  Techno Toys Laboratory連載第６回 今月のお題「デューパールーパ 試作編」当研究所はいよいよ３つ目のアイテムの製作に入る。今回はドラムマシンの研究だ。とは言ってももちろんただのドラムマシンではなくて、実際にモノを叩く機械式のリズムシーケンサを開発してみた。今回はプロトタイプ編デス。
ヒントはトイレから？トイレのドアをノックした経験はだれにでもあると思うけど、あれってなんかデジタル通信っぽくない？半2重シリアル通信そのものじゃないかと思うんだけど。まあ、それはおいといて、今回の製作のヒントはまさにトイレのノックから得たものなんだ。公衆トイレで順番待ちしながら、「ドアの内側に、ノックの音を検出して同じ音のパターンを真似て返事するような装置をつけたら、だれも入れなくて面白いなぁ」なんてことを考えついたのだが、えてして製作のネタというものはこんな風に日常に転がっているわけです。  《第１図》最初に思い浮かんだ装置 いつまでもノックを返すトイレの構想… 今回製作する装置も仕組みはまったく同じだ デューパールーパの使い方こうして構想に至った反復型ドラムマシンはデューパールーパと名付けられた。打音を複製（デュープ）して反復（ループ）することに由来している。システム構成はトイレのイタズラ装置と全く一緒で、衝撃センサからの入力をディレイしてソレノイド（電磁石により往復運動をするアクチュエータ）から出力する。写真1が製作したデューパールーパのプロトタイプだ。電源、回路、センサ、ソレノイドによるドラム・スティックのメカから成り立っている。使い方は以下のようになる。第2図はそのイメージだ。  《第２図》デューパールーパの使い方
回路図デューパールーパの試作回路図と実体配線図が第3図、第4図。それから第1表がパーツリストだ。これは試作版なので、次回完成編で若干の部品の追加をするけど、大きな変更は無いので安心して組み立てを開始していただきたい。 《第３図》デューパールーパの試作回路図 図中の↑はともに電池に接続する  《第４図》デューパールーパの実体配線図 取り付け方向がある部品には特に注意してハンダ付けしよう
《第１表》デューパールーパのパーツリスト
ソレノイドは似たようなものでも良いけど、なるべくストロークの大きいものがよさそうだ。 センサは以前も使った圧電素子をつかう。圧電素子は電圧を加えると音が出るのでブザーとしても使えるが、逆に振動を与えると電圧を発生する（第5図）。今回は後者のようにセンサとして使う。打音を音として検出すると色んな音に反応してしまうので、叩く部材の振動を直接拾うようにする。 トランジスタで圧電素子の微弱な出力電圧を増幅し、PIC（今回もPIC16F84を使います）の入力ピンに入力する。その際、感度調整を半固定抵抗で行う。 増幅回路の関係で信号の高低は、普段はHi（高い電圧）で衝撃を検出するとLo（0V）になる。  《第５図》圧電素子の働き 圧電素子は電気信号を加えると音を発生する。 逆に、振動を与えると、電圧を発生する。 部材を叩いて音を出すには電気信号を機械運動に変える必要がある。そのために使うのがソレノイドだ。ソレノイドは電磁石と鉄芯からなり、電流を流すと鉄芯が吸い寄せられて往復運動を作り出す（第6図）。スティックでものを叩かせるには、後で説明するように、この往復運動を機構を作ってスティックの回転運動に変換すればよい。  《第６図》ソレノイドの働き ソレノイドは電流を運動に変える部品だ 電流を流すと鉄芯が吸い寄せられ、往復運動が生まれる ソレノイドはとても大きな電流を消費するので、電源に注意が必要になる。電磁石がONになると、電池の容量の関係で電源電圧が落ちてしまう。これはPICの誤動作につながるので、ダイオードとコンデンサでそれを防ぐ。なお、電池はアルカリ乾電池を使ったほうが無難だ。 スティック部の組み立てソレノイドの往復運動をスティックの回転運動に変える機構はまさに工作の世界。ここはプラ板とプラ棒を切って製作した。この部分の完成形の図面は次回に掲載したいと思う。というのも、この部分の設計次第で音のシャープさが決まってくるようなので、実はいろいろと試行錯誤中なんですな。参考までにおおよその作り方を第7図に示すけど、ここは各自工夫してみて欲しいところ。機構の寸法、バネの強さやスティックの作りに至るまで、ひとつひとつのちょっとした違いが動作に影響してくる。意外と奥が深いところなのだ。とはいってもセンサが反応するだけの音を出すのはそれほど難しいことではないので、ありあわせの材料でまずはやってみて。  《第７図》スティックの機構（参考） ソレノイドと黒丸の部分はシャーシに固定する 適切な寸法は入手したバネの強さによっても変わってくるので注意 プログラムの概要第8図がテストプログラムのフローチャート、リスト1がそのソースリストだ。PICに書き込む時は、HSモード、パワー・アップ・タイマ使用、ウォッチドッグ不使用と指定してください。プログラム的にはたいしたことはやっていないけど、特に気を使った点を説明しておこう。ドラムマシンである以上、時間の管理がトテモ大事なのはいうまでもない。タイマ割り込みによって一定時間を測り、フラグを通じてメインルーチンへ処理のタイミングを知らせる作りになっている。  《第８図》テスト・プログラムのフローチャート プログラム自体はいたってシンプルだ ;========================================================================
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; d u p e r l o o p e r
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; c o d e d b y ｸ ﾜ ｸ ﾎ ﾞ ﾘ ｮ ｳ ﾀ
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LIST C=120, p=16F84, r=dec, x=off, n=0
include 《リスト１》デューパールーパのテスト・プログラム
ダウンロード 記憶するリズムパターンは16ステップで一回りするように設定した。リズムパターンのメモリ管理は第9図のようになっている。  《第９図》リズムの記録方法 16ステップのリズム・パターンを2バイトに収納している そのプロセスを詳しく示したタイミング・チャートが第10図だ。各ステップ時間の最後にセンサ入力があったかどうかを調べ、リズムパターンのメモリに結果を書き込む。従って、プレーヤの打音のタイミングが多少ばらついていても、このステップ時間内に収まっていれば、ジャストのタイミングと同じ扱いになる。16ステップのループを4拍子1小節と考えると、どんなリズムも16分音符単位に直されることになる。このようなテクニックは、コンピュータ・ミュージックの世界では「クォンタイズ（量子化）」と呼ばれる。 ソレノイドの動作開始は各ステップ時間の真ん中で行っている。プレーヤは本機の叩くリズムを聞きながら音を重ねていくのだけど、プレーヤの叩くタイミングが前にずれても後ろにずれても同一のステップに収まるようにするためだ。こうした方が誤入力が少なくなる。  《第１０図》タイミング・チャート 一定時間毎に2種類（リズムパターンの更新とソレノイドの動作）の処理を交互にくり返している それから、クォンタイズするのにはもうひとつ理由がある。ソレノイドが電気的にONになってから、スティックが部材を叩く瞬間までには多少の遅れがある。ステップの分解能が高いと、この遅れの影響でリズムパターンがどんどん狂ってしまう。クォンタイズによって、遅れがキャンセルされるので、リズムパターンは一定に保たれる。 そんなわけで、実際には半ステップごとに割り込みルーチンがTRIGフラグをたてて、センサのチェックとリズムパターンの更新（前半処理と表記した）と、リズムパターンのチェックとソレノイドの動作（後半処理と表記した）を交互に行っている。 センサ入力の調べ方センサ入力の検出方法について説明しておこう。圧電素子の電圧はトランジスタによって増幅され、普段はHi、衝撃入力時にLoになる。この信号はRB7ピンに接続されている。PIC16F84はRB4〜RB7のどれかの入力電圧が変化した時にINTCONレジスタのRBIFフラグをセットする。この機能は「ある期間内に少なくとも1回入力が変化した」ことを検出するのに便利だ。使い方は以下の通り。
さて動作は？試作機が完成したら早速動作をチェックしてみよう。机などの表面にスティック部、センサ部をテープで軽く固定して電源をON。この時点では何も起きないのが正解。では机を小突いてみよう。ワンテンポおいてスティックが同じリズムで動き出すはずだ。動かない時や、余計な入力を拾って暴れだすような場合は基板の半固定抵抗を回して感度を調節しよう。スティックが等間隔で同じパターンを繰り返すようになったら成功！ やってみると、叩く部材は金属の缶などよりも木の板のように残響音の少ないものの方が上手くいくようだ。残響があまり長いと、次のステップにまで音がコピーされてしまい、しまいには16連打状態になってしまう。 テンポは140BPMに設定してある。リスト中の定数を変更すれば、テンポやステップ数などを変えることもできる。いろいろいじってみて。 次回はスティック機構の完成形と、幾つかの機能の追加、そして仕上げ、応用例などを紹介したいと思ってます。乞うご期待！  《写真１》デューパールーパ試作機 センサとスティックの位置関係によって動作の具合も変わってくる。はやくパッケージしたいところだ 【参考文献】 （１）山名宏治（著）；作りながら学ぶロボット工作入門５、トランジスタ技術（刊）、2001年5月号、pp.155〜160、CQ出版（株） |