車両型ロボット(Ｗ６)の製作日誌　その１

夏休みに「バンダイのロボ研カップ競技」で「ワンダーボーグ」を見て、こんな感じで 遊べて、もう少し自由度と言うか、奥のあるロボットが欲しいなーという 思いから作り始めました。「知能ロボコン」に参加しているロボットをイメージしています。

	ショベルドーザー 田宮模型のキットです。東急ハンズで衝動買いしてしまいました。 「博物館」のページで紹介している「Ｗ１」の部品と見た目は似ていますが、材質も 金型も新しくなっていました。 「こんなに簡単で良いの」と言うくらい簡単に組上がります。
	改造後 とりあえずはこんな感じです。どんな腕を付けるかは検討中です。 ２Ｌ１の制御システムをベースにするので、重量が許す範囲でＲＣサーボは増やせます。 今は、転倒したときに自分で起きあがれるような、多脚歩行ロボットの「脚」 に準ずる設計の腕を付けるか、軽くてパワーの低い腕を付けるかを検討しています。

ハードウェア製作の方針としては、 手間をかけずに作るため、足まわりは田宮模型の「楽しい工作」を、制御ユニットや センサーユニットは以前製作したロボットからの流用して済ませます。

センサー


• 積算走行距離計
• 超音波距離計
• ＰＳＤ距離計
• Ｃ−ＭＯＳカメラ（人工網膜ＬＳＩ）
• タッチセンサー
• 加速度センサー

ＣＰＵ：Ｈ８／３０４８Ｆ（秋月のＨ８マイコンキット）とパソコン

走行用モーター（マブチの１３０モーター）の制御用に東芝のTA7257Pを搭載しました。 モーター用の電源電圧は４．８Ｖです。テストプログラムとして５秒前進、１秒停止、 ５秒後進を繰り返すプログラムをかけて動かしてみました。
２分ほど動かしたところでは、TA7257Pの発熱も問題になるほどではなく、 ヒートシンクは無くても良さそうです。

非常に走るのが遅いロボットですので、あまりスピードコントロールの必要も 無いだろうと思い、Ｈ８のＰＷＭ機能は使わないつもりで、P2の０〜３に 接続しました。

センサーユニットを動かすソフトを書きました。このソフトではＰＷＭパルスを 必要なときに出すだけで、普段はパルスを止めています。 動作角は左右方向が１８０度、２５５ステップ、上下方向が約１００度２５５段階 としました。

左右方向のサーボはサンワのＳＸ−１０１Ｚの系統の、ずーっと古い機種で ＳＭ−３９１と言う７０年代製造の機種です。上下方向の機種はＪＲのＮＥＳ−３０５ と言う機種です。可動範囲が狭く、あまり使いやすい機種ではありませんが、使えるものを 捨てられない性格なので使っています。（中学生の頃、ＲＣグライダー用に ７０００円以上で買ったたような・・・）

余談ですが、ＳＭ−３９１は普及機にもかかわらず"Made in Japan"でした。手元に あるその他サーボを見てみると、日本ブランドですが中国、シンガポール、台湾製と なっています。でも、ＥＲＧ−ＷＲの様に「高級機」とか言われている、定価が１５，０００円の 機種はまだ日本で作っているみたいです。

モーターの出力に比較して、センサーユニットは十分軽く、２足ロボット に要求されるような、バランスの制御も必要ないため、 今のところ加速、減速パターンを使わずに一定スピードで動かしています。

走行距離の検出用に、反射型のフォトインタラプタを取付ました。 どの程度走ったかの目安と、走行速度の測定に使うことを考えているので、車輪１回転を ８分割しただけの反射板を前輪に付けました。反射型フォトセンサとしては、ロームの RPR-220という機種を千石電子でデータシートつきの物を購入して使いました。

検出の距離を約３ｍｍに調節した後に、Ｈ８のＩＴＵ３と４に外部クロックＡとＢの端子を経由して 取込み、走行距離をカウントできるようにしました。

センサーヘッドに載せている人工網膜ＬＳＩから画像を取り込むプログラムと、ＰＣの画面に 画像を表示するプログラムを作りました。 UNIXのlpデーモンをヒントに、プリンタスプーラープログラムの様式にならい、ファイルの有無と ロックファイルで表示と取込の同期を取るように作りました。
ＶＣで作った取り込みプログラムを単独で動かしている分には良いのですが、ＶＢで作った 表示プログラムを同時に実行すると、取込タイミングが一定しなくなってしまうため、露出が 狂い、画像が乱れてしまいました。

（画像取込に関連する話題は、ある程度たまったらページを独立させる予定です。）

いままで長い間、ロボットをパラレルポートやパラレルＩ／Ｏボードを経由して動かしてきましたが、 ロボットを自作されている方々のＨＰを見るとシリアルポートの利用が一般的なようです。 Ｈ８にはシリアル通信の機能が使いやすく内蔵されていますので、自分もプログラムのロード 以外にも使ってみようと思い、簡単なサブルーチンを実装しました。 ロボットの状態をモニターするのにとても便利だと思いました。

はじめに

カメラの映像でライントレースをしたいと考えているので、実際、どの程度ロボットのすぐ前の ラインを撮影できるものなのか試してみました。

ラインとロボットの位置関係は、左下の写真のようになっています。Ａ３サイズの紙の上に 、幅１８ｍｍの黒いビニールテープでラインを描きました。 右下の写真に示すように、超音波センサーの下にカメラが付いています。

左下が１２８×１２８ドット、右下が８×８ドットで取り込んだイメージです。 １２８の解像度ではＨ８／３０４８Ｆの内蔵ＲＡＭにイメージを保持しきれませんが、 ８ならば保持できますので、内蔵ＲＯＭにモニタをセットした状態で多少遊べそうです。 撮影時間は、夜の部屋の天井灯の明かりで撮影した場合に１．２フレーム／秒 程度になっています。現状では、人の感覚で「動いている」と感じられるような対象は 上手く写りません。

Ｗ６のナビゲーションに利用する見地から評価すると、 障害物の検知にはＰＳＤと超音波センサーを使い、時々止まってラインを撮影する様な使い方 ならば使用に耐えると結論しました。

「視野内で一番明るさ変化が大きかった方向が、フレームの中心に来るように頭を動かす」 というアルゴリズムを試してみました。 （残念ながら、今のところカップ麺を認識しているわけではありません。） ＰＣのＶＢ６で作成したプログラムで、シリアルポートを経由して 制御しています。

載せているマイコンボードを２Ｌ１ｖ６と共用として製作した ＳＣＢ８に換装したので、サーボコントローラー７（Ｈ８／３０４７）用のソフトをＳＣＢ８（Ｈ８／３０６７） へ移植しました。移植時の主な変更点は以下のとおりです。
• ポートの　変更関連：Ｐ１をＰＢに、Ｐ２をＰ４に変更
• クロックの変更関連：１６ＭＨｚ−＞２０ＭＨｚになったのでタイミングを見るルーチンのパラメータ変更

  今日の時点では下記が未調整なので動体追跡が今ひとつうまくゆきません。

• クロック周波数変更に付随する、ＲＳ２３２通信するときの待ちループの調整
• ＲＣサーボの作動範囲や中立位置

予定

ＳＣＢ８は１フレーム分の画像を保持できるだけのＲＡＭ容量があるので、Ｗ６内部で 多少の画像処理をし、移動に反映させるようなプログラムを書いてみようと思っています。 あとは２Ｌ１ｖ６用に製作した腕を付け、腕を使ったアプリケーションで遊ぼうかと思います。

画像取り込みに関するサブルーチンを、主に以下のポイントで調整しました。

• 通信モードをアスキーからバイナリに変更
  PCへの画像取り込みに関して、通信する総バイト数が１／５程度になりました。
  
• 通信速度を９６００ｂｐｓ−＞１９２００ｂｐｓに変更
  １２８×１２８ピクセルの取り込みで、所要時間が約１９．７秒−＞約１１．５秒と なりました。
  

２値化処理

ライントレースに向けて、床に張った黒のビニールテープを分離できるか試してみました。 照明の条件次第では、うまく分離できそうです。


処理前−＞処理後

取り込み−＞２値化−＞エリア分け−＞最大エリアの境界抽出−＞境界の中心線取り出し

−＞ −＞ −＞

の順で処理し、ラインを抽出してみました。水色の線が処理結果の線で上を走っていい場所です。
一番右の画像の黄色い線は、５ｃｍ単位で引いてあります。画像から、ロボットと線の 位置関係を割り出す処理の一段階です。よく３Ｄグラフィックスの本の初めの方に、 ３次元の点を画面に投影する計算の説明が書いてありますが、これはその計算を逆に行い 画像から３次元の点を割り出しています。拘束条件として、 「線はロボットが居る平面と同一平面上にある」という条件を付加しています。

２Ｌ２でシリアル通信で結んだ２つのＣＰＵに機能をわけてロボットに搭載する やり方が安定して使えるようになったため、Ｗ６にも同じシステムを導入する ことにしました。

とりあえずはH8/3664を１つ載せた移動系マイコンボードにモーターの駆動、走行 距離の計測の機能をもたせるよていで、メインＣＰＵからシリアル通信経由で 受け取った移動に関する命令（例えば３０ｃｍ前進とか）を実行できるようにするつもりです。

電池などの取り付けスペース

No.1サブＣＰＵのソフトを開発するあいだ、電池や仮のメインＣＰＵを載せておくための 場所を設計しました。気が向いたら２Ｌ２の腕と新設計のセンサーヘッド（これも多分 ２Ｌ２と共用）を付けてテストします。

センサーとモーターを簡単なプログラムでテストしました。それぞれを別々に確認した後、 「走行距離カウンタがメインCPUから受け取った値を超えるまで前進、ただしPSDからの入力値が走行中に 一定値を超えたら、いくら走ったかをメインCPUに返して停止」と言うサブルーチンを 作ってみました。

電池などの取り付けスペース

だいたい先週描いた図面のとおりに作りました。

電源

7.2V 19.4WhのLi-ION電池(SONY NP-F730)一つにまとめました。まだ計測はしていませんが、 多分走り回ったりしなければ、20時間程度は連続動作できるのではないかと思っています。 （マイコンと一部のセンサーのみ動作）

走行用には太陽電池を試してみる予定です。使い方としては太陽電池の発電量が一定以上 あればDC-DCコンバーターへの入力を内蔵Li-ION電池から太陽電池に切り替える様なもの を考えています。

２Ｌ２ｖ１の腕を移植しました。この腕はどちらかと言うとＷ６用に設計した腕なので 簡単に付きました。知能ロボコンのスポンジボールをつかむ事を想定しています。

No.2サブＣＰＵが付いていないので腕のＲＣサーボはまだ動きません。

グリップ対象への接近テスト

グリップ対象を正面に捉えた後、腕が届く距離まで接近するという状況を想定したテスト をしました。対象物手前３０ｃｍまで全速で移動し、その後速度を下げてＰＳＤからの 入力を見ながら約４ｃｍ手前まで接近します。

テストプログラム

ＶＢ６で簡単なテストプログラムを作りました。メインＣＰＵの代わりに コマンドを発行したり、センサーの値を確認したりという用途に使います。 ハードの製作進捗にあわせて機能を追加してゆきます。

屋外走行テスト

直射日光のもとで走らせて、赤外線を利用したセンサーの動作確認をしました。 ＰＳＤセンサーで直射日光が当たっている壁までの距離を計ってみたところ、一応それらしい 結果が出ました。走行距離カウント用のフォトインタラプタは受光素子側が飽和しているせいか 、動作しませんでした。

直射日光が差し込む室内で走らせて見たところ、両センサーともに日陰では正常に動作している 様でした。

フォトインタラプタの方については、「あと一息」みたいな感じだったので 受光素子側回路の感度を調節してみたところ日向でも働くようになりました。 （実際はフォトトランジスタに接続してある、電流を電圧に変換するための10kｵｰﾑの可変抵抗 を調節しただけです）

ちなみに明るさの目安を手元にある太陽電池の発電電圧（無負荷）で示しますと。 夜間、天井の蛍光灯のみで0.4V、直射日光が差し込む部屋が1.4V、太陽に直に向けた場合 が2.4Vでした。
（太陽光のスペクトル、蛍光灯のスペクトル、太陽電池が効率良く発電する 光の波長、赤外線センサーが感じる波長がそれぞれバラバラなのであくまで「目安」ですが・・・）

Ｗ６ｖ２システムの検討

各ＣＰＵの機能の分担を検討しました。今のところ こんな感じ で考えています。

移動ユニット前面のＰＳＤの下にタッチセンサーを付けました。 きちんと作らないと、引っかかったりしてうまく動作しないので、 かなり真面目に、丁寧に作りました。

自動掃除機「ルンバ」のタッチセンサーが感動的に良く出来ていたので「似たようなもの」 という考えで検討開始しましたが、車体の形が違うので結局全然違う形になりました。

タッチセンサーの必要性

以前製作したW2〜W4までの結果から言うと、移動時に関しては、ロボットの頭に付けた超音波センサー等を 旋回させながら距離を測定し、その結果得られたレーダーチャートに統計処理を施してから 内蔵の地図データベースと照合しながら移動する。といったような移動方法をとっていると 、部屋の中で実際に物にぶつかるということはめったに起きませんでした。

W6は、当時よりずっとコンピュータが進歩しているので、さらに凝ったことをするつもり です。といったわけで必要性が薄いといえば薄いのですが、サブCPUだけで走らせる時や、 物を押して移動させる時など、距離センサーの死角まで意図的に接近する場合を想定して 装備することとしました。

タッチセンサーユニットの強度

上に書いたように、ここで物を押すつもりであることと、移動ユニットと上半身ユニット の間にヒューマノイドタイプのロボットの「腰」にあたる関節を増やし、さらに重心を高くする 予定があるので、転倒に備えて他の脚式ロボットの脚程度の強度を持たせるように 配慮しました。