顧佳慧 陸鑫 李斌 戶(hù)濤

摘 要：吉他教學(xué)機(jī)器人屬于教育服務(wù)機(jī)器人（Educational ServiceRobots），是具有教與學(xué)智能的服務(wù)機(jī)器人，通常被用于進(jìn)行教學(xué)輔助、初學(xué)者和興趣愛(ài)好者自主學(xué)習(xí)、家用娛樂(lè)等主題的輔助與管理教學(xué)中。具有教學(xué)性和娛樂(lè)性。區(qū)別于機(jī)器人教育中常見(jiàn)的產(chǎn)品，吉他教學(xué)機(jī)器人具有固定的結(jié)構(gòu)，一般不支持用戶(hù)自行拆裝。近年來(lái)，在世界各國(guó)紛紛頒布機(jī)器人和人工智能戰(zhàn)略部署的背景下，將人工智能技術(shù)和機(jī)器人運(yùn)用于教育領(lǐng)域的實(shí)踐探索越來(lái)越多。吉他教學(xué)機(jī)器人將逐步打開(kāi)市場(chǎng)，成為智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人創(chuàng)新;吉他機(jī)器人;教學(xué)機(jī)器人

1.產(chǎn)品介紹

隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，機(jī)器人越來(lái)越受到大家的追捧，其中音樂(lè)機(jī)器人最為突出。音樂(lè)機(jī)器人通過(guò)電子控制裝置和氣動(dòng)裝置控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，參照仿生學(xué)原理，達(dá)到模擬人類(lèi)演奏樂(lè)器的效果，目前主要有非人形和擬人形兩種形式。本產(chǎn)品吉他教學(xué)機(jī)器人是一個(gè)可以自動(dòng)彈奏吉他和分析吉他譜的非人形機(jī)器，可實(shí)現(xiàn)撥弦、掃弦、擊弦、勾弦、滑弦等常規(guī)操作，通過(guò)譜子的導(dǎo)入和選擇，模擬老師教學(xué)彈奏吉他的姿態(tài)。是吉他愛(ài)好者自主學(xué)習(xí)的一款實(shí)用工具。下圖為吉他教學(xué)機(jī)器人3D樣品圖。

吉他教學(xué)機(jī)器人是人工智能、語(yǔ)音識(shí)別、仿生技術(shù)的結(jié)晶，由控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分所構(gòu)成。

2.控制系統(tǒng)

移動(dòng)控制終端設(shè)備可選擇手機(jī)，手機(jī)下載藍(lán)牙串口助手，連接藍(lán)牙，設(shè)置按鍵即可操作。功能有開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、重啟、選擇曲譜、開(kāi)始、停止、速度加快、速度減小、恢復(fù)初始速度。

3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

吉他1的左側(cè)琴肩上固定安裝有固定架一2的一端，固定架一2的另一端固定安裝在吉他1上琴枕的外側(cè)，固定架一2的前側(cè)固定安裝滑臺(tái)3，滑臺(tái)3的下端面固定安裝有步進(jìn)電機(jī)4，滑臺(tái)3的前側(cè)固定安裝有活動(dòng)板5，活動(dòng)板5的內(nèi)部固定安裝有電磁按鍵6，吉他1的面板上固定安裝有固定架二7，固定架二7的內(nèi)側(cè)固定安裝有舵機(jī)8，舵機(jī)8的輸出軸上固定安裝有撥片9，固定架一2的后側(cè)固定安裝有單片機(jī)10，步進(jìn)電機(jī)4、電磁按鍵6、舵機(jī)8與單片機(jī)10電性連接，舵機(jī)8采用mini4.3G型號(hào)，單片機(jī)10采用STM32-F407型號(hào)。

滑臺(tái)3包括支撐座301、滾珠絲桿302、直線(xiàn)導(dǎo)軌303、聯(lián)軸器304、滑塊305，支撐座301的內(nèi)部固定安裝有滾珠絲桿302、支撐座301的前側(cè)固定安裝有直線(xiàn)導(dǎo)軌303，滾珠絲桿302的外側(cè)固定安裝有聯(lián)軸器304，滾珠絲桿302的外側(cè)螺紋安裝有滑塊305，活動(dòng)板5通過(guò)螺栓固定安裝在滑塊305的前側(cè)，步進(jìn)電機(jī)4與聯(lián)軸器304通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接，步進(jìn)電機(jī)4可帶動(dòng)聯(lián)軸器304旋轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器304旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)滾珠絲桿302旋轉(zhuǎn)，滾珠絲桿302旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)滑塊305做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

活動(dòng)板5的寬度與吉他1的琴桿寬度相同，活動(dòng)板5的長(zhǎng)度小于吉他1的琴桿長(zhǎng)度，活動(dòng)板5可通過(guò)滑塊305在吉他1的琴桿前側(cè)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

電磁按鍵6在活動(dòng)板5的內(nèi)部固定安裝有三十個(gè)，電磁按鍵6之間的距離與吉他1品格之間的距離相同，電磁按鍵6可以按壓吉他1上的琴弦。

舵機(jī)8在固定架二7的內(nèi)側(cè)固定安裝有六個(gè)，撥片9與舵機(jī)8一一對(duì)應(yīng)，舵機(jī)8與吉他1的琴弦一一對(duì)齊，舵機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)撥片9進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

固定架二7位于吉他1音孔的下方，撥片9位于吉他1音孔的前側(cè)，撥片9轉(zhuǎn)動(dòng)可與吉他1音孔前側(cè)的琴弦發(fā)生接觸。

4.工作原理

首先，單片機(jī)10控制步進(jìn)電機(jī)4進(jìn)行正傳、反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)4旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)聯(lián)軸器304旋轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器304旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)滾珠絲桿302旋轉(zhuǎn)，滾珠絲桿302旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)滑塊305做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，滑塊305前側(cè)的活動(dòng)板5隨即移動(dòng)，活動(dòng)板5內(nèi)部的電磁按鍵6受單片機(jī)10控制上下移動(dòng)按壓吉他1上的琴弦，舵機(jī)8通過(guò)單片機(jī)10進(jìn)行一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，撥片9轉(zhuǎn)動(dòng)可撥動(dòng)吉他1音孔前側(cè)的琴弦，巧妙的模擬了人手指彈奏吉他的姿態(tài)。

5.產(chǎn)品制造

在硬件設(shè)施上，我們的吉他教學(xué)機(jī)器人外殼將采用全新的3D打印技術(shù)，可以根據(jù)用戶(hù)的喜好來(lái)定制專(zhuān)屬的產(chǎn)品外殼。

在軟件設(shè)施上，使用UG、Solidworks等建模軟件幫助客戶(hù)定制外殼，使用KELL軟件編寫(xiě)程序，使用protues進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在電腦中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充分的模擬仿真，保證產(chǎn)品制作的精度，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

產(chǎn)品的外殼采用3D打印常用耗材PLA，電路板采用標(biāo)準(zhǔn)覆銅板印刷，吉他教學(xué)機(jī)器人外殼的制作需要3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)、數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。電路板制作設(shè)備需要PCB板印刷機(jī)、PCB板貼片機(jī)等。

6.總結(jié)

從現(xiàn)在吉他機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀看，利用該教學(xué)機(jī)器人幫助學(xué)生學(xué)習(xí)吉他，不但有利于發(fā)揮教育機(jī)器人功能，又能滿(mǎn)足不同水平，不同年齡的學(xué)生學(xué)習(xí)吉他的需求。目前我們已經(jīng)取得了階段性的勝利，在研發(fā)和生產(chǎn)方面，我們成功研發(fā)出吉他教學(xué)機(jī)器人并迅速投入生產(chǎn)，生產(chǎn)流程與我們前期預(yù)想一致，十分順利。銷(xiāo)售方面，我們運(yùn)用了多種營(yíng)銷(xiāo)手法，如新零售和精準(zhǔn)營(yíng)銷(xiāo)等，成功的將我們的吉他教學(xué)機(jī)器人推向了市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳健榮.教學(xué)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]哈爾濱工程大學(xué)，2007

[2]前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.我國(guó)教育機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模，2019，（19）：120-121.

[3]李勁松.教學(xué)機(jī)器人在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [D].上海交通大學(xué)，2004.

指導(dǎo)老師：紀(jì)國(guó)濤

項(xiàng)目編號(hào)：202010144017

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助

（沈陽(yáng)理工大學(xué)）