Microtonal Musical Robot

Research project on the development of new tools for musical expression at the University College Ghent

<Korn>

an experimental moving Bb cornet

dr.Godfried-Willem RAES

2008

[Nederlandstalige versie]

Robot: <Korn>

This musical robot belongs to the category of our more experimental instruments. The experiment was not so much an attempt to realistically automate an existing instrument, although it does in fact make use of an old Bb cornet and there is an attempt to get a realistic cornet sound. In this case however, we did not start with a mechanical design for an artificial embouchure with mouth, lips and mouthpiece coupled to and in acoustic interaction with the tubing of the instrument, as we have done in <So> and <Bono>, but rather used a small motor-speaker compressor directly coupled to the cornet. The motor driver causes resonance in the cornet tubing, but in this case there is no real windflow through the instrument. When a note is requested from the cornet, the firmware will calculate the optimum valve combination -including non orthodox fingerings- for the requested pitch. Microtonal pitches are implemented such that the instrument is capable of performing quartertone music, as well as a wide range of different tunings and temperaments with great perfection. The relatively low Q-factor of the horn (compared to strings...) as an acoustic resonator renders this very well possible. The signal generated in the motor was shaped after a physical model of the air pressure waveform in the mouth cavity of a player. Since there is no loop coupling from the resonator to the generator, the sound generation mechanism is a hybrid somewere between synthetic/electronic and natural/acoustic. The advantage being that the reliability of the robot becomes very high, but this is obtained at the detriment of realism.

The valves are used in this instrument to tune the fundamental frequency of the instrument. The valves can be controlled independently from the mouth driver frequency. They are mechanically driven by unipolar solenoids (Lucas-Ledex types as used in our player pianos) and have a return spring. Bi-directional solenoids would have been superior (read faster) but we just did not have enough mounting space in this rather small instrument.

High brass instruments in their normal human biotopes tend to move quite a bit in space. The highly directional characteristic of these instruments make this also an expressive valuable parameter. Thus we tried to implement movement in two degrees of freedom in this robot: the cornet can be tilted in the vertical plane over an angle of about 90 degrees and in the horizontal plane, it can rotate over 180 degrees. This conforms pretty well to what human players do in terms of movement on stage. The movements cannot be very fast however. The intention never was to render Doppler effects possible...

The electronic circuitry consists of four PC-boards:

1. Midi-hub board: This board, using a Microchip 18F2525 controller, takes care of the Midi I/O handling and communication as well as the control of the lights and the movement of the horizontal movement stepping motor, including the two end sensors. For these we used two microswitches with long springsteel needles. Circuit details can be found at the very end of this webpage.

2. Horizontal stepping motor driver board using an industry standard LM18298 dual full-bridge driver IC.

3. Pulse & Hold board: This board steers the three solenoids for the pistons as well as the vertical movement stepping motor. Component population on the board was modified to accomodate for required position sensors for the motor movement. For position sensing in the vertical plane we used a beautyfull antique mercury switch with 3 contacts. This switch has a glass tube in a circular shape filled with mercury. It is designed rotate over its 6mm axis.

4. Sound generator board: This board, using a microchip ds-PIC 30F3010, steers the 8 Watt motor compressor horn driver. Note that the output transformer forms a tuned circuit, tuned to the formant band of the cornet (1.8kHz). The transformer at high sound pressure levels, operates close to saturation, thus causing a formant shift upwards. When a coil gets into saturation the inductance decreases. This clearly non-linear behaviour of the circuit was part of the design.

The wave forms generated in the firmware on the pwm1 and pwm2 outputs of the controller are PWM based modified sinewaves in opposite phases. The carrier frequency is around 20 kHz.

Power supply voltages and currents:

Midi Mapping and implementation:

Midi channel: 12 (fixed in the firmware)
Midi note range: 52 to 94. (Optimum sound in the range 66-89) Note on, velocity is implemented and has a wide control range.

Note Off commands are required, but can be dropped for pure legato playing.

Controller 17 is used to control the maximum sound level during the attack period.

Controller 18 is used to control the duration of the note attack. The inderdependencies of these controllers together with the velo byte is shown in the graph below:

Controller 21: Horizontal movement controller. Value 64: center, 127->0= move left (CCW), 0->127=move right(CW). The firmware will calibrate on each of the extreme positions (0 or 127). The full semicircle takes about 4 seconds in time.

Controller 22: Vertical inclination controller. Value 64: center, 63-0= move down, 65-127=move upwards. Note that downward movement is twice as fast as upwards movement. The traject is ca. 90 degrees.

Controller 25: valve movement force controller. With value 18, the movement is smooth and a bit sluggish, whereas with 127 it may get noisy but very fast. With values below 18, valve movement may become a bit unpredictable since the movement will depend on wear, temperature, return spring force variations and greasing of the pistons. After a cold start, this controller will be in a default 64 position.

Controller 70: Calibrates the vertical movement motor to a horizontal position. This command should only be sent on a full stop of all motors. The parameter can be any non-zero value. This calibration also takes place automatically after a cold start of the robot.

Controller 123: switches the sounding note off, unpowers the steppers, dims all the lights.

Pitch Bend: Implemented, with a range of +/- 100 cents. Note off does reset the pitch bend for the playing note!

Program change: to be implemented. Program changes are used to let 'quick and dirty' users set presets for certain limited musical applications. It saves them the burden to get into the interpretation level of music, at the detriment of nuance. The implementation and program numbering scheme will we analogous to the ones developed for <So> and <Bono>.

Lights: The lights are mapped on very high midi-notes as follows:

Technical specifications:

Design and construction: dr.Godfried-Willem Raes

Collaborators on the construction of this robot:

Music composed for <Korn>:

Pictures taken during the construction in our workshop:

Back to composers guide to the M&M robot orchestra.

 Back to Main Logos page:index.html To Godfried-Willem Raes personal homepage... To Instrument catalogue Go to Godfried-Willem Raes' homepage

Nederlands:

Robot: <Korn>

De overgrote meerderheid van de muzikale robots die we ontwikkelden voor 2007, waren elk voor zich pogingen om bestaande akoestische instrumenten zo getrouw mogelijk te automatiseren in zoveel mogelijk aspekten van hun bespeling. Daartoe mimeerden we zoveel als mogelijk de menselijke bespelingswijze van deze instrumenten. Het <Korn> projekt wijkt van dit opzet in hoge mate af. Hier was het helemaal niet onze bedoeling een mimetisch bespeelde automatische kornet te bouwen (immers, een automatische Sousafoon -<So>- hadden we reeds met redelijk sukses voltooid, waardoor een automatische kornet niet direkt een nieuwe verwezenlijking zou zijn). Niettemin maakt deze robot wel degelijk gebruik van een oude Sib kornet die hier evenwel in eerste plaats dienst doet als afstembare resonator in een instrument dat verder alleen werd gekoncipieerd om min of meer realistische kornet-geluiden op een plastische en kontroleerbare wijze te kunnen produceren. In dit ontwerp werd uitgegaan van het simuleren van de drukvariaties in de mondholte van de bespeler en in het mondstuk middels een elektronisch aangestuurde motor driver, zoals gebruikt in kleine megafoons. Wat hier ontbreekt is de terugkoppeling met de resonator die het instrument zelf eigenlijk is. Het instrument fungeert hier als een passieve resonator en is niet via een dynamische regeling gekoppeld aan de eigenlijke toonvorming. Daardoor krijgen we enerzijds een heel hoge betrouwbaarheid, maar anderzijds dan weer een toch wat synthetisch klinkend klankresultaat met weinig of geen artefaktische bijgeluiden en een eerder stereotype gelijkmatige artikulatie. Wat we van bij het ontwerp evenwel zeker geimplementeerd wilden zien was een ruime gamma aan mogelijkheden op mikrotonaal gebied. Zowel kwarttoonsmuziek als muziek in de platonische juiste boventoonsstemmingen diende perfekt speelbaar te zijn. Om die reden kan deze robot heel goed overweg met alle niet-standaard vingerzettingen. Akoestisch gezien wordt dit mede mogelijk gemaakt door de relatief lage Q-faktor van de licht konische toeter gezien als akoestische resonator.

De ventielen werden geautomatiseerd met unidirektionele elektromagneten, helemaal naar plan en opzet zoals toegepast in de eerste versie van <So>. We hadden liever bidirektionele magneten gebruikt, maar daarvoor vonden we gewoonweg geen plaats in een zo klein instrument als de kornet. De ventielen werken dan ook met de gewone terugslagveren.

De elektronische schakeling bestaat uit enkele afzonderlijk funktionele boards:

1. Midihub board; Dit board, uitgerust met een 18F2525 PIC-controller van Microchip, staat in voor de midi-kommunikatie en voor de besturing van de horizontale stappenmotor. Twee ingangen worden gebruikt voor het inlezen van de horizontale positiesensors. Daarvoor werden mikroswitches met lange naaldhefbomen in veerstaal gebruikt.

2. Stappenmotor besturings board, voorzien van een LM18298 driver chip en een latch: Deze print ontwierpen en bouwden we reeds in 1989 en hadden we nog liggen.

2. Pulse-Hold board voor de besturing van de ventielen evenals voor de besturing van de vertikale stappenmotor. Dit board maakt gebruik van een Microchip 18F4620 controller in 40pins DIL behuizing. De bestukking van het board werd enigszins gewijzigd om de beide noodzakelijke inputs voor de eindsensor van de motor mogelijk te maken. Voor deze sensor gebruikten we een cirkelvormige driepolige kwikschakelaar voorzien van een 6mm as. Het onderdeel dateert van vlak voor de tweede wereldoorlog...

3. Klankproduktieboard: Dit board werd uitgerust met een 30F3010 ds-PIC controller van Microchip. Dit board heeft ook een midi-out, dit in eerste plaats omwille van de debug mogelijkheden. Opgemerkt moet worden dan de uitgangstransfo hier een afgestemde kring vormt met een resonantie rond 1.8kHz, overeenkomstig de gewenste formant voor een cornet.

Aangezien een kornet op zich genomen een vrij klein en licht instrumentje is, kwam de idee bij ons op om het ook meteen enige mate van beweeglijkheid mee te geven. Deze beweeglijkheid behoort immers ook tot het typische geluid van de hoge koperblaasinstrumenten, die immers zonder uitzondering een sterk direktionele akoestische afstraling hebben. Hiermee konden we meteen Toshiba & Yamaha de loef afsteken, want hun bewegende trompetspelende robot -die wel zowat alle kranten haalde- is vals! Het geluid komt immers uit een luidspreker uit de borstkas van de robot trompettist. Ook wilden we onze robot graag zo gaan bouwen dat hij het zou vertikken om debiele muziek te spelen... Horizontaal kan onze robot 180 graden bewegen, en vertikaal 90 graden. Hiermee mimeren we heel goed wat menselijke spelers op het podium doen. Een hoge snelheid konden we voor deze bewegingen evenwel niet realizeren. Het was ook niet de bedoeling Doppler effekten mogelijk te maken.

De <Korn> robot werd gemonteerd op 3 rondom beweeglijke zwenkwielen voorzien van remmen. Wanneer de remmen niet worden vastgezet tijdens het spelen, kan de robot zich als gevolg van de eigen bewegingen ook wat over het podium verplaatsen... een leuk maar eigenlijk onvoorzien neveneffekt.

Construction & Research Diary:

(Terug) naar logos-projekten:

projects.html

 Terug naar Logos' index-pagina:

index.html

 Naar Godfried-Willem Raes personal homepage... Naar katalogus instrumenten

gebouwd door

Godfried-Willem Raes

 Go to Godfried-Willem Raes' homepage  

Last update: 2008-05-15 by Godfried-Willem Raes

The following information is not intended for the general public, but is essential for maintenance and servicing of the robot.

Technical drawings, specs and data sheets:

The moving upper part can be taken out of the base. First loosen the set screws on the dented wheel as well as on the ring under the base plate, then pull the rod out vertically. As an alternative one can also loosen the upper ball bearing (two M6 bolts) and take out the vertical mechanism. This however requires reallignment of the ball bearing. Then, disconnect the large black rectangular connector. The wiring is drawn below:

Horizontal Stepping Motor: Sanyo Denko Co. LTD, Step-Syn, type 103-820-2 (IBM P/N 2526734) DC 4.5 V - 1.4 A, 2 degrees/step. Lot NR. 7749. Asmaat: 9.5 mm. Drive belt: Gates, Powergrip 180XL.

Vertical Stepping Motor: ASMO, Type 865100-0110 Part number AX020009A, 4 phase, 100 Ohms/winding. Operating voltage: 24 V. Wire colors: white blue black, yellow orange white. This component was recycled from an old Japanese photocopier. Asmaat: 6mm, met wormwielvertraging.

MOSFET's: IRL640: Specs: 17 A / 200 V, logic level mosfet. (Ug = 5 V). No cooling applied. IRLZ44N can be used as an alternative.

Solenoid type used for the valve pushers: Lucas Ledex (now distributed by Saia-Burgess) STA type 195207-228 (13.8 V DC @ 100% duty), 10 Watt, 7.8 N @ 5mm with 60 degree plungers. 26 mm diameter, height 52 mm. The required anchor displacement for the cornet pistons is 16 mm.

Note on the push tubular solenoids used to activate the pistons:

The following specs are valid at 20 degrees Celsius. Maximum holding force is 29 N

13.8V 100%

10 W
1.166 A.turns

17.78mm in 41ms
2N starting force

 2.54 mm @ 10 N
19.6V

50%
max. ON-time: 470"
pulsed: 360"

20 W
1.649 A.turns

17.78mm in 32ms
3N starting force

 2.54 mm @ 18 N
28.0V

25%
max. ON-time: 120"
pulsed: 32"

40 W
2.332 A.turns

17.78mm in 22ms
9N starting force

 2.54 mm @ 27 N
44.0V

10%
max. ON-time: 32"
pulsed: 8"

100 W
3.688 A.turns

17.78mm in 15ms
12N starting force

 2.54 mm @ 40 N

These solenoids may not deliver enough starting force to start the valve movement. Therefore we could switch them in series with a 14.3 Ohm resistor (10 Watt) and have a 2200 microfarad electrolytic over them. When we feed the solenoids from a 24 V supply, the solenoids when firing will see a voltage of 24 V across them for a time RC= 42 ms, enough to start the movement with a force of about 5 Newton. When energized, the voltage drops to 14V, enough to hold the valves pressed down. This was the approach as used in the original design for <So>. As an alternative, our design for pulse-hold solenoid drivers may be used here. This was the approach in <Bono>. This approach necessitates a bipolar power supply. The positive hold voltage can be reduced to 10 V, the negative velo-pulse voltage should be between 24 V and 36 V. Using this board, the final circuit becomes a lot smaller than if we used the capacitor discharge circuit.

Motor-compressor driver: taken from power horn, made in Taiwan for Realistic, type 40-1236C, rated 8 Ohms, 8Watt.

Ball bearings: Blok Polyamide NR. 1060.225.00 (cost: 43 Euro a piece, 01.2008 at MEA)

Specifications for the PIC microcode for <Korn>.

Valve lookup tables for <Korn> (according to acoustic theory)

Power supply:
Sunpower +5 V/ 6 A & +24V / 2.5 A SMPS module. Caged and mounted underneath the robot..
Toroidal transformer: 220V with two secondary 12V windings rated 5A each.

Wiring & circuit details midihub board:

One super brigth 1W blue LED is used in this robot. These LED's should be cooled and driven with a constant current limited to 350mA. One of the following circuits -using cheap standard TO220 regulators- can be used in this robot:

Cornet details:

Builder: Melchior De Vries, Lier. The instrument was made -unfortunately, for we have an inborn hate for just about anything military- for the belgian armee. It is marked BS (this is short for Belgische Strijdmacht) an carries the number K.F.F.K. 14. We have no indication as to the year of construction, but since the tuning conforms to A=440, we suspect it was made after 1939.

References:

Beauchamp, J.W. "Analysis and Synthesis of Cornet Tones Using Nonlinear Interharmonic Relationships". In: j-aes, volume 23, number 10, pages 778--795, 1975.

Beauchamp, J.W., "Analysis of Simultaneous Mouthpiece and Output Waveforms of Wind Instruments" . In: j-aes, 1980, Preprint No. 1626,

Benade, Arthur .H., "Fundamentals of Musical Acoustics". Ed.: Oxford University Press, 1976.

Fletcher, N.H. & Tarnopolsky, A. "Blowing pressure power and spectrum in trumpet playing" In: J. Acoust. Soc. Am., volume 105, number 2, part 1, 1999.

Martin, Daniel W., "Lip vibrations in a Cornet Mouthpiece", In: J.Acoust.Soc.Am. vol13 . 1942

Raes, Godfried-Willem, "Kursus Akoestiek", Ghent University College 1982/2007, Internet: http://www.logosfoundation.org/kursus/4023.html

Raes, Godfried-Willem, "Expression control in musical automates", 1977/2008,