[发明专利]智能钢琴弹奏系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能钢琴弹奏系统。

背景技术

钢琴作为乐器之王，因其音域宽广、音色优美受到人们的喜爱，在进行谱曲、演奏、音乐教学等方便具有十分广泛的意义，目前已有智能钢琴问世，它具有智能演奏及钢琴教学等功能，但是其价格昂贵，在演奏及教学的过程中不直观，无法得到广泛推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种价格便宜，操作方便，演奏直观的智能钢琴弹奏系统，可以辅助人们进行音乐演奏及音乐教学工作，具有较好的实用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：智能钢琴弹奏系统，包括执行单元和控制单元，所述执行单元包括水平导轨和能够在水平导轨上左右移动的两只机械手；所述水平导轨有一个底座支架，底座支架顶面设有两根相互平行的水平导杆，底座支架下部设有与导杆平行的齿条；所述机械手包括底盘，底盘前部由手指支架枢接有7根仿生手指，底盘后部设有控制手指完成敲击动作的舵机；所述舵机由手指连动杆与手指连接；底盘下部设有与导杆滑动配合连接的箱式单元滑块，以及能够使机械手左右平移的步进电机；所述步进电机的输出轴上安装有与齿条啮合连接的齿轮；所述控制单元包括上位机和下位机，所述上位机包括总控平台、显示单元、乐谱输入单元、乐谱识别单元及RS232串行通信接口；所述乐谱输入单元与乐谱识别单元连接；显示单元及乐谱识别单元均与总控平台连接；所述下位机安装于机械手上，包括STM32嵌入式控制芯片、RS232串行通信接口和定时器脉冲输出模块；定时器脉冲输出模块分别与STM32嵌入式控制芯片及机械手连接；STM32嵌入式控制芯片由RS232接口与总控平台连接。

所述手指支架由螺栓固定安装于底盘的前侧，手指为弧形，手指前端向下对准钢琴键盘，手指支架的顶部及手指的后端下部对应设有通孔，一根长轴依次穿过七根手指及手指支架，每一根手指均由轴承与长轴旋转连接；手指后部向上延伸，顶端设有能够穿入手指连动杆的杆孔，手指连动杆的另一端由连接卡子与舵机连接，保证舵机臂与手指连动杆紧密咬合；手指连动杆采用2mm钢丝做成，坚硬的同时也不易变形，将舵机的左右转动转换为手指的上下转动，控制弹奏的力度与速度；一个舵机控制一个手指。

所述舵机固定安装于舵机支架上，一个舵机支架安装一个舵机，舵机支架安装在固定于底盘后部的抬升架上，以提高舵机的安装高度，使舵机臂转动平面与手指顶端处于同一平面。

每只机械手上均安装有一个下位机，所述下位机与该机械手上的步进电机及每个舵机连接。

所述底座支架由5mm钢板构成，用于固定导杆，为整个系统提供支撑。    

所述导杆由螺栓固定安装于底座支架顶部的前后侧，齿条位于底座支架的下部，其两端与底座支架固定连接。

所述机械手底盘为200mm×170mm×5mm的铝板，保证机械手刚性强度的同时也减轻了自重。

所述步进电机为整个架构的动力机构，其强大的扭力使机械手能够快速地在导轨上移动。

所述箱式单元滑块内部设有滚珠，可以在导杆上进行低摩擦滚动，同时也用于咬合导杆，使步进电机的齿轮与齿条紧密咬合。

本发明的工作原理为：普通音乐的音域变化范围超过14个度，一般难度的乐谱其音域不会发生大的跳变，相邻两个最大跳变不会超过7个度，本发明设了两只机械手，每个机械手上有7根手指，满足一个音域内每个按键对应一根手指，手指在弹奏的过程中要不停移动，为了满足演奏及移动量最小化需求，本发明采用了滑动窗口算法，即把7根手指看作一个窗口，此窗口的容量是7，首先设定一个阈值将乐谱分为两部分，阈值的设定是一段乐谱的最小值加7，然后对于小于阈值那一部分乐谱进行统计，一段乐谱中若最大偏差小于7分配一个窗口，同样对于大于阈值最大偏差小于7的分配另一个窗口，分配好窗口的过程也就是一个机械手移动并分配位置的一个过程，然后按照乐谱值与该段最小值的偏差来分配手指的按下或弹起，若遇到偏差大于7的直行分配窗口的操作。

本发明的有益效果是：一种智能钢琴弹奏系统，价格便宜，操作方便，演奏直观，可以辅助人们进行音乐演奏及音乐教学工作，具有较好的实用价值。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图1为一种智能钢琴弹奏系统的实施例结构示意图。

附图2为一种智能钢琴弹奏系统的执行单元的结构示意图。

附图3为一种智能钢琴弹奏系统的控制单元的结构框图。

附图4为一种智能钢琴弹奏系统的工作流程图。