.

 

Linear Motor Robots

preliminary research

<Reco-Reco>



In 2003 wisten we vier lineaire motoren gebouwd door Trilogy -type Ironless 210-2 op de kop te tikken. Konkrete plannen voor toepassingen hadden we niet direkt, maar de spullen leken ons ongemeen interessant. De fabrikant, Trilogy, werd in 2003 overgenomen door Parker en deze motoren bleven ook na de overname in de produktielijn zitten. Fascinerend vonden we ook de wetenschap dat dergelijke motoren ook worden gebruikt voor de aandrijving van supersnelle zweeftreinen in Japan en China.

Mogelijke toepassingen met relevantie voor muzikale robotica leken ons te zijn:

Raspen leken ons wel een interessant onderzoeksdomein. De 'toonhoogte' hangt af van de snelheid waarmee met het stokje over de rasp wordt bewogen. Het spektrum is dan weer een funktie van de vorm van de kuiltjes en de regelmaat van de inkervingen. De 'getrouwheid' hangt af van de diameter van het stokje. Uiteindelijk is de registratie van geluid op een grammafoonplaat en een oude Edison cilinder niet fundamenteel verschillend van de werking van een rasp. Het stokje komt naar werking overeen met de naald van zo'n oude krassenlezer.... Om zoiets goed te kunnen bouwen bleek het wezenlijk dat het hele bewegend deel een zo klein mogelijke massa zou moeten hebben. De beweeglijkheid moet immers erg groot zijn en dus de inertie gering. De 'rotoren' van de lineaire motoren (een slede ware eigenlijk een betere benaming) bevatten magneten noch ijzer, maar slechts een dubbele in serie geschakelde driefazige wikkeling, waardoor aan de voorwaarden vrij behoorlijk kon worden voldaan. Een periode van de besturing komt overeen met een verplaatsing van de slede van 61 mm.
Voor de besturing van de motoren, gebruikten we Anaheim stuurmodules. c Voor de voeding moet de spanning minimaal 30V zijn terwijl de stroom bij normaal kontinu bedrijf beperkt blijft tot 2.6A. Het kontinu vermogen is 79 Watt, maar het piekvermogen kan tot 1,58kW oplopen (bij een piek-stroom van 11,8 A). De kracht die de motor bij normaal bedrijf opbrengt is 57,4 N terwijl die kracht een piekwaarde kan bereiken van 255,8 N.

Na lang beraad beslisten we te gaan voor lange raspen. De idee was te gaan voor de bouw van vier nagenoeg identieke robots die alleen verschillen in de bouw en de klank van de rasp in elk exemplaar. Bovendien wilden we de mogelijkheid open houden, om het monteren van heel diverse raspen op de robot mogelijk te maken. In eerste instantie beslisten we om vier raspen te bouwen in bamboe met een grote diameter.

Zoals al onze eerder gebouwde robots, wilden we ook deze robot bouwen op een stevig gelast en van wielen voorzien onderstel. Omwille van de wendbaarheid opteerden we hier voor een ontwerp met vier wielen opgesteld in ruitvorm. Onze eerste proeven voerden we uit gebruik makend van een reusachtige guiro die we in 1995 ooit bouwden in opdracht van Mauricio Kagel die toen bij ons te gast was. Kagel was er bijzonder gelukkig mee trouwens. Die guiro gemaakt uit bamboe, was 138 cm lang.

Hoewel in oorsprong een exotisch instrument, vooral veel voorkomend in Latijns-Amerika, komt het ook voor in een aantal heel beroemde werken uit de westerse klassieke muziek: Zo schreef Igor Stravinsky het voor in 'Le Sacre du Printemps' en staat het ook voorgeschreven in Maurice Ravel's 'L'enfant et les sortileges'. Ook het zelfs bij ons in de volksmuziek bekende wasbord behoort tot de organologische familie van de raspen.

Technische gegevens:

Midi implementatie

Elke rasp luistert naar twee diatonische noten. De eerste beweegt het stokje op de rasp initieel naar rechts, en tweede doet het stokje initieel naar links bewegen. Het velocity byte stuurt in beide gevallen de snelheid van de motor. Het trajekt wordt bepaald door de duur van de noot. Wanneer het einde van de rasp wordt bereikt keert de bewegingsrichting automatisch om.

Controllers:

Controller #66: Power ON or Power OFF.

Controller #69: Automation of lights. 0 = no light automation, 1 = left/right lights automated, 2 = led strip proportional to speed of movement

Controller #xx: Freewheel mode on of off. Note that when freewheel mode is selected, the positioning of the slide may get out of control.

Controller #xx: Audio signal; proportional to speed on or off.

Controller #123: All notes and lights off. No controller reset.

Medewerkers aan dit projekt waren en zijn:

Technische litteratuur:

 

Kostprijs berekening voor het projekt (4 modules):

item aantal optional bron kost
Trilogy Ironless 210-2 motors 4   USA-stock
10.000,00-
Anaheim controllers MDC151 4   USA-stock
1.060,00-
Power supply 1 <RaspA> 1   Logos stock - 300VA
600,00-
Wielen, 400 mm 8   Kaiser & Kraft
492,71-
Zwenkwielen Tente, blauw 8   Brico
Inox kokerprofiel 100 x 100 x 6 4 meter   Demar
Inox kokerprofiel 25 x 25 x 2 3 meter   Demar
Bouten M10 x 20 24   Fabory  
Bouten M8 x 20 100   Fabory
Bouten M5 x 20     Fabory
Bouten M6 x 80 10   Fabory  
Bouten M4 x 50     Fabory
Bouten M3 x 60     Fabory

Inox as, 12mm
500 lang

 4   MEA
Inox buis 25 x 2 x 200 8   Demar
Inox buis 20 x 2 x 200 8   Demar
Stelringen inox binnenmaat 20 mm 8   MEA
74HCT14 chips 8   Farnell
4,00-
18F2620-ISP 4   Microchip
40,00-
75174 buffers 4   Farnell
8,00-
6N137 4   Farnell
4,00-
ECE10US05 4   Farnell
110,00-
25A gelijkrichters 4   Farnell
36,00-
Elko's 47mF / 80V 4   Farnell
320,00-
Toroidal transformer 225VA <RaspE> 1 2 x 25V Farnell 953 2846
Bamboe, 115 en 155 mm diameter 6 meter    
180,00-
LED lamp - RaspA 2 12V - 170 lumen 3000L Sencys. G4 socket
22,00-
       

 

Bouw- en ontwikkeldagboek:

09.10.2003: Aankoop -met de hulp van Troy Rogers- van vier Trilogy lineaire motoren uit de USA.
22.01.2025: Uitwerking van een PIC processor board voor de besturing van de Anaheim modules.
23.01.2025: Begin ontwerp PCB.
24.01.2025: Uitzoeken van geschiktre voedingstransformatoren.
25.01.2025: Blijkt dat we toch voorzieningen moeten nemen voor sensoren. Minstens op de uiteinden van de motoren zijn die onmisbaar. Verdere verbeteringen aangebracht aan het PCB. Nu ook met MOSFETS voor extra's zoals lichtjes of extra elektromagneten. Wanneer we lichtjes willen plaatsen is evenwel ook een extra voeding 12V of 24V noodzakelijk...
26.01.2025: Schets van een mogelijke konstruktie: In deze schets zijn de minimaal noodzakelijke afmetingen gegeven, Kokerprofiel 100 x 100 x 8 hebben we nog voldoende op voorraad voor de konstruktie van vier dergelijke modules. Twee kokerprofielen uitgesneden. In het eerste exemplaar alvast 8 gaten 6.8mm geboord waarin we M8 schroefdraad tapten. Hiermee kunnen de montageplaten van de zwenkwielen worden vastgezet zonder moeren. 3 mm gaatje geboord aan de bovenkant voor het vastzetten van de netstroom IEC konnektor: een mannelijke ingang en twee uitgangen. Dit onderdeel heeft een ingebouwde vervangbare zekering. In het zekeringschuifje is trouwens plaats voor een reservezekering. Bij opstelling in gallerijen of musea zijn zodoende veel minder stopkontakten nodig. Dit systeem pasten we eerder al toe bij de bouw van het audio-art installatieprojekt 'Plus-Minus'. Tentatieve presentatie op de lastafel:
27.01.2025: De PG out uitgang van de Anaheim controllers zouden we kunnen gebruiken als excitatiebron voor een mechaniekje dat parallel zou kunnen lopen met alle bewegingen van de motor... Te onderzoeken dus. Verder werk aan de 100 x100 basisprofielen. De kobaltboortjes van Multicomp -Made in China en aangekocht bij Farnell- zijn volstrekt onbruikbaar. Rotzooi en totaal ongeschikt voor inox... Wielen besteld bij Kaiser en Kraft, 7-spakige wielen van 400 mm diameter: 8 stuks, totale kost 492,71- Euro. Schets met 400 mm wielen: De wielen -Tente fabrikaat, maar geleverd door Kaiser & Kraft, hebben wel een levertijd van twee weken...
28.01.2025: Aanmaak vier IEC netingangen met 3mm montagegaatje. Bestudering van de mogelijke montages voor de lineaire motoren. Verzameling geschikte analoge voedingen.
29.01.2025: Konstruktie van de steunen voor de lineaire motoren: vastzetten gebeurt met M4 x 50 boutjes, terwijl de onderkant van de onder een hoek van 60 graden geplaatste steunen vastgelast wordt op het zware kokerprofiel van de wielbasis. Voor de steunen zaagden we 8 stukken inox kokerprofiel 25 x 25 x 2. Aangepaste en verbeterde tekening: De keuze van de hier toe te passen sensoren voor de trajektbegrezing hebben we nog niet gemaakt. We onderzochten vele mogelijkheden, maar de meest wenselijke sensoren kunnen we ons -door onze ellendige subsidieringstoestand- niet veroorloven. Die kosten immers 100 euro per stuk en we hebben er alvast 8 nodig!
30.01.2025: Bestelling sensoren en 5V voedingsmodules bij Farnell. Boren en tappen van het hoofdprofiel. Uitleg en demo voor bezoekers atelier,. Bespreking konstruktie guiros uit bamboe met Mattias Parent.
31.01.2025: CT-scan longen... verontrustend. Onderwerp van de sensor-houders. Sensoren geleverd door Farnell. PCB ontwerp doorgestuurd naar Polo voor aanmaak films.
01.02.2025: Afzagen 8 stuks inox buis 25 x 2 op 200 mm lengte. Deze buisjes worden later zuiver haaks vastgelast op het zware kokerprofiel en dienen als vasthouder voor de dragers van de lange raspen. Die dragers worden gemaakt uit 20 mm buis of volstaaf voorzien van een stelring onderaan en een plat opgelast deel waarop de PVC beugels voor de rasp komen. De binnenkant van de 25 mm buisjes moet uitgeboord of uitgevijld worden, want er zit een uitstekende lasnaad aan de binnenzijde van de buis. Naadloze buis hadden we niet op voorraad.
02.02.2025: Schuine 25x25 kokerprofielen vastgelast onder 60 graden op het eerste prototype onderstel. Testmontage met een motor. Presentratie van de mogelijke konstruktie voor de guiro-houder. De eindsensoren kunnen ook worden gemonteerd op een stukje geplooid 25 x 3 mm plat. Dat kunnen we vastlassen op de 25x25 opstanden.
03.02.2025: Film voor het HUB pcb geleverde door Polo. Meteen een eerste exemplaar van de print belicht en geetst. Enkele baantjes blijken echter kortgesloten. Het was dus foutief om het door ons als GIF getekende ontwerp zelf om te zetten naar PNG, te verkleinen tot 50% en dan in PDF te gieten. Er gaat heel veel resolutie verloren. Vroeger deed Peter Van Lancker dit voor ons, maar daarop konden we nu niet meer rekenen. Voortaan dus beter op 200% laten en als GIF of BMP doorsturen naar Polo...
04.02.2025: Verder bestukken en afwerken van de eerste print. Eerste uitwerking van een mogelijke MIDI-implementatie.
05.02.2025: Eerste PCB afgewerkt en elektrisch getest.
06.02.2025: Begin ontwikkeling van de nodige firmware.Experimenten met de toepassing van externe interrupts op de processor waardoor we aan de toepassing van positiesensoren zouden kunnen verzaken.
07.02.2025: Eerste ruwe schets van firmware klaargemaakt en in principe getest. De interrupt handler voor externe signalen aangesloten op bit 0 van poort B heeft altijd hoge prioriteit. Enkele kleine wijzigingen aan het printontwerp zijn nu wel noodzakelijk. Voor onze eerste testprint kunnen we de zaak redden mits wat kleine patches en dwarsverbindingen met wire wrap draad op de koperzijde van de print.
08.02.2025: Konstruktie van de acht inox houders voor de Omron sensoren. De eerste twee lasten we al vast op het prototype.

09.02.2025: Alle vier basisstukken 100 x 100 x 6 kokerprofiel uitgeslepen. Het boren kan weer beginnen.
10-11.02.2025: Verdere ontwikkeling van de firmware.
12.02.2025: Bamboe levering aangekomen: twee lengtes van 3 meter. Diameters 115/120 en 150/155 mm. De bouw van de guiro's kan beginnen.
13.02.2025: Bespreking van de guiro konstruktie met Mattias Parent.
14.02.2025: Slecht nieuws voor gwr vanuit het hospitaal i.v.m. de PET-CT scan...
15.02.2025: Montage voeding: Aanlassen van de twee buisjes waarin de guiro-houder moet komen: binnenmaar 21 mm:
16.02.2025: Konstruktie van de houder voor het guiro speelstokje evenals stukjes koolstofstaal (T-ijzer) voor de aansturing van de eindsensoren:
17.02.2025: Laswerk en konstruktie van de draagstruktuur voor de drie overige raspen. Begin bedrading van de Anaheim controller op RaspA. Helaas hebben de motoren geen metrische schroefdraad... Voor de montage op de 'rotor' (slede) moeten we #6 - 32 boutjes zien te vinden. Uittekenen van de voeding en de bedrading:

20.02.2025: Konstruktie van drie opzetstukken voor de montage van speelstokjes op de motor sleden van modules 2,3 en 4.

21.02.2025: Uitgeschakeld wegens medische ingreep: biopsie onder volledige narcose...
22.02.2025: Eerste ruwe elektrische test op module 1, nog zonder microcontroller. Met ingeschakelde spanning is de motorslede zachtjes bekrachtigd en zakt de voedingsspanning tot 35.5V.
23.02.2025: Alle montagegaten voor de zwenkwielen op alle modules geboord en getapt. Modules 3 en 4 krijgen zwarte rubber wielen gemonteerd met M10x20 bouten. De M10 tappen slijten wel erg snel op dit dikke en harde inox.
24-25.02.2025: Verdere ontwikkeling van de firmware. Redaktie van de testkode in GMT, 'slagwerk' kompilatie. Testen en debuggen van beide softwares.
26.02.2025: Begin bouw voedingsmodule voor <RaspE>, met toroidale transfo 225VA, 2 x 25V (Farnell order code 953 2846). Drager gelast met gelijkzijdige driehoek en nylon centerplug voor de transfo, gedraaid op de draaibank. Montage met twee M6 bouten op het basiskokerprofiel. Calibratie kode toegevoegd in de firmware: deze loopt alleen wanneer de stroom wordt ingeschakeld. Tijdens de calibratie luistert de robot niet naar inkomende midi kommandos.
27.02.2025: Voeding voor <RaspE> uitgetekend:
28.02.2025: Verder werk aan <RaspA>. Test montage van de komponenten voor de 12V voedingsspanning. Levering van de acht bestelde 400 mm diameter wielen met 12 mm as. Helaas hebben ze nu zwarte banden terwijl hetzelfde type bij vroegere leveringen mooie lichtgrijze banden had. Bedrading voedingsgedeelte.
01.03.2025: Montage van de 12V lampjes, links en rechts. Kabelboom aangelegd tussen hub board en de Anaheim controller.
02.03.2025: Zekering in de IEC net-ingang geplaatst en eerste elektrische test... De motor krijgen we echter niet aan de praat...
03.03.2025: Verdere testkode toegevoegd in GMT en firmware aangepast voor een veel tragere scaling van de motorsnelheden...
04-06.03.2025: Werken stilgelegd wegens medische redenen: longkanker en planning ingrepen chemo- en radiotherapie...
07.03.2025: IEC netingang vastgelijmd binnenin het basis kokerprofiel. Centraal wielstel vastgezet met twee stelringen 12mm.
08.03.2025: <RaspA> op de zeshoekige atelier tafel opgesteld voor eenvoudiger toegang en tests.
09.03.2025: Proefmontage van een eerste grote bamboe rasp. Verdere research: de hal-sensors werken zoals het hoort... maar de motor vertikt het nog steeds. Hier is een document m.b.t. de fysica en berekening van deze motoren,
10.03.2025: Er moet iets fundamenteels fout zijn met de match of mismatch tussen Anaheim controllers en de Trilogy motoren....