從零開始設計Muro Box機芯

我是馮振祥,智慧音樂盒Muro Box的發明者。本文將暫且拋開音樂盒的情感與人文部分,改從一個開發者,或者是創客的角度,來記錄我從零開始學產品設計,最後讓Muro Box變成可量產的產品的過程。

The founder of programmable music box Muro Box - Dr. Feng
智慧音樂盒Muro Box與傳統音樂盒的機芯
左圖:傳統音樂盒的機芯,右圖:智慧音樂盒Muro Box的機芯

由於很多的決定都是非常主觀的,這裡要先說明我沒有任何想要引戰的意思。各種工具與零件的優缺點都是因人而異,本篇只是寫出「我」在開發智慧音樂盒Muro Box時想法與觀點,沒有任何要強加想法於其他人的意思。 

研究前人設計過的音樂盒

其實如果在網路上搜尋“電子音樂盒”,就會發現結果並不少。最多的就是用簡單壓電式喇叭或是小永磁喇叭做出來的玩具小音樂盒。其中原理簡單,就是一個主MCU搭配一顆FLASH(或內建,看整合的程度)來記憶簡單幾首歌曲。喇叭發聲的原理其實就是PWM信號,一般玩具專用MCU都會有搭配特殊PWM硬體與內建放大器,可以直接驅動喇叭。

電子音樂盒
圖片來源:掏寶網頁截圖

但這不是我們要做的事情。這種音樂盒完全忽略了音樂盒不是只有聽到旋律而已。我認為音樂盒的魅力,是機械式的機構轉動並彈奏出聲音。這個”轉動”的意象,代表了音樂盒的精神。

但這時再繼續搜尋網路上機械式音樂盒的資源,就會發現很多相關的Maker專案,可以歸納為幾種不同的類別。

懂木工的創客作品

他們通常都會自製一個大型的滾筒,上面打滿了洞。然後用木丁插入滾筒上不同的位置做出旋律。這時音梳(振動板)都會是鐵琴,或是自製的類似音叉的鐵條。當滾筒用手旋轉的時候,木丁敲擊音梳演奏出音樂。

創客作品-音樂盒
圖片來源:http://www.instructables.com/id/Build-a-Programmable-Mechanical-Music-Box/

懂電子電機的創客作品

他們通常都會結合非常多的推拉式電磁鐵,或者是非常多的步進馬達,做出一個撥弦機構的陣列。並想辦法用力臂或各種齒輪結構,把撥弦機構的力量,轉移到音梳的部分去做出敲擊音樂。

創客作品-音樂盒
圖片來源:https://mitxela.com/projects/musicbox

但這也不是我們要做的事情。這種音樂盒比較像是公共藝術的展覽品,可以不計成本的選用市售現成的零件(步進馬達很貴啊!),成品常常都是一張桌子的大小。沒有考慮真實使用的情境與成本,還有如何在家擺放這個音樂盒。

"我心目中的音樂盒,是要能夠量產的音樂盒,是要一台可以捧在手心,能感受到它震動的音樂盒。"
馮振祥博士
Muro Box的發明者

我的第一個概念測試品,是用11個推拉式電磁鐵,敲擊網拍買的11音小鐵琴。當時測試的MCU是選用Nordic 51822的台廠模組。MCU 的控制訊號透過BJT做簡單的放大去推動電磁鐵。整個測試品大約花了一個星期去完成。我在網路上隨手找了一個”瑪莉有隻小綿羊”的MIDI音樂,還好檔案不大就直接寫死在程式裡讀取檔案並播放。下面這段影片,就是我當時隨手用手機錄下的概念驗證影片。

概念驗證了,現在玩真的來把它變成產品

想法雖然簡單,但執行起來困難度真的是比天高。我的背景是韌體工程師,所以當專案一開始的時候,其實我是沒有辦法設計機械結構的。當時我陷入了一種工程師特有的夢境,就是幻想我只要先把控制程式寫出來,到時機械結構自然就會有人幫我去搞定(驚!!)。這樣的幻想持續了幾個月,直到我哥有一天跑來我家看看我在最近都在幹甚麼,驚覺我這愚蠢的幻想,然後把我罵醒。

終於回歸現實,我必須先放下手邊寫程式的工作,去找專業的人協助我把機構的部分解決

我的第一步就是去找音樂盒工廠談合作。這間工廠已經有40年的傳統音樂盒機芯製造生產經驗,是台灣唯一的音樂盒工廠。我期望只要他們願意負責機構,我只要負責寫程式。一定會一拍即合,產品大成功大賣。

智慧音樂盒Muro Box的協力廠商-協櫻公司
這張與協櫻總經理和副理的大合照得來不易,是我花了超過半年的時間做市場調查與持續報告我的工程開發進度,才終於取得他們的信任,願意協助我開發與生產智慧音樂盒。

結果當然不是這樣。最好工廠會跟一個第一次見面的人就開始合作開發產品。認清楚事實,機構的事情要自己解決的

當時我的做法,就是把我現在的情況跟其他人相比較,發現我可以被歸類為”發明家“這一種族群。我特別跑去參加世貿舉辦的發明家特展,當場跟發明家前輩請教他們如何執行他們的發明。喔,原來發明家會委託產品工作室幫他們從概念製作出樣品來

上面這個機構設計報價單明確指出,只是幫我畫草圖不負責驗收樣品效果,就要收我68萬元的設計費。
上面這個機構設計報價單明確指出,只是幫我畫草圖不負責驗收樣品效果,就要收我68萬元的設計費。

在了解到竅門後,我開始瘋狂的搜尋到底有那些產品工作室可以幫我完成電子音樂盒的機構。當時就碰到了產品第一個重要的難關,“到底要花多少錢在委託產品工作室開發”

這裡我給大家一個實際的報價單作為例子,裡面估價為68萬元的機構設計,但不包含產出樣品,注意報價的內容只有出電子圖檔而已。圖檔出了以後,東西就必須在七天內驗收。能不能用之後就跟他無關了,時間到了就得結案。這裡的關鍵是,產品開發是不可能一次就到位的,需要反覆的測試才可以發現問題。合約中寫定七日內必須付款,其實就代表在還無法確認設計的缺陷時,就必須結案。技術諮詢並沒有合約規範諮詢範圍與內容,只可以當作是友情幫助,真的出事的時候不一定可以依靠。

以我現在的角度回頭看,如果真的好好的設計出一個智慧音樂盒的機構,就算叫價100萬的設計費也真的不貴。但是問題是,這專案如果交給產品工作室,結果一定會是失敗的

發明家,或是概念的發起人,會把自己投入到工作的程度,錯誤的投射到產品工作室上。幻想工作室也會跟自己一樣花時間把產品做好。我在這上面犯過無數次的錯。我可以簡單地歸納,假如自己不知道這件事情怎麼可以做出來,交給別人做也絕對做不出來的。更重要的,如果自己都不知道產品最後會長怎麼樣子,接案的人怎麼可能會設計出你想要的產品呢?

智慧音樂盒Muro Box機構設計手稿
我當時的機構設計手稿,用來跟外包的機構設計師討論。

當時因為貪圖便宜,最後就交給了一個518外包網上找到的個體戶外包商,以兩萬元的價格委託他開發電子音樂盒機構。過程就不說了,結果就是拖了四個月,做出一個根本不可能會動的東西

外包機構設計師畫的智慧音樂盒Muro Box機構草稿
當時第一次找的外包機構設計師畫的機構草稿

當時我拿著他畫的設計圖,到處找加工廠希望能夠生產出來。我印象很深,新北樹林的一家CNC廠,裡面工程部的小姐,看我滿頭大汗到處奔波,好心的叫我去他電腦前面,跟我說明這些零件為甚麼不可能被生產出來。這個外包商,竟然連CNC的不能切內直角都不知道(內R為零)!! 其實是我的錯,因為當時我也不知道CNC不能切內直角,是我疏忽沒有在第一天就知道這個人不行

痛定思痛,我又回頭去搜尋產品工作室,指望找到經驗夠的機構工程師搭配。此時,我終於碰到了貴人,把我從這坑裡救了出來。這個機構工程師 廖先生,他跟我說了實話。他說:

"你這個電子音樂盒(當時還不是叫智慧音樂盒),經驗夠的人不會接案,因為他知道問題的難度。而經驗不足的人接了案,又絕對做不出來,這是一盤死棋。​"
廖先生
機構工程師

他這時做了一件事情,我永遠的感謝他。他雖然不接下這個案子,但他以不收取費用的方式告訴我所有機構設計的技巧。只要我問,他願意告訴我技術上如何完成。

我的第一個電磁鐵的樣品,靠著廖先生的協助之下,終於驗證是可行的。以下影片呈現通電後兩片金屬片會產生磁性互相吸住,藉此來達到控制敲擊音梳片的節奏。接下來,我用這個電磁鐵結構來測試它撥動音梳。

第一版智慧音樂盒Muro Box機芯草稿
我從零開始學習3D繪圖,這是我的第一版智慧音樂盒機芯草稿。

這時我也認清楚了事實,這件事情只有我自己可以完成。我開始自學Fusion 360,靠著廖先生的協助。一筆一畫的用3D建模的方式,把我心中的智慧音樂盒畫出來。

經由之前跑工廠與樣品公司的經驗,我已經知道製作樣品的成本太高,於是在搜尋之後,買了美國當時評價CP值不是最高,但是品質最好的3D印表機,LulzBot Mini,讓我能快速打樣做測試。

事後證明在一開始的階段,自己擁有一台3D列印的確是必要工具。雖然各地的Maker Space多少都有機會可以使用3D列印機,但以我自己的經驗,3D列印機就如同是一個有生命的”朋友”一般,需要跟他混熟。每台印表機都有他的脾氣,可能這裡高一些,那裏卡卡不順。只有不停的”玩”他,才能依照每台不同的特性發揮出他的潛能。如果只是想要列印一個皮卡丘的人偶,那可能是沒有差別。但是如果像我一樣,需要精準到10條(0.1mm)以內的公差的時候,了解機器就非常重要了。

3D列印機所製作的智慧音樂盒Muro Box底座模型
我用3D列印機所製作的音樂盒底座模型

隨著機構的設計開始收斂,我們開始構思外觀如何設計。我深知音樂盒這種東西外觀至為重要,工程師做出來的東西是不行的,必須尋求外部的合作。一開始嘗試聘用工藝/工設系畢業的學生來協助設計,但馬上踢到鐵板,發現這行不通。一般工設系畢業的學生,因為實戰經驗不足,設計出來的東西是不可以被工廠生產製造的。此外在新創公司這種沒有未來感的高壓情況,一個剛畢業的學生,如果沒有熱情只是想找一份工作餬口,是馬上就會水土不服發燒感冒的。

在清理公司的人員配置後,我開始透過關係找尋由工業設計師組成的產品工作室。在熟識的人推薦下,終於柳暗花明找到了合作的對象。

但這就代表產品終於苦盡甘來完成了嗎? 當然不是。由於產品的創新開發程度太高,合作的產品工作室極度懼怕碰觸到機構的部分,造成設計上綁手綁腳,與我們溝通上一直有障礙。其實這又是一樣的經典問題。以我們設計者發明人的角度,我們誤以為產品工作室會花跟我們一樣的心思完成這個作品,以至於對他們有不切實際的期待,以為他們會幫我解決問題。當我聽到工業設計師親口說出來”我只是外包商”後,我開始知道要完成心目中的智慧音樂盒,能靠的只有自己

設計工作室提供的三款智慧音樂盒Muro Box造型提案
當時我找的產品設計工作室,給了我三個智慧音樂盒的外觀造型提案挑選。

無論如何跌跌撞撞,外觀造型還是確定了。我從外包的產品設計工作室給的三個提案,選了第三種(如圖片中的Proposal C)來繼續修改細節。

終於到了要做完整組裝與整體功能測試的時候。這時我又犯了一個錯。我為了要省錢,樣品零件都用3D列印製作,但是3D列印的塑膠是不能取代真正的產品的。尤其是音樂盒是一種”樂器”,不是形狀一模一樣就可以,”材質”也是關鍵。我沒有在早期的時候就用真實材質做測試,天真的以為只要最後換上真實金屬材質,一切問題都會解決。但實際的情況是,換上真實材質的樣品後,不但已知的問題沒有解決,又因為更換材料發生更多的問題。到了這一步,終於深刻的體會到有些事情是不可以省的

我總以為”能出錯的情況都錯過一遍了吧?”的時候,又發現”天啊怎麼可以這樣!”。例如曾經發生過的一個慘案,我們新店的電磁鐵線圈配合工廠,因為過年期停工,讓我們訂製線圈的交期延長到一個多月。但是因為我們測試只剩這個零件不可以等,在高壓之下,我們向漆包線供應商直接訂了一公斤的漆包線,自己做治具繞線,實驗成功後還拍了下面這段影片,在粉專2018年2月發布跟粉絲分享我們的DIY經驗。

智慧音樂盒Muro Box的樣品機台
桌上放著過去三年開發Muro Box 期間製作的樣品機台,這裡只挑選造型差異比較大的擺出來,實際上做過更多台。

看著手中的傳統音樂盒,我深刻體會到機芯內的每一寸都是千錘百鍊的經驗結晶。雖然我一開始是真的太天真,以至於跳進這個坑,但我還是可以分享我跳這個坑的經驗給大家的。尤其是跟我類似,喜歡動手動腳的Maker同好。

這段音樂盒的奇航,讓我認識了製造業的努力。台灣缺的不是技術,缺的是那種不安於現狀,躁動的心。最後,我希望當大家互捧著Muro Box在欣賞它的時候,可以與我一起驕傲地宣傳這個台灣發明與製作的高科技工藝結晶。

有興趣深入了解Muro Box如何在台灣完成首次量產者,可以閱讀這篇網誌

我相信Muro Box,全球首創的智慧音樂盒的誕生,已顛覆有兩百多年歷史的音樂盒產業。我希望讓音樂盒愛好者,可以享受自由編曲和隨心所欲更換曲目聆聽的樂趣。因此,我們運用雲端科技讓使用者上傳無限多首喜愛的樂曲,並且透過App自訂曲目清單內容與長度,享受專屬音樂的陪伴。我們也號召全球音樂盒愛好者來一起分享編曲創作,讓大家有更多元曲風的音樂可以下載到Muro Box聆聽。有興趣深入了解我們的App設計歷程者,歡迎閱讀這篇網誌

programmable music box Muro Box is an App controlled music box.
2020 Indiegogo campaign of Muro Box-N20 Lite: the cover image of this campaign page.

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