２足歩行ロボット(２Ｌ２)の製作日誌

有線テスト用スイッチの追加

ＲＯＢＯＯ−ＯＮＥ会場で無線もＰＣも使わずに歩行テストが出来るように 有線のリモコンボックスを接続しました。リモコンボックスは９７年ころ 車両型ロボットＷ４のテスト用に製作したものが（ジャンクボックスの底に） 残っていたので、これを流用しました。トグルスイッチを１つ接続しただけなので、 テスト出来るのは前進・後進のみです。

接続先はサブＣＰＵです。起動の時にこのスイッチをＯＮにしておくと、ＲＣ受信機 の代わりにこちらのスイッチが読み取られ、以降メインＣＰＵからＲＣ受信機の ステータスをリクエストされた時、サブＣＰＵはＲＣ受信機からの入力として このスイッチの状態を返すようにサブＣＰＵのソフトを変更しました。

テストコース

長い間机の上で、１点に転倒防止の糸をつけて歩行テストを行ってきて、不足を 感じていませんでしたが、最近机が狭く感じています。毎日ごくわずかしか製作は 進まないので意識していませんでしたが、以前の記録を読み直していて、 ２Ｌ１の始めのころ（ほとんどその場から 動かなかった）と比較するとかなり移動能力がアップしてきていることに気が付きました。 なにか使いやすくて邪魔にならない、転倒防止フックの保持方法を考えた方が良いと 思いました。

動作パターン

現在直進歩行の動作パターンデータはこんな風になってます。（例は遊脚） 半サイクル３１ポイントで １ポイントあたりの再生周期は１／２５秒です。


ロボット（地面ではない）に対する足先の軌道。
（直立した時の位置がその脚の原点（０，０，０）、単位はｍｍです）


サーボへの出力データ（片足／半サイクル）
実際の歩行中は足首ピッチ、ロールおよび股関節ロールにジャイロか
らの波形が波の合成の考え方で重ね合わせられてから出力されます。

関節パラメーターの調整

「も少し揺れを小さくしよう」ということで、第2回の調整を行いました。 前回はヒザを屈伸させて、胴体部分が大体水平に動く様に調整し、とりあえず 歩くのでそのままでしたが、今回はテスト用に各関節を角度指定で個別に 動かすためのサブルーチンを用意し、分度器をあてて角度を確認しながら 関節パラメータファイルの「変換係数」を調整しました。
ヒザなどは４５度の指定で４０度程度しか動いていませんでした。 人と比較して、身長と足の大きさ比率が大きいためか、 意外といい加減な調整で歩けるようです。今回は分度器をあてて分かるくらいの範囲では 、指定と実際が合致する様に調整しました。

揺れの大きさという点では、多少改善が見られるような気がしました。

ＲＯＭ化の練習

内蔵マイコン用のプログラムのどこを、どう変えるとＲＯＭ版になるのかを思い出すため、 一度プログラム（歩行パターンデータをソースに含む）をＲＯＭ化してみました。

特に問題なく動きました。

メインＣＰＵ用ソフトの改善

ほぼ一定の時間（20msec）でまわる無限ループの中でＲＣサーボ用ＰＷＭパルスを作っていますが、 途中、時間のかかる処理を挟んだ時に、20msecでまわりきれない時があります。この場合は ＰＷＭパルスが途切れることとなってしまいます。これは主にサブＣＰＵとの通信を行う 時に発生し、当初は1〜2％程度ならパルスが抜けても、ロボットの固有振動数？からみて 十分無視できるだろうと思っていたのですが、どうやら歩行の安定を損なう原因となっているよう です。（歩行パターンの切れ目でロボットがピクッとなる）そこで改善を試みてみました。

メインＣＰＵからサブＣＰＵにＲＣ受信機の読み取り結果をリクエストし、サブＣＰＵ からデータを受け取るまでの待ち時間が、パルスが欠ける主な原因のように思ったので、 リクエストと受け取り間での間にＰＷＭパルス発生の処理を挟み、何もしないで待つ時間を 減らす様にしてみました。が、今のところうまくプログラムが動かず通信ロック状態で ロボットが止まってしまいました。

どうやらアルゴリズムや通信タイミングの検討が足りないか、もしくはＨ８のシリアル通信用バッファや フラグの動きを誤解している様です。

ＲＣ受信機データ通信フォーマットの変更

リクエストコマンド（１バイト）＋データ（１ｃｈあたり８ビット／合計４バイト）の５バイト でＲＣ受信機データをサブＣＰＵから受け取っていましたが、これを通信時間短縮のため リクエストコマンド（１バイト）＋データ（１ｃｈあたり２ビット／合計１バイト）に変更しました。

ＣＰＵ間通信　待ち時間の短縮

先週はメインＣＰＵのソフトを変更して待ち時間短縮を試みましたが、うまくいかなかったので 、原因追求はひとまず置いておき、サブＣＰＵ側がメインＣＰＵからのリクエストをチェックする タイミングを密にすることにより待ち時間短縮を行いました。

また、メインＣＰＵ側でもサブＣＰＵにリクエストするタイミングを変更しました。

プログラムを書きながら思うこと

６Ｌ１やそれ以前のロボットを製作していた頃は、アセンブラと、ＵＶＥＰＲＯＭ やＥＥＰＲＯＭなど、マイコンボードから外さないと書けないＲＯＭを使い、今ほど強力 でないパソコンでやっていました。それに比べれば、ずっと効率的になっている とはいえ、ＰＣ用のプログラム開発に比べると、 ロボット搭載のマイコンについては、Ｃ言語のレベルでステップ実行しトレースする 様な環境を持っていないのでデバグの効率が良くありませせん。 何か安くていい方法は無いものかと思いました。

歩行テスト

いつもテストしている机以外の傾斜や摩擦の違う場所でテストしようと、部屋の外に持ち出し 何種類かのテーブルやＰタイルの床等を歩かせてみました。やはり不安定で数回転倒しました。 転倒防止用のひもを手で持ちながら様子を見ていたのですが、油断してまともに倒してしま いました。幸いどこも壊れておらず、調整も狂っていない様で２Ｌ１ｖ６以降の改善の 成果？と思いました。しかし、次も壊れないとは限らないので、歩行の安定を増すため、 もう少し静的に安定な状態 が長い歩行パターンに変えると共に、歩行速度を下げました。 （計算値で約２．９ｍ／分です。）

ＲＯＢＯ−ＯＮＥ用の足

やはり前回のように、いきなりコケて壊れるとつまらないので、手っ取り早く安定を増すため、 一回り大きな足を用意しました。ちなみにムービーに映っている足は90mm×60mmの長方形 からかかと側の角を落としたもので、新しい足は110mm×60mmの長方形からかかと側の 角を落としたものです。足を前後方向に10mmずつ伸ばした形です。

第3回ＲＯＢＯ−ＯＮＥへの参加

行ってきました。結果は予選25位（16位までが決勝進出)で好成績と いうわけではありませんが、デモの2分の間 いつものとおりに動いてよかったです。予選の日は控え室が大混雑だったことと 、控え室のモニターに競技の中継がされていなかったことのため、多くを見逃してしまい 残念でした。反対に決勝の日は混雑と中継が改善されたので大いに楽しめました。
競技では新しい試みを幾つか見かけ、また新しい遊び方を見た気がしました。

プログラムの改善

ＳＣＢ８のプログラム(操縦用）は４Ｌ１のプログラムを行き当たりばったりに 拡張してきたものなので 小さなプログラムとはいえ、だんだんと見通しが悪くなってきました。 そこで、ｍａｉｎ関数内で機能的にまとまりのある 部分を関数として外に出したり、変数を引数として扱いやすいように構造体にまとめたり といった作業をしました。

サーボコントローラー７のＣＰＵアップグレード

ＳＣＢ８が出来てからはジャンクボックス入りしていたサーボコントローラー７の マイコンボードを秋月のH8/3048からH8/3052の物に交換しました。 ＲＯＭ書き込みが５Ｖで出来、内蔵ＲＡＭの容量も4kbyteから8kbyteに増えて 使いやすくなるので、要素試験用に使おうかと思っています。 ちなみに現在はモニタプログラムが内蔵ＲＯＭに入れてあります。

Cで書いたプログラムの動きがなんだか変です。モニタ構築の時になにか間違えたか、 リセットベクトルなどを書いたアセンブラ部分にバグがあるか、コンパイラのバクか・・・ しばらく様子を見ます。

歩行パターンデータの密度変更

歩行速度を例えば１６ｍ／分にしようとした場合、１歩の歩幅を７０ｍｍとすると
１分間に　16m * 1000 / 70mm = 228.57　歩　歩くことになります。
そして１歩あたりの時間は　60秒 / 228.57歩 = 0.263秒になります。


今までの２Ｌ２ｖ１はＲＣサーボのＰＷＭパルスを１秒間に５０回生成し、その２回に１回 の割合で足先の指定位置を変えていました。（メモリー節約のためデータを間引いていました） よってデータを　1 / 25 = 0.04秒に１回ずつ 変えていたことになります。

このままのデータの密度では　0.263 / 0.04=6.575となり、軌道の分割が 粗過ぎると思いました。そこで、目標に近づけるための手軽な第１歩としてＰＷＭパルス１回毎に 指定位置を変えるように変更しました。

いままでも２５個のデータそれぞれの中間では、線形補間を行っていましたが、 データの密度を上げたことにより、モーターの駆動音ではっきり分かるほど動きが スムーズになりました。

今後ＲＣサーボのＰＷＭパルスの周期が一つの壁になりそうだと感じました。

歩行パターンの作成

今までは、足の付け根（仮重心として設定している計算の基準点） がジグザグに進むような、直線から構成される軌道を 使っていましたが、新しくcos関数から作った曲線軌道を試してみました。 多少なりともスムーズに歩くような改善をもくろみましたが、今日のところは、 かえって不安定になりました。なかなかうまくいかないものです。

ＲＣサーボ「サンワ　ＳＸ-１０１Ｚ」のテスト

ＲＣジャイロの信号測定のついでに、ＳＸ−１０１Ｚの入力周波数をどこまで上げられるのか 試してみました。「使える」かどうかはさておき、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚと 上げていったところそれらしく動いていました。手で負荷をかけてみた感じでは、保持トルクは 上昇傾向でした。

歩行パターンの調整

先週作った歩行パターンで、体を揺らす周期と振幅を動かして様子を見ながら調整しました。 まあ、感触としては歩行速度アップに効果がありそうだと思いました。

第4回ROBO-ONEのルール

公式ＨＰにアナウンスがありました。 ２Ｌ２の場合、シーケンス再生機能を足すだけでＯＫみたいなので、 ソフトを少し直せば出られそうです。また、日程も２日間 の様なので、ロボットを持って遊びに行こうかと思いました。

ＳＣＢ８に関する検討

歩行速度アップの手段として１サイクルあたりの時間を短くするという方法と、歩幅を 大きくする方法があると思います。
現在のところＳＣＢ８はＲＣサーボ制御用の ＰＷＭパルスをハイレベルにする時間（1.12msec〜2.04msec）を8ビットの 分解能で変化させるようにしています。これですとＲＣサーボの動作範囲は80度程度 となり、使える歩幅にしておよそ70mm程度が限界になっています。

• 今の脚でも130度程度の動作範囲までは有効利用できそう
• 現状の8ビット分解能で１変化させた場合(約3.6μsecの変化）でもサーボが動く（不感帯はもっと狭い）
• SCB8は、PCからパラレルポート経由で位置データを受け取らないので8ビットにこだわる理由が薄れた
• 歩行パターンの記憶エリアにはまだ余裕がある

  以上を考慮し、分解能を若干上げ、位置指定を範囲130度／10ビット程度に行う方向で制御ソフトを 変えてゆく方向としました。（実際は変数をunsigned intにするつもりなので16ビット分の メモリを使ってしまいますが・・・）

電源関連テスト

主にひざ関節の定常偏差を一定にすることを目的として、動力系にステップダウン DC-DCコンバーター(TRACO POWER製　TSI-5.0S4ROP、RSコンポーネンツから購入)を 入れてみました。そのついでに、 制御系用と動力系用に分かれていた 電池を一つにまとめてみました。

結果はいつも使っているSONY NP-F550(7.2V 10.8Wh)では、マイコンの起動が完了しPWMパルスが出ている状態で 動力系統のスイッチを入れた瞬間にNP-F550の過電流保護回路が働きロボットが止まりました。

次にSONY NP-F730(7.2V 19.4Wh)で試したところ歩かせることが出来ました。
（実際のところ電圧が変わって、重心も変わっているのに歩行パターンを直していないため すぐに転びますが・・・）

ちなみに２Ｌ１ｖ６の時に計測した消費電流は歩行時2.2A程度でした。たぶん２Ｌ２ｖ１も 似たようなものだと思います。


製作中のスナップ。
はみ出しているものがDC-DCコンバーターです。

重量は少し増えて1870gになりましたが、電圧が6Vから5Vに下がったので、「弱った」様に 見えました。何か問題が出ないかどうかしばらく様子を見ようと思いました。

半年ぶりの起動

Ｗ６が一区切りつき、Ｗ６のＮｏ．２サブＣＰＵのプログラムが形になったので、２Ｌ２ｖ１にも 同タイプのプログラムを導入しようと、半年ぶりに起動しました。（03.03.16の日誌の続きです。）

現在１つしか手元に無いステップダウンDC-DCコンバーターをＷ６から２Ｌ２に積み替え、 足も対角線長さで約１００ｍｍの、小さめのものに戻しました。足を戻すついでに、買ったけれど 付けていなかったベアリングを足首のロール軸に埋め込みました。

腕はＷ６に行ってしまっているので、無い状態です。この状態で数回試しに歩かせながら、 歩行サイクル等を調整し、ひとまず倒れないで歩ける歩行動作データを作っておきました。

ＲＣサーボの接続先については、周期的な動作が必要なものと、必要無いものという考え方で、 脚用をメインＣＰＵ、腕用をサブＣＰＵに分けていましたが、プログラムの取り扱い易さが 今ひとつだと感じていたので、考え方を変え、 ２０ｍｓｅｃ周期のループに含ませるものをメインＣＰＵへ、そうでないものをサブＣＰＵへ、 という考えにより、腕用サーボの接続先をメインＣＰＵに変更しました。

２Ｌ１ｖ５で一時期載せていて、その後外していた圧電ブザーをまた載せました。 接続先はサブＣＰＵで、制御用のプログラムはＷ６から移植しました。 今は電源投入時にＰＣのように鳴ります。メインＣＰＵからのコマンドでも鳴らせるように しました。ちょっとしたモニタ用に便利です。

ＳＣＢ８（ロボット内臓のマイコンボード）の改造

腕用ＲＣサーボの接続先をメインＣＰＵに変更するため、まず回路図を書き換えてから、 それに合わせて配線を変えました。ＳＣＢ８をＷ６に載せることはもう無いので、Ｗ６と ２Ｌ２でこのボードを共用していたときに、Ｗ６だけが使っていた部分の配線を撤去しました。

第5回ROBO-ONEのルールに新しい足の大きさの規定が出ていました。要約すると 「脚の長さの０．７以下」とのことです。２Ｌ２でこの比率がいくらか測ってみました。 ２Ｌ２の脚長は２２６ｍｍ、足の対角線寸法は１０１ｍｍなので　、 約０．４５でした。まだ余裕があるなと思いました。

ＲＣサーボの位置データを１６ビットに変えたことにより、ＰＷＭパルスの可変幅と分解能が 変わりました。（ＲＣサーボの軸の可動角にして９０度−＞１８０度）これに合わせるため 各関節のサーボホーンの取り付け角度を調整しました。

ＲＣサーボの交換

左足首のピッチ軸のＲＣサーボが、手で動かしてみると異様に抵抗が大きいことに気が付きました。 ちょっとギア側をあけて見たところ、ギアには異常は無さそうです。一応動いてはいるのですが 、これほど抵抗が大きいければ、だいぶパワーロスがありそうに思われます。そんな理由で 、異常なＲＣサーボ（Ｓ９３０３）は部品取り用に取っておき、とりあえず 新しい（といっても買ってから５年くらいたってますが・・・）同形式のＲＣサーボと交換しました。 今のところ異常の原因を詳細に調べていませんが、モーターのブラシに異常でもあるのでしょうか？ そのうち気が向いたら調べようと思います。

関節パラメータファイルの調整

先週に引き続き、足先座標の予定位置と実際の位置を近づけるため、関節パラメータファイルの ＲＣサーボに関係する部分のパラメータを調整しています。（脚の長さ等の骨格パラメータは ロボットの構造に変更が無いので同じままです）

ちょっと歩行テスト

関節の稼動範囲が広がったので、歩幅を広め（１００ｍｍ）にとって歩かせてみました。 小刻みに歩かせると「ヨチヨチ歩き」みたいに見えるので、「こっちのほうがカッコ良いかな」 と思いました。

ムービーのダウンロード

電源の容量

いま２Ｌ２はリチウムイオン電池 SONY NP-F730 (7.2V 19.4Wh) １つで動かしています。 そして動力系はTSI-5.0S4ROPで５Ｖに安定化しています。以前から動力系で短絡等の 過負荷状態が生じたときに、電池とDC-DCコンバータのどちらの保護回路が先に働くのか 気になっていました。（SONYの電池は仕様が不明なので・・・）

わざとでは無いのですが、ＲＣサーボのコネクタを触っているときに短絡させてしまいました。 そのときには、ＲＣサーボの音が止まりましたが、マイコンにリセットはかかりませんでした。

そんなふうに、期せずしてNP-F730は少なくとも５Ｖ４Ａまでは、瞬間的にはとれるのかと思いました。 （電池の保護回路よりも、DC-DCコンバータの保護回路の反応の方が断然早い だけということかもしれませんが・・・）

プログラムの整理と「ロボコンマガジン踏み？」の検討

第５回ＲＯＢＯ−ＯＮＥの規定演技である「ロボコンマガジン踏み？」が、２Ｌ２に可能かどうか 考えながら、ＰＣ側の歩行パターンを計算するプログラムから、トライが済んだ部分を消すなどして 整理しました。

元々２Ｌ２は平地の歩行のみ考えて、リンクで増力する分ＲＣサーボの必要パワーを下げ、その 結果関節の稼動範囲が狭くなるのは我慢する。という考えで作りました。

２Ｌ２の様な、オープンループ制御？のロボットが 段差を上るためには、足の長さ×２以上の歩幅で重心移動できる必要があると思っていますが、 ２Ｌ２の脚でそれをするためには、もっと背を高くし、腰に関節を付けて上半身も重心移動に 参加させる必要がありそうだと思いました。
（つま先の先端だけで歩ける程のバランス制御ができればこの限りではないと思います）

歩行をより安定にするために

2003/10/25の歩行テストの時から考えていたことを少し書いてみます。 歩行パターン（足先の軌道）を計算する時、歩き始めにひざを少し曲げて腰を落とします。 素直に「幾何的計算から２０ｍｍ腰をＺ軸方向に移動」の足先軌道を計算して実際に動かしてみると、 下図に示すように、負荷に応じて少し深くひざが曲がり、重心が足首の関節の上から外れます。 すると、足首周りのモーメントが発生し、足首の関節も無負荷で動かした時と比較して ひっくり返る方向に動きます。

黒：計算／灰色：実際
（図の中にはひざの影響だけ描きました。）

先日の歩行テストに使った歩行パターンは、ただ腰を落とすと重心が後退するので、 その分だけ前方向にも 腰を動かす様な軌道を使いました。たとえば「Z = -20mm, X = 10mm」といった感じです。

今まではずっとこういった感じで、腰もしくは足先の軌道に、荷重による各関節の定常偏差を 打ち消すようなオフセット値を加減して調節していました。この調節をしないならば、一回り 大きな「足」と一段と強力モーターが必要になるため、やらないよりは、やったほうが良いのですが 、歩行の各フェーズ（片足で立っているときと、両足で立っているとき等）で荷重が変化する ことが考慮されていないため、体が揺れる一つの原因になっていたと考えられます。

動力系の電源がNi-Cd電池直結で安定化されていない時は、この定常偏差が電池の残量によって 常に変わるため有効な対策がとれないでいましたが、いまは動力系の電源も安定化したので 定常偏差が一定に近づいています。

そこで、今度は歩行の各フェーズでひざのＲＣサーボにかかる荷重を簡単なモデルで計算し、 歩行モーションデータ作成計算に盛り込んでみようかと思いました。今のところの感触では ひざだけでも行えば、歩行の高速化を志向するときに、見てわかる効果が現れそうだと感じています。

胴体の設計

いまの２Ｌ２ｖ１が見飽きてきたことと、２Ｌ２ｖ１の胴体が、２Ｌ１ｖ５用として、今積んでいる マイコンや電池と違う組み合わせを納めるために設計されているため、電池の固定などがやりにくく 、使い勝手が今ひとつだと感じているので、あたらしい胴体の構想メモをいろいろ書いてみました。

以下の点を考慮に入れて、胴体の前後方向の長さを短くしようかと考えました。

• Ｗ６に使っているＨ８／３０６９マイコンボードを使えば、SCB7&SCB8よりもマイコンボードが 小さくなる。
• 電源をLi-Ion電池１系統にする。−＞電池の種類を１つに決めると、今よりしっかり固定できます。 （いまはガムテープで貼り付けてあるだけです。)
• 脚の自由度を１０か８に少なくし、軽量化する。（ＲＯＢＯ−ＯＮＥを見ていると、１２自由度に こだわらなくても、結構遊べる気がしてきたので・・・）
• 腕の自由度を３以上にする。（あったほうが、カッコがつく）
• 初めから、頻繁に転倒することを前提に設計する。（テストがしやすくなります。）

足先軌道生成サブルーチン

足先軌道の計算に使う、加減速パターンを一つ新しく作りました。 「指定の時刻に、指定の位置に、指定の速度で」接続するための加減速パターンです。 今までは「指定の時刻に、指定の位置に、速度ゼロで」 行く三角関数から作った加減速パターンと「等速」しかありませんでした。

で、試した結果がこれです。
（ビニールテープの間隔は、知能ロボコンのコースに合わせて床に張ったものなの で、６０ｃｍです。）

歩いているのは、KRS2346ICSとイトーレーネツ製ブラケットで出来たロボットです。 見ると欲しくなるんですよねー。
（ちなみに、制御システムは２Ｌ２そのものです。）

バグフィックスとジャイロのゲイン調整

ピッチ軸のジャイロ入力をフィードバックする部分のバグ（一部の軸に、間違えて、ロール軸の ジャイロの入力をかけてました・・・）を修正し、安定して歩くようにゲインも調節しました。

はじめの１歩で進路が少しそれる ので、もう少しゆっくり加速した方が良さそうです。速度がのってからは安定しているので、 まだ歩行速度を上げられるかと思いましたが、モーターへの出力データをエクセルで グラフ化して確認したところ、０．１６秒／６０度というカタログスペックのモーターの 速度を超えている部分がありました。ペースアップのためには、軌道の形を見直した方が 良さそうだと思いました。

机の上、床の上（木目が印刷してあるビニール？けっこうグリップが良い。 ）、毛足が長めの カーペット（２Ｌ２ｖ１はぜんぜんダメ） の上等、試してみましたが関係なく歩くようなので、平地歩行のパターンのまま 雑誌の上を歩かせてみました。開いた状態の「月間ザテレビジョン」はＯＫでしたが、 閉じた状態のロボコンマガジン３２号は、降りるのはＯＫでしたが、上る途中でコケました。

ムービーのダウンロード


このくらい安定が良いと、移動ロボットの「移動機構」として使っても良さそうだと思いました。

「２Ｌ２の製作日誌」は、ここでおわりです。