随着机器人技术的不断发展以及政府的大力支持,机器人产业在国内迎来了发展的春天,各式各样的机器人已经陆续出现在人们的视野中。其中,演奏机器人作为机器人研究领域的一个全新发展方向,其研究成果备受关注。目前,国内研究的演奏机器人大多只聚焦于商业表演功能,缺乏了相应的科普教育和艺术教学功能。本文以打击乐器中的爵士鼓为例,设计和开发了两套打鼓机器人。其中一套为基础型版本,取名叫“小憨”,旨在对中小学生进行机器人领域的科普教育,它不仅可以通过人机交互的方式实现机器人单体打鼓表演功能,还能够对用户的输入动作进行录制存储并实现机器人单体自主表演功能。另外一套为智能型版本,取名叫“小智”,其功能更加智能化,不仅可以用来进行机器人群体打鼓表演,还可以用作于爵士鼓教学。本文的主要贡献包括以下三个部分:(1)研究并设计了一款成本低、趣味性足、竞赛性强、具备一定的可发挥空间,并且可广泛用于中小学生科普教育的“小憨”打鼓机器人。该系统采用Arduino系列ATmega328P单片机作为控制器,拥有调参、人机交互、录制和播放四种不同的工作模式,每一种模式的工作状态都会通过对应的数码管给予提示。其中,人机交互模式是通过检测用户的输入来实时的控制机器人进行表演;调参模式和录制模式是通过捕获用户的输入,对用户设置的参数信息和录制的动作序列进行断电存储;播放模式是对事先录制成功的动作序列进行复现,达到机器人自主演奏的目的。该系统已成功应用于第七届广东省创意机器人大赛中。(2)研究并设计了一款能够用于爵士鼓教学的“小智”打鼓机器人,为爵士鼓的教学提供了一种新的学习方式。同时,学习者还可以和机器人共同进行爵士鼓表演,通过这种方式,不仅可以用来培养学习者对于爵士鼓学习的兴趣,还能够增强其实际舞台表演效果。该系统软件框架采用C/S架构进行实现。其中,服务器端主要用来对爵士鼓音频的鼓点进行识别和分类,并将其处理信息发送给机器人客户端。机器人客户端选取了二级CPU级联的方式进行实现。其中选用树莓派作为主控制器,主要用于负责网络通信和音频播放功能;辅控制器选取STM32系列单片机,主要负责打鼓机器人的控制、鼓点信息的提示和敲击动作的检测等。此外,为了方便用户点歌,还设计了一个点歌客户端,其主要用于给服务器发送即将要表演或学习的爵士鼓乐曲名称。(3)对爵士鼓鼓点检测进行了研究与实现。本文首先对爵士鼓音频文件的节奏提取进行了研究,提出了一种基于阈值分段的自适应频谱差分幅度算法,并通过对比其它方法,验证了该方法在鼓点和镲点提取时的准确性。其次,通过对爵士鼓音频样本文件的特征提取和分析,选取了适用于爵士鼓乐音分类的五类基本特征,并通过实验验证了其特征值选取的有效性。最后,对于鼓点分类,本文构造了一种适用于爵士鼓乐音分类的SVM多分类器模型,并设计实验对比了该模型与其它多分类器模型的分类准确率,最终验证了该方案的可行性。