技术领域
[0001] 本申请涉及便携钢琴技术领域，特别涉及使用无网格柔性压阻传感器的便携式模拟钢琴。
相关背景技术
[0002] 传统的便携式钢琴的基本工作原理是使用与实际钢琴键盘同等大小的柔性材料(一般为橡胶)代替琴键，在每个琴键内部放置一个压力传感器，通过检测有无压力来判断该琴键是否被敲击，若被敲击则驱动扬声器发出对应的声音。其弊端在于：1)无法区分琴键被敲击的具体位置和力度，从而严重影响对实际弹奏声音的模拟效果；2)柔性键盘给手指的力度反馈相比实际钢琴琴键差异较大，长期使用可能会对钢琴弹奏手法有严重误导。
[0003] 现有的使用触点式、导电膜式的手卷钢琴，使用单一触点式或按压导电开关来模拟钢琴的弹奏，从结构上无法模拟真实钢琴不同位置按压琴键的效果，也无法模拟真实钢琴的手感。传统手卷钢琴音色一般，会出现碰音，漏响，错响等现象，多键同时弹下去可能出现失灵或同步率低的现象，演奏不出真实钢琴所具有的强弱效果，仅适用于练习或要求不高的演奏场景。同时，传统手卷钢琴的键程较短，演奏时手感反馈不好，无法模拟真实钢琴的弹奏手感。
具体实施方式
[0041] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
[0042] 下面首先结合图1对本申请实施例适用的可能的系统架构进行介绍。
[0043] 本申请提供一种使用无网格柔性压阻传感器的便携式模拟钢琴，包括无网格柔性压阻传感器1、一组琴键外壳及传动装置2、一组高回弹泡沫3、测量及信号传输电路4、微型处理器5、音频输出设备6。高回弹泡沫3与琴键外壳及传动装置2的底部相连接，无网格柔性压阻传感器1放置于高回弹泡沫3上，琴键外壳及传动装置2的琴键外壳部分悬空在无网格柔性压阻传感器1的上方。无网格柔性压阻传感器1与测量及信号传输电路4相连接，通过微型处理器5控制音频输出设备6发出对应钢琴声音。
[0044] 无网格柔性压阻传感器1覆盖单个或者多个琴键外壳及传动装置2。具体的，无网格柔性压阻传感器1可覆盖至少一个琴键外壳及传动装置2，至多覆盖全部的琴键外壳及传动装置2。
[0045] 本发明中的无网格柔性压阻传感器材料采用掺杂导电橡胶或掺杂导电聚二甲基硅氧烷(PDMS)，无网格柔性压阻传感器电极使用定制铜线，电极设置在压阻复合材料边缘。
[0046] 无网格柔性压阻传感器1设置有多个电极，无网格柔性压阻传感器1左右两侧距离前端不同预设距离处分别成对分布多个电极对，无网格柔性压阻传感器1的下方设置一个电极。无网格柔性压阻传感器1的上方还可以设置一个电极。
[0047] 具体的，无网格柔性压阻传感器1左右电极分三对等距离分布在无网格柔性压阻传感器前端，如果无网格柔性压阻传感器1的上方也设置一个电极，则无网格柔性传感器1上下分布有一对电极。进一步地，电极数量及排布可优化以简化内部结构，无网格柔性压阻传感器1的上方的电极可以去掉。
[0048] 本发明中的高回弹泡沫3的材料为聚氨酯。高回弹泡沫3与琴键外壳以及传动装置2的底部相连，上方放置无网格柔性压阻传感器。高回弹泡沫整体为扁平状长方体，其顶层面积略大于无网格柔性压阻传感器，厚度约为5mm。高回弹泡沫主要起提高模拟钢琴手感的作用，给弹奏着回弹反馈，同时保护无网格柔性压阻传感器的作用。
[0049] 琴键外壳及传动装置2包括琴键以及传动装置；其中，传动装置包括轮轴以及弹簧；
[0050] 琴键外壳根部连接轮轴，琴键外壳近根部设置弹簧，琴键外壳整体悬空在无网格柔性压阻传感器1的上方。
[0051] 琴键外壳与传动装置主要作用是：为演奏者提供按压反馈，提升模拟钢琴的手感。
[0052] 本发明中琴键外壳及传动装置同时起保护、安置无网格柔性压阻传感器、接受外部应力和提高模拟钢琴手感的作用。通过按压琴键外壳部分，接触到下部的无网格柔性压阻传感器，无网格柔性压阻传感器根据压力大小改变自身电阻值，电极输出相应的模拟电信号。根据不同的按压力度、位置以及按压时长，各组电极输出的模拟电信号大小以及持续时间不同，据此实现便携式钢琴感知力度、位置及时长的功能。
[0053] 本申请中，各个部件发挥的作用如下：
[0054] 得到无网格柔性压阻传感器1在不同压力大小以及按压时长下的电极对之间的电阻压力‑电阻值数据集后；
[0055] 琴键外壳及传动装置2用于接受弹奏者施加的压力；
[0056] 无网格柔性压阻触感器1用于根据压力改变自身电阻，电极输出模拟信号；
[0057] 高回弹泡沫3用于将受到压力快速回弹给弹奏者按压反馈；
[0058] 测量及信号传输电路4用于对模拟信号进行处理并传输到微处理器5中；
[0059] 微处理器5用于根据模拟信号进行判断，并向音频输出设备6输出控制信号；
[0060] 音频输出设备6用于根据控制信号发出模拟钢琴音。
[0061] 利用本发明提供的使用无网格柔性压阻传感器的便携式模拟钢琴，进行无网格柔性压阻传感器标定方法如下：对电极进行编号，在模拟钢琴的不同位置施加依次增加的压力，记录不同电极对之间的电阻值数据，得到压力‑电阻实验数据集。同时，在真实钢琴的对应位置施加相同压力，通过录音设备采集相同压力以及位置的情况下，真实钢琴发出的声音，得到压力‑音频数据集；通过两个数据集的数据整理，得到电阻‑音频数据集，将其输入神经网络进行训练，得到电阻和音频的对应关系。
[0062] 本发明中测量及信号传输电路中的测量及信号传输电路采用串联分压式比例放大器式电阻测量电路，可以精确测量柔性传感材料的电阻变化，提高便携式模拟钢琴的演奏准确性；该电路使用高速电路，使时间响应控制在毫秒量级，降低了便携式模拟钢琴的传输时延。
[0063] 本发明中微型处理器可采用单片机、微型处理芯片等，根据神经网络的训练模型，编写程序判断变化后的无网格柔性压阻传感器的电阻值，通过电阻值来调用对应的输出音频，控制音频输出设备发声。
[0064] 下面结合两个实施例对本申请进行进一步阐述：
[0065] 实施例1
[0066] 图1为所述模拟钢琴的单个琴键，包括定制无网格柔性压阻传感器、琴键外壳及传动装置、高回弹泡沫、测量及信号传输电路。所述高回弹泡沫与琴键外壳及传动装置的底部相连接，无网格柔性压阻传感器放置于高回弹泡沫上，琴键外壳及传动装置的琴键外壳部分悬空在无网格柔性压阻传感器的上方，无网格柔性压阻传感器与测量及信号传输电路相连接。
[0067] 在此实施例中，无网格柔性压阻传感器的上下各有一个电极，在传感器左右距离底端1.5cm、4cm、6.5cm处分布有一对电极。
[0068] 在此实施例中，通过按压琴键外壳及传动装置，接触到下部的无网格柔性压阻传感器，按压会改变无网格柔性压阻传感器电阻值。不同的按压力度及位置，各电极对的电阻变化，电极输出的模拟电信号强弱变化，据此实现便携式钢琴感知力度及位置的功能。
[0069] 在此实施例中，以单个琴键为例介绍本发明中无网格柔性压阻传感器的压力测试过程，测试过程如图3所示。实验中使用数位压力计、模拟手指垫片对模拟钢琴施加压力，测量及信号传输电路负责测量并记录无网格柔性压阻力传感器的电阻值。压力测试时，测试者需记录无网格柔性压阻传感器按压位置及压力大小，再根据测量及信号传输电路得到无网格柔性压阻传感器对应的电阻值，整理得到压力‑电阻数据集。
[0070] 在此实施例中，对无网格柔性压阻传感器其中一点施加压力，部分电极间的压力‑电阻曲线如图4所示，给神经网络的预测提供数据支撑，基于数据集对琴键进行训练，如图5所示，对单个琴键预测精度高，Y轴方向和压力的平均偏差分别为0.0739cm，7.1Kpa。
[0071] 如图6所示，根据无网格柔性压阻传感器压力试验的压力大小以及按压位置，在真实钢琴上，做同样的压力试验，并用录音设备录制发出的音频，得到压力‑音频数据集。将相同压力情况下的电阻数据和音频数据对应，整理得到电阻‑音频数据集，并将此数据集输入神经网络进行训练。根据经过训练的神经网络模型，每个电极对的电阻变化模拟真实琴键被按压的力度、位置以及按压时长。
[0072] 在此实施例中，如图8所示，无网格柔性压阻传感器由掺杂导电橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及定制铜线组成，无网格柔性压阻传感器边缘电极部分有金属保护边，防止电极被压坏。
[0073] 实施例2
[0074] 图7为所述模拟钢琴的琴键组以及电路系统，包括定制无网格柔性压阻传感器、一组琴键外壳及传动装置、一组高回弹泡沫、测量及信号传输电路、微型处理器、音频输出设备。所述高回弹泡沫与琴键外壳及传动装置的底部相连接，无网格柔性压阻传感器放置于高回弹泡沫上，琴键外壳及传动装置的琴键外壳部分悬空在无网格柔性压阻传感器的上方，无网格柔性压阻传感器与测量及信号传输电路相连接。
[0075] 在此实施例中，电极排布如图8所示，每个琴键外壳及传动装置下方的无网格柔性压阻传感器下方有一个电极，由于琴键组上方电极输出模拟电信号变化范围较小，减少了上方电极数量。在传感器左右距离底端1.5cm、4cm、6.5cm处分布有一对电极。
[0076] 无网格柔性压阻传感器由掺杂导电橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及定制铜线组成，无网格柔性压阻传感器边缘电极部分有金属保护边，防止电极被压坏。
[0077] 在此实施例中，对所述琴键组进行压力实验，实验中使用数位压力计、模拟手指垫片对模拟钢琴施加压力，测量及信号传输电路负责测量并记录无网格柔性压阻传感器的电阻以及压力持续时长，如图9所示。压力测试时，测试者需记录无网格柔性压阻传感器按压位置及压力大小，再根据测量及信号传输电路得到无网格柔性压阻传感器对应的电阻值，整理得到压力‑电阻数据集。
[0078] 在此实施例中，无网格柔性压阻传感器位置预测准确度高，如图10所示，无网格柔性压阻传感器样品的X方向、Y方向和压强的平均预测偏差分别为0.078cm，0.089cm和7.2kPa。
[0079] 如图6所示，根据无网格柔性压阻传感器压力试验的压力大小以及按压位置，在真实钢琴上，做同样的压力试验，并用录音设备录制发出的音频，得到压力‑音频数据集。将相同压力情况下的电阻数据和音频数据对应，整理得到电阻‑音频数据集，并将此数据集输入神经网络进行训练。根据经过训练的神经网络模型，每个电极对的电阻变化模拟真实琴键被按压的力度、位置以及按压时长。
[0080] 在此实施例中，所述微型处理器写入神经网络模型，根据此神经网络模型，微型处理器将收到的电信号转换成对应的电阻变化，并输入到神经网络模型进行判断，神经网络调用相应的音频文件，发出模拟钢琴声。
[0081] 在此实施例中，所述音频输出设备包括音频功放芯片以及小型广音域喇叭。
[0082] 本申请提供的无网格柔性压阻传感器的工作原理是：无网格柔性压阻传感器上嵌入有多个电极，电极相互组合，组成电极对。无网格柔性压阻传感器每个电极对之间的电阻受到压力时会发生变化。通过进行压强‑位置实验，将不同电极对之间的电阻输入到神经网络中进行训练。通过神经网络分析不同电极对的电阻变化，反映无网格柔性压阻传感器受压位置以及压强大小。
[0083] 本申请相较于传统的便携式手卷钢琴，使用无网格柔性压阻传感器的便携式钢琴的柔性传感单元可感受压力大小以及位置、持续时间的变化；同时，无网格柔性压阻传感器延展性能好，提高了该类钢琴的便携性，相较于复杂的传感器阵列则可以在保持高精度的‑5前提下，位置精度可达0.1mm，压强精度可达1.7×10 kPa，大幅度降低成本。基于该无网格柔性压阻传感器的特点，使用此类便携式钢琴可以模拟真实钢琴演奏时不同弹奏力度及弹奏按压点所发出的声音，提高了便携式钢琴在演奏时的真实度及演奏效果。相较于其他手卷式便携钢琴，给硬质琴壳添加了轮轴传动模拟按压琴键过程，使得此类便携式钢琴的手感真实性更好，演奏效果出色。
[0084] 以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
