TWI405650B - 機器人系統及利用該機器人系統彈奏和弦的方法 - Google Patents

Description

機器人系統及利用該機器人系統彈奏和弦的方法

本發明係與一種機器人系統及利用該機器人系統來彈奏和弦的方法有關。

機器人的發展已有一段時日，但目前所提出的鋼琴彈奏系統，在功能上往往不夠完整，其等常常因為機構自由度的限制，而只能按壓鋼琴的白鍵或是一次只能按壓一個琴鍵。因此，有必要提出一種不僅可以按壓黑鍵或白鍵，還可以演奏出和弦的系統。

目前已提出的鋼琴彈奏系統，大部分都只有設計一組彈奏機構，但真正的鋼琴演奏大部分卻都是包含有主旋律與副旋律等部分，因此，目前仍需要提供一種彈奏系統，其可同時彈奏主旋律與副旋律的和弦，以模擬人類的彈奏方式，同時可以在不同音域之間滑移而不會發生碰撞。

有鑑於此，為了可以同時彈奏主旋律與副旋律的和弦，實有必要提供一種機器人系統及利用該機器人系統彈奏和弦的方法，以達成模擬人類的彈奏狀況，且在不同音域之間滑移而不會發生碰撞。

本發明之主要目的係要提供一種機器人系統，以及利用該機器人系統來彈奏和弦的方法，其可模擬人類的彈奏，同時不僅可以按壓黑鍵或白鍵，還可以演奏出和弦。

本發明之另一主要目的係要提供一種機器人系統，以及利用該機器人系統來彈奏和弦的方法，其可模擬人類的彈奏情況，並在不同音域之間滑移而不會發生碰撞。

本發明所提供的機器人系統，其係可雙手彈奏鋼琴，該機器人系統包括一電腦、二線性馬達、二組移動裝置及二組手指裝置。該電腦包含有一避免碰撞程式。二線性馬達及二組手指裝置係分別與電腦電性相連；二組移動裝置係分別連接在二線性馬達上，並透過二線性馬達來控制二組移動裝置之定位；各組手指裝置均包括多個電磁閥，且該些電磁閥係交錯地分列成兩排；各個電磁閥係利用通電時的電磁感應，以伸縮一電磁桿。本發明係透過執行該避免碰撞程式，來避免該等移動裝置出現碰撞的情況，並藉由電腦控制該二線性馬達，以驅動二組移動裝置，並用電腦控制二組手指裝置，而藉由決定通電與否來伸縮電磁桿，以藉此彈奏鋼琴。

較佳者，在該等手指裝置中之一者彈奏一樂曲的主旋律時，另一組手指裝置則會彈奏該樂曲的副旋律。

為了可以同時按壓黑鍵和白鍵，並且具有演奏和弦的能力，每組手指裝置係較佳地設有十六個電磁閥，交錯地分列為每排八個電磁閥。每組手指裝置最左邊與最右邊的電磁閥共相距一個八度的音階，如此可以解決當有和弦的兩個音超過五個琴鍵寬度時，便會導致無法彈奏的情形，也可以降低滑台移動的頻率，使演奏過程變得比較流暢。

此外，本發明還提供一種利用如上所述之機器人系統彈奏鋼琴和弦的方法，其包含：步驟S1：依據該些電磁閥其中之一的音高定位，提供多個對照表；步驟S2：將一樂譜的每個音符分別轉換為一樂器數字介面(Musical Instrument Digital Interface；簡稱MIDI)之數值；步驟S3：依據該些數值除以12，分別取餘數；及步驟S4：依據各該餘數及該些對照表，判斷應對應啟動之該些電磁閥其中之任一者。

較佳者，該方法還可包含以下步驟：步驟S5：判斷該二組手指裝置中，相同位置之電磁閥是否相距為九個琴鍵。

為了使得本發明之技術內容能被更充分地瞭解，以下特例舉具體實施例並說明如下：請先參考圖1，本發明所提供的機器人系統1，其可以雙手來彈奏鋼琴。如圖所示，機器人系統包括一電腦11、二線性馬達12、二組移動裝置13及二組手指裝置14R、14L。電腦11包含有一避免碰撞程式。二線性馬達12及二組手指裝置14R、14L係分別與電腦11電性相連。本發明係透過執行電腦11的避免碰撞程式，來避免該等移動裝置13出現碰撞的情況。二組移動裝置13係分別連接在二線性馬達12上，並藉由二線性馬達12來控制二組移動裝置13之定位作用；也就是其可藉由電腦11來控制二線性馬達12，以驅動二組移動裝置13。

較佳者，機器人系統1更包含一控制電路15，二組手指裝置14R、14L係實質上係透過控制電路15與電腦11電性相連，以下將有詳細說明。

各組手指裝置14L或14R包括有多個電磁閥，為了說明左、右兩邊的各組手指裝置14L或14R，各個電磁閥係分別用L或R開頭以資區別。以手指裝置14L為例，請同時參考圖2及圖3A，十六個電磁閥L1-L16係交錯地分列為兩排，也就是電磁閥L1-L8會形成一排，另一排則是由電磁閥L9-L16所組成，且電磁閥L1-L8與電磁閥L9-L16係實際上為非對齊地交錯排列；如此一來，電磁閥L1-L8將負責按壓鋼琴的白鍵，而電磁閥L9-L16則負責按壓鋼琴的黑鍵。如圖3B所示，右手邊電磁閥R1-R16亦有相同的排列方式，以負責彈奏右手的琴鍵。例如，當左邊的手指裝置14L彈奏一樂曲的主旋律時，右邊的手指裝置14R則可以彈奏該樂曲的副旋律。

請參考圖2，以左邊的手指裝置14L為例，各電磁閥L1-L16是利用通電時的電磁感應，來將電磁桿L11-L161加以伸縮。雖然圖示未顯示，可瞭解的是，右邊的手指裝置14R的電磁閥R1-R16亦是利用通電時的電磁感應，來將電磁桿加以伸縮(未有圖示)。請同時參考圖1，電腦11會控制二組手指裝置14L、14R，以決定通電與否並進而伸縮電磁桿，藉此而得以彈奏鋼琴。圖2所示的電磁桿L11-L161皆為已經伸出，此時為下壓鍵盤的狀態；由於電磁閥(例如：L1-L16)係利用通電的電磁原理，以使得電磁桿(例如：L11-L161)進行伸縮，此為已知的技術，故不在此贅述。

為了可以同時按壓黑鍵和白鍵並且具有演奏和弦的能力，每組手指裝置14R或14L係較佳地設有十六個電磁閥R1-R16或L1-L16，其等係交錯地分列為每排八個電磁閥R1-R8及R9-R16或是L1-L8及L9-L16；如此一來，每組手指裝置(例如：14L)最左邊電磁閥L1或L9與最右邊的電磁閥L8或L16共相距一個八度，依此，可以解決當有和弦的兩個音超過五個琴鍵寬度時，會導致無法彈奏的情形，也可以降低移動裝置13的移動頻率，使演奏過程變得比較流暢。

請接著參考圖4，其說明本發明之控制電路15。二組手指裝置14L及14R係實質上透過該控制電路15與電腦11電性相連。舉例而言，在電腦11先儲存有電子琴譜時，電腦11會透過RS-232傳輸介面，而將電子琴譜中應彈奏的指令傳送到控制器152(控制器152可以例如是BS2微處理器)，再由控制器152判斷要彈奏的琴鍵是由哪一個IC(IC 152a-152b’)控制，並進而驅動對應的繼電器；該IC可以例如是SN74HC595晶片。電腦11係透過驅動器121來控制二線性馬達12，並獲知電磁閥L1-L16及R1-R16目前所在位置及應移動的位置。電磁閥L1-L16及R1-R16係實質上分別透過一繼電器LR1-LR16及RR1-RR16來控制通電與否，並進而下壓琴鍵。

本發明還提供一種利用如上所述之機器人系統的彈奏鋼琴和弦之方法。本發明之方法實質上可以藉由以電腦執行一彈奏程式而達成，請參考圖5；本發明之方法包含步驟S1-S5，以下將分別說明之。

‧步驟S1：依據該些電磁閥中之一者的音高定位，來提供多個對照表。

例如：二線性馬達12分別係與電腦11電性相連，藉此即可知各電磁閥L1-L16及R1-R16的所在位置。下述的說明是以編號L9的電磁閥位於C、D、E、F、G、A、B等音高位置為例，分別列出七個對照表(表一至表七)。

‧步驟S2：將一樂譜的每個音符分別轉換為一樂器數字介面(MIDI)之數值。

樂器數字介面(MIDI)是一個工業標準的電子通訊協定，其係用於為電子樂器等演奏裝置(例如：電子鋼琴)定義各種音符或彈奏碼；此為習知的技術，故不在此贅述。

例如：假設目前用來定位的電磁閥L9係位在琴鍵C5的位置，若其需同時按壓E5、G#5及B5的鍵盤，E5、G##5及B5的MIDI數值則分別為64、68及71。

‧步驟S3：依據MIDI數值除以12，分別取餘數。

上例的E5、G#5及B5的MIDI數值分別除以12之後，餘數分別為4、8及11。

‧步驟S4：依據各該餘數及該些對照表，判斷應對應啟動之該些電磁閥為何。

以上述的例子，對照表一可得知對應的電磁閥指令碼為0x04、0x10和0x40；將指令利用邏輯運算的OR合併，以得到以下的編碼：

Left _f =0x 10

Left _r =0x 04|0x 40=0x 44

根據上述的編碼結果，查詢表一可以知道電磁閥編號L5、L11和L15將會被執行按壓的動作。此時連同另兩個IC則組成一道控制指令，並交給BS2微處理器執行下壓作用。

應注意的是，本發明之方法步驟流程並無順序關係，例如：將一樂譜的每個音符分別轉換為一樂器數值介面之數值的步驟(S2)，亦可以最先被執行。

以編號L9的電磁閥分別位於C、D、E、F、G、A、B等音高位置為例，可列出以下七個對照表。

此外，為了避免碰撞發生，本發明設計了一個避碰機制。因此，較佳者，本發明還可在步驟S4之前，利用電腦執行避免碰撞程式，達成以下步驟：‧步驟S5：判斷該二組手指裝置中，相同位置之電磁閥是否相距為九個琴鍵。

例如在前述的機器人系統1中，利用電腦11執行避免碰撞程式，進行步驟S5的判斷。也就是，左、右線性馬達12在不碰撞下，可以允許最靠近的距離是電磁閥L9和R9相距九個琴鍵寬，所以每當線性馬達要移動時，就做以下的判斷(以左邊的線性馬達為例)：

如此一來，即可避免左、右兩邊發生碰撞。因此，本發明的系統將被簡單化，並具備功能的完整性，其只需利用兩組線性馬達與32個電磁閥，即可完成彈奏鋼琴的要求；再者，電磁閥的運作原理非常簡單，線性馬達位移的精確度也很高，在實際操作上非常容易可靠，而且，避碰機制也可以確實發揮作用，並在實驗運作時沒有碰撞發生；最後，根據實驗結果，透過指令編碼的方式來處理和弦的演奏，在同一個八度內的和弦都可以同時並且無誤地被彈奏出來。

本發明在功能上具備了很高的完整度，而且相較於使用多維度的機械手指與手臂的彈奏系統，本發明具有低成本、容易維護與操控等特性，是目前有效解決鋼琴彈奏問題的系統與方法。

惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1．．．機器人系統

11．．．電腦

12．．．線性馬達

13．．．移動裝置

14R、14L．．．手指裝置

LR1-LR16、RR1-RR16．．．繼電器

L1-L16、R1-R16．．．電磁閥

15．．．控制電路

152．．．控制器

151a-151b’．．．IC

121．．．驅動器

圖1為本發明之機器人系統的立體示意圖。

圖2為手指裝置之立體示意圖。

圖3A與3B分別為左、右兩邊電磁閥的排列說明。

圖4為本發明之機器人系統的功能方塊示意圖。

圖5為利用機器人系統彈奏鋼琴和弦之方法流程圖。

11．．．電腦

12．．．線性馬達

13．．．移動裝置

14R、14L．．．手指裝置

LR1-LR16、RR1-RR16．．．繼電器

L1-L16、R1-R16．．．電磁閥

15．．．控制電路

152．．．控制器

151a-151b’．．．IC

121．．．驅動器

Claims (8)

1. 一種機器人系統，其係可雙手彈奏鋼琴，該機器人系統包括：一電腦，其包含有一避免碰撞程式；二線性馬達，其等係與該電腦電性相連；二組移動裝置，其等係分別連接在該二線性馬達上，以透過此二線性馬達來控制該二組移動裝置之定位作用，並透過執行該避免碰撞程式，來避免該等移動裝置出現碰撞的情況；以及二組手指裝置，其等係與該電腦電性相連，且該等二組手指裝置係分別連接在該二組移動裝置上，而各組手指裝置均包括多個電磁閥，且該些電磁閥係交錯地分列成兩排，其中該些電磁閥為十六個電磁閥，且交錯地分列為每排八個電磁閥；其中各個該等電磁閥係利用通電時的電磁感應，以將一電磁桿加以伸縮，並藉由該電腦控制該等二線性馬達，以驅動該二組移動裝置，且該電腦控制該二組手指裝置，決定通電與否，以伸縮該電磁桿，藉此彈奏鋼琴。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人系統，其中各該電磁閥實質係分別透過一繼電器控制通電與否。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人系統，更包含一控制電路，該二組手指裝置實質係透過該控制電路與該電腦電性相連。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器人系統，其中在該等手指裝置中之一者彈奏一樂曲的主旋律時，另一組手指裝置則會彈奏該樂曲的副旋律。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器人系統，其中該電腦進一步具有一彈奏程式，以達成以下之步驟：依據該些電磁閥其中之一的音高定位，提供多個對照表；將一樂譜的每個音符分別轉換為一樂器數字介面(MIDI)之數值；依據該些數值除以12，分別取一餘數；及依據各該餘數及該些對照表，判斷應對應啟動之該些電磁閥其中任一。
6. 如申請專利範圍第5項所述之機器人系統，其中該避免碰撞程式係進一步達成以下之步驟：判斷該二組手指裝置中，相同位置之電磁閥是否相距為九個琴鍵。
7. 一種利用如申請專利範圍第1項所述之機器人系統彈奏鋼琴和弦之方法，包含：依據該些電磁閥其中之一的音高定位，提供多個對照表；將一樂譜的每個音符分別轉換為一樂器數字介面(MIDI)之對應數值；依據該些數值除以12，分別取一餘數；及依據各該餘數及該些對照表，判斷應對應啟動之該些電磁閥其中任一。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包含以下步驟： 判斷該二組手指裝置中，相同位置之電磁閥是否相距為九個琴鍵。