２足歩行ロボット(2L1)の製作日誌　その２

高速化をきちんと追求しようかとも思いましたが、現状0.75Kbyte/secで何とか動いているし、 100baseの通信機器が一般化している現在、このレベルでこだわってもなんだか寂しいし 、５倍近く早くなれば十分と言う気もするし・・・そんなで、後少しチューニングし、ＯＫとする事 としました。

以上のテストで配線、コントローラ＜−−＞ＰＣ方向の通信アルゴリズム、ノイズの入り具合 を見ました。

	メーカー：フタバ 型式：FM 40MHz帯 型名：T4VF チャンネル数：4 購入価格：\4800　(クリスタル別売り\1000) 購入先：仙台の　石井模型
	メーカー：ＧＷＳ 型式：FM 40MHz帯 型名：GWR-4P チャンネル数：4 重量：5.4g 購入価格：\4050　(クリスタル付き) 購入先：秋葉原の　フタバ産業

とりあえずサーボを４個つないで動かしてみました。赤と緑のＬＥＤは動作確認用です。 その上にある３個の2SC945はジャイロの信号レベル変換用トランジスタです。

信号分配ボードを下ろし、サーボコントローラー７を取り付けているところです。 サーボの配線をやり直すついでに、０番サーボをS9303に戻しました。 SX101ZとS9303は幅が1mm程度違うだけなので、取付金具を少し削って付けました。 安定が良くなるか、悪くなるか、見てみようと思います。今は各関節の軸受けとリンク をガタゼロに近い形で セッティングしているので、関節のガタは主にサーボの出力軸に起因しています。 SX101ZとS9303を比べると、値段が４倍くらい違うだけあって、出力軸の精度が良くて 剛性が高いように感じます。 ロボット全体の剛性と加工精度が低い点を何処まで制御ソフトでカバーできるかが 一つの挑戦課題と思っていますが、最近、ある程度データが取れたら、各関節毎に グレードの高いＲＣサーボを付け、バランスを考え直した２足ロボットを 「新設計で作ろーかなー」と考え始めました。

次に、ADXL202を接続しました。以前は約３ｍのフラットケーブル越しにパルスを受けていたので、 パルスの長さが、数パーセント程度、常に動いていましたが、マイコンとセンサーの距離が１０ｃｍ 程度に近くなったので、この現象は無くなりました。

ここまででサーボコントローラー５を使っていたときに付いていたセンサーが揃い、基本的な 通信プログラムも出来てきたので、歩行用のプログラムをかけて、通信エラーに対応する カラクリを組み込もうと考えています。

今のところＰＣ側のプログラムは、ロボットに直接アクセスする関数を新規に作り、その上の レベルのセンサーやモーターへの入出力の意味を持つ関数は、名前も、引数も同じまま、 新しい直接アクセス関数を呼ぶように中を変更し、歩行制御の関数は変更無しになっています。

波形再生のサブルーチンと横歩きの制御波形データは、ジャイロのフィードバックを 含めても、多分Ｈ８の内蔵ＲＡＭ(4Kbyte)に収まると思うので、通信のロス無しでどの程度 動くのか試してみようと思いました。

足の修理
なんだか動きがおかしいと思ったら、「00.08.29」の日誌の内容と同じ股関節 が壊れました。接着面を見てみると、半分ほどしか着いていませんでした。 前回の修理は少々手抜きだったので、今日は接着剤の粘性をキチンと調節し、 下地の処理も行って接着しました。その上にボルト止めしたので、前より だいぶ良くなったと思います。
通常、構造強度のバランスが悪い場合、ある場所を強化すると、次に弱い場所が壊れるので、 様子を見てみます。 ボルトの重さもばかにならないし、壊れたところで、別段どうと言うことはないので、 とりあえずは、右脚の同じ場所は放っておきました。

関節のガタ対策
２Ｌ１ｖ２の時に付けていた様な、輪ゴムを復活し、サーボの出力軸のガタの影響を 少なくできないかトライしてみることにしました。 ｖ２とｖ５は大分構造が違うので、輪ゴムのかけ方をいろいろ工夫してみようと思います。

圧電ブザーと赤外線リモコン受信モジュール
パソコンから切り離して動かす場合の、マン・マシンインターフェイス（おおげさ） として「圧電ブザー」と「赤外線リモコン受信モジュール」を足しました。 動作のスタート等はラジコンで行おうかと考えていましたが、机の上でテストする時 には、赤外線リモコンの方が便利がいいので、とりあえず載せました。
リモコンのデコードを行わず、ただON/OFFに使うだけでしたら、テレビのリモコンでも、 エアコンのリモコンでも何でも良いので、手近な物がどれでも使えて便利です。

要目変更
機器構成が変わり、それに伴って要目も変わりましたので、記録のために古い要目 をここに置いておきます。トップページの要目は変更済みです。

加速度センサーの動作確認
まっすぐ立っている状態と、数度程度、いろいろな方向に傾けた状態で、入力値の変化を見ました。 サーボコントローラー５では、転倒の判定に使える程度の感度でしたが、今度は「歩行の途中で 何とか踏み留まってはいるものの、次の一歩で倒れそうに傾いている」状態も分かりそうでした。
立っている場所の傾斜を、動作波形にフィードバックさせられるか、トライしようと思います。

足の拡大
ｖ３でサーボを壊した経験から足を小さめに作っていましたが、３番サーボの位置保持力の不足と 出力軸のガタの多さを補うため、７×４ｃｍから９×４ｃｍに拡大しました。また、足の裏に 張っているゴムを、発泡ゴムから、パッキンなどに使う１ｍｍ厚のゴムシートに変えてみました。 どちらの方が、安定しやすいか差を見てみます。
サーボの破損対策の１つとして、転倒したらサーボの制御信号を止めることによって、 サーボの位置保持を止める「脱力モード」を付けようと考えています。 （転倒の判定がなかなかうまく行かないので、転倒判定が出来るようになった後の話になります）

１歩毎に遊脚が何秒地面を離れていたか計測し、左右に揺らす振幅を変えることで、 ある程度床の傾斜を吸収できました。前後方向はマイクロスイッチのつま先とかかとのどちらが 先に接地したかで重心位置を前後に調節してみましたが、いつも行き過ぎで、うまく行きませんでした。

トラ技１９９９年１２月号で電池特集を読み、その後、デジカメの電池を手に取るたびに 「これ使ロボットに使いたい」と思っていましたが、内蔵電源にする必然性が低かったので 先送りになっていました。しかし、最近ＣＰＵを内蔵し、ＰＣ無しでも動く （注：「歩く」ではありません）環境が出来たことと、移動距離が長くなるに従い、 ロボットの近くに置いた電池ボックスが邪魔になってきたことと合わせて、容量が大きくて 軽いLi-ion電池を載せることにしました。

電池接続のアダプターは、普段ホームページ作成に使っているデジカメ用でＳＯＮＹ製の NP-F330(5Wh / 約700mAh)とNP-F550(10.8Wh / 約1500mAh)が使える形に作りました。 元々NP-F330がデジカメについていたので、ロボット用に同じものをと思い買いに行くと、 同等品としてNP-F550を出されました。容量が倍になっていたので驚きました。

	ペイロードスペース ペイロードスペースのハッチを開けると、この様に制御系と動力系の電池が入っています。 手前がニッケル水素電池で、奥がリチウムイオン電池です。 動力用は瞬間的に取り出せる電力を、制御系は電力容量を重視して選んでいます。
	リチウムイオン電池アダプター 今日作ったアダプターです。接点には2.6mmのボルトを使いました。 ボルトの間隔は、電池側の穴の間隔より若干広く作ってありますので、ただ差し込んでおくだけで 外れないようになっています。アダプター構造物の弾性を利用しました。

ＡＤＸＬ２０２のデューティーサイクルの周期が１ｍｓｅｃ、サーボコントローラー７の Ｈ８のタイマーのクロックが２ＭＨｚ。とすると読みの２（１μｓｅｃ）に対応する加速度は 0.008g（デューティー比５０％付近の場合）となり、傾斜に直すと約０．４６度になります。
と、こんな風に考えてみて、センサーのデータシートに書いてあること、計算、そして ロボットの動きがつじつまが合うようなので、まあ、性能が出ていると結論しました。

加速度センサーテストのムービー(344 Kbyte/mpeg)
ヒザの屈伸動作のうちで、曲げたときと伸ばしたときに、水平を探すサブルーチンが かかっています。

プリテンションゴム １、２、３番関節にプリテンション用のゴムをかけました。基本的な考え方はｖ２の物 と同じで、軸のガタ（サーボのバックラッシュ）対策を目的としています。 ゴムのかけ方の方針としては、以下があります。 足が接地しているときにかかる力の方向へ張力をかける。 遊脚相において、ギアのバックラッシュ等により関節の角度が変わらない程度の張力をかける。 （脚の自重が支えられる程度の張力です）

踏み出す前の初期状態を一定にする意味である程度効果があるように見えましたが脚が地面を 離れたときに、本来の目標角度になってしまい、接地の時にバランスを崩すケースが多く なりました。
この件に関しては、体重を支えているときと、いないときの関係が一定ならば対処出来ると 考え、一度体を前に傾けてから、引き起こす様にしてみました。これにより、歩行のインターバルが だいぶ長くなってしまいましたが、各サイクル間のばらつきがだいぶ減りました。

歩行プログラムの重さ
上のムービーでは 一歩のアクションの軌道分割数は２４で、データの出力間隔は約0.037037秒になっています。 「あわよくば、Ｈ８／３０４８１個で多少なりとも自律歩行させたいと」考えていましたが、 プログラムを書き進めるに従い、歩きながらの計算が重くなってきたため 「やっぱり１個では無理かな？」という感じがだんだんしてきました。

モーターの出力
力加減が出来れば、今付けているサーボモーターでも、絶対的なトルクそのものは歩くのに 十分かもしれないと思いました。

今後の方針
これ以上重くしたら歩けなくなると言う気がするので、腕を付けたり、ＣＰＵを増やして 自律歩行させたりという件に関しては、２Ｌ１ではあきらめた方がいいのかもしれないと 思いました。２Ｌ１の今後としては

目先を変えて、他のロボットで別方向から技術力アップを図った後に再度トライするならば

PGｰ03とADXL202の入力
胴体の傾斜調整をした後に踏み出したときの入力です。 サーボコントローラー７がコマンドを落としたとき、サーボコントローラー７とＰＣの両方が 読み込みモードになるときがあります。この時は２５５が返ってくるので、２５５はニュートラル の数値に読み替えています。このグラフを見ると、サーボコントローラー５でとったデータと比べて やけにジャイロの信号がフラットです。
なんだか怪しい・・・もしかして、ほとんど読めていないのかも・・・
もしくは サーボコントローラー５でのジャイロの読みが狂っていたのか。機会を見て調べようと思います。

３個搭載しているはずのジャイロのプロットが２軸分しかないのは、ヨー軸のジャイロを 使っていないためです。当面の制御には必要ないと感じているため、通信時間短縮を目的として 、読み出しを止めてしまいました。

と言う方針で進めてきましたが、ＲＣサーボの比例制御から来る誤差を （サーボ剛性？が足りない状態の事を何と表現しましょう？）力自体のフィードバック無しには 補正しきれないと感じてきたので、２Ｌ１ｖ５の製作は当面ここまでとして、 結果をまとめながら、要素技術（２Ｌ１も２足歩行専門の実験機ですが）の実験をする 別の機体を作ることにしました。

目と手（腕）が付いた移動ロボットで、視覚と力の制御をメインテーマにしようかと思っています。 とは言っても実際に製作するハードは、Ｗ１〜５までの流れに沿った「楽しい工作」ベースの 簡単なロボットにする予定です。（２Ｌ１も気が向いたら再開しようと思っています。）

また、各関節のプリテンション発生のため、輪ゴムを使ってきましたが、輪ゴムはかけておいた 時間等によって発生する張力が刻々と変わります。よって電源と同様、ロボットの特性を一定 に保つという観点から言うと、あまり良いメカニズムとは言えないと思いました。

機械的に一定の張力を保つことは、高くつきそうな気がしますが、電源の安定化の方は それほど費用がかからないと思いますので、機会を見て電源を安定化しようと思いました。

パワーアップ
ROBO-ONEでしくみや大きさが比較的近い２足歩行ロボットの動いている様子を見て 「４Ｌ１の操縦があまり面白くなかったので２Ｌ１のラジコン化はやめようか」 という気が変わり、「静歩行でも遊べるかも」と思うようになりました。また、 同クラスの２足歩行ロボットの電源まわり、歩き方、倒れ方、壊れ方等々多くの 情報を得ることが出来たので、上記破損の修理で足首を作り直すついでに、 デジタルサーボやハイトルクタイプのサーボを使って 静歩行が出来る程度にパワーアップしてみることにしました。

換えるサーボは１番をERG-VB(13kg・cm, 0.10sec)、２番をERG-VR(8.0kg・cm, 0.07sec)、 ３番をSRM-1322Z(3.6kg・cm, 0.17sec)、４番をERG-WR(8.0kg・cm, 0.07sec)としました。 （全てサンワのサーボで、ERG-WRのみデジタルサーボです）
２Ｌ１ｖ５に小改造で付けられるサーボを試すという意味で、全関節に違う機種の サーボを付けてみます。足首のピッチ方向のサーボ（３番）は、取付位置の都合で そのままではハイトルクタイプを付けられないため、軸受けにベアリングが入っている、 SXｰ101Zとほ同寸法のサーボにしました。

足首へのベアリング取付
「ミニチュアベアリングは高価」という印象を子供の頃に持っていたので、 いままで自作ロボットの軸受けには使ったことがありませんでしたが、 東急ハンズ渋谷店で丁度良いサイズのベアリングを見つけたので、 足首のピッチ側の軸受けに付けてみました。
関節でのパワーロスが減る分、すこし駆動力がアップすることを 期待しています。
型式はＭＲ６３ＺＺです。売場でメーカー名を見かけませんでしたが、 多分ＮＳＫ（日本精工）製だと思います。内径が３ｍｍ、外形が６ｍｍの ミニチュアベアリングで、１個３８０円でした。

その他の関節も、前回の書き込み内容に沿ってパワーアップを図りました。 定価\15000クラスのＲＣサーボは、SX-101Zと比較して、 サーボの軸受けのガタが少なく、標準で付いてくるサーボホーンの剛性も 高いので、ロボット全体が目に見えてしっかりした感じになりました。

（外見上の変化は、足が大きくなっただけです・・・）

動力系電源の変更
以下の理由から、しばらくの期間、動力用の電源を外部のスイッチングレギュレーターから 取るように変えることとしました。