基于Arduino的提線木偶戲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周榆淮　賈嫣　孫文燕　楚鵬鳴　馬萬強(qiáng)

摘要：中國(guó)木偶戲歷史悠久，具有突出的歷史、文化和社會(huì)價(jià)值。但受時(shí)尚的流行歌舞沖擊和娛樂多元化的影響，木偶戲已陷入后繼乏人的瀕危困境，在如何保護(hù)與發(fā)展的問題上，木偶戲和其他的傳統(tǒng)文化面臨著相同的難題，該項(xiàng)目應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)來解決這一問題。該文設(shè)計(jì)了多個(gè)舵機(jī)相互配合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能完成復(fù)雜動(dòng)作的高自由度機(jī)器人來模仿真實(shí)提線木偶表演者操作木偶的動(dòng)作進(jìn)行表演，并將大量的傳統(tǒng)劇本轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，有益于木偶戲的傳承、保存，供后人學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：木偶戲；機(jī)器人；舵機(jī)；Arduino；文化遺產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）18-0193-03

1 背景

木偶戲在我國(guó)具有相當(dāng)大的藝術(shù)價(jià)值和文化底蘊(yùn)，并有極強(qiáng)的民族特色和旅游開發(fā)價(jià)值。木偶戲，古時(shí)又稱為傀儡戲，是藝人通過操縱木制玩偶進(jìn)行表演的戲劇形式。藝人操縱木偶的同時(shí)，跟隨著音樂演唱，使木偶人栩栩如生，活靈活現(xiàn)地展示在觀眾面前。根據(jù)不同的操縱方式，可將它分為提線木偶，掌中木偶，杖頭木偶，肉木偶以及藥發(fā)木偶等。該文設(shè)計(jì)的木偶戲機(jī)器人主要針對(duì)提線木偶。

普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，木偶戲源于漢朝，在唐朝達(dá)到鼎盛時(shí)期，但在三國(guó)時(shí)期，就有藝人使用木偶表演雜技，隋代就已經(jīng)出現(xiàn)木偶戲的表現(xiàn)形式。木偶戲是中華民族的文化瑰寶，歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，不僅在中國(guó)的古代甚為流行，而且流傳到了國(guó)外。

現(xiàn)今木偶戲主要分布在福建省，陜西省等地，泉州市的木偶戲聞名于世界。比較著名的傳統(tǒng)木偶戲有《武松打虎》，《孫悟空三打白骨精》等，現(xiàn)代劇有《英雄小八路》，《馬蘭花》等。早在2016年，木偶戲通過國(guó)務(wù)院的批準(zhǔn)列入了第一批國(guó)家非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄[1]。

隨著全球化的趨勢(shì)和社會(huì)環(huán)境的改變，外來文化和新興文化對(duì)非物質(zhì)文化是一種沖擊。電影、電視、網(wǎng)絡(luò)等新興傳媒方式的普及，改變了人們的意識(shí)形態(tài)[2]。人們對(duì)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的興趣逐漸減弱，不甚了解。導(dǎo)致傳統(tǒng)技藝瀕臨消亡，傳統(tǒng)藝人丟失工作。

木偶戲面臨著后繼無人的困境，人才斷層和文化斷層現(xiàn)象愈加明顯。文革期間，木偶戲的發(fā)展嚴(yán)重停滯，傳統(tǒng)藝人的技藝水準(zhǔn)下降。對(duì)傳承人的培養(yǎng)是木偶戲傳承的關(guān)鍵，在選拔學(xué)員時(shí)，不僅要對(duì)學(xué)員的資質(zhì)進(jìn)行考察，最重要的是學(xué)員是否有傳承的意愿和責(zé)任感，而不是追名逐利[3]。每個(gè)合格的木偶戲傳承人需要10年的時(shí)間才能達(dá)到獨(dú)立表演的程度，而最佳的招收年齡是13至16歲。但在現(xiàn)今的教育體制下，父母更愿意讓孩子讀大學(xué)，而不是學(xué)習(xí)傳統(tǒng)技藝。加上培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的缺少，更難招收到優(yōu)秀的學(xué)員。這些都是傳承木偶戲的阻礙。

隨著科技的發(fā)展，信息化時(shí)代的到來，信息數(shù)字化逐漸成為社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。例如數(shù)字化圖書館，數(shù)字博物館，數(shù)字校園等。數(shù)字化的存儲(chǔ)容量大，信息不容易丟失，正符合非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)與傳承。近幾年來，國(guó)家越來越重視非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)與傳承，有立法命名保護(hù)，博物館保護(hù)等。但這些只是將資料文獻(xiàn)加以保護(hù)，并沒有起到實(shí)質(zhì)性作用，再加上木偶戲傳承人的缺失，導(dǎo)致我國(guó)木偶戲文化遭到極大的制約。為弘揚(yáng)與發(fā)展即將瀕臨消失民族文化遺產(chǎn)之一的木偶戲，該文研發(fā)的提線木偶戲機(jī)器人，讓大眾重新感受到木偶戲的魅力。

提線木偶戲機(jī)器人可以將木偶戲的生動(dòng)形象展現(xiàn)在觀眾面前，給觀眾帶來視覺上的沖擊，讓觀眾感受到木偶戲的獨(dú)特魅力，而不是局限于文字圖片。木偶戲機(jī)器人通過多個(gè)舵機(jī)相互配合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能完成較為復(fù)雜的動(dòng)作，模仿真實(shí)提線木偶表演者操作木偶的動(dòng)作而進(jìn)行表演。并且大量的劇本可以轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。有益于化解木偶戲傳承中后繼無人的危機(jī)，解決劇本失傳的問題。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提線木偶戲機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)底座和機(jī)械臂組成。驅(qū)動(dòng)底座采用前輪驅(qū)動(dòng)，左右前輪各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平方向移動(dòng)的功能。機(jī)械臂由1個(gè)大扭力舵機(jī)和4個(gè)9g舵機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)提線動(dòng)作，可以控制木偶靈活移動(dòng)，完成表演動(dòng)作。系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊：Arduino控制器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、按鈕開關(guān)模塊。系統(tǒng)功能如圖1所示[4]。

2.1 Arduino控制器模塊

Arduino是一個(gè)基于開放原始碼的軟硬件平臺(tái)，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面板，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。Arduino包含兩個(gè)主要的部分{5}：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是Arduino IDE程序開發(fā)環(huán)境。在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，Arduino主控板就會(huì)根據(jù)程序執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。主控板上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器{6}。

該系統(tǒng)所采用的主控板是Arduino UNO R3開發(fā)板，主控板主要負(fù)責(zé)接收按鈕發(fā)送的信號(hào)，在接收到信號(hào)后控制電機(jī)和舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成對(duì)電機(jī)的 PWM 調(diào)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制，控制各個(gè)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)完成預(yù)期動(dòng)作。

2.2 按鈕開關(guān)模塊

按鈕開關(guān)是開關(guān)的一種，通過按下按鈕和松開按鈕來接通或斷開電路，來控制電路的啟停。該系統(tǒng)采用的按鈕開關(guān)是標(biāo)配四引腳大輕觸按鈕，共有4個(gè)引腳如圖2所示，其中1號(hào)引腳和2號(hào)引腳始終相連（以下我們稱它為A腳）；3號(hào)引腳和4號(hào)引腳始終相連（以下我們叫它B腳），不按按鈕的情況下A腳和B腳互不連通；當(dāng)按鈕按下時(shí)，A腳和B腳連接，電路接通。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TT電機(jī)，直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。該系統(tǒng)采用的電機(jī)是PHTT馬達(dá)1：48，1：48為減速比，工作電壓3～6V，扭矩0.8kg/cm，高轉(zhuǎn)速中扭矩，適合驅(qū)動(dòng)底座的設(shè)計(jì)要求。木偶固定在驅(qū)動(dòng)底座上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)底座的左右前輪完成前進(jìn)或后退動(dòng)作，帶動(dòng)木偶做出移動(dòng)的動(dòng)作。

2.4 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，具有閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)電結(jié)構(gòu)，由小型直流電機(jī)、變速齒輪組、可調(diào)電位器、控制板等部件組成[7]。該系統(tǒng)采用兩種舵機(jī)模塊，一種是Arduino標(biāo)配的9g舵機(jī)，共有三根引腳：電源線、地線和控制信號(hào)輸入線。舵機(jī)脈寬為0.5～2.5ms，工作電壓為4.8～6V，轉(zhuǎn)角0°～180°。另一種是大扭力金屬模擬舵機(jī)MG996R，兩種舵機(jī)具有相同的馬達(dá)。當(dāng)給舵機(jī)提供一定的脈寬，輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，當(dāng)外界轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，輸出角度依然不變。只有當(dāng)提供另外一種寬度的脈沖信號(hào)，他才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上[8]。

該系統(tǒng)使用4個(gè)9g舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)木偶四肢的控制，大扭力舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)木偶自轉(zhuǎn)的控制。多個(gè)舵機(jī)控制采用16通道PWM控制器舵機(jī)控制模塊進(jìn)行控制。PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，用2個(gè)引腳通過I2C的SDA和SCL引腳就可以驅(qū)動(dòng)16個(gè)舵機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。工作電壓2.3～5.5V，25MHZ內(nèi)部晶振，最大允許50MHZ的外部輸入時(shí)鐘，低待機(jī)電流。舵機(jī)工作原理如圖3所示：

2.5 電源模塊

電源，是把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，能不斷輸出電能的電動(dòng)勢(shì)源?？煽啃愿叩碾娫匆瑫r(shí)兼顧電壓范圍、電流容量、電流轉(zhuǎn)換效率及噪聲處理等問題。該系統(tǒng)采用5號(hào)電池盒安裝5號(hào)堿性電池供電，一節(jié)堿性電池的電壓是1.5V，四節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)提供6V工作電壓，滿足系統(tǒng)的用電需求。系統(tǒng)供電圖如圖4所示。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提線木偶戲機(jī)器人系統(tǒng)由4部分組成，分別是舞臺(tái)、驅(qū)動(dòng)底座、機(jī)械臂、木偶。驅(qū)動(dòng)底座置于舞臺(tái)幕布后方水平方向的軌道上，機(jī)械臂置于舞臺(tái)上方。

驅(qū)動(dòng)底座由四個(gè)輪子和底盤構(gòu)成，其左右前輪各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將驅(qū)動(dòng)底座置于平行于舞臺(tái)幕布的軌道上，使得其可以在水平方向上自由移動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械臂在舞臺(tái)的水平方向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)木偶可以在舞臺(tái)上自由行走的動(dòng)作。

機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，由1個(gè)大扭力舵機(jī)和4個(gè)9g舵機(jī)構(gòu)成，能夠基本滿足提線木偶戲表演的操作需求，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、易組裝的特點(diǎn)，同時(shí)也滿足了提線木偶表演的強(qiáng)度需要。舵機(jī)A為大扭力舵機(jī)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)十字架型機(jī)械臂及4個(gè)9g舵機(jī)的位置移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)提線木偶的轉(zhuǎn)身動(dòng)作。舵機(jī)1、舵機(jī)2、舵機(jī)3、舵機(jī)4為9g舵機(jī)，每個(gè)舵機(jī)上分別牽引著木偶雙手和雙腳上的線，通過程序控制每個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)木偶的每條胳膊、每條腿的控制，完成較為復(fù)雜的動(dòng)作。

3.2 程序設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的提線木偶戲機(jī)器人的控制程序主要由單片機(jī)初始化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制組成。首先初始化單片機(jī)，之后調(diào)用直流電機(jī)的前進(jìn)、后退程序，控制木偶戲機(jī)器人在水平方向移動(dòng)，然后調(diào)用舵機(jī)控制程序，控制木偶的雙手、雙腳完成相應(yīng)動(dòng)作。程序流程圖如圖6所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用孫悟空這一西游記經(jīng)典形象作為提線木偶，通過實(shí)驗(yàn)，本款提線木偶戲機(jī)器人通過分別牽引木偶雙腿上的線繩可以控制木偶完成雙腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，在舞臺(tái)上移動(dòng)的行走動(dòng)作；通過牽引木偶上身部分兩條線繩可以完成木偶的轉(zhuǎn)身動(dòng)作；通過牽引木偶腿部和手臂上的線繩可以分別完成踢腿和舞棍的動(dòng)作；通過讀取編寫好的程序，可以按照要求完成簡(jiǎn)單劇本的表演。

實(shí)驗(yàn)顯示出，該文設(shè)計(jì)的提線木偶戲機(jī)器人能夠表演簡(jiǎn)單的劇本，能夠較好、較靈活的完成轉(zhuǎn)身、踢腿的動(dòng)作，但行走的動(dòng)作表現(xiàn)較為僵硬，舞棍的動(dòng)作完成的不夠完整。后期仍需在結(jié)構(gòu)和程序上進(jìn)行改進(jìn)和提高。

4 總結(jié)與展望

該文設(shè)計(jì)了一款基于Arduino平臺(tái)的提線木偶戲機(jī)器人，系統(tǒng)由Arduino控制器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、按鍵模塊等五種模塊構(gòu)成，通過舵機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)木偶身體各部位的控制，可以完成較為復(fù)雜的動(dòng)作。本款機(jī)器人在對(duì)木偶的精確控制上仍有不足，后期將在精確控制方面進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)經(jīng)典木偶戲劇本以機(jī)器人的方式呈現(xiàn)出來。在弘揚(yáng)提線木偶戲這項(xiàng)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)上貢獻(xiàn)微薄之力。

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