２足歩行ロボット(2L1)の製作日誌　その３

3067の方のRCサーボ、ADXL202、RCジャイロの接続が完了したので、ソフトを作り始めました。 先ずは、ADXL202の読み取り サブルーチンをサーボコントローラー７から移植しました。マイコンボードのクロックが 16MHzから20MHzに上がったので、8bitの数値に変換する計算のパラメータを変えました。 後で水平のときに128に近い数値になるよう微調整します。

H8/3664から帰ってくる件は、送信後にSSRのTDREにゼロを書くことを止めたところ止まりました。

RCサーボの信号を作るサブルーチンと、RCジャイロの信号を読むルーチンを移植しました。

加速度センサー（ADXL202)のボードの移設

電池の固定や、腕の取り付けがしやすいように、ペイロードスペースの 小さいほうのメンテナンスハッチの裏側に付けているADXL202のボードを、ジャイロを付けている、 ５番サーボ裏側のスペース（名前がないと書きにくいので、今後「モーションセンサースペース」 と呼びます）に移設することにしました。

角速度センサー（RCジャイロ）の構成変更

永らく積んではいたけれども使っていなかった、ヨー軸のジャイロを 今後もしばらく使う予定がないので、降ろしましてしまいました。
ジャイロの説明書には、ゼロ点が決まるまで３秒程度機体を動かさないように とあります。2L1v5までは、動力系の電源投入と同時にビクッと動くので これが守れていませんでした。この点を改善するため、マイコンのリセット後 ３秒間はRCサーボに信号を入れないことによって、じっとしているように プログラムを書きました。それに合わせ、マイコンと一緒に動作を始めるように ジャイロの電源を動力系(6V)から制御系(5V)へ移しました。

PC用のソフト

ＶＢでプログラムを作り始めました。手始めに「読み取り」ボタンを押すとテキストボックスの中に ＲＣ受信機の読み取り結果が入る機能と、テキストボックスに数字を入れて「送信」ボタンを 押すと３６６４に接続されているサーボの角度が変わる機能を作りました。

PC用のソフト

H8/3067に接続されているサーボの角度を変える機能を追加しました。ウィンドウ左の投げやりな図は ２L１の模式図のつもりです。「読み込み」ボタンを押すと、Cで作ったプログラム(2legs3.exe) の出力ファイル （CSV形式）から各関節のデータを読み込みます。また「送信」ボタンで２Ｌ１へテキスト ボックスに表示されているデータを送ります。

VB6のコミュニケーションコントロールを使ってＳＣＢ８と通信しています。 バイナリモードの通信の仕方が、オンラインマニュアルを読んでも良く分からなかった のでＰＣ−＞２Ｌ１方向の通信はアスキーデータで行っています。

Ｃのプログラム(2legs3.exe)は、サーボコントローラー７のときに、パラレルポート経由にて リアルタイムで関節の角度データの列（制御波形データ）を送っていた部分を、ファイルに 落とすように直している途中です。

基本作動試験

ソフトの中心的な部分が一応出来たので、以前作った歩行パターンで歩かせてみました。 今日はラジコン操縦してるので、しっぽが生えていません。 また、センサーは全部ＯＦＦになっています。今の状態（重量と各関節の出力）ならば 不安定ですがジャイロは無くとも、まあ歩けます。

基本作動試験

ジャイロの出力をフィードバックする部分のソフトを書き加えたので、前回撮影の アングルと近いアングルで、比較のムービーを撮影してみました。 ジャイロＯＮの方が体のゆれが小さくなっているのが分かるでしょうか？
使っている歩行パターンは、ＯＮ／ＯＦＦのムービー共に同じパターンを 使っています。（歩幅や周期等が同じということです。）

ムービーのダウンロード
ジャイロＯＮ
ジャイロＯＦＦ

ラジコン操縦用のソフト

ソフトの設計資料の一つとして、 歩行パターンデータ間の状態遷移図を書いた後、波形マップ（歩行パターンデータの メモリへの展開の仕方を記した表）を作ってみました。

先週エントリーしました。大会の日が、会社の出勤日になっている事が少々気がかりですが、 出来たところまでで、２Ｌ１を持ってゆこうと思っています。腕まで作れるかどうかは 怪しいところです。ＲＣ化に関して、壁となるような要素は特に無いのですが、製作の 作業時間が十分取れそうにありません。

ラジコン操縦用のソフト

横に歩くパターンと向きを変えるパターンを作りました。 とりあえずは「操縦が利くようになり一安心、でも、動きが乱暴なので足が壊れないか心配」 と思っていたら、左の膝が壊れました。４Ｌ１でうまくいったので、関節周辺の板厚を増す 修理／改造を行いました。

右ひざの強化

６Ｌ１では、１本の足が壊れた場合、遠からず別の足の同じ場所が壊れました。 その経験を反映し、先週壊れたのは左足だけでしたが、右足に対しても同じ改造を 施しました。

肩の工作

肩のサーボ(２自由度の内の１つ）を取り付けました。その工作を行いながら 肩周辺の設計図を固めてゆきました。

足の形の変更

旋回中に自分の足を踏むことがしばし起きたので、足の後ろ側をかかとに向かって すこし角を落として細くしました。ついでに、すり足に近い歩行パターンでは つまづいて転ぶ原因となったいた、足の裏のゴムと、接地検出用のマイクロスイッチ を外しました。（接地センサーはＲＯＢＯ−ＯＮＥでは使わないので外しました。）

内股方向につま先を向けられれば、つま先側も細くするところですが、機構上 向けられないので、安定性確保のため残して起きます。

左腕の製作

左の肩から腕までを製作しました。脚とは別のCPUに接続されたRCサーボによって 歩行動作と同期した周期的な動作と、同期しない動作を作る点について試すことを 主目的にしました。また、その他自分にとって新しいこととして、方持ち構造の関節 を試してみることとしました。

以下の事柄を考慮した結果、今回の「腕」はただの板になりました。

• 倒れたときに、腕自体が壊れないこと
• 相手ロボットなどに引っかかった場合等にも、サーボのギアやモーターに 無理がかからないこと
• 可搬重量の余裕が無いので、サーボを増やせないこと

（かっこわるい・・・）

ROBO-ONEのプレゼン

ＲＯＢＯ−ＯＮＥでは予選と決勝があり、予選ではロボットのプレゼンテーション のみを行います。ここしばらく、この予選プレゼンで何をするかを考えています。 面白くて、ロボットの機能がわかる出し物として「たたかいのおどり」をしたら うけそうだと思いました。
しかし、現状では体も硬く、自由度も少ないため「たたかいのおどり」らしき パーフォーマンスは無理そうで、とても残念です。自由度と、各関節の可動範囲 の広い体の開発の必要性を強く感じました。

操縦してみて

前進、後進、旋回など一通りの動作パターンや、ＲＣプロポとのインターフェイスが 出来上がったので、部屋の中を行ったリ来たリ、置いてある物の間を通ってみたり 等しばらくラジコン操縦して遊んでみました。「鈍いので操縦しても面白くない」 と感じた４Ｌ１に輪をかけて鈍い上、平らな場所しか歩けないので、やはり操縦 しても面白くありませんでした。そこで、操縦して面白くなるためには、格闘ゲームの キャラクターくらいの運動能力が必要ではないかと思いました。

「飛び蹴りができるようになる」ことを、次の段階の開発テーマにしようかなどと 真剣に考えたりしてしまいました。（笑）

ラジコンの電波障害

ROBO-ONEのBBSで、室内におけるラジコンの誤動作について話題が出ていましたので、 ここにも関連話題を書いておきます。

電波に関する詳しい事は知らないのですが、確かに ２Ｌ１も自分の部屋（鉄筋コンクリートの建物です）の中で操縦すると、 高頻度で誤動作します。 しかし、ラジコン飛行機などと違い、多少誤動作しても機体が失われる 心配が無く、室内の物品に損害を与える心配も無いためあまり気にしていません。

操縦に関する検討

ROBO-ONEのリング上での操縦に関して、とりとめ無いことを考えていました。
• 半透過型のHMDに、ロボットのテレメーターを表示して操縦する。（ロボットが見える場合）
• 不透過型のHMDに、テレメーターと視覚のカメラの画像を重ねて表示し操縦する。（ロボットが見えない場合）
• ロボット搭載カメラの適当な台数は？装備位置は？それぞれの用途は？
• PCの画面を見ながらの操作だと、視線がロボットからそれるので、機敏な操作が困難
• パイロットとガンナーの様に２人以上で１機のロボットを操縦する？（かなり練習が要りそう・・・）
• ２ｃｈプロポがあれば、地面の上の移動の指示には困らない気がするけれども 腕を使ったり、移動しないで姿勢を変えたりする指示が困難。
• 攻撃位置までの誘導、攻撃開始のタイミング、攻撃終了／中止のタイミングを 操作し、正確に間合いを取り適当な技を出すような動作は自動にするか？（ロックオン以降を自動に？）
• 攻撃パターンの選択はマニュアル／オート？
• マニュアルで行うとすればどんな操作で行うか？
• 現在実行中の動作パターン、攻撃パターンをどうやって確認するか？
• ＨＭＤに出すか？
• ロボットに音声出力を付けてこれから実行する動作を言わせるか？ （相手ロボットの操縦者に先手を打たれる可能性があるので良くない戦略？）

右腕の製作

左腕と同じ要領で右腕も作りました。左腕の経験をもとに、工作手順を変えたので 多少早く出来上がりました。ＲＣサーボを受信機に接続して動かすことにより、 中立位置の調整と、ひっかかり等が無いか確認しました。まあ、思った程度の 仕上がりです。

（ボールを持たせてみる）

腕を付けての歩行テスト

腕を付け終った状態で歩かせてみたところ、重量オーバーのため、「やっとのことで歩いている」 といった感じでした。直立させている時に前からつつくと、なかなか直立の位置に戻ってきません。 そして、バッテリーの残量が減り、モーターのトルクが若干ダウンしている状態では、 つつくとそのまま倒れてしまいました。（まあ、動力用と制御用の両方の電池を降ろし、 外部給電式にすれば歩けるくらいの重量になりますので、脚と腕の協調の開発には 差し支えなさそうです。）

しかし、ＲＯＢＯ−ＯＮＥでは電源を降ろすわけにもいかないので、
�@バッテリーを小さくする
�A腕を外す
�B片腕を外しバッテリーを小さくする
�C脚を強化する
という４案を考えました。

現在はマイコン用が7.2V1500mAhのリチウムイオン、動力用が6V1200mAhのニッカドを 使っています。これをどの程度まで小さく出来るか知るために、動力用の方の消費電力測定 をしてみました。


測定結果


• 吊り下げ状態：０．１０Ａ（PWMパルス無し）
• 吊り下げ状態：０．１７Ａ（PWMパルス有り）
• 直立不動状態：０．２２Ａ
• 直進歩行状態：０．７０Ａ〜２．２Ａ

以上の結果から、ＲＯＢＯ−ＯＮＥの予選は２分なので、マイコン用を8.4V150mAhのニッケル水素、 動力用を6V350mAhのニッカドにしてみることとしました。（マイコン用の消費電力は計測 していませんが、200mA程度と見積もっています。）

脚の強化による積載量のアップついては、ＲＯＢＯ−ＯＮＥの競技に行けば、 新しいアイディアが浮かび、採り入れられる方法も見つかると期待していますので９月以降に実施しようかと思いました。

腕を付けての歩行テスト

前回の書き込みのプランに沿って、容量の小さい、軽いバッテリーで歩かせてみました。 腕がついていても何とか歩けるのですが、運動性能が非常に落ちた感じがします。 また、テスト中に制御系の電池が切れて一回転倒しました。破損はありませんでしたが 容量があまり小さい電池は、テストのときに使いづらいと感じました。

「歩行ロボット」を名乗る以上は、やはり歩行の機能が最も重要と考えるので、歩行機能と ロボットシステムの使いやすさをとって、ＲＯＢＯ−ＯＮＥへは、腕は外して、 大きなバッテリーを積んで行くことにしました。 （制御系は数時間、動力系は３０分程度動ける容量にしてあります。）

「取手」の追加など

直径２ｍｍのピアノ線を加工して「取手」を付けました。

脚の破損

「ＲＯＢＯ−ＯＮＥが近いので壊さないように」と思っていたら、また壊してしまいました。 今回は左足首です。起動操作中、動作波形データの転送をする前にプロポを触って前進 命令を出してしまいました。動作波形データが無いためロボットが暴れだし、机から 落ちたときに壊れました。修理に２時間半ほどとられがっかりでした。

（左は6/22、右は7/28の破損の写真です。）

取っ手の追加等

• 先日腕を付けてから、持ちにくくなっていたので、２ｍｍのピアノ線を加工して 取っ手を作り、アイプレートの所に取り付けました。
• RC受信機のアンテナ線を垂らしておくと、歩行中に足で踏んで邪魔になるので、 １ｍｍのピアノ線を加工してアンテナを立て、これに巻きつけました。
• 動力系のスイッチの場所が「腕」にとられたので、制御系のスイッチの傍に 移設しました。
  
  （腕は外してあります）

プログラムのROM化

当日パソコンを持っていかなくてもいいように、プログラムと歩行に関するデータを H8の内蔵ROMに書き込みました。これで電池を入れたらスイッチオンで歩けるようになりました。

歩行テスト

机の上（ROBO-ONEのリングのように滑りやすい）、木目調のビニールシート？（全然滑らない） 、Pタイルの床（少し波打っている）等の上をラジコンで操縦しながら歩かせてみました。 時々転ぶこともありますが一応は歩きました。

「２足歩行ロボット２Ｌ１」として、当初立てた目標を達成したと思いました。 次は対戦格闘ヒューマノイドロボット２Ｌ２でも作りましょうか？（笑）

操縦の練習

１５分ほど連続で動作させながら操縦の練習をしました。 歩かせ終わって電池、モーター、コネクター等をを触ってみると、少し暖かくなっていました。 ラジコンカーの経験から判断すると、重量、パワー、電源容量のバランスは悪くないと思いました。

電池のもちに関しては以前３０分程度と書きましたが、実測してみたところ 、１５〜７分程度は危なげなく歩きますが、そこを過ぎたあたりから デジタルサーボの音が小さくなってゆき、２０分を過ぎる頃にバッタリと倒れました。

転倒の度に少しサーボの取り付け位置や金具の角度が変わり、関節の中立位置が動いてしまいます。 次に腰から下を作り直すときに改善しようと思いました。

２Ｌ１ｖ６のROBO-ONE参加レポート
「コメント・・・」の方に先ず書きましたが、競技ではうまく歩きませんでした。 ここ数日間その原因について考えてみました。

１．転倒の状況

１歩目を踏み出して２歩目で前に転倒しました。同じようにして２回目の転倒で１番関節 のリンク接続の接着部分が剥がれリタイヤとなりました。
（ちょっと記憶があいまいです。航空機のボイスレコーダーのように姿勢制御用の センサーや受け取ったコマンドのログを記憶するようにすると便利かと思いました。）

２．原因の考察

脚がもつれるように前に転ぶ原因としては以下が思いつきました。


(1)動力系統の電池切れ


諸般の事情で、競技の１週間ほど前に東京の実家に充電した状態でロボットの本体以外の部分 を宅急便で送っていました。エアコンの効いた屋内ならば、この程度の時間は Ni-cd電池は自己放電について 気にかける必要は無いという認識でいましたが、よく思い出すと、この間昼間気温は３５度 近かったので、自己放電で電圧が下がった可能性も考えられると思いました。
しかし、家に帰り修理が済んだあとに歩かせてみると、まだ十分な残量がありました。 というわけで電池が原因ではありませんでした。

(2)地面の傾斜


決勝の日の休憩時間に、リングの数箇所で単３電池を転がして傾斜を見てみました。 電池が転がりだす程の傾斜はありませんでした。いつも２Ｌ１をテストしている 机よりもずっと良いくらいでした。予選の日と決勝の日では、若干リングの 設置位置が変わっていましたが、おそらく予選の日も同様な水平の具合だったと思われます。
主催者側から「リングの水平はあまり保証しませんよ」というお話を聞いていたので どの程度か不安に思っていましたが、私的には「問題無し」だと思います。

(3)地面の滑り易さ


これも普段テストしている場所と比べて問題無しと感じました。

(4)直立姿勢における重心位置の狂い


製作日誌の2002.6.16に「１番関節の強度」と題して書いてありますが、この部品の 変形によって、簡単に直立姿勢が変わってしまいます。これに関して根本的に解決するは、 脚全体を作り直すか、大幅に軽量化するかのどちらかしか対策を思いつきませんでした。 しかし、どちらも時間的に不可能でしたので、プロポからの操縦で１番関節と３番関節 のサーボの中立位置を変えられるようにし、起動の度に重心調整をするようにしてありました。


数日後に頂いた、競技中の２Ｌ１の写真を見てみると、この調整が不十分だったように 見えました。

以上より、直接の原因は「操縦ミス」ということになると結論しました。 （これまた「とほほ」な原因だと思いました。）

直立姿勢が狂う原因／１番関節サーボのずれ
左の写真に赤で矢印を書いた部分です。元々このサーボは水平に付いています。

機械、電気、ソフト等システムの全部分が一応そろっていないと、「リングに立たせる」ことも 出来ません。２月以来操縦出来るように製作を進めてきましたが、骨格部分に手を入れると、 また、まったく動けない状態で当日を迎える可能性が非常に高そうに思えたので、脚の作り直し まで手を出せませんでした。時間が取れたら、来年の２月までには新しい脚で歩けるところまで 作り、「完成度」を上げてまた参加したいと思いました。 （成績はどうあれ、自分のロボットを持ち込んだ方が話が弾みますので）

たぶん、こんな脚がつく予定

今回は、下の写真のような荷物で本体の方は「機内持ち込みサイズ」より大きく、かといって 手荷物として預けるのも無謀に思えたので陸路新幹線での移動となり、疲れました。今度作るときは 「機内持込できるサイズ」にまとめることが出来、その梱包状態から「１５分で動けるようになる」 を目標にしてみようかと思いました。（ロボットを小さく作るのが一番ですが、ある程度を超えると 高価になるので分解し易く、組み立て易いようにします）


ダンボールが本体、バックパックがプロポや工具類です


帰りは会場の近所のコンビニから宅急便で送り返しました。今回は無事戻りました。
エアパッキンで囲んでから、発泡スチロールのチップで充足しました。引越しの梱包材の残りを使いました。

２Ｌ１ｖ６の質量内訳

次の２足歩行ロボットを製作するにあたり、軽量化のポイントのアタリをつけるため 各部の質量を計ってみました。（腕除く）下のグラフはその一部をまとめた物です。
• サーボモーター：　自力での軽量化はちょっと難しそうです。自由度を減らすのは１手段です。
• 電池　　　　　　：　時間がたてば改善が期待できそうです。（燃料電池とか・・・）稼働時間を短くすれば即軽量化できます。
• マイコンボード：　他のロボットへの積み替え易さを犠牲にすれば、３０％位は減らせるでしょう。
• 構造その他　　：　素材の変更まで含めて、工夫すれば半分くらいになるでしょうか？

  こうして見てみると、とりあえず取掛かれる軽量化は構造に関するものという結論となりましょうか？
  第２回ROBO-ONEの競技でもアルミ製のロボットを多く見かけました。（ざっと見たところ、出場ロボットの９０％以上？） 第１回ROBO-ONEの後で卓上ボール盤を購入し、アルミの角パイプ等の穴あけ加工が手でするよりは 正確に出来る環境が出来ていますので、金属の材料などを取り入れてみようと思いました。 軽量金属の種類としてパッと思いつくのはアルミのほかにチタン、マグネシウム等がありますが いろいろな意味で難しい点があるため、結局アルミしかないでしょうか？

  手元にある板切れ等をキッチンはかりで計って見ると、プラ板（スチロール樹脂）の比重が 1.04g/cm3でアルミ板（組成不明）は2.76g/cm3でした。 アルミを使うときの目処としては、現状の構造で使用しているプラ板の１／３程度の量に 収めないと重量増加を招く事になります。この辺が構造設計の目安になると思いました。

２Ｌ２ｖ１の構造設計

「少し背を低くすると共に、脚の剛性を高くする」という方針で脚の設計をしました。 次の改造で「始めに２Ｌ１として考えていた部分」の部品が完全にリプレースされるため、 メジャーバージョンアップの意味を込めて名前を２Ｌ２ｖ１とする事としました。

下の図を以って作れるところまでまとまったと感じたので、すねの部分から 詳細な寸法をつめて製作を開始しました。 うまく出来上がったら、２Ｌ１ｖ６よりも少し歩行性能が良くなると思います。

ホームページの方は、新しい脚が完成したら２Ｌ２のホームページとして 独立させるつもりでいます。

２Ｌ１はここまでです。ここから先は２Ｌ２ｖ１へ続きます。