木琴演奏机械手的仿真分析与设计

    随着机器人技术的快速发展，机器人的设计也不仅仅限制在工业环境的需求设计中，而向人类生活的各个领域扩展，出现了如娱乐、导游等各种不同的机器人。近年来，娱乐机械人发展很快，已经有演奏多种乐器的演奏机械手出现。演奏机械手属于表演类特种机器人，国外关于演奏机械手的研究主要集中在键盘乐器和弦乐器方面，管乐器自动演奏机械手的研究相比较就少些。无论何种乐器，在演奏时都是通过人的手、口或脚的动作来实现的。木琴属于西洋打击乐器的一种，由逐级加长的一排排镶嵌的木条组成，按音阶的顺序排列在一框架上，可发出连续的音律。有的木琴的木条下方安装了可调节音高的共鸣管，起到共鸣的作用。木琴是通过演奏者双手握木槌去击打键盘进行演奏的，在原理上，能够模仿人手并再现键盘的动作，可以实现机械手自动演奏。

    为缩短木琴演奏机械手的设计周期，降低设计成本，提高设计质量，本文使用进行了木琴演奏机械手的辅助设计。

1 总体设计

    单槌击键式木琴演奏机械手主要由机械部分和控制部分组成，包括工控机、移槌装置、击槌装置、运动控制器、木琴和支架等。它的三维模型如图1所示。其工作原理是使用击槌装置代替人手去握持木槌和击打琴键。击槌装置安装在移槌装置上，通过移槌装置的左右水平快速移动完成木槌击键位置的定位，利用击槌装置中的木槌操纵机构实现木槌的击键动作，从而完成一个音符的演奏。

    图1 木琴演奏机械手三维模型

    木琴演奏机械手系统图如图2所示。机械手的工控机输出乐谱程序指令给运动控制器，控制器发出移动命令，驱动移槌装置和击槌装置连续交替动作实现乐曲演奏。演奏时的主要动作是木槌的横向位置控制和向下的槌击动作控制。

    设计中，先对木琴实物进行仿真建模，再对机械手的各部分进行仿真建模。同时，进行了虚拟装配、干涉检查和运动仿真，确保其各部分在安装后能够无干涉并符合预先设定的运动方案。

    图2 木琴演奏机械手系统图

2 木琴的仿真建模

    木琴的仿真主要是对一种724型木琴进行整体建模，包括木琴架、琴键、共鸣管和支架等所有零部件。为确保合理的建模基准及精准的琴键位置、形状尺寸，采用了自顶向下(Top-down)的建模方法。即先确定机械手的总体装配结构和零件组成，对不同设计方案进行分析、组合，选择出最佳设计方案，再对具体零件进行详细的分析设计。本文中演奏机械手固定在支架上，支架又通过木琴架与木琴相连，故在建模时采用木琴架为定位基准，而不是普遍理解上的以支架作为基准。