本實用新型涉及一種演奏揚琴的機器人機械結構。主要涉及一種能模擬人手敲擊的演奏揚琴的關節型機器人機械結構。

背景技術：

音樂機器人是音樂與科學交叉領域的應用科學，在國內外音樂機器人已具有一定的影響力，音樂機器人屬于表演類特種機器人，國外對音樂機器人的研究以鍵盤樂器和弦樂器居多，還沒有涉及對中國傳統樂器—揚琴的自動演奏機器人的相關研究。目前國內已知的演奏機器人只有自貢市誠摯科技公司所設計的揚琴演奏機器人，其以機械臂帶動氣缸運動實現揚琴的演奏，但存在演奏穩定性差、敲擊位置準確度差、噪聲大等缺點。因此有必要開發一種新的能模擬人的上半身的多個關節及兩支機械臂，能模擬人手穩定、精確地演奏，同時噪聲小的演奏揚琴的機器人機械結構。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于解決現有技術的不足，而提供一種可以結合揚琴藝術表演形式，演奏噪聲小、運動范圍廣，同時在外型上更接近于人類的肩、肘、腕關節，腰、手臂結構，更具有擬人化結構的一種揚琴演奏的機器人機械結構。

為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是：提供一種演奏揚琴的機器人機械結構，包括結構完全相同且左右兩側對稱安裝的小臂、大臂、腕關節、肘關節、肩關節、腰部電機、腰部減速器和換位齒輪對；所述的腕關節設有手腕基座和手腕舵機；手腕基座通過鈑金件與小臂下端連接，同側手腕基座與手腕舵機連接，琴竹卡座固定在手腕舵機的輸出軸上，揚琴的琴竹安裝在琴竹卡座內；

所述的肘關節設有肘部基座、肘部支撐架和肘部舵機，每個肘部基座通過鈑金件與同側大臂下端連接，肘部基座與同側肘部支撐架連接，肘部支撐架通過鈑金件與同側小臂上端固連，由肘部舵機驅動同側肘部支撐架帶動小臂旋轉；

所述的肩關節設有肩部基座、肩部電機、肩部減速器和肩部支撐架，每個肩部減速器安裝在同側肩部基座上，兩側肩部電機分別與同側肩部減速器相連，肩部減速器輸出軸與同側肩部支撐架相連，肩部電機通過肩部減速器后驅動肩部支撐架旋轉，帶動固連在肩部支撐架上的同側大臂旋轉；

所述的兩側腰部傳動軸均通過兩個軸承安裝在上支撐板和下支承板上，上支撐板和下支撐板通過螺栓固定在一起，腰部傳動軸上端通過平鍵和螺栓連接同側肩部基座，所述的每側換位齒輪對都有兩個相同并相互嚙合的換位齒輪，換位齒輪對中的一個換位齒輪通過平鍵安裝在同側腰部傳動軸上，另一個換位齒輪通過平鍵安裝在同側腰部減速器輸出軸上；

所述的同側腰部電機通過腰部減速器并經換位齒輪對帶動同側肩部基座旋轉，進而帶動同側機械臂整體以腰部傳動軸為軸心做圓周運動，肩部電機驅動同側大臂在豎直平面內以肩部支撐架為圓心做圓周運動，肘部舵機驅動同側小臂在豎直平面內以肘部支撐架為圓心做圓周運動，實現琴竹卡座中的琴竹敲擊點在預定的三維空間內定位；

演奏時兩臺腰部電機、兩臺肩部電機和兩臺肘部舵機，這三種驅動部件配合協同動作，將琴竹移動到指定敲擊位置后，手腕舵機驅動琴竹實現敲擊動作，使揚琴發聲演奏。

所述的琴竹卡座與琴竹采用過盈配合，避免琴竹在往復敲擊琴弦的過程中兩者之間出現松動。

所述的左右兩側對稱安裝的兩臺肩部電機之間留有空隙，用于防止在兩個腰部傳動軸分別帶動兩臺肩部電機旋轉時出現干涉。

所述的換位齒輪對為同模數同齒數的兩個完全相同的換位齒輪，用于將腰部電機的安裝位置調整到更靠近機器人機械結構中軸線的位置。

本發明的關節型揚琴演奏機器人在演奏過程中，當需要敲擊揚琴琴面上距離機器人機械結構最遠的敲擊點時，大臂和小臂構成的機械臂處于伸長狀態，此時大臂和小臂可伸直成一條直線；當需要敲擊揚琴琴面上距離機器人機械結構最近的敲擊點時，機械臂處于收縮狀態，此時機械臂的大臂與豎直平面呈銳角，大臂與小臂的夾角也為銳角。

安裝本發明的關節型揚琴演奏機器人時，由于機械臂一定要在揚琴琴面上方，所以當大臂豎直下垂時，需要保證肘部的安裝位置在揚琴琴面以上。

本實用新型的演奏揚琴的機器人機械結構與現有的技術相比具有的優點是：

⑴、本實用新型利用了三個轉動副做為機器人的驅動定位機構，該機構具有運動范圍大、動作靈活、結構緊湊等特點，使機器人機械結構體型適中，能很好地滿足了揚琴機器人大范圍敲擊琴鍵的需求。

⑵、本實用新型采用了在外觀結構上擬人化的多關節的設計，使兩個機械臂的運動很靈活，相較于其他驅動方式的演奏揚琴機器人，本機器人機械結構敲擊動作更形象、控制更簡單，同時工作時噪聲小，不會影響正常演奏效果，保證了敲擊揚琴的音色。

⑶、本實用新型的機器人機械結構具有一定的通用性，可以將其應用到后續其他形式的音樂機器人結構中，同時為后續機器人設計提供設計思路，也為其他形式的機器人的開發與設計提供了基礎和參考。

附圖說明

圖1為本實用新型的演奏揚琴的機器人機械結構整體結構示意圖。

圖2為本實用新型的機械臂伸縮位置示意圖。

圖3為本實用新型的腰部傳動軸的結構示意圖。

上述圖中：1—琴竹；2—琴竹卡座；3—手腕基座；4—小臂；5—肘部支撐架；6—肘部基座；7—大臂；8—下支撐板；9—上支撐板；10—肩部減速器；11—肩部電機；12—肩部基座；13—肩部支撐架；14—換位齒輪；15—腰部減速器；16—腰部電機；17—肘部舵機；18—鈑金件；19—手腕舵機；20—腰部傳動軸；21—平鍵；22—空隙。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施不限于此。

實施例1：本實用新型提供一種演奏揚琴的機器人機械結構，其結構如圖1、2所示。設有結構完全相同且左右兩側對稱安裝的小臂4、大臂7、腕關節、肩關節、肘關節、腰部電機16，腰部減速器15，腰部傳動軸20和換位齒輪對14。

所述的腕關節設有手腕基座和手腕舵機；手腕基座3一側通過鈑金件18連接在小臂4上，同側手腕基座3與手腕舵機19連接，琴竹卡座2固定在手腕舵機19的輸出軸上，琴竹1安裝在琴竹卡座2內。

所述的肘關節設有肘部基座6、肘部支撐架5和肘部舵機17，每個肘部基座6通過鈑金件18與同側大臂下側連接，同側肘部基座6與肘部支撐架連接，肘部支撐架通過鈑金件18與同側小臂4上端固連，由肘部舵機驅動肘部支撐架帶動同側小臂繞肘部支撐架5旋轉。

所述的肩關節設有肩部基座12、肩部電機11、肩部減速器10和肩部支撐架13，同側的肩部電機與肩部減速器10固連之后通過螺栓與肩部基座12固連，肩部支撐架與大臂通過鈑金相連，肩部電機11驅動肩部減速器轉動再由減速器輸出軸通過平鍵驅動肩部支撐架，帶動同側的大臂7做繞肩部減速器的旋轉運動。

腰部傳動軸20的結構參見圖3。腰部傳動軸通過兩個軸承安裝在上支撐板9和下支承板8上，上支撐板和下支撐板通過螺栓固定在一起，腰部傳動軸上端通過平鍵21和螺栓連接同側肩部基座12，所述的每側換位齒輪對14都有兩個相同并相互嚙合的換位齒輪，換位齒輪對中的一個換位齒輪通過平鍵安裝在同側腰部傳動軸20上，另一個換位齒輪通過平鍵安裝在同側腰部減速器14輸出軸上，換位齒輪對14為同模數同齒數的兩個完全相同的換位齒輪，用于將腰部電機的安裝位置調整到更靠近機器人中軸線的位置，避免機器人手臂在運動過程中與腰部電機發生干涉現象。

所述的對稱安裝的兩臺肩部電機之間留有空隙22，用于防止兩臺肩部電機在兩個腰部傳動軸分別帶動旋轉時出現干涉現象。

所述的同側腰部電機16通過腰部減速器并經換位齒輪對14帶動同側肩部基座12旋轉；進而帶動同側機械臂整體以腰部傳動軸為軸心做圓周運動，所述的肩部電機11驅動同側大臂7在豎直平面內以肩部支撐架13為圓心做圓周運動，肘部舵機17驅動同側小臂4在豎直平面內以肘部支撐架5為圓心做圓周運動，實現琴竹卡座中的琴竹敲擊點在預定的三維空間內定位。

演奏時兩臺腰部電機16、兩臺肩部電機11、兩臺肘部舵機17，這三種驅動部件配合協同動作，將琴竹移動到指定敲擊位置，之后手腕舵機驅動琴竹實現敲擊動作，使揚琴發聲演奏。

本實用新型在演奏時需要揚琴的琴竹1末端的運動范圍可以覆蓋整個揚琴琴面上需要敲擊的琴鍵點位，當演奏揚琴機器人需要敲擊離機器人最遠的點位時，此時機器人機械結構的大臂7與小臂4可成一直線，如圖2中揚琴機器人左臂所示姿態；當演奏揚琴機器人需要敲擊離機器人最近的點時，此時機器人機械結構中的大臂7繞肩關節的肩部支撐架13向機器人身后旋轉，小臂4繞肘關節的肘部支撐架5向機器人肩部后旋轉，直到敲擊到最近點為止，如圖2揚琴機器人右臂所示，為敲擊最近點時的姿態。

本實用新型演奏揚琴機器人機械結構的結構簡單，調試方便，容易控制，各關節和兩機械臂運動靈活直觀，運動范圍廣，演奏時噪音小，定位準確，演奏效果好。