HACKistではこれまでに色々とハードウェア系のプロトタイプや作品を発表してきましたが、それらのプロトタイプや作品がどうやって作られているのかをあまり表に出してこなかったので、今回はハードウェアの制作環境や制作過程をご紹介したいと思います。

ハードウェアの制作環境

弊社には「ラボルーム」と呼ばれる研究開発などに使用されている部屋があるのですが、その一角にハードウェア制作のためのスペースがあります。

ここでは主に電子回路の制作や実装、簡単な外装の制作などをおこなっています。
基板の制作は専門業者に発注することもありますが、最近では切削加工機を使って社内で制作することが増えてきました。

よく使う部品や材料などは社内にストックしています。

基板の制作から実装までを社内で完結できるようになっているので、短時間でのハードウェアプロトタイプの制作が可能となっています。

ハードウェアプロトタイプ制作の流れ

ひとえにハードウェアのプロトタイプ開発といっても、ハードウェア系の制作をしたことがない方にはイメージがつかないかもしれません。そこでHACKistでおこなっているハードウェア制作の流れをご紹介したいと思います。

前提として、何を作るか、どんな仕様にするかは既に決まっていることとします。

1. 基板の設計

まずはじめに基板の設計をおこないます。

基板の設計にはメンバーによって使用するソフトウェアは違いますが、僕の場合は基板の設計にはKiCadというソフトウェアを使用します。

まずKiCad上で回路図をおこしながら全体の設計をおこないます。この時点で使用する部品も決定していきますが、初めて使用する部品がある場合には、使い方を確認するために検証基板を専用に作成することもあります。
部品の購入は秋葉原の電子部品販売店で購入することが多いですが、そこで販売されていないものは海外の電子部品通販サイトなどから購入することも多いです。

回路図決まったら、基板の設計をおこないます。CAD画面上に部品を配置して、その間を配線などでつないだりしながら基板を設計していきます。この時の配線の仕方などに結構人それぞれのこだわりなどが現れたりするのですが、基本的にはキレイな配線を目指すとミスがあった時の修正作業などもスムーズにおこないやすいです。

すべての部品を配置してすべての配線をひき終えて、配線にミスがないかよくチェックをしたら基板の設計データの完成です！

2. 基板の制作

基板の設計データが完成したら、それを実際に出力します。

基板は切削加工機で基板用の銅箔板を削ることで制作します。

設計データを FlatCAM というソフトに読み込ませ、切削加工機を動かすための加工データを作成します。FlatCAMの使い方の詳細は割愛しますが、持っているエンドミル（切削加工で使用するドリル刃）の種類に応じてパラメータを入力し、最適な加工データを出力します。参考までに、うちでは 直径が0.5mmと0.2mmのエンドミルをよく使用していて、単純な回路は0.5mmだけ、細かくて複雑な回路だと0.5mmに0.2mmも組み合わせる場合が多いです。

加工データができたら、実際に基板の加工です！

加工中はエンドミルの交換などの作業以外は見ているだけなので休憩タイムです。

※上の画像と動画の切削中の基板は設計データとは別のものです

加工が終わると、写真のような基板ができあがります。

3. 部品の実装

基板の加工が終わったら、基板上に部品を載せてはんだ付けしていきます。

基本的には手作業ではんだ付けをしていくのですが、使用する部品によってはそれが難しい場合もあります。

下の写真の基板は、とあるICの検証用に制作した基板ですが、そこに使用するICは大きさが２ミリ程度、電極端子は0.2ミリ程度の大きさしかありませんでした。このサイズだと手作業でのはんだ付けは難しいです。

そこで、このような時は簡易リフローという手法を使ってあらかじめ基板上にペースト状のはんだをつけて、そこにICを載せてホットプレートで基板全体を熱することではんだ付けをします。※料理風景ではありません

こうしてすべての部品の実装が終わったら基板の完成です。

4. ファームウェアの制作

基板が完成してもファームウェア（基板に組み込むソフトウェア）を書かないと基板は動作しません。

ハードウェア特有の制約のようなものはありますが、ファームウェアの作成手順自体は普通のプログラム作成とそう変わりません。使用するマイコンメーカーが提供する開発環境を使用して動作させたいプログラムを組んでいきます。

ファームウェアを作成したら、メーカーが提供するデバッガと呼ばれる書き込み機を使用してファームウェアを基板上のマイコンに書き込みます。

5. （必要に応じて）外装の制作

ここまで来たらほぼ完成したようなものですが、制作するハードウェアによっては外装も制作しなければいけない場合があります。

切削加工機を使用して樹脂を削って制作したり、3Dプリンターを使って作ることもありますし、自分で制作する時間がなかったりクオリティを求める時は外部の3Dプリントサービスを利用することもあります。

※画像はスタイロフォームを使って外装の試作をおこなっているところです

下の画像はDIGLOGのものですが、基板に外装がつくと見た目の印象が大きく変わるので、制作のモチベーションもぐっと上がります！

6. 動作確認をして完成

基板とファームウェア（と場合によっては外装）がそろって、最後にきちんと意図した動作をしているかどうか検証をして問題なければようやくハードウェアプロトタイプの完成です！

制作物によっては基板の設計から製造までを丸々外注に出してしまうこともあったりするので、必ずしも今回説明した通りではないのですが、ハードウェアの制作という意味ではおおむねこのような工程で制作がおこなわれます。

ちなみに、上の写真の左側にある基板は現在プロトタイプを重ねながら現在開発中のものなので、詳細はいずれ改めてご紹介できればと思います！

さいごに

今回は簡単にですが、HACKistのハードウェアプロトタイプの制作現場をご紹介しました。
ハードウェアはソフトウェアに比べると形になるまでの道のりが長くて大変だったりするのですが、動いた時完成した時の感動はソフトウェア以上のものがあるように思います。

これまでのHACKistブログはソフトウェア系の記事が多かったですが、HACKistではフィジカルを活かしたハードウェア系作品の制作にも取り組んでいますので、今後はそういったハードウェア系の記事もどんどん上げていきたいと思います。

本作品はあなたのスケジュールを小宇宙空間へとビジュアライズしてくれる置き時計型デバイスです。
あなたのGoogleカレンダーのアカウントと連携することで、登録されている予定から原子や惑星、銀河を想起させる美しいグラフィックを生成します。

筐体を横にすることで１日の予定全体を眺めることができる「俯瞰モード」、また筐体を縦にすることで現在の予定の詳細を見ることができる「主観モード」の二つのビューモードで予定を閲覧することができます。

俯瞰モードでは、グレーの領域で現在の時間を示しており、画面全体をグレーが覆うとことで１日が終了したことを示します。惑星のような集合は一つの予定を表し、大きければ大きいほど長い予定となります。また現在進行中の予定の惑星は忙しく動き、終了すると非活性な真っ黒な塊と変化します。彗星のように飛んでいる星の色は、Googleカレンダーのラベルの色と連動します。

そして主観モードでは、画面全体で一つの予定を表しており、時間経過とともに原子を想起させる黒い丸が増殖していきます。残り時間が僅かとなると、それらがユーザーを焦らせるかのように忙しなく画面全体を埋め尽くし、タイムオーバーとともに画面を一色に染めてしまいます。

「PLAN-NET」はずっと眺めていたくなるビジュアルや、筐体を倒すことで簡単に表示モードを切り替えられるインタラクションによって、ユーザーが直感的に予定を把握することができるプロダクトとなっています。

「PLAN-NET」を活用することで、あなたやチームがより直感的に時間とTO DOを把握し、予定通りにタスクを処理できるようになるよう、チーム一同願いつつ制作を進めてまいりました。

今回のSXSW Trade Show 2016では、コンセプトモデルの展示となります。5月に東京で開催される展示イベントでは、機能をよりアップデートさせたプロトタイプを展示予定です。

あなたも「PLAN-NET」で新しい時間体験を、是非プロダクトをさわって体験してみてください！

PLAN-NET
Turn your calendar schedule into a beautiful work of art for your desk.

PLAN-NET is a reinvention of the traditional table clock that changes the way you interact with the device. It turns your calendar schedule into a fascinating work of art you actually want to look at.
Set it up by syncing PLAN-NET with your Google Calendar schedule. After that, PLAN-NET’s unique algorithm will turn all your tasks into a beautiful dynamic universe – atoms represent time and planets and galaxies help visualize your tasks.

PLAN-NET –Concept model- Staff list
Product Manager / Kentaro Tetsuka
Art Director / Saki Kato
Designer / Rintaro Matsuyama
Producer / So Nishio
Product Design / TSDESIGN Ltd.
Motion Graphics / SPICE INC.
Website Front-end Engineer / Yoshihiro Takano
Special Thanks / Jyutaro Mochizuki

http://plan-net.tokyo/

最近、IoT（モノのインターネット）やスマート家電などという言葉は耳にすることが多くなりましたが
ITなどの新しもの好きの人以外は、まだまだ実物を身近に体験することは少ないと思います。

そこでスマート家電を身近に体験してもらえるように、スマホサイトから電気をつけたり、消したり、家電などデバイスを操作できるコンテンツ「でんせつ 電接 / 電切」を先日のHACKist展示会「DIGITAL FRAGMENTS」にて展示しました。

スマホでQRコードを読んでスマホサイトにアクセスするだけで
会場の照明を操作したり、おもちゃを動かすことができるコンテンツとなっています。

展示会でアプリをインストールしてもらうのはハードルが高いのでスマホサイトから、会場のデバイスを操作できるように設計し、来場した多くの人にコンテンツを楽しんでいただくことができました。

node.js、WebSocketやWebRTCを使ってスマホとPCを遠隔で接続する事によって、スマホにアプリを入れることなく、スマホをコントローラー化することが可能です。

展示は終了してしまいましたが、スマホをコントローラーにすることができるHiSESSIONサービスの一例として、
ALTERATION WALL は絶賛公開中なので、こちらを是非、体験していただけたらと思います。
（スマホから写真を投稿してパソコンにインスタレーションを作り上げることができます！）

イベントなどで応用したいなどありましたら、気軽にお問い合わせください。

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制作 : 高野 祥宏

みなさんはプリケツと言われたことがありますでしょうか？
ぼくは大学生までサッカー部だったので、よくお前はプリケツだなーと言われていました。

それと今回の作品は本当はあまり関係ないのですが、
おしりをユーザインタフェースにすることが出来たらそんな僕のプリケツも役に立つのではと思い、
おしり向けインターフェース　【 SIRICON 】 を作ってみました！

◆おしり向けインターフェース　【 SIRICON 】 とは。。。？

SIRICON とは、おしりをインターフェースにすることで様々なことを可能にするクッション型デバイスです。
SIRICON には「Controller」、「Condition」、「Concentration」の3つの機能があり、
あなたの生活をあなたのおしりによってより便利にしてくれます。

「Controller」機能を実装したSIRICONのデモ版を、
11月23日、24日に東京ビッグサイトで行われていたMakerの祭典、
Maker Faire Tokyo 2014にて展示してきました！

おしりの圧力を感知するクッション型デバイスを作成し、
左尻と右尻の圧力差分によってゲーム内のキャラクターを左右に動かしています。

仕組みはとっても簡単で、
クッション内に仕込まれた圧力センサーからArduinoを経由してPCに値を送り、
Unityでそれを処理してゲームに反映しています。

◆SIRICON の3つの機能

① SIRI + Controller
おしりの動きによってクッションにかかった圧力をセンサーで読み取り、
それをコンピュータやゲームの入力装置として使います。
ハンズフリーで操作ができるのでダンベルで鍛えながらのパソコン操作も夢ではありません。

② SIRI + Condition
クッション内の重量センサーであなたの体重の推移を毎日チェック。
ライフログデバイスとして機能します。
無意識のうちに記録してくれるので、体重計と向かい合って覚悟を決める時間が短縮できます。

③ SIRI + Concentration
座って作業をする時、人は集中力が切れてくると姿勢が乱れてしまいます。
SIRICONは圧力センサーにかかる圧力分布のデータから、
集中力が切れてきたときや、正しい姿勢のレコメンドをしてくれます。
正しい姿勢で作業に集中できて、適切なタイミングで休憩をとれるようになります。

SIRICONによって、クッションに座るという日常の行為に対して、
今までになかった体験を拡張していければと思います！

それでは！！

Credit／
Develop/Product：茶谷　亮裕
Special Thanks：長谷川昇平、細野智美、佐野彩香、進藤俊彦、加藤愛、HACKistメンバー

当日は、来場頂いた方に、近くに置いたカホンをトントン叩いて頂いたり、大きな声を出して、光の反応を楽しんで頂きましたが、嫁入りランドさんのライブ中の反応が特に面白かったので、アーカイブムービーにしてみました。

今回は電球３つの簡素な作りでしたが、いづれDMXなど使って、大規模にビカビカ光らせることを夢見ています。。

そして、改めてHACKist展にご来場頂いたみなさまありがとうございました！来られていない方もこのムービーでHACKist展の雰囲気を少しでも感じ取って頂ければと思います。それでは！

と思ったら、NextMIDIというMITライセンスで公開されている良い物があったので利用させていただくことにしました。
 
これにeVY1を操作するのに必要な下記処理を追加＆NextMIDIの処理をちょっとだけラッピングして、簡単にeVY1を利用できるプロジェクトを作成しました。
追加した機能は以下です。
・歌詞のひらがなをeVY1用のアルファベットに変換
・変換したアルファベットをeVY1に送信するエクスクルーシブメッセージに変換
 
プロジェクトはBitbucketのリポジトリで公開しています。
いくつかエラー処理の手を抜いていますが、通常使う分には問題ないかと思いますので、何かのご参考までに。
 
これを利用してIntelのPerCと連携させ、サムアップで音階があがり、手を横に振るとビブラート、手で円を描くとさくらさくらを歌うプログラムを作ってみました。
 
Vocaloidが世に出て長い年月たってますけど、自由に歌わせることが出来るのって、本当にいいですね。

１．まずはお勉強
実はMIDIデータは作ったり再生した事はあるものの、プログラム上から命令を出したことがないので、まずはMIDIのフォーマットやWin32APIの使い方を勉強。
※.net FrameworkにはMIDI制御用の機能がないのでWin32APIを利用しています。
このサイトやこのサイトを参考にしました。
 
２．eVY1の使い方
eVY1では事前に歌詞をエクスクルーシブメッセージでデバイスに送信しておくと、音をならす度に歌詞を１文字ずつ音に合わせて発生してくれる。
なのでプログラム的には以下のような流れになる。
MIDIデバイスOpen⇒エクスクルーシブメッセージ送信⇒音を鳴らす⇒MIDIデバイスクローズ
 
３．まずは音を鳴らす

// ライブラリの使用宣言
#pragma comment (lib, "winmm.lib")

int PlayMidi()
{
	// MIDIデバイス取得
	HMIDIOUT hMidiOut;
	if ( midiOutOpen( (LPHMIDIOUT)&hMidiOut, 1, (DWORD_PTR)NULL, (DWORD_PTR)0, CALLBACK_NULL ) != MMSYSERR_NOERROR )
	{
		// MIDIデバイスがない。
		return 1;
	}

	// 送信準備
	midiOutShortMsg(hMidiOut, 0x000000c0);
	Sleep(100);

	// ド
	midiOutShortMsg(hMidiOut, 0x00403c90);
	Sleep(1000);
	midiOutShortMsg(hMidiOut, 0x00003c90);

	// レ
	midiOutShortMsg(hMidiOut, 0x00403e90);
	Sleep(1000);
	midiOutShortMsg(hMidiOut, 0x00003e90);

	// MIDIデバイス解放
	midiOutReset(hMidiOut);
	midiOutClose(hMidiOut);

	return 0;
}

※midiOutOpenの第２引数は自分の環境に合わせて変えてください。

デフォルトで”あ”が設定されているみたいなので、このプログラムを実行すると”ド”と”レ”を、あ↑あ↑と歌ってくれます。

無事音が出たので次は「さくらさくら」を歌わせてみます。
 
[歌っている動画]

 

４．歌詞の送信データの中身
歌詞はASCIIコードで送信するので、どの文字がどういうコードで構成されているかをYAMAHAのマニュアルページの一番下からMIDI仕様書をダウンロードして確認する。(今日現在だと34ページに該当情報が記載されている）
 
５．エクスクルーシブメッセージの送信
下記ロジックをその１の送信準備の直前に入れると、歌詞が”あ”から”き”に変更されることが確認できる。

MIDIHDR mhMidi;
ZeroMemory(&mhMidi, sizeof(mhMidi));

// 歌詞データ
BYTE vocalData[] = {0xF0, 0x43, 0x79, 0x09, 0x00, 0x50, 0x10, 0x6B, 0x27, 0x20, 0x69, 0x00, 0xF7 };

mhMidi.lpData = (LPSTR)vocalData;
mhMidi.dwBufferLength = 13;
mhMidi.dwBytesRecorded = 13;

midiOutPrepareHeader(hMidiOut, &mhMidi, sizeof(mhMidi));
midiOutLongMsg(hMidiOut, &mhMidi, sizeof(mhMidi));
while ((mhMidi.dwFlags & MHDR_DONE) == 0);
midiOutUnprepareHeader(hMidiOut, &mhMidi, sizeof(mhMidi));

 
６．歌詞データの作成
特にプログラム上で動的に変更しないのならばここの歌唱データ変換ツールを使うと便利。
0x付加＆SysExで作成した文字をカンマ区切りで上記ロジックの”BYTE vocalData[]”に入れれば歌詞が入れ替わる。
 
プログラムで生成する場合は以下（大分手抜きですが）。
[変換部分]

void WordStringToByte( char* wordData, BYTE* byteWord )
{
	// ヘッダ情報
	byteWord[0] = 0xF0;
	byteWord[1] = 0x43;
	byteWord[2] = 0x79;
	byteWord[3] = 0x09;
	byteWord[4] = 0x00;
	byteWord[5] = 0x50;
	byteWord[6] = 0x10;

	// 歌詞情報
	int j = 0;
	int length = strlen( wordData );
	for( int i = 7; i < length+7; i++ )
	{
		byteWord[i] = (int)(unsigned char)wordData[j];
		j++;
		if( j == length )
		{
			break;
		}
	}

	// 終了情報
	byteWord[length+7] = 0x00;
	byteWord[length+8] = 0xF7;

	return;
}

[呼び出し元]

// 歌詞を"ふぁ"と"ずぃ"に設定。歌詞の連結は","
wordData = "p\ a,dz i";
BYTE byteWord[255];
WordStringToByte( wordData, byteWord );

[エクスクルーシブメッセージ設定部分]

/*
mhMidi.lpData = (LPSTR)vocalData;
mhMidi.dwBufferLength = 13;
mhMidi.dwBytesRecorded = 13;
*/
mhMidi.lpData = (LPSTR)byteWord;
mhMidi.dwBufferLength = strlen( wordData )+9;
mhMidi.dwBytesRecorded = strlen( wordData )+9;

次はこれをKinectかPerCあたりと組み合わせてみます。

スイッチサイエンスでやっとeVY1のシールド付きが買えたので、さっそくいじってみました。
OSはWindows8.1です。

eVY1はざっくり言うと、eVocaloidを搭載したヤマハの次世代音源デバイスNSX-1を組み込んだ基盤で、ミクさんを音楽付きで歌わせることができます。
 
OSとの接続はUSBケーブルで繋げばいい！とのことだったのでつないで見ると・・・OSが認識しません。
ググってもドライバ不要とのことなのでしばらく悩んだのですが、どうやらピンソケット部分のスポンジが邪魔な模様。これを取り外すとさくっと認識しました。
～スイッチサイエンスの製品ページにちゃんとスポンジ外せって書いてありますよね・・・orz
 
※ちなみにOSがキチンと認識していないと以下のように左下のLEDが４つとも点灯したままになります。

 
KinectやPerCと連携していろいろ遊んでいきたいと思います。