[Nederlandstalige versie]

Robot: <Flut>

The design and construction of this automated instrument started with a birthday present I got from one of my collaborators, Lara Van Wynsberghe: an Italian made flute, in reasonably good shape. It's an instrument made by Rampone & Cazzani. The nameplate mentions FISM, Milano. The serial number is 861 and we date it from before 1957 and after 1910. The tuning conforms to A= 440Hz.

For the automation of this instrument we started off by performing three experiments in order to select a suitable method for the excitation of the flute:

1.- We can use a compressor -equiped with a fast responding wind valve- to generate the required wind jet. A oval slit was made (in latex) to project the jet on the lip plate of the flute, modelling the way humans play flutes. Experimenting very soon revealed that the angle under which the jet hits the lip plate should be variable to adjust intonation. Also the distance between the jet exhaust and the lip plate ought to be a function of the pitch to be produced. The higher the pitch, the shorter the distance should be. In total four degrees of freedom for the required movements proved to be required. Thus an implementation of this human-modelled way of sounding the flute, requires two stepping motors, one fast response valve and a fast responding variable pressure compressor. This gets very complicated and clearly impossible if we want to get all this functioning fast and in silence... Many other automated instrument builders before me, went this way: from Martin Riches in the seventies up to Peter Wiessenthaner recently. The latters construction is shown here in a pic he posted on Facebook:

2.- We can call in the recipe applied to earlier robots such as <Bono>, <Ob> or <Bug> by using a membrane compressor to create a pulsating air jet oriented on the lip plate. We tried this out using a specially designed acoustic impedance convertor with an oval slit. The sound was at the most acceptable, but sounding quite artificial and electronic. Obviously a result of the fact that the flute is a resonator opened at both ends, thus the opening at the lip plate allows way to much of the pulsating air jet from the compressor to escape uncoupled in free air.

3.- As in the experiment before, here again we make use of a membrane compressor, but this time we made an acoustic impedance converter ending in a tiny capilary and inserted in the stop-end of the flute, exactly at the place where the normal stop finds it place. This is at 17 mm from the middle of the lip plate orifice. This way, the results are way better than what was achieved in the second experiment. However, to get a realistic sound, it proved mandatory to also provide in a way to dynamically cover the lip plate orifice. To this end we made a mechanism driven by a softshift solenoid, moving a flap of thin and flexible silicone membrane close to the orifice. After adding this silicone flap, we discovered that it became possible to extend the note range of the flute by a full octave in the low. When the flap is fully closed, the flute behaves like a clarinet and sounds an octave lower. Of course, in this extended register, one should not expect the flute to sound like a flute anymore...

After performing these experiments, we decided to go the way of the thirth one. Here is a picture of the membrane compressor: The research on determining the ideal waveform for the excitation of the membrane compressor in <Flut> lead to a generalisable method, consisting in short of exciting the instrument with a recorded wave of the instrument, recording the output and than subtracting the difference between the two from the input wave multiplied by two. This procedure leads to a waveform corresponding to the exciting wave on the instrument. For a more in depth discussion, I refer to the corresponding paragraphs in my paper "Expression control in musical automatons".

As to the valves, the task was much easier to accomplish. Fingering on wind instruments is a problem we already solved to great perfection in our robots <Fa>, <Klar>, <Ob> and <Asa>. The only problem here is that the response time of the solenoids used for the fingering is in the order of 5 to 10 ms, whereas the membane compressor reacts in about 1 ms. If we wanted to automate this to perfection, we should find a way to delay the commands for the membrane compressor, such that the resonance in the tube only occurs after the fingering allows it. In this robot we first went only one step in this direction, by sending only parsed midi to the membrane driver, whereas the solenoid driver board is steered by the command directly. However, the gain was only about 1 ms... Later on, we developed the software such that the delay time is a function of context and fingering: for repeated notes using the same fingering, a delay is not required. Neither is it required for full legato playing. As the robot cannot look ahead into the music, we implemented legato playing only for successive note-on commands, without corresponding note-off's. Most commercial sequencer software does not allow this however. The build-in delay time on successive notes requiring different fingerings is now 7.5 ms.

Circuit overview:

The circuitry for the valves follows an old recipe we have used for at least some 30 earlier robots (<Qt>, <Player Piano>, <Pos>, <Harmo>, <Bomi>...) wherein we implemented velocity sensitvity for the notes: The detail of the workings of the pulse-hold system are: The PCB, with components looks like this:

The source code for the firmware can be read here. The hex-dump required for programming the chip here.

A midi-hub board is used to implement the delay-times for buffered and parsed midi, for the valves not requiring the velocity control and for the softshift solenoid used for the silicone lips. This board also houses the power relay steered by controller #66. Here is the circuit:

And this is the soldered PCB:

The source code for the firmware can be read here. The hex dump for programming the chip is here.

The circuit for the membrane compressor, using a 16-bit processor, is here:

And here again, we have a picture of the soldered PCB:

The source code for the firmware can be read here. The hex-dump required for programming the chip here.

The power supplies used accept any ac voltage between 100V and 240V and thus this robot can be used in all countries without the need for a transformer.

Design and construction: dr.Godfried-Willem Raes

Collaborators on the construction of this robot:

• Lara Van Wynsberghe (wave research)
• Bert Vandekerckhove (flightcase)
• Johannes Taelman

Midi implementation:

• velocity implemented (= sustain level)
• noise controller #1, wind noise amount (5-bit resolution, mapped on 0-127)
• lip controller #2 (this controller is disregarded for the note range 48 to 59 as the mouthhole needs to be closed to sound these notes)
• vibrato controller #3 , vibrato speed (default 94)
• vibrato controller #4, vibrato depth (default 8)
• tremolo controller #5, tremolo speed (default 20)
• tremolo controller #6, modulation depth (default 8)
• volume controller #7, sets the global volume, unaffected by ADSR settings, but modulated by the tremolo controllers 5 and 6.
• attack period controller #15: sets the maximum range for the phases of the ADSR. With 0, it will be 8.736ms and with 127 1.1s. Default = 64
• attack time controller #16 (0- #15 setting for 0-127 values)
• attack level controller:#17 (this level is added to the velocity, thus to get an effect, this parameter has to be set lower than the velocity level or vice versa.)
• decay time controller #18 (0-#15 setting for 0-127 values). This controller makes only sense if velocities used are smaller than the setting of the attack level controller.
• release time controller #19 (0-#15 setting for 0-127 values)
• The interdependencies of these controllers (7,16,17,18,19) together with the velo byte is shown in the graph below:
• controller #20: sets the global tuning of the instrument. Possible settings are:
  • 61 = sets the tuning a quartertone down
  • 62 = sets the tuning to diapason A=435 Hz
  • 63 = set the tuning to diapason A=438 Hz
  • 64 = sets the tuning to diapason A=440 Hz (default setting)
  • 65 = sets the tuning to diapason A=442 Hz
  • 66 = sets the tuning to diapason A=445 Hz
  • 67 = sets the tuning a quartertone up
  • other values: not implemented and without effect. Changing the tuning will cause the sounding note to stop.
• controller #25: attack force for the keys controlled by the pulse-hold board. Default setting : 40 [users should only use this only to avoid excessive key-noise in fast passages]
• valve release time-out, controller #26 [implemented for research purposes only]
• controller #66: power on/off with controller reset
• controller #69: disable or enable automatic light mapped on notes 123 and 124 (the eye lights). (on by default) If enabled, the eye lights will work whenever a note is playing. In avoidance of stroboscopic effects or too strong visual nervosity, the lights stay on for 185ms after a note-off.
• controller #80: changes the scaling of the dynamics in use. Following logarithmic settings are possible:
  • 0-63: a 20dB range is used
  • 64: a 40dB range is used [this is the default setting] .
  • 65-127: a 60dB range is used.
  • Changing this parameter will cause the sounding note to stop.
• controllers for wave form parameters: #100-#110: [subject to changes, as this is implemented for research purposes only] Users are advised not to send any of these controllers.

• • #100 Asymmetric sine. The symmetry of the wave can be set with controller 100
  • #101 Sin^2(x) Squared sinewave, with parameter 101 = 64 [default parameter]. With the parameter, the sine exponent can be varied from 1.5 to 2.5.
  • #102 Dirty asymetric sine: Symmetry can be set with controller 102, noisyness in the waveform with controller #108.
  • #103 Sin(x) SineWave, as yet this parameter is not used.
  • #104 Jittered sinewave. Jitter amount can be set with controller 104.
  • #105 Sine wave + octave harmonic. Strength of the octave can be set with controller 105
  • #106 Sine wave + octave and duodecime harmonic. Strength of overtones can be set with controller 106
  • #107 Sinewave with noise. Controller 107 used to change noisyness.
  • #108 Steers the noisyness in the dirty assymetric wave.
  • #109 sets the symmetry for a wave with a first half containing the octave harmonic and the second half just the fundamental. [Default = 46] [removed 10.03.2020]
  • #110 not yet implemented
• controller #111: is used to enable/disable the functionallity of program changes. Prog.change. will only work if the correct key-value is set using this controller.
• controller #123 for all notes off.
• program change for excitation waveforms (#0 - #127). Default: 0. Program change is only implemented for research and development purposes and thus subject to changes, hence it requires a special key to enable these commands. This key must be send using controller 111 with he special key value. The default setting 0 is what users should stick to. Changing waveforms is not possible for the note range 93 to 105, where a sinewave is allways used. Sending a program change command will always cause a playing note to stop sounding.

• Bits 0 to 2 select the waveforms to be used in the medium register (notes 72 to 92)

  • 000 (0) Asymetric sine. The symmetry can be set with controller 100. [default on start-up]
  • 001 (1) Sin^2(x) Squared sinewave, with parameter 101 = 64 [default parameter]. With the parameter, the sine exponent can be varied from 1.5 to 2.5.
  • 010 (2) Dirty asymetric sine: Symmetry can be set with controller 102, noisyness in the waveform with controller 108.
  • 011 (3) Sin(x) SineWave
  • 100 (4) Jittered sinewave. Jitter amount can be set with controller 104.
  • 101 (5) Sine wave + octave harmonic. Strength of the octave can be set with controller 105
  • 110 (6) Sine wave + octave and duodecime harmonic. Strength of overtones can be set with controller 106
  • 111 (7) Sinewave with noise. Controller 107 used to change noisyness.
• Bits 3 and 4 select the waveform to be used for the low register (notes 60 to 71)
  • 00 (0) Calculated ideal excitation wave. [default on start-up]
  • 01 (1) 4-period flute sample wave for note 60
  • 10 (2) 2-period flute sample wave
  • 11 (3) Sine wave + octave harmonic. Strength of the octave can be set with controller 105
• Bits 5 and 6 select the waveform for the extended sublow register (notes 48 to 59)
  • 00 (0) Sin^2(x) Squared sinewave [default on start-up]
  • 01 (1) Calculated excitation wave for note 60. (gives a smooth transition to the low register, but not a very good sound) Usefull for emulating a flute with a B, Bb extension.
  • 10 (2) Square rooted sine
  • 11 (3) 4-period flute sample for note 60
• aftertouch can be used for fingered vibrato [not yet implemented].
• pitch bend (1/4 tone up or down). Pitch bend can only be applied when and whilst a note is playing.
• Midi Channel: 14 (1-16) or 13 (0-15).

The lights on <Flut> are controlled with note-on/off commands mapped on the notes 120 to 124. The velocity byte steers the flashing speed. With velo=127, the lights are switched on without flashing.

• 120: blue LED's on the inner ring
• 121: blue LED's on the outer ring
• 122: center light (white).
• 123: eye light (white) [ this light works together with note-playing as long as controller 69 is set].
• 124: eye light (white) [ this light works together with note-playing as long as controller 69 is set].

Note:

The flute, as all windinstruments, is a strict monophonic instrument. It should be treated as such in midi-files. Dont treat is as if it were a keyboard with flute sounds. If midifiles or real-time midi datastreams contain note-off commands not corresponding to the sounding note, things may go wrong. Such conditions happen when legato playing is sent whereby notes overlap. If polyphonic keyboards are used to play the instrument, such failures will be observed right away. Note that it is perfectly legal on monophonic instruments to play successive notes without sending note-off commands. This is in fact the best way to implement pure legato playing. Sequencer users also are warned about too excessive use of continuous controller messages, generally caused by 'drawing' controllers. Due to the hardware low-pass filters on the volume and adsr controllers, is makes no sense to send more than 15 such messages per second. Sending more can cause interference with the pitches generated. This equally applies to the pitchbend commands. Reasonably good sequencers have tools to let you thin controllers. In Sonar for instance, there are CAL scripts you can invoke to do exactly this.

Technical specifications:

• size: w: 835 x d: 180 x h: 420 (in mm)
• Flightcase size: w: 860 x d; 240 x h: 550 (in mm)
• weight: 20kg
• transportation: needs its flightcase. Can be taken as checked luggage in airplanes.
• Power: 100 - 240 V ac / 100 W. At rest, power consumption is ca. 5 W.
• Tuning: based on A = 440 Hz (within 1 cent). The tuning can be adjusted.
• Ambitus: [48-] 60-96-[105]
• control: MIDI-input, 4 MIDI-Thru (differential).
• midi channel: 13
• Insurance value: 16.500 Euro.

This robot, as yet playing pretty well, may still undergo minor improvements. We are awaiting feedback from our users. This building project was finalized by the end of 2020. With the construction of this robot, we have made automated versions of all instrument members of the traditional symphony orchestra, apart from the strings.

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

Nederlands:

Robot: <Flut>

Het lag nooit in onze bedoeling een dwarsfluit te automatiseren. Pogingen daartoe werden al ettelijke decennia geleden ondernomen o.m. door mijn vriend en kollega Martin Riches. Bovendien bevat het robotorkest eigenlijk al vrij veel met labiaalpijpen opgebouwde orgels, waardoor het ontbreken van een fluit in het orkest niet echt als een gemis werd aangevoeld. Op mijn 68ste verjaardag echter, kreeg ik van Lara Van Wynsberghe toch wel een dwarsfluit kado. In redelijk goede staat nog wel, een eenvoudig instrument van Rampone & Cazzani gebouwd in Milaan. We begonnen het toch weer te overwegen... Vooral ook, omdat door de toevoeging van een heuse dwarsfluit aan het robotorkest, we afgezien van de strijkers, daarmee alle instrumenten van het symfonisch orkest zouden hebben geautomatiseerd.

Automatisering van het mechanisme lijkt een vrij rechttoe rechtaan ontwerp te zijn, aangezien we kunnen putten uit onze ervaringen met de automatisering eerder van de hobo, de klarinet, saxofoons en de fagot. Voor een dwarsfluit kunnen we volstaan met 14 elektromagneten. De kleppen en het mechanisme kunnen we integraal behouden. Het aanblazen evenwel stelt bijzondere moeilijkheden en vormt een probleem dat we nooit eerder aanpakten. De luchtstroom moet immers niet alleen snel en plastisch moduleerbaar zijn, maar ook de richting van de luchtstroom en de diameter ervan moeten goed en soepel bestuurbaar zijn.

In totaal blijken er minstens vier vrijheidsgraden van beweging noodzakelijk te zijn: de afstand tussen de opening van de luchtstroom en de rand van het mondstuk, de hoek waaronder de luchtstroom op de rand gericht wordt, de luchtdruk / debiet van de luchtstroom, de articulatie van de luchtstroom. Uiteraard is de konstruktie van de automatische fluit van Martin Riches ons goed bekend. Die was immers reeds in 1978 te gast bij Stichting Logos. Die konstruktie vermocht evenwel slechts het laagste oktaaf van de fluit te laten klinken. Overblazen was niet mogelijk, omdat de hoek waaronder het aanblazen gebeurt niet kon gewijzigd worden. Variatie van de luchtdruk was wel mogelijk binnen bepaalde en erg beperkte grenzen. De mogelijkheden op gebied van articulatie waren uiterst beperkt.

Een alternatieve aanpak zou erin kunnen bestaan, pulserende lucht op de rand van het mondstuk te richten en zo resonantie in de fluit te bekomen. In dit geval hebben we geen blazende luchtstroom nodig. Ook zou kunnen worden geprobeerd om de buisresonantie op de wekken via een membraankompressor met Laval-tuit op de plaats waar de stop zich bevindt. Hier is een schets voor zo'n konstruktie:

Onze eerste experimenten deden we dan ook met een dergelijke konstruktie. Zaak bleek wel de opening van het kapilair aan het uiteinde van de Laval-tuit zo klein mogelijk te houden zodat de 'stop' zich toch zoveel mogelijk als akoestisch gesloten zou gedragen. Hier is een foto: Het kapilair aan de smalle kant is 10 mm lang en heeft een diameter van 3 mm. Het aanblaasgat blijft in deze konstruktie open en vrij zodat de fluit zich akoestisch blijft gedragen als een aan beide zijden open buis. Aangezien de rand van het klankgat hier niet wordt gebruikt, valt ook het typische ruis-geluid eigen aan de fluit hier weg. Dit diende dan ook in de firmware voor de membraankompressor te worden geimplementeerd. Hier is een foto van de gemonteerde driver:

De maatvoering voor de plaatsing van de elektromagneten konden we eenvoudig afleiden uit volgende foto's:

Implementatie van de vingerzettingen:

We zagen af van het automatiseren van de trillerkleppen voor re en re# in het tweede oktaaf omdat een zinnig gebruik daarvan vergt dat we vooruit kunnen kijken in de te spelen muziek, iets wat voor een real time robot vrijwel onmogelijk is. De kleppen voor Eb en G# zijn (naast de niet als dusdanig geimplementeerde, maar wel geautomatiseerde trillerkleppen) in rust gesloten. Alle andere zijn open in rust.

Met behulp van 15 elektromagneten kan het hele mechanisme volledig geautomatiseerd worden. Dertien kleppen kunnen met duwmagneten van onderuit bediend worden. De duimklep en de G# klep moeten wat zijdelings worden gemonteerd. Voor de besturing van de meeste kleppen besloten we kleine Lucas-Ledex tubular solenoids, type 195203-234 te gebruiken, hetzelfde type dat we eerder al gebruikten voor onze <Spiro> robot. Hier zijn de specs:

Het bewegingstrajekt nodig voor de kleppen van de fluit is ca.3 mm en voor geen enkele klep groter dan 5 mm. Dit brengt de responstijd van de kleppen (50% duty cycle bij een 24V voedingsspanning) op 7.5 ms. Een gevolg hiervan is dat we bij gewijzigde vingerzetting voor de produktie van een toon, de excitatie door de membraankompressordriver met een vertraging van 8 ms moeten laten geschieden. Om dat bereiken werd een intelligente vertragingslijn geimplementeerd in de kode voor het hub-board. 'Intelligent', want er wordt wel degelijk rekening gehouden met de muzikale kontekst en de al dan niet gewijzigde vingerzettingen.

Om de expressiemogelijkheden te vergroten, ontwierpen we een regelklep waarmee de opening van het aanblaasgat kan worden gemoduleerd. De klep is gemaakt uit siliconenrubber om wat te lijken op menselijke lippen. De besturing gaat met een kleine soft-shift elektromagneet aangedreven met een PWM signaal. Tremolo is op deze wijze mogelijk. Voor een echt Flatterzunge is de modulatiediepte net iets te klein. Tijdens de bouw van deze robot viel het ons op dat wanneer we deze klep volledig sluiten, het toonbereik met een oktaaf in de laagte kan worden uitgebreid. De fluit gedraagt zich dan immers als een gesloten pijp. Uiteraard komt de klankkleur in dit register niet meer overeen met die van een fluit maar veeleer met die van een klarinet.

Uiteraard deden we wat opzoekingswerk m.b.t. de akoestiek van de fluit. Voor wat betreft de formant, geven diverse auteurs verschillende resultaten. Bachus houdt het bij een enkele formant-frekwentie rond 800Hz, anderen geven bvb. dit: , waarbij in elk geval opvalt dat de tweede frekwentie 40dB onder die van de eerste ligt. Gezien die grote afstand verzaakten we aan de implementatie van die tweede formant frekwentie in het ontwerp van de hardware voor de driver. We hielden bij bouw en ontwerp van het aansturingsmechanisme terdege rekening met de verschillende registers van de dwarsfluit. Zo klinken de noten 48-59 wat klarinetachtig, het laagste oktaaf (60-71) heeft meer ruis en een meer uitgesproken oktaafharmoniek, het medium register (72-92) heeft de karakteristieke fluitklank en voor het extreem hoog register (93-105) wordt het wat schriel.

De besturings elektronika bestaat uit volgende modules:

1.- Midi parser en hub board (18F2620)

2.- Kleppen besturings board (14-output pulse/hold board) (18F4620)

De uitgangen 1 tot 9 worden gebruikt om de kleppen te besturen. Uitgangen 10 tot 14 worden gebruikt voor de besturing van de lichten op de robot.

3.- Membraan-kompressor driver: 16-bit processor (24EP128MC202):

Door de werking van het dynamisch formant filter (volledig analoog opgebouwd), is de klankkleur mede een funktie van de geluidsterkte, net zoals dat het geval is bij een 'gewoon' bespeelde dwarsfluit. De toonhoogtebepalende sample rate van pwm1 samen met de pwm modulatie zelf bepalen de golfvorm. De sample rate is hier 128 x de frekwentie van de te genereren toon. Pwm2 genereert de omhullende signalen (ADSR) die na filtering een eerste analoge multiplier aansturen. Pwm3 wordt ingezet voor de sturing van de geluidsdruk. Ook dit signaal wordt naar een analoge multiplier gestuurd.

4.- Vermogensversterker (Texas)

Dit is een zuiver digitale eindversterker, gebruikt in een brug konfiguratie voor monofone signalen.

5.- Voeding

Hier is een schematisch overzicht:

Mapping van de mikroprocessor uitgangen en bedrading:

De bronkode van de firmware (geschreven voor de Proton Compiler) , evenals de hex-dumps nodig om de chips te programmeren zijn beschikbaar via onderstaande links:

Specifikaties:

Toonbereik:

Midi implementatie: (voor details, zie de uitgebreide engelse versie bovenaan deze pagina).

• note off, release implemented (= decay time)
• note on, velocity implemented (= sustain level)
• wind noise controller #1
• lip controller #2 (deze controller werkt alleen voor het toonbereik 60 tot 96, voor de noten 48 tot 59 is de klep steeds gesloten)
• vibrato controllers #3 , #4
• tremolo controllers #5, #6
• volume controller #7 [default setting = 84]
• attack time controller #16
• attack level controller:#17.
• decay time controller #18
• release time controller #19
• tuning controller #20 (default = 64, 440Hz)
• valve attack force controller #25 (default = 40)
• valve release time-out, controller #26
• controller #66: power on/off with controller reset
• controller #69: schakelaar voor automatisch licht on/off. Default: on.
• controllers for wave form parameters: #100-#109 (vermijd het gebruik van deze controllers!)
• controller #111: sleutel voor de ontgrendeling van de program changes.
• controller #123 for all notes off.
• program change for excitation waveforms (#0 - #127). De setting 0 is de default en ook de enige geadviseerde keuze. Prog.change kan alleen worden gebruik nadat een speciale sleutel via controller 111 wordt uitgestuurd. [details staan in de engelse tekst bovenaan deze pagina]
• aftertouch can be used to steer fingered vibrato speed
• pitch bend (1/4 tone up or down) Pitch bend is alleen mogelijk voor een noot die klinkt, dus na een note-on kommando.
• Midi Channel: 14 (1-16) or 13 (0-15).

Technische gegevens:

• afmetingen: w: 835 x d: 180 x h: 420 (in mm)
• afmetingen flightcase : w: 860 x d: 240 x h: 550 (in mm)
• weight: 20 kg
• Opgenomen vermogen: 100 - 240 V ac / 100 W. In rust is het stroomverbruik ca. 5 W.
• Stemming: A = 440 Hz ( 1 cent nauwkeurig). Andere mogellijke stemmingen: 435, 438, 442, 445Hz evenals kwarttoon lager of hoger.The tuning can be adjusted.
• besturing: MIDI-input, 3 MIDI-Thru (differential).
• verzekeringswaarde: 16.500 Euro.

Bouwdagboek - Construction Diary:

• 03.01.2020: Dwarsfluit kadoo gekregen van Lara Van Wynsberghe voor mijn verjaardag.
• 04.01.2020: Inventarisering van de voorzienbare konstruktieproblemen.
• 05.01.2020: Eerste schetsen voor een zuiver akoestisch aanblaasmechanisme. Bronnenonderzoek naar gelijkaardige experimenten: Martin Riches, Peter Wiessenthaler...
• 06.01.2020: Opzetten van enkele experimenten met het oog op de konstruktie van een aanblaasmechanisme. Het eerste experiment bestaat uit het aansturen van de fluit vanuit de plek waar zich de stop bevindt, met een membraankompressor. Konstruktie van de akoestische impedantiekonverter en mechanisch koppelstuk voor de membraankompressor. Een hele dag werk op de draaibank... Hier is een foto van de oorspronkelijke stop:
• 07.01.2020: Het boren van 3mm gaatjes in dik rood koper blijkt minder eenvoudig dan het lijkt. Boortjes die afbreken in het gat zijn schering en inslag... Eerste tentatieve selektie van elektromagneten: In plaats van de BLP magneten, kunnen we ook Lucas-Ledex magneten toepassen, hetzelfde type dat we vroeger al gebruikten voor de bouw van de robots <Spiro> en <Toypi>.
• 08.01.2020: Selektie van mogelijke eindversterkers: Texas TPA3129 D2EVN (2x30W, kost 88 Euro), Texas TPA3245 EVN (230W, kost 130 Euro), Texas TPA3116 D2EVM (100W, kost 147 Euro). Voor de voeding daarvan passen we best een zuiver analoog ontwerp toe, zoniet riskeren we interferentie met de sampling rate frekwenties. Eerste schetsen van een mogelijke opbouw. Konstruktie van de eerste twee houders voor de dwarsfluit, uit 50 x 10 x 250 inox. Hier is de werktekening: De dwarsfluit wordt met de klemmen in de 20 mm ronde uitsparingen aangebracht en vastgezet met vier M5x20 inox cilinderkop boutjes.
• 09.01.2020: Voor de chassis basis kunnen we inox kokerprofiel 100 x 50 x 3 gebruiken. Uit voorraad hebben we echter nog slechts twee zaagrestanten. Aaneengelast, komen we zonder extra uitgaven toch nog aan de nodige lengte. Het volledig ontbreken van enige vorm van subsidiering speelt ons hier wel degelijk parten. Konstruktie en laswerk aan de drager voor de membraankompressor. Aangezien we geen gatzaag voor 50 mm hebben en ook geen middelen meer om er een te kopen, bouwden we die konstruktie op met twee stukken inox buis (diameter 20 mm) en twee halve 5 mm dikke aangelaste inoxbeugels. Het geheel wordt nu samengehouden met M12 bouten of schroefdraadstangen. Hier is de werktekening voor de konstruktie:
• 10.01.2020: Beslist om de robot toch te voorzien van vier wielen, zonder zwenking weliswaar. De wielen hebben een diameter van 100 mm en een asgat van 12 mm. Ophanging blijft nog steeds een mogelijkheid. Aan beweging van de robot gaan we verzaken, vooral omwille van kostprijs overwegingen. Bij ophanging ware een propeller, onderaan, nog wel te overwegen... Ook een inertie-motor valt te overwegen. Ontwerp van een geschikt midi-hub board volgens deze schakeling: Begin konstruktie van de houder voor de elektromagneten. Alle boorgaten voorzien van een 3/8" UNEF schroefdraad voor de Lucas-Ledex magneten. De tappen daarvoor hadden we nog op voorraad, want we gebruikten ze eveneens bij de konstruktie van de <Spiro> robot. Voor de afregeling van het bewegingstrajekt, tapten we alle gaatjes met M4 schroefdraad.
• 11.01.2020: Verder werk aan de konstruktie van de magneet eenheid. Deze wordt op de vertikale fluitsteunen vastgeschroefd met twee M5 boutjes. Eerste tests: blijkt dat enkele kleppen meer kracht nodig hebben om te sluiten dan voorhanden met de gebruikte elektromagneten. De lage Mib klep (normaal gesloten) heeft driemaal zoveel kracht nodig. Daarom wijzigden we konstruktie zo dat voor die klep een Lucas-Ledex type STA196205-230 . kon gebruikt worden. Het montagegat moest dan wel uitgeboord worden op 14.1 mm en aan de onderzijde 20 mm. Voor de sol# klep besloten we om dezelfde reden zo'n elektromagneet in te zetten, maar hiervoor maakten we een uitstekende beugel waarop de magneet gemonteerd wordt. Verder blijkt het nuttig alle naaldveren, die op de fluit kleppen open houden, te verwijderen. Ons mechanisme houdt de kleppen immers in rust open door de zwaartekracht, aangezien we de fluit ondersteboven monteren en gebruiken, Dit komt de responssnelheid en ook het energieverbruik erg ten goede. Voor de duimklep moeten we nog een goede oplossing verzinnen. Op het uiteinde van de ankers bevestigden we stelringen, voorlopig met binnenmaat 2.1 mm, te groot voor deze toepassing maar we vonden geen leverancier voor stelringen met een gatmaat van 1.5 mm. De hier gebruikte stelringen komen van Conrad (bestelnummer 144-313-02 of 1-995-913). Ze zijn voorzien van een M3 stelboutje. Voor de grotere Ledex spoelen gebruikten we Pichler 'prop-savers' normaal toegepast voor de montage van propelers op modelvliegtuigjes.
• 12.01.2020: Uittekenen, ontwerpen en bouwen van het mechanisme voor de duimklep. De draagbeugel hiervoor monteerden we met twee M4 x 16 boutjes op het vastgelast uitstekend eind inox 30x3 waarop ook de G# magneet is bevestigd. Uiteindelijk viel onze keuze op een Laukhuff traktuurmagneet, voorzien van een 5 mm bout met pannekoekkop waarop we een viltje kleefden. De duim-eenheid kan losgenomen worden, zoniet zou het verwijderen van de fluit moeilijkheden kunnen opleveren. De mechanika van de automatisering van de vingers is daarmee zo goed als rond.
• 13.01.2020: Solderen van het kleppenbesturingboard. De uitgangen 12 en 13 zijn voorlopig nog onbestemd. Voedingmodules besteld: 24V / 8A voor de eindversterker en 12V / 13A voor de houdspanning van de solenoiden. Deze modules kunnen in het 50 x 100 basisprofiel geschoven worden, wanneer we eerst de as van het voorwiel wegnemen. Voor de nodige eindversterker kozen we voor de TPA3116D2EVM, een digitale versterker die in de brug konfigureerden (PBTL mode). Het vermogen in 8 ohm is dan 100 W, maar met onze 16 Ohm belasting in kombinatie met de 24V voedingsspanning wordt dat beperkt tot minder dan 36 W.
• 14.01.2020: Begin van het schrijven van de firmware voor het note-velo board. In principe kunnen we hier het model toepassen van de <Asa> robot, maar in dit geval moeten we wel timers voorzien voor de velo-pulsen voor die kleppen waarvoor dat absoluut onontbeerlijk is. Draaien van de 12 mm diameter assen voor de wielen, voorzien van inkepingen voor het bevestigen can circlips. Begin van de montage van de 12V en 24V voedingen op inox plaat, zodat beide modules in het 100 x 50 basisprofiel kunnen geschoven worden. Het vastzetten van deze modules moet gebeuren met M3 x 20, verzonken inox boutjes (posidrive). De IEC konnektor evenals de aan/uit schakelaar moeten aan de achterkant (aanblaasuiteinde) gemonteerd worden.
• 15.01.2020: Afwerking van het basiskokerprofiel: boren van de 20 mm doorlaatgaten voor de bedrading en oplassen van de bevestigingen voor de netspanningsingang en de aan/uit schakelaar. Voorzieningen voor mogelijke ophanging van de hele robot. Tentatieve bepaling van het zwaartepunt. Alle montagestukken voor de fluit vastgelast op het basisprofiel. Achterwielen gemonteerd en vastgezet met circlips op de as. Voedingen bedraad en in het kokerprofiel geschoven.
• 16.01.2020: Uitzagen en boren van de drager voor de PCB's uit polykarbonaat, afmetingen 400 x 150 mm. Uittekenen van het schakelschema voor de membraankompressor driver. De multipliers die we in deze schakeling gebruiken zijn MPY634 van Burr Brown, een substantiele verbetering tegenover de AD633 types van Analog Devices die we eerder gebruiken in de <Bug> robot. Deze wijziging vergt uiteraard een wijziging van de gedrukte schakeling, aangezien de MPY634 types in een 14 pins DIL behuizing zitten. PCB's voor het hub en het synth board uitgetekend, op film overgebracht en geetst. Hier zijn de PCB's: Beide enkelzijdige printjes zijn Eurocard formaat: 100 x 160 mm.
• 17.01.2020: Solderen van het toongenerator board. Er was een foutje in het printontwerp geslopen: pin 12 van de tweede multiplier had een foutief baantje naar massa...Alle nodige onderdelen hadden we in voorraad, behalve de 82 mH spoel: bijbesteld bij RS-Components, Bourns RLB0913-82 3K. De voorraad OP27 chips is nu volledig uitgeput.
• 18.01.2020: Boren en solderen van het hub-board met de 18F2620 processor. Herrekenen van het dynamisch formant filter op het toongenerator board: trimpot toegevoegd voor de afregeling. Polykarbonaatplaat uitgezaagd voor de montage van de PCB's. De hub print en de generator print komen aan de 'voorzijde' (kant bespeler). De pulse/hold en de -12V voeding komen op de andere kant. SMPS voeding (12V/5A) besteld bij Farnell: type TMM60112C van Traco. De PCB's worden vastgezet met metalen MF M3 bussen van 10 mm. De moeren komen aan de onderdelenzijde.
• 19.01.2020: Boren van de montagegaten voor voeding en pulse-hold board op de achterzijde van de polykarbonaat plaat. Firmware voor het hub board versie 1 geschreven en voorlopig getest.
• 20.01.2020: 82 mH spoeltjes geleverd door RS components. We kunnen de synth print en het formant filter afwerken. Firmware voor het hub board debugging. Bedradingsplan uitgetekend:
• 21.01.2020: Begin redaktie van de firmware voor het pulse-hold board. Versie 1.0 klaar. Loopspeed is 128kHz en 106kHz onder 'folterbelasting'. Hoewel nog niet gemonteerd, werden lichtjes al in deze firmware geimplementeerd. Traco voeding geleverd door Farnell.
• 22.01.2020: Traco voeding gemonteerd op de polykarbonaat dragerplaat. (Vier boutjes M3 x 20).
• 23.01.2020: Bedrading van de solenoids naar de Weidmueller konnektoren. Montage van draadsteuntjes met soldeerlijsten.Draadkleuren gedokumenteerd in het bedradingsplan. Alle bedrading voor de netspanningen afgewerkt met Wago konnektors. Montage van de vier wielen. Een eerste zicht op de robot, nog zonder de lipklep:
• 24.01.2020: Elektrische tests van de bedrading... er moet een fout geslopen zijn in de bedrading van de voedingen ingesloten in het kokerprofiel. Met aangesloten 230V rechtstreeks op het hub board, werkt alles naar behoren, ook met een externe 12V voeding. Fout gevonden en rechtgezet. Plooien, boren en monteren van de drager voor de digitale versterker met plaats voor een 12V lampje aan de aanblaaskant. Hiervoor gebruikten we 2 mm dikke inox plaat. Konstruktie van de lampjes voor de 'ogen'. De mapping van die ogen is op noten 123 en 124. Die van het centraal lampje op noot 122.
• 25.01.2020: Eerste tests van de firmware op de eigenlijke robot. Redaktie van testkode in GMT. Konstruktie van de siliconen-klep die de lippen moet automatiseren. Hiervoor gebruiken we een Lucas-Ledex softshift elektromagneet. De bevestiging op de fluit maakten we uit 10 mm dik aluminium. De beugels worden vastgezet met vier M4 x 50 bouten. De buitendiameter van de fluit aan de kant van de stop vlakbij de mondplaat is 18 mm terwijl de andere kant 18.5 mm diameter heeft. De beugels zijn dus ongelijk. We markeerden het stuk voor de stopkant met een letter A inslag, de andere kant met een B. In de bovenkant, centraal tapten we M4 schroefdraad voor montage van een M4 MF 8mm hoge afstandsbus, waarop de plexiglas houder voor de magneet is gemonteerd. De 'lipklep' werd gemaakt uit een stukje dun siliconenmembraan, langs een zijde (die van de onderlip) vastgekleefd op de mondplaat van de fluit. De softshift magneet wordt vastgezet met twee UNC #3-48 moertjes, een Amerikaans anakronisme... Na uitharding moet het membraan nog op de juiste maat worden afgeknipt. Nu moeten we wachten tot de siliconenrubber waarmee we het stukje membraan vastkleefden uitgehard is, vooraleer we het membraan aan het anker van de elektromagneet kunnen bevestigen. Wanneer de klep volledig gesloten is, kunnen we het naar beneden uitgebreid toonbereik (noten 48 - 59) spelen. In rust is de klep altijd geopend.
• 26.01.2020: Verder werk aan de lipklep. De hechting van het siliconenvlies op de mondplaat blijkt goed. Nu ook het anker op het vlies gekleefd, in de bekrachtigde toestand van de spoel. Indien dit niet zou werken, kunnen we altijd een kleine veer toepassen. Voor de mogelijke ophanging van deze robot kunnen we eventueel twee boordringen van 450 mm diameter toepassen. We verkrijgen dan een dubbele omega-vorm. De boordringen moeten wel gepolierd worden. Hier is het nieuwe uitzicht: Er moet wel nog een ophangbeugel worden gelast bovenaan de boordringen en op het nog exact te bepalen zwaartepunt van de robot.
• 27.01.2020: Eerste test en debug faze van het gemonteerde geheel. De firmware moet duidelijk nog verder op punt worden gesteld... Uit deze eerste proeven blijkt wel al dat een zuiver sinusoidale aansturing van de membraankompressor nog het beste klinkt. De lipklep blijkt naar behoren te werken.
• 28.01.2020: Verder werk aan de firmware voor de membraankompressor. Verandering van golfvormen is nu met pointers geimplementeerd. Acht verschillende sample-lookups toegevoegd in de firmware.
• 29.01.2020: Implementatie van controllers voor globale en diverse stemmingen van de fluit. Lookup-tabellen toegevoegd voor de diapasons 435, 438, 440, 442, 445 evenals voor kwarttoon omlaag en kwarttoon omhoog. Berekeningsprogramma geschreven in PBcc. Toonhoogtebereik uitgebreid tot noot 105, gebruik makend van een specifieke lookup tabel waarmee artefakten in de toon vermeden kunnen worden. Afregeling van de bewegingstrajekten van de solenoids. Aanbrengen van dempingsviltjes. <Flut> speelt zijn eerste toonladdertjes...
• 30.01.2020: Pitch-bend bugs oplossen en wave-lookups optimaliseren. Test op het goed openen en sluiten van de kleppen. Default settings vastgesteld en geimplementeerd voor de vibrato en tremolo controllers.
• 31.01.2020: Verder werk aan de firmware voor de driver. Wave-lookups gereorganiseerd.
• 01.02.2020: Windruis geimplementeerd in de toonvorming. Dit werkt nu prima en is een substantiele verbetering van de klankkleur.
• 02.02.2020: Automatische registerwisselingen geprogrammeerd. De tessituurbereiken 48-59, 60-71,72-92 en 93-105 hebben nu elk een eigen inkleuring. Testkode in GMT aangepast aan de nieuwe implementatie van program changes.
• 03.02.2020: Pitchbend delayed on the midihub in case the note-on is still in the buffer. Een volledig nieuwe redaktie van het ADSR systeem lijkt zich op te dringen, aangezien we nu af en toe glitches hebben... We zitten echter wel ver tegen de grens aan van wat de PIC aankan. Voor latere ontwerpen ware het beter voor het ADSR systeem een afzonderlijke processor in te zetten. Stapjes in de ADSR vergroot van 1 tot 4, dat leverde een aanzienlijke verbetering op. De twee inox ringen afgewerkt, gepolierd en voorzien van een verbindings stuk bovenaan, gemonteerd op het zwaartepunt, zodat de robot hieraan kan worden opgehangen. <Flut> kan aan de gebruikers worden overgelaten voor feedback en kritiek nu. Gebruikershandleiding in overeenstemming gebracht met de aktuele implementaties in de PIC-controllers.
• 04.02.2020: Nieuwe golfvorm toegevoegd voor register 60-71 dat nog wat onbevredigend klinkt. Streefdoel is zoiets als dit: Met 72 tot 98 zijn we al erg tevreden... ADSR implementatie volledig opnieuw geschreven, deze keer met een vaste sampling rate. (ADSR_Period, in the source kode). Na een cold-boot moet 2 seconden gewacht worden vooraleer midi-kommando's verstuurd kunnen worden. Die tijd is nodig voor de 24EP128MC202 processor om al de golfvormlookup tabellen te berekenen. Na een power-off kommando volstaat een wachttijd van maksimaal 1 sekonde.
• 05.02.2020: Controller 15 toegevoegd, waarmee de periode-tijd van de gehele ADSR kan herschaald worden. Filter toegevoegd aan golfvorm9. <Flut> played Greensleeves as a test for the first time...
• 07.02.2020: <Flut> speelde voor het eerst publiek voor een school uit Lochristi: 120 over-enthousiaste luisteraars... Moniek Darge poste vandaag ook een video-opname van Greensleeves op Facebook.
• 14.02.2020: Konstruktie van een flightcase voor<Flut>.
• 15.02.2020: enkele bugs verwijderd uit de 24F pic kode.
• 16.02.2020: Nieuwe foto's van <Flut> gemaakt, met de afgewerkte ophangbeugel nu.
• 20.02.2020: Demo met <Flut> op het aluminium koncert in de Logos Tetraeder.
• 28.02.2020: Extra waveform toegevoegd in de firmware, gesteund op een sample van een lage fluittoon. Nog uit te testen...
• 29.02.2020: GMT voorzien van funkties om de diverse golfvormen van Flut op het scherm te tonen. Overweging om de oogjes toch automatisch te laten werken, zoals gedaan bij <So>.
• 01.03.2020-04.03.2020: Verdere research naar geschikte golfvormen voor het bereik 60-71. We konden het ook niet nalaten eens uit te testen welk resultaat we zouden krijgen bij toepassing van een golfvorm ontleend aan een sample van een echte fluitopname. Resultaat: absoluut ontgoochelend, want dan krijgen we een extreem uitvergrote karikatuur van een dwarsfluit: de wezenlijke spektraal-komponenten komen dan immers zowat viermaal te sterk naar voren. Niettemin is een grondige analyse van de golfvorm van een echte fluit instruktief omdat die uitwijst welke komponenten in de exciterende golfvorm onontbeerlijk zijn. Hier is een op een sample gebaseerde golfvorm: Merk op dat elke individuele periode substantieel verschillend is en dat de frekwentie in enige mate onstabiel is, iets wat heel wat wetenschappers over het hoofd zien en wat ook op een oscilloskoop nauwelijks valt waar te nemen.
• 05.03.2020: Onderzoek naar de mogelijkheid om wat de fluit als resonator toevoegt aan de excitatie, af te trekken van het sample zodat we een model van de zuivere excitatie overhouden. Voor de ontwikkeling van die kode gebruiken we de GMT omgeving in Power Basic.
• 06.03.2020: Libraries in GMT uitgebreid met allerlei funkties voor golfvormberekeningen voor de excitatie signalen van membraankompressoren in robotische blaasinstrumenten. Test kode voor <Flut> in GMT uitgebreid met allerlei golfvormfunties.
• 08.03.2020: Firmware voor het pulse-hold board gewijzigd, zodat nu ook de oog-lampjes automatisch gestuurd worden, in plaats van het centrale 'mond'-lampje in de eerdere versie.
• 09.03.2020: research naar excitatie golfvormen, met assistentie van Lara Van Wynsberghe bij het aanmaken van de .wav bestanden voor experimenten en metingen.
• 10.03.2020: Onze theorie over de berekening van de ideale excitatie golfvorm krijgt empirische bevestiging. Firmware navenant aangepast. Om gebruikers niet te verleiden andere dan de aanbevolen golfvormen te gebruiken, implementeerden we controller #111. Wanneer die de eigen sleutelwaarde heeft, luistert de robot naar program changes, zoniet blijven ze zonder enig gevolg. Wanneer een fluit met een B, Bb extentie moet worden geemuleerd, kan de prog. change voor het suboktaaf nu gebruik maken van dezelfde excitatiegolf als die voor de noten 60-71.
• 11.03.2020: De theorie van de excitatie golf toegevoegd aan ons artikel 'Expression Control in automated musical instruments'. Gegeven de standaard sampling rate van 44.1kS/s is de hoogste noot waarvoor onze metode kan worden toegepast, midi noot 64 (329Hz). Met een sampling rate van 192kS/s moeten we noten tot en met 90 (1480 Hz) kunnen halen.
• 27.05.2020: Toch enkele bugs ontdekt in de firmware. Zo werd het velo byte op het pulse-hold board gebruikt om de aanslag van de kleppen te besturen. Dat moet natuurlijk via een afzonderlijke controller gebeuren... De oogjes blijken ook niet te werken zoals het hoort. Er moet een bug zitten in de implementatie van de note-off's.
• 28.05.2020: Beide bugs gevonden en gedood. Firmware opnieuw geprogrammeerd voor hub board en pulse-hold board. Controller #25 toegevoegd voor de aanslagkracht van de door het pulse-hold board bestuurde kleppen.
• 06.12.2020: Bug killed in the PIC24 firmware: glitches due to wrong way of reading 32 bit timers. After a read of TMR2 the value for the msb should be read from TMR3HLD.
• 10.12.2020: Firmware voor de PIC 24EP128MC202 processor herschreven onder gebruikmaking van de verbeteringen aan de kode voor de ADSR implementatie bedacht voor <Bug> en <Hunt>.
• 12.12.2020: Nieuwe firmware voor de membraankompressor driver getest, afgewerkt en opgeladen.
• 19.01.2021: Some bugs discovered in the implementation of vibrato. Firmware upgraded. No changes for users required.
  
• 22.07.2023: <Flut> opnieuw grondig getest en o.k. bevonden na de tango produktie in de Gentse Feesten, Baudelopark.
• 14.09.2023: <Flut> mee op reis met het robotorkest naar de Deutsche Oper Berlin voor de Zeroth Law produktie van Gamut Inc.
• 02.10.2023: <Flut> terug aangekomen zonder schade in het robotorkest in Gent.

Maintenance notes . Aantekeningen met betrekking tot onderhoud en herstellingen.

1.- Indien iets mis gaat met de +24V voeding of de +12V voeding, moeten die uit het basiskokerprofiel verwijderd worden. Om dit te doen moeten de voorwielen en de 12 mm as waarop ze draaien volledig worden weggenomen. Aan de achterzijde moeten de faston konnektors aan de hoofdschakelaar evenals de konnektors naar de versterkervoeding (rood/zwart) worden losgemaakt. Die plaat is met twee M5 bouten op het chassis bevestigd. Ook de aansluitingen voor de 230V en de 12V voeding moeten losgemaakt worden van de PCB's. Pas dan kan de plaat waarop de voedingen zijn gemonteerd losgenomen worden. De zwart/witte draad ligt aan de nulleider, de witte aan de faze. De voedingen zelf zijn niet geaard, het chassis dat ze volledig omhult wel.

References:

• Bartolozzi, Bruno, "new sounds for woodwind", ed.Oxford University Press, London 1982. (ISBN 0-19-318611-x)
• Benade, Arthur .H., "Fundamentals of Musical Acoustics". Ed.: Oxford University Press, 1976.
• Douglas, Alan, "The electrical production of music", ed. Macdonald, London 1957.
• Fingering table for the flute
• Lucas-Ledex tubular solenoid data sheet (also sold under the name Saia-Burgess)
• Raes, Godfried-Willem, "Kursus Akoestiek", Ghent University College 1982/2013, Internet: http://www.logosfoundation.org/kursus/4023.html
• Raes, Godfried-Willem, "Expression control in musical automatons", 1977/2020,
• Raes, Godfried-Willem, "Logos @ 50, Het kloppend hart van de avant-gardemuziek in Vlaanderen", ed. Stichting Kunstboek, Oostkamp 2018 (ISBN 978-5856-605-8)
• Riches, Martin "Maskinerne / The Machines", ed. Kunsthallen Brandts Klaedefabrik, Denmark, 2004. (ISBN 87-7766-144-3)
• Springer, George H. "Maintenance and repair of wind and percussion instruments", ed.Allyn and Bacon Inc, Boston 1976. (ISBN 0-205-05012-3)
• Smith, Bob H., "An Investigation of the Air Chamber of Horn Type Loudspeakers", in: The Journal of the Acoustical Society of America 25, 305-312 (1953); https://doi.org/10.1121/1.1907038
• https://www.youtube.com/watch?v=SwialoRrRmU (Android flute playing robot).
• Texas Instruments: TPA3116D2EVM
• XP-Power ALM200 power supplies
• Traco TMM60112C power supply

Kostprijsberekening:

Materialen:

totale materiaalkost: 3480.70 Euro

Werklast:

arbeidskost: 12.825 Euro

End cost 12.2020: 16.306 Euro

Estimated end cost: 16.500 Euro.