<Aeio>

an automated aeolian cello

Godfried-Willem RAES

2007-2009
[Nederlandstalige versie]


Robot: <Aeio>


The first bowed instrument robot we designed was <Hurdy>, an automated hurdy gurdy, built between 2004 and 2007. The building of that robot had many problems and our attempts to solve these have lead to many new ideas and experiments regarding acoustic sound production from bowed strings. The problems with <Hurdy> were all related to the very complicated controls required for the bowing mechanism: a system with so many degrees of freedom that handling it became far from 'automatic' and the users were left with a very complicated command set in order to make <Hurdy> play the notes he wanted. Bow pressure curve in time, bowing speed, finger pressure, bowing angle all in function of the note to be played and the required dynamic had to be send to the robot. To avoid this we provided the users an alternative way of producing bowed sound from the string: magnetic drive. This worked very well and many aspects of bowing technique in <Hurdy> could be automated in a more user friendly way.

These experiments made us dream of an instrument using twelve strings, in a chromatic arrangement, that would all individually be bowed with our electromagnetic system. So on the drawing table we envisaged an instrument with twelve strings tuned from 36 to 47 and equipped with felt covered solenoid driven dampers. The soundboard could be made from either hardened brass, titanium or Styrofoam mounted in a steel frame. Now one would think the instrument could only play twelve notes, but that's wrong since on each string we can sound the fundamental as well as the entire series of slightly inharmonic partials. In fact the range is extremely extended and covers at least the ambitus of the classical cello. The name of this robot was derived from its working principle, showing some similarity to the aeolian harp, where the strings are struck by the passing wind. <Aeio> lends itself not only as a robotic instrument in the context of our M&M robot orchestra, but can also stand very well on its own as an interactive audio art installation.

The basic midi note mapping is:

When the instrument is used monophonically, there are no limitations. However, when you want to play double strings, these can only be played if the requested notes can be produced on two different strings. That's quite the same with all usual bowed string instruments. The driver software will arbitrate for you but there is an obvious possibility that certain chords will not be sounded in full. All strings can be made to sound simultaneously, if required. Vibrato, as common on bowed instruments, as well as glissando playing, is impossible with <aeio>.

A scheme for playing string spectra using midi is to be worked out. Unfortunately, standard midi has no codification for fractional midi notes nor for 'just' intoned intervals. So the best alternative seems to be implementing continuous controllers (say nrs. 36-47) for each string, whereby the parameter value corresponds to the number of the overtone to be sounded. To also control the volume or excitation level of the string, we could implement another series of controllers, say in the range 49-60.

The constructional parts for this robot are all made from welded stainless steel. The instrument is mounted on a wheel base, as most of our music robots.

The circuitry for each one of the string drivers follows the schematic drawing below:

Note that the Mosfets need to be cooled, even though they can withstand up to 41Amps! A feature around the wiring of the electromagnets is that we recycle the energy stored in the magnet when switched to re-energize it, instead of just absorbing this energy in the usual diode. This trick only became possible because of using line transformers as electromagnets. The dampers are controlled by the same PIC microcontroller, a dsPIC30F3010. The dampers are activated on reception of the note off command for the corresponding string. De noteoff-release value controls the time the dampers stay in contact with the string after a note-off. This time interval is interrupted on reception of a new note on request for the same string. By setting controller 64 to %true, the damper mechanism can be disabled for all strings. On startup the mechanism is always enabled.





  All sizes essential to the acoustic design and the practical construction of the <Aeio> robot are given in the very first (distorted) design sketch to the right.  :

    





The shape of the final design differs quite a bit from these first sketches, but the essential proportions have remained the same.


Midi implementation and mapping:

  subject to changes during the building process 
  • Midi note range: 36- 127. Velocity implemented.
  • Note Off commands are required (dampers) . Release value implemented if controller 65 is False.
  • Note after touch: under consideration
  • Controller 64, dampers on/off
  • Controllers 36 to 47: used for playing harmonics
  • Controllers 48 to 60, used for dynamic of overtones
  • Controller 61: default release damper value if controller 65 is set to true.
  • Controller 65: note-off release value disable switch
  • Controller 66: on/off switch (power)
  • Controller 123: all notes off
  • Program Change: select different frequency lookup tables
  • Midi notes: 24-35: lights (ON/OFF)
  • Midi Channel: 1 (counting 0-15)


Technical specifications:

Design and construction: dr.Godfried-Willem Raes (2007-2009)

Collaborators on the construction of this robot:

Music composed for <Aeio>:
none so far

 

Back to Logos-Projects page : projects.html Back to Main Logos page:index.html To Godfried-Willem Raes personal homepage... To Instrument catalogue Naar Godfried-Willem Raes' homepage
Nederlands:

Robot:<Aeio>

Voor het M&M robotorkest hadden we reeds in 2004 een automatisch strijkinstrument gebouwd: <Hurdy>, de automatische draailier. Dat stelde heel wat meer problemen dan aanvankelijk verwacht. Het strijkmechanisme kende dermate veel vrijheidsgraden dat de besturing van deze robot bijzonder ingewikkeld was. Jarenlang hebben we gezocht op betere mechanismen om snaren te strijken met een goede kontrole over de toonvorming. Erg vele experimenten bouwden we op en rekenden we van onder tot boven na. Dat leidde in 2007 tot de definitieve toevoeging van elektromagnetische snaaraansturingen op <Hurdy>, maar meteen ook tot een boel nieuwe ideeen voor potentieel verder te ontwikkelen strijkrobots. Zo kwamen we op de idee een soort 'aeolische' cello te bouwen. Deze robot werd ontworpen met twaalf kromatisch gestemde snaren. Vanaf midi noot 36 tot en met 47. Een toets of een tangentenmechanisme met fretten wilden we niet nog eens gaan bouwen. Nu lijkt een tessituur van een enkel oktaaf wel wat weinig om van een cello te kunnen spreken, ware het niet dat ons mechanisme , ook zonder gebruikmaking van inkorting van de snaren, in staat is ook alle boventonen van die twaalf noten te laten klinken. Zo kunnen we de gehele tessituur bestrijken. Om de expressiemogelijkheden niet te eenzijdig te maken, voorzien we elke snaar van een individuele vilten demper. Daardoor kunnen melodische lijnen toch goed geartikuleerd worden gespeeld. Snelle staccatos en zeker pizzicatos zijn evenwel principieel onmogelijk omdat daarvoor enorm sterke elektromagneten nodig zouden zijn en omdat het werkingsprincipe staat of valt met het in resonantie brengen van de snaar, wat steeds een kleine tijd in beslagneemt. De trilling van de snaar moet opgebouwd worden, zoals dat ook bij een slinger het geval is. Voor de toonvorming van <Aeio> zijn 4 tot 6 dsPIC processoren nodig. Hiervoor selecteerde we het type dsPIC30F3010. Elke processor neemt de besturing van twee of drie snaren voor zijn rekening. Er zijn tweemaal drie PWM uitgangen beschikbaar op deze processoren, waarbij elk koppel uitgangen telkens het signaal in faze en het signaal in tegenfaze (negatie) levert. Hiervan maakten we gebruik om de snaar alternerend met twee elektromagneten, elk aan een tegenovergestelde kant van de snaar gelegen, aan te sturen. De pulsbreedte van deze PWM signalen evenals de dood-tijd is in de software instelbaar. Deze signaaleigenschap wordt gebruik voor de implementatie van de velocity sturing van note-on's. De dempers worden bestuurd vanuit een kleiner type PIC processor, een PIC18F2525. Het note off kommando aktiveert de dempers. De dempkracht kan worden gestuurd door de waarde van het release byte. Een modus om zonder de dempers te speler is eveneens voorzien. Het werkingsprincipe, waarbij twee elektromagneten alternerend de snaar aansturen met een PWM signaal ziet eruit als getekend in onderstaande vluchtige schets:

De wezenlijke afmetingen waarop we ons steunden voor de bouw en berekening van deze automaat worden samengebracht in onderstaande (vervormde, want horizontaal uitgerokken) werktekening. Ze omvat meteen ook de operationele gegevens voor het snaarmateriaal (gehard veerstaal).

De snaren moeten uiteraard uit ferromagnetisch materiaal bestaan en om een goede magnetische koppeling te verkrijgen met de aangelegde magneetvelden is het wenselijk dat ze zo dik mogelijk zouden zijn. Daar staat natuurlijk als bezwaar tegenover dat naarmate de snaar dikker wordt genomen, de inharmoniciteit sterk gaat toenemen enerzijds en anderzijds dat de snaar dan erg moeilijk over stemmechanismen en kammen te geleiden valt. Een kompromis diende dus gezocht te worden. Dit leidde tot de keuze voor snaarmateriaal in gehard staal met een diameter van 1.5mm. Dat is heel wat dikker dan gebruikt voor de dikste snaren of kerndraden daarvan in pianos. De snaarspanning ligt een heel stuk onder wat voor een luide klank wenselijk zou zijn, maar hierdoor wordt de aanspreeksnelheid wel sterk verhoogd. Het risiko op snaarbreuk is meteen ook zo goed als onbestaand in dit instrument.

Geillustreerd bouwdagboek:

Omdat ons vaak wordt gevraagd hoeveel werk en tijd kruipt in, en nodig is voor, het bouwen en ontwikkelen van een muzikale robot, hebben we ook voor <Aeio> een beknopt bouwdagboek bijgehouden. Omdat we de bouw tot in de laatste details graag illustreren, kan het ook voor anderen die ons op dit pad willen volgen en/of verbeteren, van praktisch nut zijn.

 

(Terug) naar logos-projekten:
projects.html

 Terug naar Logos' index-pagina:
index.html

Naar
Godfried-Willem Raes personal homepage...

Naar Godfried-Willem Raes' homepage

 Naar katalogus instrumenten
gebouwd door
Godfried-Willem Raes

Last update: 2008-06-28

by Godfried-Willem Raes

Further reading on this topic (in dutch):

Technical data sheet, design calculations and maintenance instructions:

Technische gegevens, ontwerpberekeningen en instrukties voor onderhoud en demontage:

Theoretical rounded overtone table based on modern acoustic research: [to be completed]

snaar

noot

36

Do

37

Do#

38

Re

39

Mib

40

Mi

41

Fa

42

Fa#

43

Sol

44

Sol#

45

La

46

Sib

47

Si

 poly
36 1                       1
37   1                     1
38     1                   1
39       1                 1
40         1               1
41           1             1
42             1           1
43               1         1
44                 1       1
45                   1     1
46                     1   1
47                       1 1
48 2                       1
49   2                     1
50     2                   1
51       2                 1
52         2               1
53           2             1
54             2           1
55 3             2         2
56   3             2       2
57     3             2     2
58       3             2   2
59         3             2 2
60 4         3             2
61   4         3           2
62     4         3         2
63       4         3       2
64 5       4         3     3
65   5       4         3   3
66     5       4         3 3
67 6     5       4         3
68   6     5       4       3
69     6     5       4     3
70 7     6     5       4   4
71   7     6     5         3
72 8   7     6     5     4 5
73   8   7     6     5     4
74     8   7     6     5   4
75 9     8   7     6       4
76   9     8   7     6   5 5
77 10   9     8   7     6   5
78   10   9     8   7       4
79 11   10   9     8   7     5
80   11   10   9     8   7 6 6
81 12   11   10   9     8     5
82   12   11   10   9     8   5
83 13   12   11   10   9     7 6
84 14 13   12   11   10   9     6
85   14 13   12   11   10   9   6
86 15   14 13   12   11   10   8 7
87 16 15   14 13   12   11   10   7
88   16 15   14 13   12   11     6
89 17   16 15   14 13   12   11 9 8
90 18 17   16 15   14 13   12     7
91   18 17   16 15   14 13   12   7
92 19   18 17   16 15   14 13   10 8
93 20 19   18 17   16 15   14 13   8
94 21 20 19   18 17   16 15   14 11 9
95 22 21 20 19   18 17   16 15     8
96 23 22 21 20 19   18 17   16 15 12 10
97   23 22 21 20 19   18 17   16   8
98 24   23 22 21 20 19   18 17   13 9
99 25 24   23 22 21 20 19   18 17   9
100 26 25 24   23 22 21 20 19   18 14 10
101 27 26 25 24   23 22 21 20 19     9
102 28 27 26 25 24   23 22 21 20 19 15 11
103 29 28 27 26 25 24   23 22 21 20   10
104 30 29 28 27 26 25 24   23 22 21 16 11
105 31 30 29 28 27 26 25 24   23 22   10
106 32 31 30 29 28 27 26 25 24   23 17 11
107   32 31 30 29 28 27 26 25 24   18 10
108     32 31 30 29 28 27 26 25 24   9
109       32 31 30 29 28 27 26 25 19 8
110         32 31 30 29 28 27 26   7
111           32 31 30 29 28 27 20 7
112             32 31 30 29 28 21 6
113               32 31 30 29   4
114                 32 31 30 22 4
115                   32 31 23 3
116                     32 24 2
117                          
118                       25  
119                       26  
120                       27  
121                       28  
122                       29  
123                       30  
124                       31  
125                       32  
126                          
127