Партия для трёх рук: как инженер создал помощника для игры на электрогитаре

Как и многие инженеры, Олав Мартин Кверн увлекается музыкой. Он играет на электрогитаре более 40 лет — для точного перебора струн пользуется медиатором. Тем не менее, Кверн всегда мечтал научиться играть пальцами, но к 65 годам понял, что просто не сможет обучиться новой технике, а его пальцы и запястья уже не такие гибкие, как у молодых музыкантов. Тогда Олав решил, что создаст инструмент, который поможет ему лучше играть на гитаре — как очки, которые помогают лучше видеть.

Вместо MIDI-инструментов, в том числе MIDI-клавиатуры, преобразующей нажатие в MIDI-сигнал, который направляется на принимающее устройство — например, на электронную гитару — Олав решил создавать устройство-помощника с более сложной логикой работы. Он хотел добиться реального звучания — вибрации струн под пальцами.

Устройство Кверна представляет собой пластину из оргстекла с осями и платой, прикрепленной к деку электрогитары. Пластина расположена там, где у гитариста обычно лежит ребро ладони — так устройство и автоматизирует партию правой руки.

На каждую ось надета зеленая деталь-держатель медиатора, напечатанная на 3D-принтере. Обычный медиатор — значительно больше, чтобы было удобно держать его в пальцах, здесь же используется его часть, не заметная глазу. При повороте оси медиатор движется перпендикулярно струне, цепляя ее кончиком. Наверху зеленой детали — регулировочный винт, который выдвигает кончик медиатора.

Правее Олав Мартин Кверн разметил черные кубы — сервоприводы. Внутри них — электромотор и схема управления. Размер серв не позволяет поставить их в один ряд (расстояние между осями медиаторов задано расстоянием между струнами), поэтому они стоят в два ряда, и оси вращения «медиаторов» разной длины, чтобы дотянуться до серв. На краю дека собрана вся электроника: на фотографии, например, можно заметить плату Servo 2040 и еще несколько плат, спрятанных под черной крышкой.

Чтобы собрать устройство, Кверну понадобились:

• Adobe InDesign и специальные сценарии для механического черчения деталей;
• OpenSCAD для проектирования 3D-деталей (некоторые пользовательские сценарии InDesign записывают файлы OpenSCAD);
• 3D-печать для изготовления контроллера сервопривода вала и держателя медиатора. Инженер использовал Prusa i3M2 для печати тестовых деталей, Prusa SL1 для печати окончательных деталей, i3M2 для печати основы, которая крепится к гитаре;
• Лазерный резак для акриловых деталей;
• Паяльник и разные ручные инструменты для сборки готового устройства;
• Гитара Squier (Fender) Telecaster;
• Соленоиды.

На протяжении многих лет Олав Мартин использовал микроконтроллеры Microchip PIC и различные устройства на платформе Arduino для управления роботом, но затем переключился на Pimoroni Servo 2040 — эта плата сочетает в себе микроконтроллер RP2040 и сервоконтроллеры.

Проектирование аппарата заняло у разработчика больше всего времени, потому что Кверн хотел, чтобы работа соленоидов, двигателей и серводвигателей соответствовала ряду требований:

• Расстояние между струнами на бридже гитары Telecaster — около 11 мм, поэтому приводы должны быть достаточно маленькие, чтобы расположить шесть штук на задней стороне бриджа.
• Чтобы механизм-медиатор мог задеть струну так, чтобы получился звук, его сила должна составлять 3 кг/см — для этого нужно довольно мощное устройство.
• Время, необходимое приводу для захвата струны (перемещение рычага с одной стороны струны на другую), должно составлять ~63 миллисекунды, чтобы была возможность играть тридцать вторыми долями при темпе 120 ударов в минуту.

Олав Мартин Кверн экспериментировал с разными технологиями, пытаясь достичь правильного звучания. Соленоиды, которые он использовал в первых версиях, давали звук, похожий на фортепиано, в то время как инженер хотел добиться именно гитарного звучания. Еще одна проблема соленоидов — электромеханический шум, устранить который не получалось. После неудач с экранированием соленоидов разработчик перешел к электрическим мотор-редукторам, но они оказались слишком медленными.

В итоге Кверн остановился на цифровых сервоприводах, потому что у них более высокий крутящий момент, чем у мотор-редукторов или аналоговых сервоприводов того же размера. Сервоуправление осуществляется платой Pimoroni Servo 2040, на которую Олав добавил полипредохранители питания сервоприводов.

Для соединения с медиатором используется напечатанный на 3D-принтере хомут. С одного конца он подходит к сервоприводу, а с другого у него есть отверстие для поперечной оси из набора Lego. 3D-хомут удерживает медиатор и размещает адаптеры для осей детали Lego на обоих своих концах. Каждый медиатор удерживается на месте отдельной деталью.

Регулировка вертикального положения медиатора стала решающим моментом, требующим максимальной точности для качественного извлечения звука. Цифровой сервопривод Power HD 1801MG стал оптимальным решением с достаточным крутящим моментом и необходимой скоростью поворота.

Роботизированная система, установленная на гитару, берет на себя исполнение партии правой руки. Это означает, что вторая рука исполнителя свободна, чтобы экспериментировать с аппликатурами гитарных аккордов.

Более того, освободившаяся рука может взять на себя более «режиссерскую» функцию: изменять паттерны, регулировать параметры эффектов, выбирать струны в дополнение к тому, что делает робот, и так далее. Гитаристы часто используют ножные педали или переключатели для изменения параметров, но с системой Олава эту роль может взять на себя рука. Как отмечает сам инженер, изучать технику игры на такой «прокачанной» гитаре можно бесконечно.

Алексей Кудинов, работает инженером в YADRO, играет на электрогитаре более 10 лет и организует звуковое сопровождение камерных спектаклей и концертов: