摘 要：本文从六个方面论述智能钢琴盲人辅助系统的构建过程，旨在解决盲人钢琴教学教师资源短缺的问题，满足盲人内心的对于和明眼人一样学习和弹奏钢琴的期望，丰富他们的内心世界。
关键词：智能;钢琴;辅助
随着人工智能的不断发展，智能钢琴于 2014 年进入大众视野，国内外关于钢琴智能辅助教学系统的研究逐渐丰富，并且正在往更智能，更人性化的方向发展。国内外已经有了几款带有教学功能的智能辅助弹琴系统的产品，但此类钢琴辅助工具主要是软件，而且还需要搭配相对应的钢琴才能使用。且这类工具通常是通过移动端屏幕来显示图像，从而引导使用者按下对应的琴键，盲人是肯定不能使用的，目前国内外能帮助盲人学习的钢琴智能辅助教学系统基本上是空白，构建智能钢琴盲人辅助系统有一定的开创性的意义。其前端界面采用信息无障碍设计，可以由盲人选择想要弹奏的的曲谱，同时建立评价系统，分析弹奏声音，给出相应评价和建议，并利用符合人体工学的手部牵引装置的滑块移动和指环震动帮助盲人练习和演奏钢琴，同时要收集弹奏声音，实现信息的软硬件传输。
一、机械装置设计
沿用非标准化产品设计，将十个滑块放置在同一导轨上，同时使十个分别由电机控制的同步带位于滑块下方，通过压板与滑块连接，从而使滑块都在同一水平面同一直线上运动。每个滑块上方都外加一个契合手指的不同高度的带有半开放圆指环的托槽，在保障盲人手指不受伤害的同时牵引他们的手指到达指定琴键的位置。同时，为了实现手动升降功能，达到方便调整，易于收纳的目的，本系统的支撑桌面内设计有锥齿轮传动的手摇升降机构，同时设计防轧脚触条，尽可能的保障使用者的安全。
（一）手摇升降装置方案
市面上的钢琴虽然长度大体一致，但是高度却各不相同，为了提高本系统的通用性和易操作性，故采用手摇升降平台的方式承托手部牵引装置，此手摇升降台的升降机构的原理为利用锥齿轮啮合传动改变运动方向，利用丝杆将滚动手柄的转动变为平台的上下平动，达到使用者转动手柄即可实现整个系统升降的目的，提升使用者的舒适度。在滚动手柄传动轴中设计有钳制器，保障系统不会因重力或意外改变高度，同时本系统设计有防轧脚触条和防止升降平台下落的安全支撑杆，都可以最大程度上保证使用者的安全，提升用户体验。
（二）手部牵引装置方案
采用非标准化产品设计，将两组滑块群放置在同一导轨上，每组滑块群由5个滑块组成。让十个分别由电机控制的同步带位于滑块下方，通过压板与滑块连接，从而使滑块都在同一水平面同一直线上运动。本装置从人体工程学的角度，考虑到不同的人手指的尺寸不同，设计指环为开放的半圆环，让其更好的适配不同人的手指，同时这样的设计还能最大限度的避免个别人的手指因不能习惯某些指法受到伤害。根据弹钢琴的手型特点和发力方式，将指环设计在不同的指环高度上，使用户的手指拥有最舒适，最安心的使用体验。
（三）手部牵引装置方案
经过多次实验，我们发现之前构想的振动模块方案会使弹琴者感到不舒适。经过多次修改，决定将原先由振动的提醒方式改为无震动，滑块到指定点即停，弹琴者在感知滑块停止时按下钢琴键。此外，我们还在每个滑块与指环的托槽间增加一个弹簧，指环与滑块之间不采用刚性连接，而是有一定的活动范围，保证指环紧贴手指，使其牵引置于其中的盲人手指到达指定琴键的位置。这样既能避免指环给手指提供的支持力过大，影响手感，又能避免用力过大，损坏滑台。
本装置从人体工程学的角度，考虑到不同的人手指的尺寸不同，设计指环为开放的半圆环，让其更好的适配不同人的手指，同时这样的设计还能最大限度的避免个别人的手指因不能习惯某些指法受到伤害。根据弹钢琴的手型特点和发力方式，我们将指环设计在不同的指环高度上，使用户的手指拥有最舒适，最安心的使用体验。
二、理论设计计算
（一）手摇升降装置尺寸设计
1.框架尺寸设计
综合考虑电机单片机等控制设备放置空间以及与钢琴的适配度，我们装置的总长度为1700mm，考虑到我们电机控制部分已选用42步进电机，设计装置宽度为400mm，采用铝型材拼接而成。
2.齿轮尺寸设计
锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动，两轴交角 S 称为轴角，其值根据传动需要确定为 90°，选用硬度为200HB的灰铸铁作为齿轮的材料。模数为2.5，小齿轮齿数为20，大齿轮齿数为40的直齿圆锥齿轮。
（二）手部牵引装置尺寸设计
1.同步带传动尺寸设计
为保证传动准确，考虑使用梯形齿同步带传动。电动机定位转矩T=15mN·m，保持转矩240mN·m，最大转速n=2300×1.8°÷360°×60=690r/min。名义功率P=T·n×10·-3/9.55=1.1W。载荷修正系数查表后选取KA=1.2。设计功率Pd=KAP=1.3W。
2.滑块滑台设计
由于钢琴的白键宽度为23.4～23.8mm，因此选用长度小于该宽度的滑块MGN7C，和与其配对的MGN7导轨。
三、电机驱动选用
为了精确而缓慢地牵引盲人的手指到达指定琴键处，可以采用两种方案：闭环控制直流减速电机和开环控制步进电机。
由于无法直接控制直流电机旋转的角度，因此直流电机必须闭环控制。为了获得较低的转速，还应配备减速器。电机选用带减速器的直流减速电机成品。由于步进电机的转角方便控制，在本装置中运行平滑无冲击，步进电机不容易丢步，因此采用开环控制。步进电机选用普通42步进电机。为保证使用者的舒适体验和防止步进电机丢步，编写相关程序，使步进电机以摆线运动规律转动，这样速度和加速度都不会发生突变。具体实现方式如下：由外部告诉单片机总共需要旋转的步数以及整个旋转过程的时间，单片机查余弦表并且插值获得近似的余弦值，经换算后得到某一时刻应该运行的步数，在计算得到的时刻发送脉冲，使DRV8825控制步进电机旋转（目前电机驱动芯片部分为模拟实现）。
四、蓝牙连接
蓝牙HC05是主从一体的蓝牙串口模块，简单的说，当蓝牙设备与蓝牙设备配对连接成功后，我们可以忽视蓝牙内部的通信协议，直接将将蓝牙当做串口用。当建立连接，两设备共同使用一通道也就是同一个串口，一个设备发送数据到通道中，另外一个设备便可以接收通道中的数据。
五、小程序设计
（一）微信小程序功能
微信小程序主要帮助我们实现两个功能：①传送用户选定的曲目信息到电机模块，实现钢琴辅助用户弹琴;②接收来自蓝牙模块传来的信息，分析对比原曲目音谱，实时反馈用户，实现评价功能。此外，我们还设置了听歌识曲、活动界面、积分兑换等功能模块，同时发大字体，配色图标，丰富了用户的体验，让盲人、视力障碍者等这些需要帮助的人享受无障碍服务。我们在做这个微信小程序前端开发时，使用了蓝湖Photoshop插件。
（二）微信小程序界面
1.界面设计
我们使用Photoshop这款图像处理软件，它是集图像扫描、编辑修改、图像制作、广告创意，图像输入与输出于一体的图形图像处理软件。
由于我们面向的对象是：1.无法感知网页和文字信息的盲人;2.无法看清屏幕的视力障碍人群;3.不善使用读屏软件的人群。我们提供了友好性服务：放大屏幕字体、模块简单化、屏幕无上下滑动、配色鲜艳。我们后期还将实现语音引导、操作帮助、可视化服务等服务功能。
我们的微信小程序名称暂定为“盲辅”，全称是盲人弹琴辅助系统。一共分为六大模块：选曲、听歌识曲、活动界面、评价界面、积分兑换和设置。无屏幕上下滑动，每个模块都配有不同颜色，为视力障碍者提供无障碍服务，后期我们将引进语音引导功能，方便盲人使用。
2.界面实现
我们在做这个微信小程序前端开发时，使用了蓝湖Photoshop插件。蓝湖是一款产品文档和设计图的共享平台，帮助互联网团队更好地管理文档和设计图。使我们做前端开发比较方便。
六、音频的反馈与处理
（一）语音的预处理（汉明窗）
先对语音进行预处理。首先是预加重，然后进行加窗分帧处理，一般每秒的帧数约为33～100帧。前一帧和后一帧的交叠不分称为帧移，帧移与帧长的比值一般为0～1/2。分帧是用可移动的有限长度窗口进行加权。
（二）频域分析（傅里叶变换）
信号频谱分为幅度谱和相位谱，傅里叶频谱分析的基础是傅里叶变换，用傅里叶变换及其反变换可以求得傅里叶谱，自相关函数，功率谱，倒谱。因为对于线性系统来说，可以很方便地确定其对正弦或复指数和的响应，所以傅立叶分析方法能完善地解决许多信号分析和处理问题，FFT即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域，有些信号在时域上的特征不是很明显，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。
（三）滤波（Butterworth滤波器）
巴特沃斯滤波器（Butterworth filter）是电子滤波器的一种，它也被称作最大平坦滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有纹波，而在阻频带则逐渐下降为零。
（四）实验
在本为了更好的验证频谱分析模块的音频采集功能，利用数字麦克风采集到的信号经I？2S传送到单片机并且储存在内存中，通过短时自相关法找到基频，再通过十二平均律计算出音符，将波形和处理结果显示在屏幕上。现设计实验如下：
实验目的：探究是否可以使用短时自相关提取钢琴声音的基频。
使用设备：Kendryte单片机开发板及其板载数字麦克风、计算机以及虚拟钢琴软件。
实验过程：编写采集数字麦克风数据、生成图像的程序以及将频率转换为音符的程序，根据定义编写计算自相关函数以及峰值查找的程序，烧录编译生成的二进制文件到单片机上并运行，使用电脑上的虚拟钢琴软件弹奏不同的音符（每次仅按下一个琴键），观察屏幕上是否有结果输出，以及识别出的音符是否正确。程序使用C语言编写。
结论：经测试，能够识别音符，为构建反馈模块的全面构建确立了实物基础。
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作者简介：
赵梓伊（2000.03-），女，汉族，四川南充人，四川大学机械工程学院 机械设计制造及其自动化专业2018级本科学生，研究方向：机械设计及其自动化.
（四川大学机械工程学院 四川 成都 610065）
