基于Arduino的提线木偶戏机器人的设计与实现

周榆淮　贾嫣　孙文燕　楚鹏鸣　马万强

摘要：中国木偶戏历史悠久，具有突出的历史、文化和社会价值。但受时尚的流行歌舞冲击和娱乐多元化的影响，木偶戏已陷入后继乏人的濒危困境，在如何保护与发展的问题上，木偶戏和其他的传统文化面临着相同的难题，该项目应用机器人技术来解决这一问题。该文设计了多个舵机相互配合的机械结构，实现能完成复杂动作的高自由度机器人来模仿真实提线木偶表演者操作木偶的动作进行表演，并将大量的传统剧本转换成数据存储在数据库中，有益于木偶戏的传承、保存，供后人学习。

关键词：木偶戏；机器人；舵机；Arduino；文化遗产

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0193-03

1 背景

木偶戏在我国具有相当大的艺术价值和文化底蕴，并有极强的民族特色和旅游开发价值。木偶戏，古时又称为傀儡戏，是艺人通过操纵木制玩偶进行表演的戏剧形式。艺人操纵木偶的同时，跟随着音乐演唱，使木偶人栩栩如生，活灵活现地展示在观众面前。根据不同的操纵方式，可将它分为提线木偶，掌中木偶，杖头木偶，肉木偶以及药发木偶等。该文设计的木偶戏机器人主要针对提线木偶。

普遍的观点认为，木偶戏源于汉朝，在唐朝达到鼎盛时期，但在三国时期，就有艺人使用木偶表演杂技，隋代就已经出现木偶戏的表现形式。木偶戏是中华民族的文化瑰宝，历史源远流长，不仅在中国的古代甚为流行，而且流传到了国外。

现今木偶戏主要分布在福建省，陕西省等地，泉州市的木偶戏闻名于世界。比较著名的传统木偶戏有《武松打虎》，《孙悟空三打白骨精》等，现代剧有《英雄小八路》，《马兰花》等。早在2016年，木偶戏通过国务院的批准列入了第一批国家非物质文化遗产名录[1]。

随着全球化的趋势和社会环境的改变，外来文化和新兴文化对非物质文化是一种冲击。电影、电视、网络等新兴传媒方式的普及，改变了人们的意识形态[2]。人们对非物质文化遗产的兴趣逐渐减弱，不甚了解。导致传统技艺濒临消亡，传统艺人丢失工作。

木偶戏面临着后继无人的困境，人才断层和文化断层现象愈加明显。文革期间，木偶戏的发展严重停滞，传统艺人的技艺水准下降。对传承人的培养是木偶戏传承的关键，在选拔学员时，不仅要对学员的资质进行考察，最重要的是学员是否有传承的意愿和责任感，而不是追名逐利[3]。每个合格的木偶戏传承人需要10年的时间才能达到独立表演的程度，而最佳的招收年龄是13至16岁。但在现今的教育体制下，父母更愿意让孩子读大学，而不是学习传统技艺。加上培训机构的缺少，更难招收到优秀的学员。这些都是传承木偶戏的阻碍。

随着科技的发展，信息化时代的到来，信息数字化逐渐成为社会的发展趋势。例如数字化图书馆，数字博物馆，数字校园等。数字化的存储容量大，信息不容易丢失，正符合非物质文化遗产的保护与传承。近几年来，国家越来越重视非物质文化遗产的保护与传承，有立法命名保护，博物馆保护等。但这些只是将资料文献加以保护，并没有起到实质性作用，再加上木偶戏传承人的缺失，导致我国木偶戏文化遭到极大的制约。为弘扬与发展即将濒临消失民族文化遗产之一的木偶戏，该文研发的提线木偶戏机器人，让大众重新感受到木偶戏的魅力。

提线木偶戏机器人可以将木偶戏的生动形象展现在观众面前，给观众带来视觉上的冲击，让观众感受到木偶戏的独特魅力，而不是局限于文字图片。木偶戏机器人通过多个舵机相互配合的机械结构，能完成较为复杂的动作，模仿真实提线木偶表演者操作木偶的动作而进行表演。并且大量的剧本可以转化成数据保存在数据库中。有益于化解木偶戏传承中后继无人的危机，解决剧本失传的问题。

2 硬件系统设计

提线木偶戏机器人由驱动底座和机械臂组成。驱动底座采用前輪驱动，左右前轮各用一个直流电机驱动，实现水平方向移动的功能。机械臂由1个大扭力舵机和4个9g舵机构成，实现提线动作，可以控制木偶灵活移动，完成表演动作。系统主要包括5个模块：Arduino控制器模块、电源模块、电机驱动模块、舵机模块、按钮开关模块。系统功能如图1所示[4]。

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{6}。

该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。

2.2 按钮开关模块

按钮开关是开关的一种，通过按下按钮和松开按钮来接通或断开电路，来控制电路的启停。该系统采用的按钮开关是标配四引脚大轻触按钮，共有4个引脚如图2所示，其中1号引脚和2号引脚始终相连（以下我们称它为A脚）；3号引脚和4号引脚始终相连（以下我们叫它B脚），不按按钮的情况下A脚和B脚互不连通；当按钮按下时，A脚和B脚连接，电路接通。

2.3 电机驱动模块

TT电机，直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。该系统采用的电机是PHTT马达1：48，1：48为减速比，工作电压3～6V，扭矩0.8kg/cm，高转速中扭矩，适合驱动底座的设计要求。木偶固定在驱动底座上，电机驱动底座的左右前轮完成前进或后退动作，带动木偶做出移动的动作。

2.4 舵机模块

舵机是一种位置伺服的驱动器，具有闭环控制系统的机电结构，由小型直流电机、变速齿轮组、可调电位器、控制板等部件组成[7]。该系统采用两种舵机模块，一种是Arduino标配的9g舵机，共有三根引脚：电源线、地线和控制信号输入线。舵机脉宽为0.5～2.5ms，工作电压为4.8～6V，转角0°～180°。另一种是大扭力金属模拟舵机MG996R，两种舵机具有相同的马达。当给舵机提供一定的脉宽，输出轴就会保持在一个相对应的角度上，当外界转矩发生变化时，输出角度依然不变。只有当提供另外一种宽度的脉冲信号，他才会改变输出角度到新的对应的位置上[8]。

该系统使用4个9g舵机实现对木偶四肢的控制，大扭力舵机实现对木偶自转的控制。多个舵机控制采用16通道PWM控制器舵机控制模块进行控制。PWM舵机驱动控制器，用2个引脚通过I2C的SDA和SCL引脚就可以驱动16个舵机同时运转。工作电压2.3～5.5V，25MHZ内部晶振，最大允许50MHZ的外部输入时钟，低待机电流。舵机工作原理如图3所示：

2.5 电源模块

电源，是把其他形式的能转换成电能的装置，能不断输出电能的电动势源。可靠性高的电源要同时兼顾电压范围、电流容量、电流转换效率及噪声处理等问题。该系统采用5号电池盒安装5号碱性电池供电，一节碱性电池的电压是1.5V，四节5号电池串联提供6V工作电压，满足系统的用电需求。系统供电图如图4所示。

3结构设计及实现

3.1 结构设计

提线木偶戏机器人系统由4部分组成，分别是舞台、驱动底座、机械臂、木偶。驱动底座置于舞台幕布后方水平方向的轨道上，机械臂置于舞台上方。

驱动底座由四个轮子和底盘构成，其左右前轮各用一个直流电机驱动。将驱动底座置于平行于舞台幕布的轨道上，使得其可以在水平方向上自由移动，从而带动机械臂在舞台的水平方向上移动，实现木偶可以在舞台上自由行走的动作。

机械臂的结构设计如图5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。

3.2 程序设计

该文设计的提线木偶戏机器人的控制程序主要由单片机初始化、电机驱动及舵机驱动与控制组成。首先初始化单片机，之后调用直流电机的前进、后退程序，控制木偶戏机器人在水平方向移动，然后调用舵机控制程序，控制木偶的双手、双脚完成相应动作。程序流程图如图6所示。

3.3 实验结果

实验使用孙悟空这一西游记经典形象作为提线木偶，通过实验，本款提线木偶戏机器人通过分别牵引木偶双腿上的线绳可以控制木偶完成双腿协调运动，在舞台上移动的行走动作；通过牵引木偶上身部分两条线绳可以完成木偶的转身动作；通过牵引木偶腿部和手臂上的线绳可以分别完成踢腿和舞棍的动作；通过读取编写好的程序，可以按照要求完成简单剧本的表演。

实验显示出，该文设计的提线木偶戏机器人能够表演简单的剧本，能够较好、较灵活的完成转身、踢腿的动作，但行走的动作表现较为僵硬，舞棍的动作完成的不够完整。后期仍需在结构和程序上进行改进和提高。

4 总结与展望

该文设计了一款基于Arduino平台的提线木偶戏机器人，系统由Arduino控制器模块、电源模块、电机驱动模块、舵机模块、按键模块等五种模块构成，通过舵机的配合实现对木偶身体各部位的控制，可以完成较为复杂的动作。本款机器人在对木偶的精确控制上仍有不足，后期将在精确控制方面进行改进，将传统经典木偶戏剧本以机器人的方式呈现出来。在弘扬提线木偶戏这项非物质文化遗产上贡献微薄之力。

参考文献：

[1] 吕炳斌， 王小维. 体育非物质文化遗产数字化保护的法律问题研究[J]. 体育与科学， 2013， 34（3）： 57-61.

[2] 黄益军， 王纯婷. 非物质文化遗产的保护性旅游开发——以泉州提线木偶戏为例[J]. 宜宾学院学报， 2012， 12（3）： 81-85.

[3] 潘志琪. 從泰顺木偶戏谈地方戏剧的保护和发展[J]. 戏剧： 中央戏剧学院学报， 2006（2）： 89-97.

[4] 吴秉慧， 徐嘉欢， 高超禹， 等. 小型自动灭火机器人[J]. 软件， 2015， 36（11）： 56-60.

[5] 漆才杰， 戴国斌. 太极（定步）推手动作识别系统的设计与研制[J]. 武汉体育学院学报， 2015， 49（8）： 52-56.

[6] 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.

[7] 胡小江， 董飞垚， 雷虎民， 等. 基于虚拟仪器的舵机半实物仿真系统研究[J]. 测控技术， 2011（1）.

[8] 蒙清华， 王忠庆， 刘长明. 基于松下FP0PLC的MG995舵机控制系统实现[J]. 科技信息， 2011（14）.