ヒューマノイド型ロボットＰｅｎ４の製作日誌　０

毎日コミュニケーションズ刊　吉野耕司　著 「６０日でできる！二足歩行ロボット自作入門」 で例として製作したロボット「Ｐｅｎ４」について、書籍の中での完成状態を起点とした 追加の製作や試行錯誤の記録を記した製作日誌です。

うまくいった試行については、製作記事のページとしてまとめる予定です。 新しい物から古い物の順で書いています。

マイクロソフトのサイトでVisual Studio 2005 Express Editionsのダウンロードが終わり、 Visual Studio 2008 Express Editionsに変わったようなので、2005と同じように使えるのか簡単に試してみました。 まずはVisual Basicです。以下の項目について試してみました。
• その１：本の記事のとおりに使えるか？
  

  ざっと１７日目の記事にそって作業してみましたが、特に違和感ありませんでした。

• その２：ＶＢ２００５のプロジェクトを転用できるか？
  

  最終状態のpen4_vbをＶＢ２００８で開いてみました。自動変換の過程を経た後、簡単にテストした範囲では 以前と同様にプログラムは動作しました。

• その３：サポートページからダウンロードしたソースコード類を「既存項目の追加」で使えるか？
  

  ソースコードの一部が読み込まれなかったり、コメントの日本語が 化けてしまう等、読み込んだ後、そのままでは動きませんでした。足りない部分を手で足すと動くように なりました。これは仕様ではなく、そのうちサービスパックで直りそうな気がしますが、どんなものでしょう？

先週３０６９に移植を完了した５９日目のソースをｇｃｃでコンパイルし動かしてみました。 浮動小数点計算他の処理が重くなったせいか、メインループが20msecで回りきれなくなってしまいました。 そのため特に補間モーションの動きがギクシャクしたり、ＰＳ２パッドからの操作受付のレスポンス がダウンしたりといった影響が現れました。しかし、機能的には問題なく動きました。

11/25のところでも触れたように、評価版コンパイラを使った場合と比べてｍｏｔファイルの サイズが倍以上になりますので、ＡＫＩ−Ｈ８／３０６７ＦではＲＡＭの容量不足のため動かせません。 しかし、今日の結果を見たところでは、浮動小数点計算の場所を整数計算に書き換え、より計算の高速化を志向した コーディングを心がければ、Ｉ／Ｏボード１でもＩ／Ｏボード２でも動かせるプログラムが出来そうだと思いました。

これで５９日目のプログラムを評価版Ｖａｒ１、評価版Ｖａｒ２、ｈ８３００−ｈｍｓ−ｇｃｃ　２．９５．３ の３種類のコンパイラで試したことになります。そして、Ｖａｒ１だけで問題が出ました。ちなみに評価版Ｖａｒ１と ｇｃｃでは同じローダーでプログラムに起動をかけています。簡単に考えてＶａｒ１に問題がありそうだと思いました。

Ｉ／Ｏボード２にカメラ（Ｔｒｅｖａ）を接続し、ソフトの移植を行いました。特に問題はありませんでした。

ＰＳ２パッドを接続し、ソフトの移植を行いました。 ハードの工作を終え、動作確認を行ったところ、左右旋回の操作をすると、少しヒザを曲げる歩行開始の 動作をするのみでした。そしていきなり手足の関節をばらばらに振り切って転倒しました。 また変数が壊れる類のトラブルの様でした。

試しに「C言語でH8マイコンを使いこなす」に付属のアセンブラ、コンパイラ、モニタ（マイコンボードの メモリマップにあわせてソースコードからのビルドが必要）、専用ターミナルの組み合わせで同じプログラムを 試してみたところ正常に動きました。画面はこんな感じです。

ターミナル（ｈｔｅｒｍ）の画面 コンパイル中の画面


ちなみにこれらのＨ８開発用ソフトは「６０日でできる！二足歩行ロボット自作入門」で使ったものより 新しいバージョンのものです。まだローダーに問題があるのかもしれませんが、とりあえずＰｅｎ４号用にＣ言語で 作ったプログラムや、回路には問題がないようなので、この問題はおいおい考えてゆくとして、ここまでの ドキュメント類を公開しようと思います。


最後まで作業したＩ／Ｏボード２


Ｉ／Ｏボード２回路図集

５３日目のプログラムをＩ／Ｏボード２で動くように移植するトライの続きで以下を試しました。
• コンパイラの問題か確かめるためコンパイラを変えてみる。
• 外付けＤＲＡＭが正しく動いていないかもしれないので、内臓ＲＡＭだけで動かしてみる。

  以上２点を試してみましたが、ほぼ変化なしでした。そこで、そもそも３０６７のほうでは問題がなかった プログラムなので、その他の違う場所として自分で作ったローダーのアセンブラ部分を見直してみました。

  なんだか怪しいと思いつつも数年来使ってきたモジュールなので問題ないだろうと思っていましたが、 アセンブラのマニュアルをよく読みなおすと、スタックポインタを奇数番地にセットして システムをスタートしてはいけない様だということが分かりました。そこでそのように直したところ ｇｃｃでコンパイルしたプログラムまで含めて正しく動くようになりました。

  思えば８００８、８０８０、Ｚ８０、６５０２、８０８５、８０８６、８０２８６、６８０００あたりまでは まじめに本を読んでいたのですが、みんな同じに思えてきてＨ８のマニュアルはあまりよく読んでいませんでした。

  やはり説明書はよく読まないといけませんね。

加速度センサ（KXM52-1050）をＩ／Ｏボード２に搭載し、５５日目のプログラムを移植しました。回路図が書きかけだったのを 忘れてそのまま作ってしまい、数時間ひっかかりました。

３０日目のプログラムを少しずつ変えながら試してみました。そういう仕様なのか、なにかコンパイル オプションが足りないのか分かりませんが、内部表現のバイト数が小さい型の変数に変換（型キャスト） した結果が、本で使ったコンパイラと違うことが分かりました。ｆｌｏａｔの計算についても 予測できない計算結果になりました。

とりあえず分かったのは、結果が保存されない型キャストとｆｌｏａｔの計算を無くせば動く ということでした。変更が比較的小規模ならば、本のサンプルを全てｇｃｃ用に書き換えようかと 思っていましたが、ｇｃｃに不慣れで挙動がつかめないため、書き直しの５倍くらいの時間が かかりそうです。そこで、ひとまず試したことをまとめたら公開し、本トライについては終了することとしました。

ＯＳが無理なく動くハードの値段が手頃になり、パッチもだいぶ出て安定してきたようなので「そろそろ良い頃合い？」と思い、 ５年ぶりに新しいPC（マウスコンピュータのLm-i440S、シリアルポート付きのデスクトップ機）を買いました。 使い始めて２週間ほどになります。

ロボット作りに関しては、ドライバが未対応なため「USB-シリアル変換ケーブル」が使えない だけで、あとは特に問題ありませんでした。 VB2005、VC2005、Dos窓用コンパイラ、CYGWINとｇｃｃ、ターミナルソフト等、一通り使ってみた感じでは特に問題なく 動いています。（CYGWINはインストールで警告が出ましたがOKでした）簡単にVistaのPCに乗り換えることが分かって よかったです。「USB-シリアル変換ケーブル」についても、当然そのうちにＶｉｓｔａ対応の機種が発売されると思う ので、まあ問題にならないでしょう。

Ｐｅｎ４号製作のブログ

本書読者のYassyさんからＰｅｎ４号製作のブログを作ったとメールを頂きました。筆者としてはこういう 形の反応もとってもうれしいです。本書執筆にあたっては、自分で作りながら原稿を書くとともに、原稿で 編集さんが実際に作ってみて、苦労した点などもフィードバックしているのでより分かりやすくなっていると 思います。しかし、製作例や作った感想などは、より多くの視点があるほど製作される方の参考になると 思いましたので、ここで紹介させていただくこととしました。

「吉野家のロボットを作ろう」http://yassy7.blog44.fc2.com/

私も時々読ませていただこうと思っています。（個人的には誤記情報が有難いです。（笑））

先週から続けて試しています。３０日目からとんで５３日目のプログラムをコンパイルして みました。これは動きませんでした。変数の持ち方や型変換のの時の挙動が違うための 様でした。このあたりをコツコツと書き換えていけば、まあ使えそうだと思いました。

同じ５３日目のプログラムをＡＫＩ−Ｈ８／３０６７Ｆ用にもコンパイルしてマイコンに ロードしてみました。コンパイル済のプログラムをよく見ると、ＭＯＴファイルの時点で 本で使ったコンパイラの倍以上のファイルサイズになっており、３０６７で動くＰｅｎ４号 に「プログラムエリア」として確保してあるメモリーのエリアに収まりませんでした。

一番簡単なＬＥＤを点滅するプログラムで調べたところ、浮動小数点(float)型 の変数を使うと大きくなることが分かりました。Ｉ／Ｏボード１にｇｃｃを適用するときは 上記の変数の挙動の違いに留意するとともに、floatを使わない形に書き換えれば使えそうだと 思いました。（完全な作り直しに近いですね・・・）

「C言語でH8マイコンを使いこなす」鹿取祐二　著　オーム社

以前読んだ本ですが、コンパイラではまっているので、県立図書館から借りてきて読みなおしました。 （まだ売っています） Ｈ８以外のＣＰＵやＰＣでＣ言語とアセンブラの知識がある方にお勧めです。Ｈ８固有のことが分かって 「なるほど〜」と思われることでしょう。

先週からＨ８用のプログラムを、本の製作日数の若い方から順番にｇｃｃでコンパイルして 動作確認を続けていますが、３０日目（すべてのＲＣサーボを動かす）のプログラムが動 かず原因を調べるのにハマリました。

各関節がとんでもない方向に動くため、Ｐｅｎ４号を壊さないようにマイコンを フレームから取り出し、ＲＣサーボ向けの信号をオシロスコープで見ながら、プログラムの 色々なところを書き換えては様子を見るということを繰り返して調べました。

その結果、コンパイルする時に何気無く付けていた最適化オプションが影響して、ＰＡポートに 出力するビットパターンが変わってしまっている事が分かりました。 （ＲＣサーボの信号を作っているｆｏｒループの中が最適化されてしまっていました。）

その後プログラムは、最適化オプションを止めてから正しく動くようになりました。

５２日目（最寄のものに近づいてパンチ）のプログラムまで移植とテストを完了しました。

そして５３日目（自律行動プログラム）のソースコード編集を終えて、動作確認したところ関数 に変数の中身が渡らない現象にあいました。Ｗ６の自律プログラムを書いているときも同じような 現象にあい、その時は構造体を大きくしてゆく途中で問題が出たので、構造体を分割してその場を しのぎました。

同じプログラムがＨ８／３０６７Ｆ用としては動いているので、本当のところ何が原因なのか分かり ませんが、本で使ったコンパイラの入手状況も悪くなってきたので、この際ＡＫＩ−Ｈ８／３０６９Ｆ キットについてくる。（秋月で５００円で別売りもしているフリーソフト）Ｈ８用ｇｃｃを使う方向 で、使い方を調べ始めました。

ＡＫＩ−Ｈ８／３０６９ＦキットについてくるＣＤのＨ８／ＯＳ用サンプルプログラムの、ＬＥＤ点滅 プログラムを参考にしてｍａｋｅファイルとＲＡＭコントロールファイルを作り、本の一番初め（８日目） で作ったＬＥＤ点滅プログラムをコンパイルし、上手く動くことを確認しました。

読者の方からのメールで分かったのですが、再入荷していました。
とりあえず、またＩ／Ｏボード１の方も、本のとおりに作れる様になったので良かったです。

４８日目（補間モーションの作成）のプログラムまで移植とテストを完了しました。 基本機能の範囲で特に問題無いことが確認できたため、ココまで製作記事をまとめて 公開することにします。 記事はだいたい書けたので、ひととおり見直してから１〜２週間のうちに公開しようと 思います。

４３日目（旋回モーション）のプログラムまで移植とテストを完了しました。


Ｉ／Ｏボード２をフレームに収めたところ

Ｐ２０５まで作業したところ


本の記事でゆくと、１６日目のところまで出来ました。プログラムは１０日目のところまで 移植が終わりました。

Ｉ／Ｏボード２の回路図追記

2007/10/07版　Ｉ／Ｏボード２回路図


ＳＷ３のところにプルアップ抵抗を書き忘れていたので追記しました。

ローダーの画面


出来上がったので、少なくとも記事の最後までは問題が無いか、使ってみながらテスト中です。 １０日目のところまで使ってみたところでは特に問題なく、自分で言うのもなんですが、なかなか 良い感じです。テストを終えたら使い方を書いてアップします。

キット付属の説明書と写真を参考に組立てます。

組立前＝＝＞ 完成
Ａ／ＣアダプターのジャックとCOM0用のピンヘッダは使わないので付けませんでした。


マイコンボード裏面についている３端子レギュレータについても、５V電源をＩ／Ｏボード２ 側から供給するため使わないので足を切っておきます。


ディップスイッチと集合抵抗が干渉して基板に付けられなかったので、ディップスイッチ側を 少しカッターで削りました。


Ｈ８／３０６７Ｆボード用に作ったケーブル（本では６日目の記事）を使おうと思いましたが Ｈ８／３０６７ＦボードのＪ５とＨ８／３０６９ＦボードＣＯＭ１はピンの配置が違いました。 違いを吸収するためＣＯＭ１から線を延ばしてピン配置を入れ替えました。

記事の５日目（７８ページ）まではＩ／Ｏボード１と同じです。その先についても配線は 違いますが作り方は同じです。


ここまでは同じ。ここから先は 回路図 に沿って配線しました。


Ｐ８４まで作業したところ
マイコン側のピンヘッダが５個から２個に減るので シンプルになります。


Ｐ８５の動作確認
今度のマイコンボード上にＬＥＤはありません。

ローダーからロードされたプログラムへ制御を移す部分の書き方を調べるため１０年ぶり くらいでＨ８のＣコンパイラのマニュアルを真剣に読みました。 そしてテストプログラムを作ってみました。こちらは問題なく動いているようです。

記事に合わせる為「本で使っているモニタ」と同じ使い方のローダーを用意する方向で 進めてきましたが、 ロードする機能の方は、ここしばらくトライしていたプログラム （いつもモーションデータなどを受け取るのに使っているプログラムの派生型） ではターミナルソフトからの送信を受けられないことがだいたい分かりました。

回避策としてアセンブラで作ることも考えましたが、私がアセンブラで作ろうと思うととても時間がかかりそうです。

そこで方針を変えて、ＰＣ側はフラッシュライター風のＧＵＩのソフトをＶＢ２００５で作り、 マイコン側はモーションデータを受け取るソフトをモディファイしたものを作ろうと思いました。

とりあえず図面を描いてみました。まだ作って検証していないので 間違えている場所があるかもしれませんが大体こんな感じです。 名前は、 Ｈ８／３０６９Ｆマイコンボードを使ったＩ／Ｏボードを「Ｉ／Ｏボード２」 オリジナルを「Ｉ／Ｏボード１」と呼ぶことにします。


2007/09/30版　Ｉ／Ｏボード２回路図

主な相違点や特徴は以下のとおりです。

• マイコンの機種　Ｈ８／３０６７Ｆ　→　Ｈ８／３０６９Ｆ
• 外部ＲＡＭの容量　３２ｋＢｙｔｅ　→　２ＭＢｙｔｅ
• クロック ２０ＭＨｚ　→　２５ＭＨｚ
• Ｉ／Ｏ点数の余裕　・・・減少
• ロボットのフレーム側から見ると、オリジナルバージョンのＩ／Ｏボードと完全互換
• プログラムは全面的に改修（アドレスやポートの変更が主です）
• マイコンボードのコネクタの数変更。（コネクタ間の対応は 「Ｊ１，２，３，４、７　→　（ＣＮ１）＆（ＣＮ２）」です）

一旦RAMのワークエリアに受け取る部分を何パターンか作ってみました。同期が上手く取れず 通信が安定しませんでした。まだいろいろ試しながら調べることが多そうです。

ＡＫＩ−Ｈ８／３０６９Ｆマイコンボードキット
早速通販で購入しました。￥３８５０−で、木曜日に「土曜日受け取り」で注文しました。


「Ｉ／Ｏボード１」と「Ｉ／Ｏボード２」
Ｉ／Ｏボード２(右側)は部品を並べてみただけです。

読者の方からのメールで知ったのですが、AKI-H8/3067Fマイコンボードが入荷時期未定で 品切れになっていました。ぶっちゃけ似た様な仕様のマイコンボードならばなんでも使える といえば使えるのですが、このキットでないと本のとおりに作れません。

「６０日でできる！二足歩行ロボット自作入門」は一応「入門書」を標榜していますので 「適当に読み替えて作ってください・・・」というのはちょっと不親切な気がしました。 これから１年くらいは仕事が忙しい予定なので、すぐにとはいきませんが別のマイコンキット をのせた時の回路図や、そのマイコン用に書き換えた制御ソフトを公開しようかと、検討を はじめました。

代替マイコンは通販コードK-204のＡＫＩ−Ｈ８／３０６９Ｆマイコンボードキットです。 このキット用にはモニタプログラムがありませんので、代わりになるようなソフトを作る ところから作業を始めました。

プロトタイプのテストとして、Ｗ６のメインＣＰＵを使って、 ターミナルソフトから送られてくるＳフォーマットのプログラムを 指定のアドレスに展開する機能をＣで書いて試してみました。 が、実行速度不足でバッファオーバーラン エラーでした。
というわけで次のプロトタイプはテキストデータを一度ワークエリアに素通しして、 後でバイナリデータに変換したり、チェックサムを計算したりする様にする予定です。

Ｉ／Ｏボードに手を加えるための足がかりというか準備のため、本の中で「オプション装備」として 加えた加速度センサ、カメラに関連する回路そして３．３V系の電源回路を書き加えました。


2007/08/26版　Ｉ／Ｏボード回路図

内蔵電池で動かす時に、実際にロボットを動かせる電圧の幅を広げ、動ける時間を 増やそうという意図で変更してみることにしました。具体的には電源回路の３端子 レギュレータを、ＤＣ／ＤＣコンバータに変えてみました。


部品の変更は　ナショナルセミコンダクタLM2940CT-5.0　→　コーセル　SUS1R50505C　です。 秋葉原のマルツパーツ館で購入しました。 カタログ上は５Ｖを出力できる入力電圧が4.5V程度に下がるので、効果があると期待しています。 結果は実際に動かしてみてのお楽しみです。


SUS1R50505C

本で紹介した加速度センサ※は、執筆期間中に生産が終わってしまったので記事は一般的なこと を中心に書きました。しかしながら代替機種の紹介は必要だろうと思い、今日現在入手できる 機種の１つに換装してテストしてみることにしました。

のせてみたのは秋月電子通商製のモジュールで、センサはKionix製KXM52-1050です。値段は 元の約１／６(\800-)と安価です。ただモジュールの「使用上の注意」に２ｇを超える加速度や 衝撃を加えると、異常な出力値を示したまま戻らなくなるなるなど、気になることが書いて ありました。HAAM-313Bは「衝撃に強い」ことがデータシートにアピールされていたのとは 大違いです。


KXM52-1050モジュール

でも実際にI/Oボードにのせて、動作中にI/Oボードで机を軽く叩いてみましたが 普通に動いていたので、「実用上は問題ない」という結果になることを期待してこのまま 使ってみることにしました。

※モジュールは浅草ギ研製、センサは北陸電気工業製　HAAM-313Bです。


Ｉ／Ｏボード
SUS1R50505CとKXM52-1050をのせ終わった状態のI/Oボードの写真です。