[論文レビュー] Mechatronics-Driven Musical Expressivity for Robotic Percussionists

Ning Yang, Richard Savery+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Music Technology and Sound Studies参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ロボット・マリマバ・プレーヤー「シモン」において、ブラシレスDC（BLDC）モーターを用いた画期的なメカトロニクス駆動方式を提示し、ソレノイド駆動システムに比べ、優れたダイナミックレンジの一貫性と打鍵速度を達成した。主観的聴取テストの結果、BLDCシステムの音楽的表現性は人間の演奏家と統計的に区別できないことが判明し、表現性においてソレノイド駆動ロボットを上回り、人間並みのパフォーマンスを示した。

ABSTRACT

Musical expressivity is an important aspect of musical performance for humans as well as robotic musicians. We present a novel mechatronics-driven implementation of Brushless Direct Current (BLDC) motors in a robotic marimba player, named Shimon, designed to improve speed, dynamic range (loudness), and ultimately perceived musical expressivity in comparison to state-of-the-art robotic percussionist actuators. In an objective test of dynamic range, we find that our implementation provides wider and more consistent dynamic range response in comparison with solenoid-based robotic percussionists. Our implementation also outperforms both solenoid and human marimba players in striking speed. In a subjective listening test measuring musical expressivity, our system performs significantly better than a solenoid-based system and is statistically indistinguishable from human performers.

研究の動機と目的

• ソレノイド駆動ロボットパーカッション奏者における限られたダイナミックレンジと一貫性の欠如を是正すること。
• 音量とマイクロティミングの精密制御を通じて、ロボットミュージシャンの音楽的表現性を向上させること。
• BLDCモーター駆動が、人間の演奏家と区別できない表現性を達成できるかどうかを評価すること。
• BLDC、ソレノイド、人間の演奏者間での客観的パフォーマンス指標（速度、ダイナミックレンジ）を比較すること。
• 人間およびソレノイドベンチマークと比較して、システムの表現性を主観的聴取テストで検証すること。

提案手法

• シモンのソレノイドアクチュエータを、位置および加速度のフィードバックを用いたPIDループ制御を行う8つのBLDCモーターに置き換えた。
• 打鍵ダイナミクスを分離・制御できるように、クランプと音響遮断材を備えた二重モーター・アーム機構を設計した。
• MIDI速度の線形補間を用いて音量強度を制御し、残差ノルムが6.899e-05に達した。
• 32.9 Hzまで持続して動作可能な高精度モーター・コントローラーを用い、過電流保護が作動するまでの耐久性を確認した。
• すべてのアクチュエータ型式について、ダイナミックレンジの一貫性と打鍵速度の客観的テストを実施した。
• 21名の参加者を対象に、BLDC、ソレノイド、人間の演奏の表現性を比較する二項主観的聴取テストを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BLDCモーターは、ソレノイド駆動ロボットパーカッション奏者に比べ、広い範囲で一貫性のあるダイナミックレンジを達成できるか？
• RQ2 BLDCモーター・システムは、表現的パフォーマンスに必要な十分なマイクロティミング分解能を備え、高い打鍵速度を実現できるか？
• RQ3 BLDC駆動ロボットパーカッション奏者の音楽的表現性は、人間の演奏家と区別できないと認識されるか？
• RQ4 BLDCシステムは、客観的パフォーマンス指標および主観的表現性評価において、ソレノイド駆動システムと比較してどのように差を示すか？
• RQ5 BLDCモーターのフィードバック制御による高精度性は、音響出力の安定性と一貫性をどの程度向上させるか？

主な発見

• BLDCモーターは最大32.9 Hzの打鍵速度を達成し、ソレノイドの8.3 Hzおよび人間演奏者の平均7.1 Hzを大きく上回った。
• BLDCシステムは、74 dBからシステムのしきい値まで一貫したダイナミックレンジを提供し、速度レベルごとの変動が最小限に抑えられた。これに対して、ソレノイドは出力が不安定であった。
• ソレノイドシステムの最小音量は74 dBであり、これは硬い下限値を示しており、一方BLDCシステムは完全なダイナミックレンジ分解能を達成した。
• 主観的テストでは、BLDCシステムはソレノイドシステムを有意に上回った（p = 0.0029）。参加者たちはBLDCの表現性を顕著に好んだ。
• BLDCシステムの表現性は、人間演奏家と統計的に区別できず（p = 0.19）、252回の比較のうち、人間が137票、BLDCが115票を獲得した。
• BLDCシステムの音響強度は、MIDI速度ステップごとに1.4472e-06 W/m²増加し、高分解能制御を示した。