基于Arduino的木偶戏机器人

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　　摘要：随着科技的飞速发展，我国在国际上的地位日益增长的同时，国家领导入也在鼓励广大青年要善于将传统文化与现代科技相结合，去其糟粕，取其精华，形成一种新的文化。故本文主要介绍如何基于Arduino将传统文化进行改变，完成传统文化的继承与创新的目标。木偶戏又称为傀儡戏，主要是用木偶表演故事的戏剧，是我国传统艺术之一川。本文使用Arduino制作木偶戏机器人，利用金属齿轮数字标准舵机进行提线控制木偶的四肢，自动完成木偶戏最简单最基本的动作表演。
　　关键词：傀儡戏;机器人;Arduino;舵机
　　中图分类号：TP391
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）04-0242-02
　　收稿日期：2019-11-21
　　基金项目：甘肃农业大学省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201810733011）
　　作者简介：贾嫣（1978—），山西太原人，硕士，副教授，通信作者，主要研究方向为数字图像处理。
　　Arduino-based Puppet Show Robot
　　ZHOU Yu-huai，W ANG Bang-zhou，HU Bin，LIU Min，JIA Yan
　　（School of Information Science and Technology，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China）
　　Abstract：With the rapid development of science and technology，China's position in the world is growing day by day，at the same time，the national leaders are also encouraging the majority of young people to be good at combining traditional culture with modern science and technology，to get rid of its bad situation，take its essence，and form a new culture.Therefore，this paper mainly introduces how to change traditional culture based on Arduino to achieve the goal of inheritance and innovation of traditional culture.As one of the tradi is used to make a puppet robot，and the metal gear digital standard steering engine is used to control the limbs of the puppet with strings，so as to automatically complete the simplest and most basic action performance of the puppet show.tional arts in China，puppet plays，also known as puppetry，are mainly plays that use puppets to perform stories ['].In this paper，Arduino
　　Key words：puppet show;robot;Arduino;steering engine
　　1 概述
　　我國有着上下五千年的历史，是四大古国中唯一个没有文化断层的国家，而木偶戏就是我国五千年历史长河中的一点星光。木偶戏源于汉，兴于唐，三国时期已有偶人可进行杂技表演，隋代则开始用偶人表演故事[1]。宋代黄庭坚也在《涪翁杂说》中说：“傀儡戏，木偶人也。或曰当书魁曇，盖象古之魁曇之士，仿佛其言行也。”2006年5月20日，木偶戏经国务院批准列人第一批国家级非物质文化遗产名录。
　　木偶戏是台湾民间最神秘诡异的剧种，一般民间戏曲多为庙会酬神之用，兼具娱神、娱人特色，唯独傀儡戏以除煞禳灾为主要功能，除必要的工作人员及主事者外，并不欢迎一般“闲杂人等”，而除煞仪式所使用的咒语、手诀、符咒及法索、七星剑等法器，也使傀儡戏更具神秘色彩[2]。随着朝代更替与文化的相互交融与碰撞，慢慢地木偶戏被用于表演，表演时，演员在幕后-边操纵木偶，一边演唱，并配以音乐。但是由于近现代外来文化的入侵、人们生活节奏的变化和娱乐方式的改变，木偶戏的传承和发展面临着前所未有的困难。把科学技术与传统文化相互结合，是我们义不容辞的责任与义务。本项目是在上代产品的基础上重新对机械臂等基础机构进行了新的改进。
　　2 功能与结构
　　2.1 Arduino控制器模块
　　Arduino是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面板，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino 包含两个主要的部分[5]：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板;软件部分是Arduino IDE程序开发环境。在IDE中编写程序代码，将程序;上传到Arduino电路板后，Arduino主控板就会根据程序执行相应的任务。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。主控板上
　　的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器[3]。 　　本系统所采用的主控板是Arduino UNO R3开发板，主控板主要负责接收按钮发送的信号，在接收到信号后控制电机和舵机运转，完成对电机的PWM调速和舵机的转动角度控制，控制各个舵机运转完成预期动作[4]。
　　2.2 PCA9685 16路12位PWM信号发生器
　　2.2.1 PCA9685 16路12位PWM信号发生器的简介
　　在该作品中，PCA9685 16路12位PWM信号发生器是最主要的部件，该模块使用I2C总线可控制16路PWM输出，每路12位分辨率（4096级），其内置25MHz晶振，可以不连接外部晶振，也可以连接外部晶振，但是最大晶振为50MHz。该模块支持2.3-5.5V电压，最大耐压值为5.5V，该模块还具有上电复位及软件复位等功能。在该模块使用过程中，必须确定I2C地址，通过焊接A5-A0确定模块的I2C地址，如果不做任何焊接，默认地址是0x80，其V+引脚用于给舵机供电。在本次实验中使用十个舵机，来分别控制两个人偶完成相应的动作。
　　2.2.2 精度控制
　　如果假设舵机为50Hz的控制频率，脉宽为0.5ms-2.5ms，12位分辨率（4096级），相关精度计算如下：
　　·PWM周期：
　　·时间分辨率：
　　·最大脉宽时间：
　　·最大脉宽时间可分成的份数：
　　.0-180o的舵机，角度分辨率为：
　　2.3 供电模块
　　供电模块由5V可充电电池和9V干电池组成，9V干电池用于给Arduino控制器供电，5V电池用于PCA968516路12位PWM信号发生器供电。Arduino 5V引脚接PCA968516 路12位PWM信号发生器Vec引脚供电示意图如下：
　　2.4 硬件连接说明
　　Arduino通过库函数来驱动PCA968516路12位PWM信号发生器，它们的具体连接如图2所示。
　　2.5 机械臂的结构与组成
　　机械臂由一个JX11092.5Kg大金属舵机和四个MG90S 9g金属舵机组成，2.5Kg金属舵机用来控制木偶转身，其他四个9g金属小舵机分别控制木偶的四肢，通过五个舵机的相互配合木偶可完成一些较为复杂的动作，本实验中使用完全相同的两个机械臂来控制两个木偶，通过编程控制舵机转动不同的角度来实现相应的动作，在、再配以音乐，可以完成简单的木偶戏表演。
　　2.5.1 舵机
　　舵机是由直流电机、控制电路板、可调电位器、变速齿轮组等组成，（如图2所示）这些器件被封装在舵机外壳里，简单地来说，舵机就是一个封装 好的伺服马达，英文Servo。
　　其简单的工作原理是：控制电路电路接收控制源的信号，并控制小型直流电机转动，变速齿轮组将电机的转速成倍的缩小，并将电机的输出扭矩放大相应的倍数，然后进行输出。可调电位器和变速齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动的角度，控制电路板检测并根据可调电位器判断舵机转动角度，以达到控制舵机转动相应角度的目的。实验所用的舵机外壳是塑料外壳，舵机散热效果并不理想，对实验结果有轻微的影响，如使用金属外壳舵机，能大大提高舵机的散热效果。变速此轮组按照材料的不同也分为：塑料此轮组、金属此轮组和混合此轮组。塑料齿轮组价格低廉，噪音小，但是强度较低。金属此轮组一般噪声大，价格相比于塑料齿轮组要贵，但是强度高。混合齿轮组在金属齿轮组和塑料齿轮组间做了折中，如电机输出扭矩不大时，一般采用塑料齿轮。
　　2.5.2 机械臂的物理结构
　　第一代实验作品采用如下机械臂机构：
　　第一代机械臂的结构设计如图4所示，由1个大扭力舵机.和4个9g舵机构成，能够基本满足提线木偶戏表演的操作需求，具有结构简单、重量轻、易组装的特点，同时也满足了提线木偶表演的强度需要。舵机A为大扭力舵机，通过转动，带动十字架型机械臂及4个9g舵机的位置移动，从而实现提线木偶的转身动作。舵机1、舵机2、舵机3、舵机4为9g舵机，每个舵机上分别牵引着木偶双手和双脚上的线，通过程序控制每個舵机的转动，从而实现对木偶的每条胳膊、每条腿的控制，完成较为复杂的动作。每个舵机上分别牵引着木偶双手和双脚上的线，通过程序控制每个舵机的转动，从而实现对木偶的每条胳膊、每条腿的控制，完成较为复杂的动作[4]。
　　第二代实验作品采用如下机械臂机构：
　　机械臂最上方是一个2.5Kg大舵机，该舵机固定在舞台的上方的横梁上，大舵机的下方是一个“工”字形的舵机支架，大，舵机的转动轴固定在“工”字支架的中间位置，当大舵机转动时可以控制其下方的其他结构和木偶转动，以达到转身效果。“工”字型结构的一端朝上开有四个小孔。另一端的近地面固定着是个9g小舵机，小舵机的转动轴上固定着条形结构长度刚好到达小孔下方，木偶四肢的提线由，上至下穿过小孔固定在条形结构的末端。当四个小舵机开始摆动时，木偶四肢的提线被拉动，以此控制木偶四肢的运动。
　　第一代实验作品因为舵机在运动时，控制木偶的提线不在同一水平线上抽动，导致木偶在运动时会出现极不协调的肢体动作。在重新设计机械臂结构以后，人偶肢体协调度得到显著改善。
　　3 实验结果
　　该实验可以通过编程实现对舵机多个舵机进行控制，多个舵机相互配合可以实现不同的动作，如抬手遮脸行走移动、转身、抬腿等动作，各动作相互配合，再配上传统木偶戏音乐，基本可以完成简单的表演，在该实验中，我们选的木偶人物为神话人物七仙女和董永，所选音乐为黄梅戏天仙配选段。
　　参考文献：
　　[1]叶明生.中国傀儡戏史-古代、近现代卷，Antiquity to moderm periods：古代、近现代卷Antiquity to modern periods[M].北京：中国戏剧出版社，2017.
　　[2]叶明生.台湾傀儡戏探源[J].台湾研究，2004（6）：52-55.
　　[3]闫洪猛.基于Arduino的移动机器人控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（7）：106.
　　[4]周榆淮，贾嫣，孙文燕，等.基于Arduino的提线木偶戏机器人的设计与实现[J].电脑知识与技术，2018，14（18）：193-195.
　　[通联编辑：梁书]
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