基于树莓派的自动弹吉他机器人系统设计

摘要：为实现吉他演奏的自动化，文章设计了一种基于树莓派的自动弹吉他机器人系统。该系统以树莓派为主控制器，配备了舵机驱动模块、摄像头模块、电源模块和电机驱动模块，舵机驱动模块用于驱动舵机实现弦拨和按压品位，电机驱动模块根据吉他谱信息控制步进电机运动，从而实现按压舵机的轴向移动。设计的自动弹吉他机器人系统具有自动识别吉他谱的功能，为音乐科技领域的发展提供了一种技术解决方案。

关键词：树莓派；驱动模块；自动弹吉他；机器人

中图分类号：TP29文献标志码：A

0 引言

在科技不断发展的背景下，“智能”已深入人们的日常生活中。为了满足人们日益增长的需求，乐器也需要不断地进行升级和改变，以更好地融入“智能”时代。目前，乐器演奏仍主要依赖于具备音乐基础的专业人士，这对很多人而言是巨大的挑战。随着机器人相关领域的技术进步与创新成果的应用，音乐机器人的研究与开发取得了重大突破，但也带来了一系列新的挑战。音乐作为一种无国界的情感连接方式，能够触动人们的心灵，引发共鸣。吉他作为一种深受大众喜爱的乐器，其丰富的表现力和独特的音色赢得了众多音乐爱好者的喜爱。对于许多学习者而言，学习吉他弹奏并非易事，需要投入大量的时间和精力进行练习。为了解决这个问题，学者们一直在寻求科技与音乐的结合方式，最终诞生了自动弹吉他机器人［1］。这一创新不仅简化了吉他弹奏和学习的过程，还增强了娱乐性质和科学创新的意义。

通过运用先进的人工智能技术，自动弹吉他机器人能够准确地识别用户的演奏方式和节奏，然后进行精准地模仿和改进。机器人能够提供个性化的学习方案，根据学习者的特点和进度进行调整，使学习过程更加高效和有趣。此外，机器人的设计还充分考虑了实用性和耐用性，确保其能够长时间稳定地工作，为使用者提供持续稳定的演奏体验。总体而言，自动弹吉他机器人的出现是科技与音乐相结合的产物，其不仅简化了吉他学习的过程，提高了学习效率，还为音乐爱好者带来了更多的乐趣和挑战。这无疑是对传统音乐教育的一种创新和拓展，预示着音乐教育未来的更多可能性。

1 系统整体设计

自动弹吉他机器人系统以树莓派为核心，集成了一系列硬件模块，包括步进电机模块、舵机驱动模块、USB摄像头、显示屏模块和LED指示灯模块等，构成了一个完整的系统，系统结构如图1所示。主控芯片采用树莓派，通过USB摄像头捕获吉他谱图像，然后通过图像识别技术提取吉他谱信息。这些信息被用于控制显示屏模块、LED指示灯模块、电机驱动模块以及舵机驱动模块，实现了自动弹奏功能。

2 硬件电路设计

控制系统是机器人中最为关键的部分［2］。在硬件系统的选型方面，步进电机驱动模块采用A4988模块，并配备42步进电机，舵机模块选用了PCA9685，显示屏模块采用了OLED显示屏。系统不仅具备自动弹奏功能，其硬件选型还充分考虑了性能和实用性，如OLED显示屏由于具备自发光的特性，其在应用中具有广泛的优势。总体而言，这个系统设计合理，硬件系统基本确定，为接下来的开发工作打下了坚实的基础。

2.1 步进电机驱动电路

在步进电机驱动电路方面，A4988步进电机驱动模块由电源电路、电机驱动电路、控制电路和反馈电路组成。作为一个全桥驱动芯片，其通过控制4个MOSFET的导通和关断来实现对电机的驱动。在需要电机正转时，A4988会控制2个上桥臂的MOSFET导通，同时关闭2个下桥臂的MOSFET，从而使得电流从A相流入B相，推动电机正转［3］。此外，A4988还能通过调节脉冲宽度（Pulse Width Modulation，PWM）来控制电机的转速，A4988的电路如图2所示。

VBB是A4988模块的供电引脚，接收电压范围为8～35 V的电源。只有使能（ENABLE）端口连接+A4988才能使其正常工作；若VBB接收0，则A4988模块进入休眠状态停止工作。通过MS1、MS2和MS3端口接收不同的高低电平设置，系统可以细分控制压品舵机的位置，从而实现更加精确地控制。

2.2 舵机驱动模块

PCA9685舵机驱动模块是一种常用的PWM驱动器芯片，通常用于控制舵机、电机和其他需要精确控制的设备。该芯片可以通过I2C总线与微控制器或单片机通信，以实现对多路PWM信号的生成和控制。PCA9685电路原理如图3所示，其能够同时控制最多16路PWM输出，每路输出的占空比都可以独立设置，并且提供了12位分辨率的PWM输出，实现精细地输出控制。该芯片内置振荡器，可产生稳定的25 MHz时钟信号，无需外部晶振，可以通过配置寄存器设置PWM输出的频率。使用标准的I2C串行总线接口与主控设备通信，方便集成到不同微控制器系统中，每路PWM输出都具有较强的驱动能力，可直接驱动舵机或其他负载。

2.3 OLED显示模块

系统使用OLED12864显示屏来显示文字信息。OLED12864是一种常见的液晶显示屏模块，采用有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）技术显示图像，分辨率是128×64像素。大多数OLED12864模块能够显示单色图像，通常是白色或蓝色，也有一些特殊版本能够显示双色或多彩图像，通过SPI接口或I2C接口与主控通信，工作电压范围一般为3.3～5.0 V。由于小巧的尺寸和低功耗特性，OLED12864模块常用于便携式设备、工业控制系统和智能家居设备等领域，用于显示简单的文本、图像或状态信息。

3 软件设计

3.1 步进电机驱动流程

步进电机驱动模块的主要作用是控制42步进电机的正反转和速度，使得压品舵机停止在预定位置。在该流程中，系统首先要初始化所有步进电机位置，然后发送脉冲指令控制电机转动并通过反馈电路确认位置和速度。如果位置和速度未达到目标，则发送修正脉冲，直到完成目标［4］。

3.2 PCA9685舵机驱动流程

在PCA9685舵机驱动流程中，系统首先对拨弦舵机和压品舵机进行初始化，再根据USB摄像头捕获的吉他谱数据转换成相应舵机的控制信号。拨弦舵机和压品舵机分为置位和复位2种状态。在等待控制指令的过程中，如果收到来自树莓派的控制指令，判断是否需要拨弦及按压品位，执行相应动作完成演奏［5］。

3.3 OLED显示流程

OLED模块的作用是将系统的状态和工作方式呈现给用户，让用户更直观地了解自动弹吉他机器人系统的工作状态。OLED模块在工作时首先需要进行初始化，当用户想让机器人自动弹奏吉他时，只需将乐谱放在摄像头下并点击按钮。此时，OLED屏幕将显示“乐谱识别中”。当吉他谱识别成功时，屏幕将显示“识别完成”，并在弹奏时显示相应的音符。

4 结语

设计的自动弹吉他机器人系统采用树莓派作为主控制器，结合舵机驱动模块、步进电机驱动模块、显示屏模块等组件构建而成。系统利用USB摄像头捕获吉他谱信息，将其转换为舵机和步进电机的驱动信号，通过A4988和PCA9685驱动步进电机和舵机，实现自动拨弦和压品2个动作，通过OLED12864显示屏和LED指示灯呈现机器的工作状态和演奏的音符，各模块协同工作，实现了自动弹吉他的功能。

自动弹吉他机器人的推出为音乐教育和娱乐产业带来了新的机遇，既可作为一种教学工具帮助学习吉他弹奏，又可作为一种娱乐产品，为人们带来全新的音乐体验。自动弹吉他机器人是音乐与科技的结合，随着技术的不断发展，其性能将不断提升，应用场景也将不断扩展，为人们带来更多的惊喜和乐趣，加速音乐领域智能化的进程。

参考文献

［1］郭峰，钱黎明，沈煜，等.吉他演奏机器人的机械结构设计［J］.机械设计与制造，2020（1）：248-250，255.

［2］XU Fumei，XIA Yu，WU Xiaorun. An adaptive control framework based multi-modal information-driven dance composition model for musical robots［J］. Frontiers in Neurorobotics， 2023（17）：1270652.

［3］吴文莉.音乐风格和节拍识别及其在表演机器人上的应用［D］.上海：东华大学，2020.

［4］匡畅，钱奕辰，梁浩明.基于单片机的四足智能机器人设计与实现［J］.无线互联科技，2022（9）：74-76.

［5］张亮，赵飞跃.基于STM32-PCA9685的四足机器人控制系统设计［J］.南方农机，2020（14）：117-119.

Design of automatic guitar playing robot system based on Raspberry PI

Abstract： In order to realize the automation of guitar playing，this paper designs an automatic guitar playing robot system based on Raspberry PI. The system takes Raspberry PI as the main controller and is equipped with steering gear drive module，camera module，power module and motor drive module. The steering gear drive module is used to drive the steering gear to achieve string picking and press grade. The motor drive module controls the motion of the stepper motor according to the guitar spectrum information，so as to realize the axial movement of the steering gear. The designed automatic guitar playing robot system has the function of automatically identifying guitar spectrum，which provides a technical solution for the development of music science and technology.

Key words： Raspberry PI; drive module; automatic guitar; robot