一种演奏扬琴的机器人机械结构的制作方法

本实用新型涉及一种演奏扬琴的机器人机械结构。主要涉及一种能模拟人手敲击的演奏扬琴的关节型机器人机械结构。

背景技术：

音乐机器人是音乐与科学交叉领域的应用科学，在国内外音乐机器人已具有一定的影响力，音乐机器人属于表演类特种机器人，国外对音乐机器人的研究以键盘乐器和弦乐器居多，还没有涉及对中国传统乐器—扬琴的自动演奏机器人的相关研究。目前国内已知的演奏机器人只有自贡市诚挚科技公司所设计的扬琴演奏机器人，其以机械臂带动气缸运动实现扬琴的演奏，但存在演奏稳定性差、敲击位置准确度差、噪声大等缺点。因此有必要开发一种新的能模拟人的上半身的多个关节及两支机械臂，能模拟人手稳定、精确地演奏，同时噪声小的演奏扬琴的机器人机械结构。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术的不足，而提供一种可以结合扬琴艺术表演形式，演奏噪声小、运动范围广，同时在外型上更接近于人类的肩、肘、腕关节，腰、手臂结构，更具有拟人化结构的一种扬琴演奏的机器人机械结构。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种演奏扬琴的机器人机械结构，包括结构完全相同且左右两侧对称安装的小臂、大臂、腕关节、肘关节、肩关节、腰部电机、腰部减速器和换位齿轮对；所述的腕关节设有手腕基座和手腕舵机；手腕基座通过钣金件与小臂下端连接，同侧手腕基座与手腕舵机连接，琴竹卡座固定在手腕舵机的输出轴上，扬琴的琴竹安装在琴竹卡座内；

所述的肘关节设有肘部基座、肘部支撑架和肘部舵机，每个肘部基座通过钣金件与同侧大臂下端连接，肘部基座与同侧肘部支撑架连接，肘部支撑架通过钣金件与同侧小臂上端固连，由肘部舵机驱动同侧肘部支撑架带动小臂旋转；

所述的肩关节设有肩部基座、肩部电机、肩部减速器和肩部支撑架，每个肩部减速器安装在同侧肩部基座上，两侧肩部电机分别与同侧肩部减速器相连，肩部减速器输出轴与同侧肩部支撑架相连，肩部电机通过肩部减速器后驱动肩部支撑架旋转，带动固连在肩部支撑架上的同侧大臂旋转；

所述的两侧腰部传动轴均通过两个轴承安装在上支撑板和下支承板上，上支撑板和下支撑板通过螺栓固定在一起，腰部传动轴上端通过平键和螺栓连接同侧肩部基座，所述的每侧换位齿轮对都有两个相同并相互啮合的换位齿轮，换位齿轮对中的一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部传动轴上，另一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部减速器输出轴上；

所述的同侧腰部电机通过腰部减速器并经换位齿轮对带动同侧肩部基座旋转，进而带动同侧机械臂整体以腰部传动轴为轴心做圆周运动，肩部电机驱动同侧大臂在竖直平面内以肩部支撑架为圆心做圆周运动，肘部舵机驱动同侧小臂在竖直平面内以肘部支撑架为圆心做圆周运动，实现琴竹卡座中的琴竹敲击点在预定的三维空间内定位；

演奏时两台腰部电机、两台肩部电机和两台肘部舵机，这三种驱动部件配合协同动作，将琴竹移动到指定敲击位置后，手腕舵机驱动琴竹实现敲击动作，使扬琴发声演奏。

所述的琴竹卡座与琴竹采用过盈配合，避免琴竹在往复敲击琴弦的过程中两者之间出现松动。

所述的左右两侧对称安装的两台肩部电机之间留有空隙，用于防止在两个腰部传动轴分别带动两台肩部电机旋转时出现干涉。

所述的换位齿轮对为同模数同齿数的两个完全相同的换位齿轮，用于将腰部电机的安装位置调整到更靠近机器人机械结构中轴线的位置。

本发明的关节型扬琴演奏机器人在演奏过程中，当需要敲击扬琴琴面上距离机器人机械结构最远的敲击点时，大臂和小臂构成的机械臂处于伸长状态，此时大臂和小臂可伸直成一条直线；当需要敲击扬琴琴面上距离机器人机械结构最近的敲击点时，机械臂处于收缩状态，此时机械臂的大臂与竖直平面呈锐角，大臂与小臂的夹角也为锐角。

安装本发明的关节型扬琴演奏机器人时，由于机械臂一定要在扬琴琴面上方，所以当大臂竖直下垂时，需要保证肘部的安装位置在扬琴琴面以上。

本实用新型的演奏扬琴的机器人机械结构与现有的技术相比具有的优点是：

⑴、本实用新型利用了三个转动副做为机器人的驱动定位机构，该机构具有运动范围大、动作灵活、结构紧凑等特点，使机器人机械结构体型适中，能很好地满足了扬琴机器人大范围敲击琴键的需求。

⑵、本实用新型采用了在外观结构上拟人化的多关节的设计，使两个机械臂的运动很灵活，相较于其他驱动方式的演奏扬琴机器人，本机器人机械结构敲击动作更形象、控制更简单，同时工作时噪声小，不会影响正常演奏效果，保证了敲击扬琴的音色。

⑶、本实用新型的机器人机械结构具有一定的通用性，可以将其应用到后续其他形式的音乐机器人结构中，同时为后续机器人设计提供设计思路，也为其他形式的机器人的开发与设计提供了基础和参考。

附图说明

图1为本实用新型的演奏扬琴的机器人机械结构整体结构示意图。

图2为本实用新型的机械臂伸缩位置示意图。

图3为本实用新型的腰部传动轴的结构示意图。

上述图中：1—琴竹；2—琴竹卡座；3—手腕基座；4—小臂；5—肘部支撑架；6—肘部基座；7—大臂；8—下支撑板；9—上支撑板；10—肩部减速器；11—肩部电机；12—肩部基座；13—肩部支撑架；14—换位齿轮；15—腰部减速器；16—腰部电机；17—肘部舵机；18—钣金件；19—手腕舵机；20—腰部传动轴；21—平键；22—空隙。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施不限于此。

实施例1：本实用新型提供一种演奏扬琴的机器人机械结构，其结构如图1、2所示。设有结构完全相同且左右两侧对称安装的小臂4、大臂7、腕关节、肩关节、肘关节、腰部电机16，腰部减速器15，腰部传动轴20和换位齿轮对14。

所述的腕关节设有手腕基座和手腕舵机；手腕基座3一侧通过钣金件18连接在小臂4上，同侧手腕基座3与手腕舵机19连接，琴竹卡座2固定在手腕舵机19的输出轴上，琴竹1安装在琴竹卡座2内。

所述的肘关节设有肘部基座6、肘部支撑架5和肘部舵机17，每个肘部基座6通过钣金件18与同侧大臂下侧连接，同侧肘部基座6与肘部支撑架连接，肘部支撑架通过钣金件18与同侧小臂4上端固连，由肘部舵机驱动肘部支撑架带动同侧小臂绕肘部支撑架5旋转。

所述的肩关节设有肩部基座12、肩部电机11、肩部减速器10和肩部支撑架13，同侧的肩部电机与肩部减速器10固连之后通过螺栓与肩部基座12固连，肩部支撑架与大臂通过钣金相连，肩部电机11驱动肩部减速器转动再由减速器输出轴通过平键驱动肩部支撑架，带动同侧的大臂7做绕肩部减速器的旋转运动。

腰部传动轴20的结构参见图3。腰部传动轴通过两个轴承安装在上支撑板9和下支承板8上，上支撑板和下支撑板通过螺栓固定在一起，腰部传动轴上端通过平键21和螺栓连接同侧肩部基座12，所述的每侧换位齿轮对14都有两个相同并相互啮合的换位齿轮，换位齿轮对中的一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部传动轴20上，另一个换位齿轮通过平键安装在同侧腰部减速器14输出轴上，换位齿轮对14为同模数同齿数的两个完全相同的换位齿轮，用于将腰部电机的安装位置调整到更靠近机器人中轴线的位置，避免机器人手臂在运动过程中与腰部电机发生干涉现象。

所述的对称安装的两台肩部电机之间留有空隙22，用于防止两台肩部电机在两个腰部传动轴分别带动旋转时出现干涉现象。

所述的同侧腰部电机16通过腰部减速器并经换位齿轮对14带动同侧肩部基座12旋转；进而带动同侧机械臂整体以腰部传动轴为轴心做圆周运动，所述的肩部电机11驱动同侧大臂7在竖直平面内以肩部支撑架13为圆心做圆周运动，肘部舵机17驱动同侧小臂4在竖直平面内以肘部支撑架5为圆心做圆周运动，实现琴竹卡座中的琴竹敲击点在预定的三维空间内定位。

演奏时两台腰部电机16、两台肩部电机11、两台肘部舵机17，这三种驱动部件配合协同动作，将琴竹移动到指定敲击位置，之后手腕舵机驱动琴竹实现敲击动作，使扬琴发声演奏。

本实用新型在演奏时需要扬琴的琴竹1末端的运动范围可以覆盖整个扬琴琴面上需要敲击的琴键点位，当演奏扬琴机器人需要敲击离机器人最远的点位时，此时机器人机械结构的大臂7与小臂4可成一直线，如图2中扬琴机器人左臂所示姿态；当演奏扬琴机器人需要敲击离机器人最近的点时，此时机器人机械结构中的大臂7绕肩关节的肩部支撑架13向机器人身后旋转，小臂4绕肘关节的肘部支撑架5向机器人肩部后旋转，直到敲击到最近点为止，如图2扬琴机器人右臂所示，为敲击最近点时的姿态。

本实用新型演奏扬琴机器人机械结构的结构简单，调试方便，容易控制，各关节和两机械臂运动灵活直观，运动范围广，演奏时噪音小，定位准确，演奏效果好。