一如何制作四台无线机器人，可同步演奏创作的节奏

时间：2026-07-06 09:47:03

关键字：机器人 LED灯扬声器 ESP32

[导读]我的歌唱机器人是一种交互式音乐表演系统，由手持控制器、四个无线机器人节点和一台笔记本电脑图形用户界面组成。用户可通过4步音序器开启或关闭每个机器人，调节节拍(BPM)，并使用控制器上的旋转编码器改变各机器人的音高，来创作节奏模式。在每一个节拍时，控制器会通过ESP-NOW无线将当前音序状态广播给所有机器人。每个机器人独立检查其步骤是否处于激活状态，若处于激活状态，则以预设频率驱动扬声器/蜂鸣器，并同步闪烁LED灯。最终形成了一种具有实体感的多智能体乐器。

我的歌唱机器人是一种交互式音乐表演系统，由手持控制器、四个无线机器人节点和一台笔记本电脑图形用户界面组成。用户可通过4步音序器开启或关闭每个机器人，调节节拍(BPM)，并使用控制器上的旋转编码器改变各机器人的音高，来创作节奏模式。在每一个节拍时，控制器会通过ESP-NOW无线将当前音序状态广播给所有机器人。每个机器人独立检查其步骤是否处于激活状态，若处于激活状态，则以预设频率驱动扬声器/蜂鸣器，并同步闪烁LED灯。最终形成了一种具有实体感的多智能体乐器。

灵感与相关工作

我们的最初设想是使用Kilobot硬件，这些是极简的集群机器人，能够通过本地通信并借助振动模式移动，从而创建一个互动的音乐或LED系统。后来我们将其调整为手工制作的机器人，因为我们希望亲身体验构建物理系统的乐趣。我们也尝试过制作机器人乐器或合成器，但最终选择了一种手持控制器，使用户可以在多个机器人上创作节奏，每个机器人都充当一个独立的乐器。

图形用户界面的设计类似于FL Studio或Ableton等音乐创作软件，用户可以在每个乐器上选择特定的节拍。音高和BPM旋钮编码了与这些工具中类似的信息。我们的方法将这种行为适配到物理控制器和机器人表演系统上。

里程碑1

这个里程碑由我们提出的三个项目组成。我们共有三种选择：我的歌唱机器人(当前设计)、一个千人机器人项目，即让千人机器人组成用户自定义的队形，以及一个握手测试机器人。在听取课堂反馈后，我们最终确定了当前的方案。随后，我们设计了系统的初步草图，包括4个连接到扬声器的ESP-32模块机器人，以及1个手持控制器，用于控制机器人的节拍、音高和节奏;此外还包括机器人和控制器的3D打印外壳。

里程碑2

为这一里程碑，我们草拟了3D建模机器人外观的方案，并规划了LED灯、扬声器和ESP-32模块的连接位置。此外，我们还开发了一个图形用户界面，能够在一个机器人上播放不同节拍(bpm)和音高的4个节拍。最后，我们设计了控制如何同时与多个机器人通信的方案，并分别设计了机器人和控制器的电路。

系统概览

该系统由两个主要部分组成：一个手持式ESP32控制器和四个ESP32机器人节点。所有通信均通过ESP-NOW无线进行，这是一种低延迟的点对点Wi-Fi协议，无需路由器或互联网连接。

节拍序列逻辑

控制器维护一个4×4的状态矩阵：四个机器人，每个都有四个节拍槽。一个单个节拍时钟以预设的BPM频率运行。每当节拍发生时：

•currentBeat 增加(0 → 1 → 2 → 3 → 0 …)

一条消息结构通过ESP-NOW发送到每个机器人的MAC地址，内容包含：

•state[4] — 机器人四个节拍槽中哪个是激活的

•节拍 — 当前的节拍指数

•bpm — 当前节拍

•pitch — 用于控制蜂鸣器频率的0–100数值

每个机器人随后检查当前拍子的自身状态数组值，如果值为1则播放设定的音高，如果值为0则不播放。

硬件

•ESP32 开发板 ×5 — 1 个控制器 + 4 个机器人节点

•3W 8Ω 音箱 ×4 — 音频输出

•RGB LED ×8 — 视觉节拍指示器(每台机器人2个)

•旋转编码器 ×2 — 节拍与音高控制

•触控按钮 x8 = 控制机器人和节拍选择

•跳线、电阻等

按键引脚分配 — 控制器 ESP32

•BPM 编码器 CLK / DT → 引脚 22 / 21

•编码器时钟/数据 → 引脚 25 / 26

•切换按钮 → 针脚 4、5、18、19

•机器人选择按钮 → 引脚 12、13、14、27

•按键引脚分配 — 机器人ESP32

•蜂鸣器 → 引脚12

•LED 红色 / 绿色 / 蓝色 → 引脚 25 / 26 / 27

软件组件

•Arduino / PlatformIO (C++) — 控制器和机器人节点的固件

•ESP-NOW — 无需路由器的无线点对点消息传递

•ESP32Encoder 库 — 正交旋转编码器读取

工作原理——一步步说明

1. 设置(控制器)

启动时，控制器：

•以站点模式初始化Wi-Fi(ESP-NOW所需)

•将四个机器人的MAC地址都注册为ESP-NOW对等设备

•连接两个旋转编码器(BPM 和音高)

•将所有按钮引脚设置为输入上拉模式

2. 节拍器

在 loop() 中，控制器会将已经过的时间与当前的 BPM 区间进行比较：

当时间间隔到达后，currentBeat 会递增(取模 4)，然后调用 sendBeat()。

3. 发送一个节拍(控制器 → 机器人)

sendBeat() 会遍历所有四个机器人。对于每个机器人 r，它会构建一条消息：

然后调用 esp_now_send(robotMACs[r], &msg, sizeof(msg))。这四个发送都在同一个循环迭代中完成，因此机器人几乎同时接收到它们的数据包。

4. 收到一个节拍(机器人)

机器人将 onReceive 作为其 ESP-NOW 回调函数注册。当收到数据包时：

机器人以计算出的频率发出蜂鸣声，并点亮其RGB LED的蓝色通道，持续100毫秒。

5. 用户交互(控制器)

BPM旋钮：旋转BPM编码器可增加或减少BPM(限制在40–200之间)。新的区间将在下一拍开始生效。

机器人选择按钮：按下四个机器人按钮中的任意一个，会设置当前机器人(currentRobot)，并将之后所有节拍切换编辑操作都指向状态矩阵中该机器人的行。

节拍切换按钮：按下四个节拍按钮中的任意一个，会将当前选定机器人状态数组中对应位置的值进行异或操作，立即将其开启或关闭。sendBeat() 会立即被调用，因此更改将在下一次接收时生效。

音调旋钮：旋转音调编码器可调整当前选定机器人的音调(锁定范围为0–100)。

物理设计

机器人机柜

每个机器人都配有定制的3D打印外壳，由Fusion 360设计而成。机身尺寸可容纳ESP32芯片、蜂鸣器/扬声器、两个RGB LED灯以及一个4节AAA电池组，并设有镂空设计让LED灯能够透出。木质激光切割底板(在Fusion 360中设计，导出为SVG格式用于Shaper Origin CNC加工)提供了结构稳定性。

关键设计文件：

•music_upper.svg — 配备安装孔的上板激光切割CNC型材

•wooden_plates.stl / .f3d — 结构底板的3D模型

•Breadboard_Placeholder.stl / .f3d — 内部面包板安装模型

•UMS3_Breadboard_Placeholder.ufp / UMS5_Breadboard_Placeholder.ufp — Ultimaker S3/S5 打印配置文件

控制器外壳

手持控制器外壳采用3D打印和激光切割工艺，用于容纳：

•ESP32 开发板

•2块面包板

•2×挤出旋转编码器(BPM + 偏移)

•4×机器人选择按钮

•4×节拍切换按钮

•8个3D打印按钮，用于连接面包板上的按钮

•所有线路均位于控制器内部

控制器设计为模块化结构，由多个部件组成并可组装在一起。控制器的3D打印底座包括底部板，用于固定面包板。一个矩形棱柱框架是单独3D打印的，带有螺钉孔，可安装底部、后部、前部和顶部组件。顶部、前部和后部面板均采用激光切割而成，其中顶部面板设有孔位，用于安装按钮和旋转编码器。所有部件通过螺丝连接，最终构成完整的控制器外壳。