2019 年度工学部学生自主研究奨励

バンド型デバイスを用いた鍵盤楽器の製作
機械工学科
機械工学科
精密工学科
精密工学科

7BEM2120
7LEMM003
7BES1109
7BES2125

佐藤 佑
Peou Thura陌間 拓未
Edif Junin

はじめに（研究の目的）
何らかの生体信号を用いて, 電子ピアノを動かすことが最終目標である.
ラズベリーパイ 3B+のピアノソフトあるいは自作した音楽ソフトを用いて, 指を曲げると電源が入る又はひずみの変化により抵抗値が変化するバンド型デバイスの開発を試みて
お り , そ の デ バ イ ス か ら 送 ら れ る 信 号 を ラ ズ ベ リ ー パ イ 3B+で 識 別 で き る よ う に 音 階 は「ド, レ, ミ, ファ, ソ」の五つに絞り, 基板回路とプログラムの開発を行う.
方法・バンド型デバイスの開発
図 1 に示す青い部分が信号を送るバンド型デバイスであり, デバイスは図 2 に示すように, PDMS 上に銀や白金を蒸着もしくはスパッタリングを施したもので作り, そのデバイスを指の掌側につけ, 指を曲げるとデバイスのひずみの変化により抵抗値が変化し, その抵抗値の信号をラズベリーパイ 3B+に取り込み, ピアノソフトのプログラムに変換し, 音として発生させる. また, バンド型デバイスを繰り返し使用するため, 手袋にデバイスを貼りつけ, 最終的に手袋型のデバイスにする. 実際の開発における変更点として, 図 3 に示すようにバンド型デバイスを指の背側に取り付ける方が曲げ易いため, 指の背側に取り付ける. バンド型デバイスは指の曲がりに対応して伸び, それに伴う抵抗値の変化を計測することにより, 指の動きを感知する.

図1

人差し指につけるバンド型デバイスの構想図

1

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図2

図3

バンド型デバイスの構成

人差し指につけるバンド型デバイスの変更図

・バンドの伸長・屈曲実験
指の屈曲によりバンドが伸長することで, ひずみが変化し, 抵抗値も変化するという原理を元に, その抵抗値を本デバイスの入力信号に用いるため, 伸長によって抵抗値が変化する導電性ゴムシートを用いて, バンドの伸長・屈曲実験を行う.
・マイコンの開発
図 4 に示すラズベリーパイ 3B+, Analog-to-Digital Converter：A/D C,
Digital-to-Analog Converter：D/A C と Voltage Frequency Convertor：VF C を用いて, 図5 に示す A/D C すなわち外部の信号をパソコンに取り込むための装置だけでピアノソフトを動かそうと模索していたが短期間のためできなかった場合を考慮し, 音を鳴らすソフトの自作も念頭に置き, 図 4 に示すピアノソフトの解析と自作音楽ソフトの開発を考慮した回路の開発を行う.

2

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図4

マイコンの構想図(旧)図5

マイコンの構想図(旧)・開発担当① バンド型デバイスの開発, 担当 ： 陌間 拓未
PDMS 上に銀や白金を蒸着もしくはスパッタリングを施したもので, 柔軟性があり,伸長および屈曲を行うと抵抗値が変化するバンドの開発を行う.
② バンドの伸長・屈曲実験, 担当 : Edif Junin
伸長および屈曲によって, 抵抗値がどの程度変化するか調べる.
③ マイコンの開発, 担当 : 佐藤 佑, Peou Thura
ラズベリーパイ 3B+, A/D C, D/A C, VF C を用いて信号を識別する回路とプログラ
ムを開発し, ソフトウェア上でピアノの音を鳴らす.

32019 年度工学部学生自主研究奨励
結果ならびに考察・バンドの研究開発
バンド型デバイスは形の異なるものを 10 本製作途中である. PDMS は製作時に薬品の混合比を変えることにより皮膚に粘着させることが出来るようにするなどの案がある. 現在は製作した PDMS に銀の蒸着を行っている.
・バンドの伸長・屈曲実験
二つの測定実験を行い, 一つ目の実験は, ひずみによって導電性ゴムシートの抵抗値の変化量を求めるため, 伸長実験を行い, 図 6 に示すように長さ 80mm x 幅 10 ㎜ x 厚さ 1mmの寸法で切った導電性ゴムシートをテーブルの上に置き, シートの中心から点を 10 ㎜間隔に記入し, その二つの点にマルチメータのリード線を刺し, 測定を開始する. マルチメータ起動直後の抵抗値が安定するまで約 5 分間かかり, 5 分経過後に抵抗値を読み取り,その工程を 5 回繰り返し, 平均値を求めた. 次に, 図 7 に示すようにゴムシートを 5 ㎜伸長させ同じ工程を行った. 一つ目の実験結果を表 1 と図 8 に示す. 二つ目の実験は, 指の曲 げ 角 度 に よ る 導 電 性 ゴ ム シ ー ト の 抵 抗 値 の 変 化 を 求 め る た め, 屈 曲 実 験 を 行 っ た. 図11, 12 に示すように, 導電性ゴムシートをガムテープで人差し指の甲に両端に貼り付け,マルチメータに接続したワニ口クリップ型リード線を 10mm の距離でゴムシートの真ん中に接続し, 電源をつけ 5 分経過後に抵抗値を読み取った. これを図 13 から 16 のように 0˚,30˚, 60˚, 90˚の順にそれぞれ 5 回繰り返し抵抗の平均値を求めた. 測定結果を表 2 と図 9に示し, 曲げ角度に対する平均抵抗を図 10 に示す.
マルチメータ10mm80mm

図6

通常状態の導電性ゴムシート (Δl=0mm）
マルチメータ10mm85mm

図75mm 伸長した状態の導電性ゴムシート（Δl=5mm）

図 8 にて, 一回目の測定から五回目の測定までの抵抗値は増減したが, 通常状態より5mm 伸長した状態のゴムシートの抵抗値が高い. 表１にて, ゴムシートが伸び＝0mm のとき, 抵抗値の平均値が 2.40kΩ, 伸び＝5mm のとき, 抵抗の平均値は 2.91kΩ になった. 伸長によってひずみが発生することで, 導電性ゴムシートの抵抗値が上昇したと考えた.
図 9 にて, 4 回目の測定以外は, 指の曲げ角度が 90˚の場合, 抵抗値が一番高い. 図 10にて, ゴムシートの抵抗の平均値が一番高い指の曲げ角度は 90˚のときだった. 指の曲げ角度が 0˚のとき, ゴムシートが平坦でないため, ひずみを生じ高い抵抗値が発生したと考えた. 指の曲げ角度を 30°の状態から曲げ角度を大きくするほど, 導電性ゴムシートの抵抗値が上昇する. この角度範囲を用いて信号の制御が可能であると考えられる.

42019 年度工学部学生自主研究奨励

表１伸び(mm)05

導電性ゴムシートの伸長試験
抵抗値(kΩ)

1 回目

2 回目

3 回目

4 回目

5 回目

平均値

標準偏差

2.45
3.04

2.6
3.2

2.72
2.89

2.222.69

2.02
2.71

2.40
2.91

0.28
0.22

3.4

3.20

3.23.04

抵抗値(kΩ)Δl=02.89

32.8
2.62.45

2.69

2.72

2.60

2.42.71

Δl=52.22

2.2

2.02

21.8

1234

5回数目

角度0˚30˚
60˚
90˚

図8

導電性のゴムシートの抵抗値

表2導電性ゴムシートの曲げ試験
抵抗値(kΩ)

1 回目

2 回目

3 回目

4 回目

5 回目

平均値

標準偏差

1.215
0.884
0.995
1.357

0.997
1.026
1.078
1.136

1.027
1.168
0.962
1.235

1.651
1.003
1.286
1.532

1.294
0.995
1.015
1.432

1.24
1.02
1.07
1.34

0.26
0.10
0.13
0.16

5

2019 年度工学部学生自主研究奨励
1.7
1.6
1.5

抵抗値(kΩ)

1.4
1.3

0˚

1.2

30˚
60˚

1.1

90˚

10.9
0.8

12

34

5回数目

図9

指の曲げ角度による導電性ゴムシートの抵抗値

1.341.351.30

平均抵抗値(kΩ)

1.25

1.24

1.20
1.15
1.10

1.07

1.05
1.00

1.02
0˚

30˚

60˚角度

図 10

曲げ角度に対する平均抵抗690˚2019 年度工学部学生自主研究奨励

図 11

導電性ゴムシートの抵抗値の測定

図 12 導電性ゴムシートの抵抗値の測定

図 13角度による抵抗値測定(ϴ＝0˚)

図 14

角度による抵抗値測定(ϴ＝30˚)

図 15角度による抵抗値測定(ϴ＝60˚)

図 16角度による抵抗値測定(ϴ＝90˚)72019 年度工学部学生自主研究奨励・マイコンの開発
図 17 にマイコンの最終構想図を示す. 文献 1)を参考に図 18-1 に示すブレッドボードを用いた基板回路と図 19-1 に示すラズベリーパイ 3B+の OS である Raspbian に搭載されている Python3 というソフトを用いてデバイスを読み取るプログラムを作り, 文献 2)を参考に
Sonic Pi というソフトを用いて音楽ソフトの開発を行った.

図 17 マイコンの最終構想図

図 18-2 にて赤色の四角で示す物がボタンスイッチである. このボタンスイッチを押すと信号が送られ, 図 19-2 に示すように, 信号が送られていない状態である weight:0 の状態から weight:254 に変化し, ボタンスイッチを離すと weight:0 の状態に戻る. すなわち信号を A/D C が認識したと考えられる. これを用いて Sonic Pi のプログラムと接続し, 音を鳴らす実験を行ったが, Python3 のプログラムと Sonic Pi のプログラムを接続できず,最終報告の日を迎えた.

8

2019 年度工学部学生自主研究奨励

図 18-1 AD/C 用基板回路の実験写真

ボタンスイッチ
図 18-2 AD/C 用基板回路の実験写真

92019 年度工学部学生自主研究奨励

図 19-1 AD/C 用のプログラム

図 19-2 プログラムの動作確認
まとめ
バンド型デバイスは PDMS に銀などを用いて蒸着させたものを現在開発途中であり, 完成次第に抵抗実験を行う予定である. またプログラムの開発も途中であり, Python3 のプ
ログラムと Sonic Pi のプログラムを接続する方法を考えている.
参考資料（文献）
1) Raspberry pi でアナログ信号をキャプチャしてみよう
https://www.rs-online.com/designspark/capturing-analogue-signals-with-a-raspberry-pi-jp 2019/12/1 閲覧
2) 第 17 回「Sonic Pi で音プログラミング！」
https://deviceplus.jp/hobby/raspberrypi_entry_017/ 2019/12/1 閲覧10