果再配合轉(zhuǎn)盤和搖臂，就能夠?qū)嵌群途嚯x等量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，本次實(shí)驗(yàn)用到的就是舵機(jī)對(duì)距離的控制。這樣的使用方式還能遷移到其他設(shè)計(jì)中，如把軟的線換成鐵絲，把木偶變成一個(gè)機(jī)器人的臉，利用以上原理就能夠讓機(jī)器人的五官動(dòng)起來，做出不同的表情；把木偶換成皮影，把線變成鐵絲或木棍，皮影戲是不是也就能夠完成了？

同樣的原理，應(yīng)用在不同的場(chǎng)景中就能有不同的效果。創(chuàng)客就是這么神奇，大家都開始動(dòng)手試試吧！