基于Arduino的提線木偶戲機器人的設計與實現

周榆淮　賈嫣　孫文燕　楚鵬鳴　馬萬強

摘要：中國木偶戲歷史悠久，具有突出的歷史、文化和社會價值。但受時尚的流行歌舞沖擊和娛樂多元化的影響，木偶戲已陷入后繼乏人的瀕危困境，在如何保護與發展的問題上，木偶戲和其他的傳統文化面臨著相同的難題，該項目應用機器人技術來解決這一問題。該文設計了多個舵機相互配合的機械結構，實現能完成復雜動作的高自由度機器人來模仿真實提線木偶表演者操作木偶的動作進行表演，并將大量的傳統劇本轉換成數據存儲在數據庫中，有益于木偶戲的傳承、保存，供后人學習。

關鍵詞：木偶戲；機器人；舵機；Arduino；文化遺產

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）18-0193-03

1 背景

木偶戲在我國具有相當大的藝術價值和文化底蘊，并有極強的民族特色和旅游開發價值。木偶戲，古時又稱為傀儡戲，是藝人通過操縱木制玩偶進行表演的戲劇形式。藝人操縱木偶的同時，跟隨著音樂演唱，使木偶人栩栩如生，活靈活現地展示在觀眾面前。根據不同的操縱方式，可將它分為提線木偶，掌中木偶，杖頭木偶，肉木偶以及藥發木偶等。該文設計的木偶戲機器人主要針對提線木偶。

普遍的觀點認為，木偶戲源于漢朝，在唐朝達到鼎盛時期，但在三國時期，就有藝人使用木偶表演雜技，隋代就已經出現木偶戲的表現形式。木偶戲是中華民族的文化瑰寶，歷史源遠流長，不僅在中國的古代甚為流行，而且流傳到了國外。

現今木偶戲主要分布在福建省，陜西省等地，泉州市的木偶戲聞名于世界。比較著名的傳統木偶戲有《武松打虎》，《孫悟空三打白骨精》等，現代劇有《英雄小八路》，《馬蘭花》等。早在2016年，木偶戲通過國務院的批準列入了第一批國家非物質文化遺產名錄[1]。

隨著全球化的趨勢和社會環境的改變，外來文化和新興文化對非物質文化是一種沖擊。電影、電視、網絡等新興傳媒方式的普及，改變了人們的意識形態[2]。人們對非物質文化遺產的興趣逐漸減弱，不甚了解。導致傳統技藝瀕臨消亡，傳統藝人丟失工作。

木偶戲面臨著后繼無人的困境，人才斷層和文化斷層現象愈加明顯。文革期間，木偶戲的發展嚴重停滯，傳統藝人的技藝水準下降。對傳承人的培養是木偶戲傳承的關鍵，在選拔學員時，不僅要對學員的資質進行考察，最重要的是學員是否有傳承的意愿和責任感，而不是追名逐利[3]。每個合格的木偶戲傳承人需要10年的時間才能達到獨立表演的程度，而最佳的招收年齡是13至16歲。但在現今的教育體制下，父母更愿意讓孩子讀大學，而不是學習傳統技藝。加上培訓機構的缺少，更難招收到優秀的學員。這些都是傳承木偶戲的阻礙。

隨著科技的發展，信息化時代的到來，信息數字化逐漸成為社會的發展趨勢。例如數字化圖書館，數字博物館，數字校園等。數字化的存儲容量大，信息不容易丟失，正符合非物質文化遺產的保護與傳承。近幾年來，國家越來越重視非物質文化遺產的保護與傳承，有立法命名保護，博物館保護等。但這些只是將資料文獻加以保護，并沒有起到實質性作用，再加上木偶戲傳承人的缺失，導致我國木偶戲文化遭到極大的制約。為弘揚與發展即將瀕臨消失民族文化遺產之一的木偶戲，該文研發的提線木偶戲機器人，讓大眾重新感受到木偶戲的魅力。

提線木偶戲機器人可以將木偶戲的生動形象展現在觀眾面前，給觀眾帶來視覺上的沖擊，讓觀眾感受到木偶戲的獨特魅力，而不是局限于文字圖片。木偶戲機器人通過多個舵機相互配合的機械結構，能完成較為復雜的動作，模仿真實提線木偶表演者操作木偶的動作而進行表演。并且大量的劇本可以轉化成數據保存在數據庫中。有益于化解木偶戲傳承中后繼無人的危機，解決劇本失傳的問題。

2 硬件系統設計

提線木偶戲機器人由驅動底座和機械臂組成。驅動底座采用前輪驅動，左右前輪各用一個直流電機驅動，實現水平方向移動的功能。機械臂由1個大扭力舵機和4個9g舵機構成，實現提線動作，可以控制木偶靈活移動，完成表演動作。系統主要包括5個模塊：Arduino控制器模塊、電源模塊、電機驅動模塊、舵機模塊、按鈕開關模塊。系統功能如圖1所示[4]。

2.1 Arduino控制器模塊

Arduino是一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，構建于開放原始碼simple I/O介面板，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。Arduino包含兩個主要的部分{5}：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是Arduino IDE程序開發環境。在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，Arduino主控板就會根據程序執行相應的任務。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。主控板上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器{6}。

該系統所采用的主控板是Arduino UNO R3開發板，主控板主要負責接收按鈕發送的信號，在接收到信號后控制電機和舵機運轉，完成對電機的 PWM 調速和舵機的轉動角度控制，控制各個舵機運轉完成預期動作。

2.2 按鈕開關模塊

按鈕開關是開關的一種，通過按下按鈕和松開按鈕來接通或斷開電路，來控制電路的啟停。該系統采用的按鈕開關是標配四引腳大輕觸按鈕，共有4個引腳如圖2所示，其中1號引腳和2號引腳始終相連（以下我們稱它為A腳）；3號引腳和4號引腳始終相連（以下我們叫它B腳），不按按鈕的情況下A腳和B腳互不連通；當按鈕按下時，A腳和B腳連接，電路接通。

2.3 電機驅動模塊

TT電機，直流減速電機，即齒輪減速電機，是在普通直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。該系統采用的電機是PHTT馬達1：48，1：48為減速比，工作電壓3～6V，扭矩0.8kg/cm，高轉速中扭矩，適合驅動底座的設計要求。木偶固定在驅動底座上，電機驅動底座的左右前輪完成前進或后退動作，帶動木偶做出移動的動作。

2.4 舵機模塊

舵機是一種位置伺服的驅動器，具有閉環控制系統的機電結構，由小型直流電機、變速齒輪組、可調電位器、控制板等部件組成[7]。該系統采用兩種舵機模塊，一種是Arduino標配的9g舵機，共有三根引腳：電源線、地線和控制信號輸入線。舵機脈寬為0.5～2.5ms，工作電壓為4.8～6V，轉角0°～180°。另一種是大扭力金屬模擬舵機MG996R，兩種舵機具有相同的馬達。當給舵機提供一定的脈寬，輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，當外界轉矩發生變化時，輸出角度依然不變。只有當提供另外一種寬度的脈沖信號，他才會改變輸出角度到新的對應的位置上[8]。

該系統使用4個9g舵機實現對木偶四肢的控制，大扭力舵機實現對木偶自轉的控制。多個舵機控制采用16通道PWM控制器舵機控制模塊進行控制。PWM舵機驅動控制器，用2個引腳通過I2C的SDA和SCL引腳就可以驅動16個舵機同時運轉。工作電壓2.3～5.5V，25MHZ內部晶振，最大允許50MHZ的外部輸入時鐘，低待機電流。舵機工作原理如圖3所示：

2.5 電源模塊

電源，是把其他形式的能轉換成電能的裝置，能不斷輸出電能的電動勢源?？煽啃愿叩碾娫匆瑫r兼顧電壓范圍、電流容量、電流轉換效率及噪聲處理等問題。該系統采用5號電池盒安裝5號堿性電池供電，一節堿性電池的電壓是1.5V，四節5號電池串聯提供6V工作電壓，滿足系統的用電需求。系統供電圖如圖4所示。

3結構設計及實現

3.1 結構設計

提線木偶戲機器人系統由4部分組成，分別是舞臺、驅動底座、機械臂、木偶。驅動底座置于舞臺幕布后方水平方向的軌道上，機械臂置于舞臺上方。

驅動底座由四個輪子和底盤構成，其左右前輪各用一個直流電機驅動。將驅動底座置于平行于舞臺幕布的軌道上，使得其可以在水平方向上自由移動，從而帶動機械臂在舞臺的水平方向上移動，實現木偶可以在舞臺上自由行走的動作。

機械臂的結構設計如圖5所示，由1個大扭力舵機和4個9g舵機構成，能夠基本滿足提線木偶戲表演的操作需求，具有結構簡單、重量輕、易組裝的特點，同時也滿足了提線木偶表演的強度需要。舵機A為大扭力舵機，通過轉動，帶動十字架型機械臂及4個9g舵機的位置移動，從而實現提線木偶的轉身動作。舵機1、舵機2、舵機3、舵機4為9g舵機，每個舵機上分別牽引著木偶雙手和雙腳上的線，通過程序控制每個舵機的轉動，從而實現對木偶的每條胳膊、每條腿的控制，完成較為復雜的動作。

3.2 程序設計

該文設計的提線木偶戲機器人的控制程序主要由單片機初始化、電機驅動及舵機驅動與控制組成。首先初始化單片機，之后調用直流電機的前進、后退程序，控制木偶戲機器人在水平方向移動，然后調用舵機控制程序，控制木偶的雙手、雙腳完成相應動作。程序流程圖如圖6所示。

3.3 實驗結果

實驗使用孫悟空這一西游記經典形象作為提線木偶，通過實驗，本款提線木偶戲機器人通過分別牽引木偶雙腿上的線繩可以控制木偶完成雙腿協調運動，在舞臺上移動的行走動作；通過牽引木偶上身部分兩條線繩可以完成木偶的轉身動作；通過牽引木偶腿部和手臂上的線繩可以分別完成踢腿和舞棍的動作；通過讀取編寫好的程序，可以按照要求完成簡單劇本的表演。

實驗顯示出，該文設計的提線木偶戲機器人能夠表演簡單的劇本，能夠較好、較靈活的完成轉身、踢腿的動作，但行走的動作表現較為僵硬，舞棍的動作完成的不夠完整。后期仍需在結構和程序上進行改進和提高。

4 總結與展望

該文設計了一款基于Arduino平臺的提線木偶戲機器人，系統由Arduino控制器模塊、電源模塊、電機驅動模塊、舵機模塊、按鍵模塊等五種模塊構成，通過舵機的配合實現對木偶身體各部位的控制，可以完成較為復雜的動作。本款機器人在對木偶的精確控制上仍有不足，后期將在精確控制方面進行改進，將傳統經典木偶戲劇本以機器人的方式呈現出來。在弘揚提線木偶戲這項非物質文化遺產上貢獻微薄之力。

參考文獻：

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