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。

２Ｌ２ｖ１のスネ

右足のひざ下部分を製作しました。２Ｌ１ｖ６のと比べると、若干シンプルで剛性が高くなりました。 足首のピッチ軸のサーボは双葉のFP-S9303にしました。新型のデジタルサーボと比べると パッとしないスペックのサーボですが、SX-101Zよりはだいぶ強力で、軸受けもしっかりしています。 ６Ｌ１のパワーアップ用に９８年頃６個購入してストックしてあったものを使いました。

２Ｌ２ｖ１の右脚

右脚が一応組みあがりました。３番サーボが以前付けていた物よりも重い機種に なっていますが、重量は前の脚とほぼ同じです。

１番と３番関節のリンクの接続位置を見直し、ｖ６の歩行パターンでよく使った 範囲が、関節の可動範囲の中心に来るようにしました。各関節の可動範囲はｖ６と 同程度の狭さですが、実際に使える範囲は多分これで増えると思います。

全体的にサーボロッド(リンク)が長くなったので、たわみがどの程度になるかが気がかりです。

配線ルート等の変更

輸送時に簡単に脚を外せるようにするため、配線ルートやマイコンの搭載位置等の 変更を検討中です。

配線ルートの変更

０番関節で脚を簡単に外せる様に中継基板を追加中です。


動力系の電源ラインの引き回し方を変えています。うまく電圧が安定するように 引かないと、脚の震えが止まらなくなります。容量不足にならないように 気をつけながら製作を進めているつもりですが、これまた動かしてみるまで 楽しみというか、少し不安です。

胴体下部

機械部品の製作効率

製作の効率という観点から見ると、同じ部品を２セットずつ作りながら 左右の脚を同時に製作することが望ましいのですが、今回は途中でマズイ所に 気が付いたら作り直すつもりでいるので、片足だけを、動かせるところまで 進めています。

右脚サーボの配線

右脚のサーボの配線をしました。もう少しきれいに収まるかと思っていたのですが 意外と雑然となってしまいがっかりです。
２Ｌ１ｖ６のプログラムで少し脚を動かしてみたところ、ガッチリとして以前より良くなっている 印象です。センサーの配線もやり直したのですが、電源投入一回目はジャイロが作動せず 理由に気づくのに１時間近くかかりました。結局オシロで信号をあたってみると、原因は 回路図とソースコードとそのコメントがちぐはぐだったので、回路図を見ながら配線を やり直したら動かなくなったというものでした。ガックリ・・・

気づいた時が直し時ということで回路、回路図、ソースコード、コメントの整合をとっておきました。

胴体下部

動力系統の電池

２Ｌ１ｖ６では6V600mAhのNi-Cd電池（単３サイズの電池の５本パック／約110g)を使っていましたが、 第2回ROBO-ONEで見て 調子が良さそうだった6V700mAhのNi-MH電池(単４サイズの電池の５本パック／約60g)を買ってきました。 スペースや重量に関して動力系統の電池が全体に占める割合は低いですが、1gでも軽くなるのは 良いことだと思います。

話は変わりますが、パソコン等用の燃料電池の発売が待ち遠しいです。現在メーカーの発表では 1〜2年の内に発売とかいうことですが、是非頑張ってほしいものです。これが出れば、小型ロボットにも 「実用」を期待できる可能性が増すと思います。

関節パラメータファイルの作成

歩行データを作るはじめの作業として「関節パラメータファイル」に新しい脚の 各部の寸法などをセットしました。とりあえずはＣＡＤからひろった数値を 入れておきます。後で実測値に直すかもしれません。

各ＲＣサーボの変換係数は今まで使っていた数値をとりあえず入れておきます。 この数値は、逆運動学計算サブルーチンが出来た後で動かしながら調整します。

サーボモーターの配置はだいぶ変わりましたが、リンクの構成は変わっていないとみなせるため ファイルの構造には変更ありません。

5番サーボ(ヨー軸)の交換

5番サーボをサンワのSX-101Zから、やはりサンワのSRM-1322に変えました。 トルクは同じですが、SRM-1322は出力軸受けにベアリングが入っているので 関節のガタが減りました。

逆運動学計算サブルーチンの改造

ＲＣサーボの取り付け方が若干変わりましたので、その分を考慮に入れ改造しました。 改造の内容は、サーボの向きが反対になった分、計算途中の符号を正負反転させた程度の 簡単なものです。

計算自体の改造に加え、足先の軌道が足の到達範囲から外れている点を含んでいる 時に出るエラーメッセージ の出し方を改善中です。今までは、軌道のどのポイントでエラーになったのかが今ひとつ 分かりにくくなっていました。

またエラーの理由として、物理的に到達範囲を外れたのか、関節の可動範囲を超えたのかも区別して 出力するようにしました。(今までは一律に「エラー」でした）

片足の負荷テスト

脚が動くようになったので、電池を積込み片足で立たせてみました。 ヒザを曲げて、負荷が大きい状態で立たせると、ヒザが震えるような動きが出ました。 また、足首のピッチ軸のサーボもハンチング気味でした。どうも様子が変です。

ＳＣＢ８用プログラムの修正

制御波形の再生中はＲＣサーボ駆動用のＰＷＭパルスの周波数が５０Ｈｚでしたが、 ＲＣコマンドを待っている時は２４Ｈｚになっていました。普段コマンド待ちの時は 直立姿勢（２Ｌ１ｖ６はスイッチを切ってもそのまま立っている)なので気が付きませんでした。

これはこれで消費電力が抑えられて良い気もしましたが、以前から初めの一歩に入るまでの 安定がどうも悪いと感じていましたので、コマンド待ちの時にサブＣＰＵと通信してＲＣ コマンドを受け取る頻度を減らし、待機中もだいたい５０Ｈｚを保つように修正しました。

Ni-MH電池用充電器の準備

ジャンクボックスから適当なＡＣアダプター(6V 300mA)を探し、家電用タイマーと組み合わせて先日 購入したNi-MH電池の充電器としました。約110mAで8時間充電してみました。充電中 も完了時も特に異常は無いようなのでこのまま使ってみます。

充電器

左脚の製作

右脚を２Ｌ１ｖ６の歩行パターンでひととおり動かして様子を見た範囲では、自重を支える能力 や可動範囲に特に問題を感じませんでしたので、続けて左足の製作にかかりました。

ひざ関節の穴あけで少々ミスをし、ヒザがＯ脚になってしまいました。


(1)そのまま使う
(2)太もものパーツを作り直す
(3)穴を広げてずらす

以上3案を考えました。この程度なら歩行パターンにオフセットをつければ支障なく歩くとは 思いましたが、２Ｌ１では調整の甲斐なく「右足と左足を踏み出す時に 見て気になるくらいの差が残った」ことを思い出し、少し穴をずらして見て気にならない 程度にシャフトの平行を出す修正を施しました。

完成した右脚と製作途中の左脚パーツ

左脚の製作

サーボモーター取り付け用の金具を製作し、サーボモータを取り付けました。金具の 取り付けでまた何箇所か穴あけ位置を1mm近く間違えるなどのミスをしましたが、 これまた適当に誤魔化して進めてしまいました。

この後は「左脚の配線」−＞「関節パラメータの調整」と作業すると、２Ｌ１ｖ６の歩行 パターンで歩けるようになります。異常無く歩くようならば、もう少しスムーズに、早く 歩くような歩行パターンを試してみようと思います。

あと、現在構想中なのですが、操縦して遊ぶゲームを面白くする要素として高速 移動用に「駆動輪有りの インラインスケート」見たいな物を内蔵した足も作ってみたいと考えています。 アニメの「装甲騎兵ボトムズ」の「ローラーダッシュ」みたいな機能です。
今のまま「高速移動」を試みると、クラッシュした時にバラバラになるのが 見えている気がするので、どうやってラジコンカーみたいな丈夫さを出すかが 課題だと思います。

左足の仮組

関節パラメーターファイルの調整

各関節のサーボの中立位置と変換係数のラフな調整をし、 歩かせて様子を見てみました。調整が不充分なので安定が悪いですが 一応歩けることを確認しました。

方向転換の動作をした時に、２番サーボのサーボホーンが左右の脚で 干渉しそうになっていました。５番サーボが動いた時の干渉チェックを すっかり忘れていました。

胴体の整形

前向きに転倒した時に地面と初めに衝突する部分が重心近くになるよう、 胴体前部を切断しました。 この胴体も永く使うつもりで、いろいろと中のものを換えられるように大きめに 作ってありましたが、机の上以外の場所を歩かせて転倒した時の事を 優先し、整形することとしました。

両足が揃いました

歩行パターンの作成

先週から引き続き関節パラメーターの微調節を行いながら、歩行パターンデータを 作るプログラムを書きました。２Ｌ１ｖ６とは重心の位置、各関節の可動範囲と 最大トルク等が異なるので、違った歩かせ方が出来ます。

２Ｌ１ｖ６の直進パターンは１サイクルに４点停止する場所がありましたが、これを ２点に変更し、１サイクルの時間も短くしてみました。

以前と比較して多少歩行の速度は上がりましたが、記録した動画を見たところでは 右脚と左脚の動きの差が大きいので、まだ関節パラメーターに調節が必要なようです。

歩行パターン＆操縦プログラムの作成

前進と後進のパターンが一つ出来上がりました。歩行パターンデータがセットとして 揃ってきたので、ロボット内蔵のメインＣＰＵ用に操縦するためのプログラムを 作り始めました。基本的には２Ｌ１ｖ６用のプログラムをきれいに整理したものです。 変更点は今のところ、歩行パターンデータの構成変更に合わせて、データの再生順序や 接続を決定(デコード？)するサブルーチンです。

路面との相性

２Ｌ１ｖ６は調整がうまくいっている時は床の上（木目調のビニールシート？張り）も 歩けたのですが、今日のところは２Ｌ２ｖ１は足がひっかかり加減でうまく歩きません。

重心移動のタイミングなどをいろいろといじっていると、時々うまく歩くパターンが 見つかることがあります。といったわけで、歩くかどうかはソフト次第という気がしています。 ひとまずはROBO-ONEのリングに比較的近い机の上で調整しています。 将来は路面の状況によって歩き方(歩行パターン)を自働切換えする機能をつけたいと 考えています。(いつになるやら分かりませんが)

ジャイロのゲイン

２Ｌ１以来ジャイロの読みを足首にフィードバックしています。２Ｌ１とは質量や関節トルク のバランス、バックラッシュの大きさ等が異なるのでゲインを変えました。以前と比較すると ゲインを小さくする傾向に落ち着きました。

ちなみにゲインの調整はＲＣジャイロ自体のボリューム等によるゲイン調整機能は 触らずに、メインＣＰＵ内部の計算にて行っています。ジャイロ本体のゲインは ＣＰＵの信号読み取り分解能といいあんばいになる位置に固定してあります。

歩行パターン＆操縦プログラムの作成

横歩きのパターンを新しく作りました。前進と同様、 ２Ｌ１ｖ６の直進パターンは１サイクルに４点停止する場所がありましたが、これを ２点に変更し、１サイクルの時間も短くしてみました。 スピードアップを図ったとはいえ、かなりの遅さです。

操縦プログラムの方は、アルゴリズムを整理する作業を継続中です。

肩のRCサーボの配線

肩のRCサーボの配線をしました。これから歩行に合わせて腕を振れるようにするプログラムを 作ります。その後は、下半身と協調して知能ロボコンのスポンジボールを床から拾って投げる 動作を作ってみようかと思っています。

カメラとPSDの位置

カメラとPSDをどこに、どうやって付けようかを考えています。 まずカメラの位置ですが、目の届かない場所でテレイクジスタンスで動かすことを考えると、 周囲を見回せる事に加えて 視覚による自己診断というかオペレータによる診断が出来るように（例えば足がちゃんと 付いてるかとか）自分の体を見回せる位置が良いと思います。周囲を見回すことを考えると なるべく高い位置が良いように思います。そう考えると、新しいマースローバーのように 長いマストの上に付けるのも良いように思えます。

しかし、2足歩行ロボットの場合は転倒のことを考えなければならないと思うので、 マストの上は壊れやすそうです。

PSDの取り付け位置に関しては、カメラといっしょにマウントすると、首振りの機構を 兼用でき、カメラに映っているものまでの測距も出来て都合が良いと思えました。

ここまではカメラとPSDともに１個ずつ装備を前提に考えていましたが、ロボットなので 目は２つとか、頭部（脳のそば）みたいな脊椎動物の進化の制約がありません、 数に関しても、死角が無くなるような配置で多数のカメラを装備したり、１つで360度 全周が映るタイプのカメラを混ぜる等非常に多彩な配置が可能だと思いました。 また、装備の位置に関しても自由ですので、例えば手とか足の先みたいな場所も グリップ対象に接近した像を捉えたり、足を下ろす場所を調べたりするうえで 良さそうに思いました。

こんな風にいろいろと考えた結果、電力、スペースや積載重量には余裕がありますがCPUの 処理能力と通信能力に余裕が無いので、カメラ、PSD各1つづつを 正面と足元（ライントレースやボール探しが出来るように) が最低限見える胴体前面に2自由度の雲台に載せて取り付けるのが良いだろうという結論に 達しました。

制御波形要素データ出力レートの変更

２Ｌ１ｖ６以来、１秒間に２５回のレートでＲＣサーボの位置指定を変更していましたが、 今ひとつ動きがギクシャクとしていました。制御波形データの密度を上げると メモリーに占めるデータの割合が増えてしまいますので、データの線形補間により ５０回のレートで変更するように改善しました。これにより動きが少し滑らかに なりました。

腕の振り

直進する時は腕を振るように、プログラムを拡張しました。 足との同期はうまく取れた気がします。腕の振りに加速・減速パターンが 入っていないので、見た感じ動きに柔らかさがありません。つぎはこの辺を 改善しようと思いました。

変換係数の調整

サーボへ入力するＰＷＭパルスのハイレベルの信号幅と、実際のＲＣサーボの角度の 対応を取るための係数を３％ほど変えました。（０番と３番サーボのみ） ２Ｌ１ｖ６の時は、制御データを触っていないのに、数ヶ月の間に姿勢が変わってくるのは サーボ取付金具の変形のせいだけだと思っていました。 変形に関しては対策をとった２Ｌ２ｖ１でも程度は低くなりましたが姿勢が変わってきました。 ＲＣサーボ内蔵のポテンショメータの温度や湿度による特性の変化が怪しいと思いました。

足を小ぶりに作った場合、３％の変化は無視できない重心変化です。ロボコン等調整時間 や場所が不十分な場合に問題だと思いました。困ったものです。足裏の荷重分布を 取れるようになるまでは、もう一回り大きな足に交換しようかと思いました。

通信速度の変更

歩行データ(約13k Byte)をＰＣからロボットにロードする時の通信速度を9600bpsから 19200bpsに変えました。

搬送準備

年末の帰省で実家に２Ｌ２を持ち帰らないとすると、第３回ＲＯＢＯ−ＯＮＥまでに、 あと何回も製作できる休みが無いので、そろそろ専用キャリングダンボール(笑)を準備しようと思い ひとまずバラしました。基本動作にも不安がある、またしてもトホホな結果になる可能性が 濃い状態でこの時期になってしまいました。

搬送準備

操縦ソフトの改善

モード切替の機能を追加しました。操縦は左スティックが進行方向等のコマンド入力で 右スティックがモード入力としました。例えば右スティックの位置によって、自動車の マニュアルミッションのようにスピードを変えたり、ある位置にしておくことが格闘モードの 攻撃許可を意味するみたいに使う予定です。

攻撃といえば、第２回のＲＯＢＯ−ＯＮＥでは空振りが目立ちました。攻撃するかどうかは 人が判断するのが良いと思いますが、手や足が相手に届くかどうかの間合いを見て攻撃動作に うつるタイミングを計るのは自動にするのが良いと思いました。