手作りIoTギター

Created Date: 2016-08-02/ updated date: 2016-08-05
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    Summary
    身近な材料を使って、自分だけのオリジナルギターを作りましょう。弦は一本ですので、ギターを弾いたことのない方も演奏までお楽しみいただけます。
    作ったギターにピエゾ素子のピックアップを取りつけ、アンプ・スピーカーとつないで音色を変えたり、演奏を録音して楽しんだりできます。我々はこれをPWS(Personal Wireless Studio)と名付け、音楽を気軽に楽しめるデバイスを目指しています。
    手作りギター部分は小さなお子様でも作れます。親子で楽しく工作してみてはいかがでしょうか。

    Materials

      Tools

        Blueprints

          Making

          • 部品をそろえよう

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            手作りギター本体とPWS、それぞれに必要な部品を紹介します。
            手作りギターは小さなお子様でも簡単に作れるような構造になっています。
            PWSは電子部品が多いですが、ネット等でも簡単に手に入るものがほとんどです。
            • 手作りギター

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              手作りギター本体を作るのに必要な材料と道具を紹介します。100円ショップで集められます。

              ○ 材料
              ・しゃもじ(300mmくらい)
              ・わりばし、竹串
              ・丸環ねじ、画鋲
              ・厚紙
              ・クラシックギター4弦

              ○ 道具
              ・はさみ
              ・カッター
              ・のり
              ・木工用ボンド
              ・ペン
              ・ものさし
              ・テープ
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              • Small dsc 6412
            • PWS(Personal Wireless Studio)

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              PWS(手作りギターに接続して使うハードウェア)の部品に関しては、GitHub <https://github.com/shibayan1122/PWS/tree/master/hardware/> にある "部品一覧.xlsx" を参考にしてください。
              各部品は、製品例と同じものをそのまま使用していただくことも、同等の役割の別のものに変更していただくことも可能です。必要に応じて、ご自身でご変更ください。
              ※注意: 無線LAN子機は、ご自身の利用する環境に対応したものを選択してください。
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          • ギター本体を作ろう

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            ここでは一本弦のギターの作りかたを紹介します。
            ボディの形を自由にデザインしてみましょう。
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            • フレットを貼る

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              わりばしと竹串を切り、木工用ボンドを使ってしゃもじに貼ります。
              両端のわりばしとわりばしの距離を 300mm にし、その間、32mm・60mm・73mm・97mm ・117mmの位置に竹串を貼ります。
              何も押さえない状態(開放弦といいます)で"ド"の音が出るように調整すると、32mmのフレットを押さえると"レ"の音が、60mmは"ミ"、73mmは"ファ"、97mmは"ソ"、117mmは"ラ"の音が、それぞれ出るようになります。

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              • Small dsc 6416
              • Small dsc 6413
              • Small dsc 6417
            • ボディを作る

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              木工用ボンドが乾いたらボディを作ります。
              厚紙を好きな形に切って自由に装飾しましょう。
              (はさみやカッターを使うときは、手を切らないように注意しましょう。)

              わりばしの位置に穴を空けることを忘れずに。
              デザインできたらしゃもじにテープで貼りましょう。
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              • Small dsc 6420
            • 弦をつける

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              丸環ネジと画鋲を使って弦を付けます。
              (弦が目に入らないように、また、丸環ネジと画鋲で怪我をしないように注意しましょう。)
              この作業は力がいるので、大人の方にお願いしましょう。

              丸環ネジを回して弦の張りを変化させることで、音の高さを調整することができます。解放(フレットを何も押さえない状態)の音の高さが"ド"になるよう、身近な楽器をつかって音をあわせてみてください。

              • Small dsc 6421
              • Small dsc 6422
            • 参考動画

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          • PWSを作ろう

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            ここではPWSの作り方を紹介します。
            はんだ付けが必要になります。はんだ・はんだごてをご用意ください。
            • ピエゾピックアップを作る

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              THRIVE 圧電型マイクロスピーカーユニット φ26-50u(B)を使用してピエゾピックアップを作ります。

              線材をピエゾ素子の+と-にそれぞれはんだ付けします。
              ※線材は、ノイズ対策のため1芯シールド線を使用することをお勧めします。ピエゾ素子の+と-は、ご自身の購入したものをご確認ください。

              あとで作るアンプ回路と取り外し可能にしたいときは、PHコネクタをつけます。ピエゾピックアップとアンプ回路を直接はんだ付けで接続しても問題ありません。

              線材にハウジング用コンタクトを取り付け、PHコネクタオスに差し込みます。
              ※ハウジング用コンタクトを取り付けるにはコンタクト用圧着工具が必要です。
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            • アンプ回路を作る

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              秋月電子通商の高感度マイクアンプキットを使用して、ピックアップで取得した音声信号を増幅するアンプ回路を作ります。

              参考資料
              ・秋月電子通商 高感度マイクアンプキット
              取扱説明書ページ: <http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-05757/>
              ※キットを購入すると同様の取扱説明書が中に入っています。
              ・フィルタ回路図: PWS_filter.pdf <https://github.com/shibayan1122/PWS/tree/master/hardware/>

            • 基板を改造する

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              高感度マイクアンプキットには、すでに実装済みの緑色の基板が入っています。
              この基板に以下の改造を行います。

              ・R1(2.2kΩ)をはずす

              ・ゲインがデフォルトで100倍になっているので、R5(1MΩ)に対して並列に100kΩの抵抗を入れ、10倍に変更
              ※ご自身でゲインを調整したい場合は、R5に並列に入れる抵抗値を変更して調節ください。

              ・出力信号OUTにDCカット用のコンデンサ(電解コンデンサ22uF)を追加
              ※+と-にご注意ください。アンプ基板の出力信号OUT側に+端子がきます。

              ・MIC±にPHコネクタメス(またはピエゾピックアップ)を実装
              ※+と-にご注意ください。
            • Φ3.5ステレオイヤフォン端子と繋ぐ

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              改造できた基板をΦ3.5ステレオイヤフォン端子と繋ぎます。

              線材は細すぎないもの、またはシールド線を使用し、できるだけ短く配線することをお勧めします。

              基板GNDをΦ3.5ステレオイヤフォン端子のGNDと、基板OUTに実装したDCカット用コンデンサの-端子をΦ3.5ステレオイヤフォン端子のLまたはRと繋いでください。
            • フィルタ回路を作る

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              基板VCCには、Raspberry Pi ZeroのPWR INすぐあとのコンデンサからフィルタを通して5Vを供給します。

              GPIOピンの5V出力から供給しても動作しますが、ノイズの影響が大きいため、音質が悪くなります。そのため、PWR INすぐあとのコンデンサからフィルタを通して5Vを供給することで、ノイズ対策を行うことができます。

              フィルタ回路図(PWS_filter.pdf)を参考に、できるだけコンパクトに、直接実装します。
              ※コンデンサの+と-にご注意ください。また、実装した部品を強く引っ張るなどしてラズパイ上のコンデンサを破損しないようご注意ください。
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            • アンプ回路の完成

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              これでアンプ回路の完成です。
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            • 操作表示基板を作る

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              PWSのスイッチ操作、LEDによる状態表示を行う基板を作ります。
              ここでは、Maker Faire Tokyo 2016配布基板を利用する場合と、そうでない場合を紹介します。

              参考資料 <https://github.com/shibayan1122/PWS/tree/master/hardware/>
              ・回路図:PWS_schematic.pdf
              ・基板図:PWS_boarddesign.pdf
              ・Eagle 回路図データ:PWS.sch
              ・Eagle 基板デザインデータ:PWS.brd
            • 操作表示基板を作る (Maker Faire Tokyo 2016で配布の基板をお持ちの方)

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              配布基板を使用して、回路図(PWS_schematic.pdf)を参考に以下の作業を行います。

              ・抵抗220Ω3つをシルクの通り実装

              ・タクトスイッチ7つをシルクの通り実装

              ・LED赤、緑、黄をシルクの通り実装
              ※+と-にご注意ください。3つとも正面から見て左側が-です。
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            • 操作表示基板を作る(配布基板をお持ちでない方)

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              ユニバーサル基板などを用いて、回路図(PWS_schematic.pdf)を参考に以下の作業を行います。
              Eagle 回路図データ(PWS.sch)、基板デザインデータ(PWS.brd)を使って、ご自身で基板加工機やP板.comなどを利用して基板を作成頂くこともできます。
              ※配線は、基板図(PWS_boarddesign.pdf)を参考に、GNDを分けたり太くするとノイズ改善を行うことができます。線材は細すぎないものを使用することをお勧めします。

              ・抵抗220Ω3つを実装

              ・タクトスイッチ7つを実装
                ※+と-にご注意ください。

              ・LED赤、緑、黄を実装
                ※+と-にご注意ください。
            • 操作表示基板を Raspberry Pi Zero に接続する

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              回路図(PWS_schematic.pdf)に記載されたGIPOピン情報を参考に、操作表示基板とRaspberry Pi Zero のGPIOピンをはんだ付けします。
              ※線材は細すぎないものを使用することをお勧めします。Raspberry Pi  Zeroのピン情報は、検索ください。

              ここでは「PWSを組み立てる」で行う組み立てのため、外装(ダンボール箱)に穴をあけ、線材を通してはんだ付けしています。
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            • PWSを組み立てる

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              構成部品をDVD2枚用ダンボール箱に納めて組み立てます。
              ※ご自身でお好きな外装をご用意頂けます。無線LAN子機を中に納める場合、鉄製の外装は避けてください。電波に影響が出ます。
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              • Small 3 4 2
              • Small 3 4 3
            • 内装

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              両面テープや木材を接着剤で貼り付けるなどして固定します。
              部品の配置や組み方は自由です。
              ※「アンプ回路を作る」で作ったアンプ回路のΦ3.5ステレオイヤフォン端子は、USB オーディオ変換アダプタのマイク端子に差してください。
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            • 外装

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              ここでは、ヘッドフォン端子やバッテリーのON/OFFボタン、充電用端子、USBポートを外から扱いやすいように、L型の電源用USB-microUSB変換ケーブルやUSB延長を用いて部品を配置し、箱を改造しました。

              ピックアップは、ダンボール箱の底面に穴をあけて外に出します。


              これでPWSの完成です。
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              • Small 3 4 6
              • Small 3 4 7
            • PWSと手作りギター本体とを組み合わせる

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              「ギターを作ろう」で作ったギターと組み合わせます。

              PWSから出したピックアップを両面テープで貼り付け、固定してください。

              ダンボール箱底面に、ギターのフレットが押さえられる位置に合わせ、両面テープなどで固定してください。
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              • Small 3 5 2
          • PWSにソフトウェアをインストールしよう

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            ここでは「PWSを作ろう」で作成したRaspberry Piに、ソフトウェアをインストールする方法を紹介します。
            ソフトウェア一式は、GitHub<https://github.com/shibayan1122/PWS/tree/master/software/>にて公開しています。
            • Raspberry Pi をセットアップする

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              • 公式サイトのINSTALLATION<https://www.raspberrypi.org/documentation/installation/>を参考にしてRaspberry PiにOS(Raspbian)をインストールします。NOOBSを利用してインストールすることをお勧めします(NOOBS release v1.9.2で動作を確認しています)。
              • ご自身で用意したアクセスポイントへ接続できるよう設定します。
              • セットアップを終えたら、インストールされているモジュールを更新しておきます。
                $ sudo apt-get update
                $ sudo apt-get dist-upgrade
            • オーディオデバイスを設定する

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              使用するオーディオデバイスを設定します。
              1. Xウインドウの 「Preferences」-「Audio Device Settings」 を選択します。
              2.  「Sound card」 から 「USB Audio Device (Alsa mixer)」 を選びます。
              3. 「Select Controls...」 をクリックして表示されるダイアログにて、全てを選択して 「Close」 します。
              4. 「Playback」タブ 「Capture」タブ 「Switches」タブ を画像の通りに設定します。
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              • Small 4 4 4
              • Small 4 4 5
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              • Small 4 4 7
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            • mDNS を設定する

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              Raspberry Pi に IPアドレスではなく「pws.local」でアクセスできるようにするため、mDNS の設定を行ないます。
              次のファイルに記載されている「raspberrypi」を「pws」に変更します。
              /etc/hostname
              /etc/hosts

              ※注意
              Windows7 以前の Windows や Android端末などでは、mDNSが使用できない場合があります。
              その場合でもRaspberryPiのIPアドレスが確認できれば、そのIPアドレスを使用してアクセスすることが可能です。
            • python モジュールを追加する

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              python モジュールを追加します。
              $ sudo pip install flask
              $ sudo pip install dropbox
            • PureData をセットアップする(1)

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              PureData をセットアップします。
              ファイル/etc/apt/sources.listでコメントアウトされている次の行を有効にします。
              <変更前>
               #deb-src http://archive.raspbian.org/raspbian jessie main contrib non-free rpi
              <変更後>
               deb-src http://archive.raspbian.org/raspbian jessie main contrib non-free rpi
            • PureDataをセットアップする(2)

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              PureDataに必要なライブラリを追加します。
              $ sudo apt-get install ttf-dejavu-core libfftw3-3 libftgl2 libgsl0ldbl liblua5.1-0 libquicktime2
            • PureDataをセットアップする(3)

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              Thumb 19285453Thumb 2696617
              PureDataをインストールします。
              $ cd ~
              $ mkdir puredata
              $ cd puredata
              $ wget https://puredata.info/downloads/pd-extended-0-43-3-on-raspberry-pi-raspbian-wheezy-armhf/releases/1.0/Pd-0.43.3-extended-20121004.deb
              $ sudo dpkg -i Pd-0.43.3-extended-20121004.deb
              $ sudo chmod 4755 /usr/bin/pd-extended
            • PureDataをセットアップする(4)

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              PureDataをXウインドウから起動できるようにします。
              ファイル/usr/share/applications/pd-extended.desktopの次の部分を書き換えます。
              <変更前>
              Exec=/usr/lib/pd-extended/tcl/pd-gui.tcl %F
              <変更後>
              Exec=/usr/bin/pd-extended %F
            • PureDataをセットアップする(5)

              0
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              データ保存用フォルダを作成します。
              ターミナルで次のように入力して、録音したファイルを保存するディレクトリを用意します。
              $ mkdir ~/pws
            • PureDataをセットアップする(6)

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              Xウインドウ上でpd-extendedを起動します。
              「Media」-「ALSA」 を選択して表示されるダイアログにて下のように設定します。

              入力デバイス : USB Audio Device (plug-in)
              出力デバイス : USB Audio Device (hardware)
              サンプリングレート : 44100
              ディレイ : 24msec
              ブロックサイズ : 64
              • Small 4 5 1
              • Small 4 5 2
            • PWSソフトウェアをセットアップする

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              1. ソースコードをダウンロードします。
                $ cd ~
                $ mkdir src
                $ cd src
                $ git clone https://github.com/shibayan1122/PWS.git
              2. ソースコードをビルドします。
                $ cd ~/src/PWS/software
                $ make clean
                $ make
                $ make install
                ビルドが成功すると /pws ディレクトリが作成され、必要な実行ファイルがコピーされます。
              3. 再起動する
                Raspberry Pi を再起動させます。
                黄色のLEDが点滅した後、点灯に変化したら起動が終了です。
            • 証明書を用意する

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              StartSSL <https://www.startssl.com/> などのサービスを用いて証明書(pws.keyおよびpws.crt)を作成し、作成した証明書を /pws/py/static ディレクトリへ配置します。
              $ sudo cp ./pws.key /pws/py/static/
              $ sudo cp ./pws.crt /pws/py/static/
            • Dropbox のアカウントを本体に設定する(1)

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              Dropboxアカウントの設定は、Webブラウザで Raspberry Pi 上で起動しているWebサーバにアクセスして行います。
              PWSと同じアクセスポイントに接続しているPCやスマートフォン・タブレットなどのWebブラウザで次のアドレスを入力し、PWSのメニューページにアクセスします。
              https://pws.local

              ※注意
              mDNS が使用できない端末からアクセスする場合は、 Raspberry Pi の IP アドレスを直接Webブラウザに入力してください。
              Small 4 8 1
            • Dropbox のアカウントを本体に設定する(2)

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              1. Dropboxの設定ページへ移動します。
                メニューページで「Dropboxの設定」を選択して設定ページへ移動します。
              2. 設定を行ないます。
                ご自身の状況に合わせて、設定ページの記載STEP1~STEP3のいずれかから設定を行なってください。 
              3. STEP4の「Generate」を行ない認証が成功すると、終了です。 
              • Small 4 8 2
              • Small 4 8 3
              • Small 4 8 4
          Add Card Order

          References

            Usages

            • Small img 2411

              各ボタンの説明

              Thumb 19285453Thumb 2696617
              • S1 (shutdown): 長押し(2秒)すると電源を切ることができます。
              • S2 (tune): ドの音が鳴ります。チューニングの際に参考にしてください。
              • S3 (effect): 音色を変えることができます(エフェクトなし→ディストーション→ディレイ)。
              • S4 (record): 一度押すと録音開始、もう一度押すと録音を停止します。録音が終わると、直ちに Dropbox にデータを送信します。
              • S5 (play): 一度押すと、直前に録音した曲を再生します。もう一度押すと停止します。
              • S6 (vol +): 音量が大きくなります。
              • S7 (vol -): 音量が小さくなります。

            • 各LEDの通知内容

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              • 黄色点滅: (1) PWS起動中、操作不可状態 (2) 録音データDropboxアップロード中
              • 黄色早い点滅: エラー(アクセスポイント設定失敗、録音失敗、アップロード失敗)
              • 黄色点灯: PWS操作可能状態
              • 赤点灯: 録音中
              • 緑点灯: 再生中
              • 赤緑交互点滅: チューニング用基準音再生中
            • 電源を入れる・切る

              Thumb 2696617
              • 電源の入れ方
                  バッテリーの電源ボタンをONすると起動します。
                  起動処理中(約40秒)は黄色LEDがゆっくり点滅します。黄色LED点滅中は一切の操作ができません。
                  起動処理が終了すると、黄色LEDが点滅から点灯に変わります。
                  起動処理終了後はエフェクト・録音・再生などの機能が有効になります。

              • 電源の切り方
                シャットダウンボタンを2秒以上長押しすると終了処理を行います。黄色LED消灯まで数秒待ってからバッテリーの電源ボタンをOFFしてください。
            • 演奏を録音し、Dropboxに保存する

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              • S4 (record)ボタンを押すと録音が開始され、もう一度S4 (record)ボタンを押すと録音を停止します。
              • 録音を停止し、赤LEDが消灯すると、自動的に録音データをDropboxにアップロードします。アップロード中は黄色LEDがゆっくり点滅します。
              • 黄色LEDが点灯に変わった場合は、アップロード成功、早い点滅に変わった場合はアップロード失敗を示します。
            • 録音した演奏を再生する

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              • S5 (play)ボタンを押すと直前に録音した演奏データを再生します。
              • 演奏データを最後まで再生し終わるか、もう一度S5 (play)ボタンを押すと再生を停止します。
            • アクセスポイントの設定方法

              Thumb 2696617
              以下の手順で接続する WiFi アクセスポイントを変更することができます。
              1. アクセスポイントへの接続設定を記述した設定ファイル wpa_supplicant.conf を用意し、USBメモリのルートにコピーします。
              2. USBメモリをRaspberry Piに接続します。
              3. S1(shutdown)とS3(record)ボタンを同時に押しながら、RaspberryPi の電源を入れます。
              4. アクセスポイント設定中はLEDが緑点滅します。アクセスポイントの設定・接続に成功すると、黄色のLEDが点滅→点灯します。
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