週末こつこつ。

先週末の東京出張帰りで秋葉原へ立ち寄り、コネクタ、インダクタ、オペアンプに槍サーボ用のサーボホーン、ロッドエンド、ターンバックル、カーボンパイプを購入した。まず現在の槍をアップグレードし、サーボ基板を修正。電流検出抵抗を追加しオシロでモータ電流を確認し、各FETへのゲート抵抗挿入と、PSoCブロックを用いた過電流検出機能の追加を実施。これでもしハーフブリッジの片側FETが故障しても煙を上げることは無いだろう。

今はひとまず槍を動かしているが、同等の回路をマイコンカーのステアリングサーボにも採用する計画、現状でも位置制御しやすくて良い感じだが、より良い内容に仕上げたい。走行モータの駆動回路についても、H8と駆動側の役割分担、インターフェイス案を構築中。今回のマイコンカー(&ランサー)は H8のPWM出力を使わない案が有力。

新構成のホイール＆ギヤに対応した機構設計も推進。機構については来月中に製作フェイズに移行し、再来月には少なくともセンサと組み合わせてのステアリングサーボシステムの評価を行える環境を整えたい。

先日のロボットランサー競技のロボット動画を一つ追加、電通大ロボメカ工房ランサー部隊の中で特に注目した一台で、PSDによるアナログ・リニアイメージセンシングでライントレースを行うロボット。取得周期は 16ms と聞いた気がするが、赤外線照射側も含めて薄型軽量に仕上がっているところがTAOSセンサに対するアドバンテージだろうか。操舵とセンサアーム独立駆動、上向きPSDによるスタート処理＆ゲート検出など独自性満載。自分の初年度ロボットはこのロボットの対抗馬のような位置に据えたい。

予選3位/決勝5位ロボット TRINITY06-GP2 動画1 動画2 結合バッチファイル

タイヤと槍サーボの試作。

平日は早朝勤務対応で夜更かしができず、最近のロボット製作活動は”週末こつこつ”になってきたが、この週末は重点課題であるタイヤ製作の練習と、槍サーボを想定した俺サーボの試作を実施。

タイヤ製作の方は三豊工業高校さんが公開されている製作方法を参考にしつつ、ラジコン用ホイールに付けたスポンジを任意径に削る作業を練習。十分な出来で削れるようになり、これまでの”適当なサイズの既製品を探す”や”自分でスポンジを巻く”という対応・制約から解放され、ロボットの設計が行いやすくなった。製作精度も向上したことで、少なからず走行時の安定性も改善できるはず。

マイコンカーの加速カーブ設計をしていく中で、今までの検討よりもタイヤ径アップ＆ギヤ比アップを実施した方が良いと分かりギヤボックス周りの再設計を行うことにしたが、この新設計で使おうとしているのが、写真中央のホイールとギア取り付け方法。

従来はホイール、ホイールハブ、車軸、ギアをそれぞれ別部品として捉えて、それぞれに何を使用するか、どのように結合するを考えてきた。特にモータからのトルクの伝達経路としての ギア→車軸→ホイールハブ という結合において、車軸とギア、車軸とホイールハブをどうやって結合するか‥というところが問題で、圧入だけ、イモネジで締めるだけ、という対応でしのいできた。どれも確実という感じではないし、他の方の作例を見るとより良い方法があるようだが、自分の加工能力では真似が出来なかった。

今回の方法は、ホイール中央にあるφ10.8 の穴にきっちり入る程度にギアの凸部外周を削ってはめこみ、ギアを周囲の3箇所の穴でネジ止めするというもので、芯出しと荷重受けははめ込んだ部分が担い、スラスト方向の固定はネジが担う構成。ギアをはめ込んで固定した状態でタイヤを削り、ギア中央φ6弱の穴に外径6内径3の金属パイプを挿入し、更にφ3のシャフトを挿入してみたが、これまでよりも高精度で良い感じ。更なる改良案も考えたい。

タイヤ＆ホイール加工の進展に気を良くして、所謂俺サーボの試作も実施。とりあえず先日製作した PWM 150kHz モータドライブ試作基板に、以前のマイコンカーで使用していた近藤科学の PS-2173FET を組み合わせることにした。サーボ内の基板を再利用できるように丁寧に取り外し、かわりにユニバーサル基板を切り出して LMC6484 をひっくり返して貼り付けて作成したボルテージフォロア基板を組込み、PSoC側のA/D用コネクタ＆ソフトを用意してサーボ部の完成。槍機構部は最適な部材が無いため、とりあえずそれらしい部品を組み合わせてみた。槍はφ2のステンレス棒で、必要な長さより短いが本来の槍(カーボンパイプ)より重いと思われる。

動作確認レベルで簡単にパラメータを合わせ、動作確認を実施。この模様を 320x240、WMV9 の動画にしてみた。

• その１
• その２ (１のサーボ部を拡大)
• その３ (２の動作電圧をダウン)

このようなExcelファイル (左画像参照) も作成し、中学生レベルの計算で槍の長さ、槍サーボ取り付け位置などの構成と必要な動作のイメージの対応をざっくり掴んでいるが、今回の動作は大角度のスイングの速さとスムースな移動が両立しそうかどうかを確認しているだけで、まだ実際の動作パターンと結び付けていないし、細かい角度補正も施していない。

今回の試作でとりあえず俺サーボ化のイメージは掴めたが、このRCサーボは槍制御用としてはギア比が大きすぎるのかな？という印象を受けた。俺サーボ化後にかなり無理をして 11～14Vの電圧をかけてみているが、その割には槍移動が速くない。トルクだけがひたすら過大な感じで、音も仰々しいし、制御を間違ったら簡単に減速機構が壊れそうだ。他の方はもっとギア比の軽いサーボを探して使ったり、中身を換えているのかもしれない‥先日のランサー見学では槍取り付け部の構成ばかり見ていて、使っているRCサーボの情報収集をしていなかった‥反省。

ロボットランサーの動画。

先日のロボットランサーにおける優勝ロボットおよび準優勝ロボットの決勝走行動画をアップロードしました。640ｘ480、WMV9形式、動画部ビットレート 2Mbps、フレームレート 59.94fps です。再生ソフトウェアは VLC media player を推奨します。

ココログは1ファイルのサイズ上限が 40MBであるらしくそのままではアップロードできなかったため、ファイルを2分割して分割後ファイル＋結合バッチファイル(COPY /Bコマンド) の形式としました。

優勝ロボット: GodArthurL2
　分割1 分割2 結合バッチファイル

準優勝ロボット: FRAGILE006RL
　分割1 分割2 結合バッチファイル

今回の優勝ロボットの成績が新たなベンチマークとなり、次回は走行周回数が何周か増えるものと思われ‥LiPo+BLDCな人が現れそうです。

ロボットランサー見学メモ。

＃3月10日・11日の２日間、中央大学の理工学部キャンパスで行われたロボットグランプリに行ってきました。参加者の皆さん、スタッフの皆さん、お疲れさまでした。自分もビデオ撮影対応のため椅子に座らず立ち通したため、帰宅後にどっと疲れが‥それでも大いに出向いた価値のある大会でした。大会の雰囲気もスタッフと参加者が互いに支えあっている感じで良かったです。

見学の目的はロボットランサーのコース構成/構造の確認と、ランサーロボットの構成、槍機構、槍突き手法の分析。行き帰りの新幹線はえきねっとで予約、宿は今回もちず丸から"周辺の宿泊予約"を介してホテルJリンクス後楽園を予約。(宿泊費は \6000、フロント周りの人件費を徹底的に削っている感じだが、立地の割に安くて部屋も良かった)。色々とネットワーク経由でこなせてしまう便利な時代になったが、現場で現物に触れ現実を見極めることをネットで代替することはできない。情報量が違う。だからこそ自費を投じてでも出向いて行く。
出発当日に最終スケジュールを確認すべくロボットグランプリのサイトを見ようとしたが、サーバが落ちているのか接続できなかった。未だ復旧していない‥何が起きているのだろう。

今年から新しくなったコース材料は TOLIのTMフロア。こちらのショップでは \7245/mとのこと。材料が既製品となり、コースレイアウトが固定でかつ (ショートカット走行ならば)部屋に置ける面積に収まり”本番と同じコースで練習”ができるようになったことで、ロボットランサー参加を目指す意識が生まれ、今回見学することを決めた。会場で実物を見てみると、明るい灰色ではあるが表面の感じはマイコンカーのコースに近く、マイコンカーと同じシリコンシートを使用しているロボットも多く見られた。TMフロア自体に十分な重量があり、(紆余曲折がありながらも)最終的には”板の上に敷くだけ”で競技ができたことから、自宅でもフローリングの上に敷設するだけでランサーロボットの練習やマイコンカーの動作確認に使えそうな感じ、6月辺りに準備してみよう。

ランサーが突く標的は、来年から自動的に得点をカウントするシステムに対応したモノになるとのこと。標的のヒット検出は槍先に導電性を持たせ(導電性ゴムキャップ?)、電源とGNDのパターンが細かく配線され露出している標的基板を突くことで実現するようだ。この方法だと標的を正面から正確に叩かないと点が出ないはずで、今回の見学でも若干見られたオマケ得点がなくなる分も含めて全体の得点が下がるのではないだろうか。この標的システムが幾らになるかはまだ分からないが、1台確保してみたい。

続いてハードウェア面。レギュレーションとしては最低地上高、使用バッテリーの制限が無いため、コース素材の変更と合わせて加減速性能／コーナーリング性能の高いロボットを構成できる。理想はランサー専用の軽量低重心ロボットで、リチウムポリマー電池と高性能モータを搭載か。コースが既知であるためハードウェアの性能差が得点差につながりやすいはずで、今回の優勝ロボットは直線加速／最高速で他を圧倒して決勝で3000点に迫る成績を残している。

センサアーム／ステアリング周りでは、マイコンカーと比較すると

1. 左右非対称で、中央より右側を長くしたセンサ基板が多い
2. 相対的にセンターピボット式が少なく、アッカーマン式が多い
3. センサアームが短い(長くてもホイールベース同等まで)
4. センサアームとステアリングを独立に駆動しているロボットが多い

という特徴があった。これらを自身の設計に反映すべく、考察・仮説ベースで方針を考える。

1については、平行標的(走行ラインに平行) と垂直標的のうち、槍で叩くタイミングが重要な平行標的 (垂直標的は当てるまで槍を正面に構えるだけで良い) にフォーカスし、右側にある平行標的前のマーカを確実に読めるようにセンサ基板右側の長さを必要十分に確保しているようだ。確実性を確保しつつセンサ基板を軽くするための工夫が必要、と判断。

2については、常連・田村さんを含めて多くの"こだわりの声"を伺った。タイヤのキャンバ角、キャスター角に対するこだわりの声もあり、この辺の実現性でアッカーマン式を選択する方も多いようだ。以前にいすゞの論文でパラレルリンクとアッカーマンリンクの差異を評価したものを読んだことがあるが、両者の差は端的に書けば”限界領域におけるロバスト性(外乱に対する安定性)”にあり、アッカーマン式が優れるという内容だったと記憶している。パラレルリンクとセンターピボットは同じではないが、ランサーのRの小さいヘアピンの高速走行という局面ではアッカーマン式の方が良いのかもしれない‥では面白くないので、自ら比較すべくアッカーマン式のランサーを作り、センターピボットのマイコンカー改造版と比較してみるというのも一手か。

3については、コースが既定であり先読みのため長くする必要が無いため、センサの追従性を上げるため短くしていると判断。カーブ走行に支障の無いレベルで短く設計したい。

4については"センサは純粋にライン位置を把握するという役割を遂行"という考えや、"円柱標的を確実に倒す(槍とセンサを逆方向に向けて当てる)"という考えを伺うことができた。前者については、電通大さんがセンサアームとステアリングがそれぞれ独立したラジコンサーボになっていて、各々の回転中心が同軸ではない形式を導入していた。電通大・平井さんに考え方を伺ったが、確かにライン位置を把握するという目的を果たす上で同軸である必要はなく、計算で同軸の場合と等価の結果を出すことができる。センサ基板の位置がずれていても、センサが白線位置を捉えていれば車輪の向きを正しく制御できるという点で、自分のPSoCセンサのように基板が重い構成でもその影響をキャンセルできる効果を見込める。コースが既知のランサーで独立駆動が必要か否かの判断は、マイコンカーで独立ではない構成を選ぶ故の泣き加減(?)を踏まえて行いたい。

最後にソフトウェア面。大きく分けて

1. ランサーの"制限時間ルール"適合するための正確な速度/加速度制御
2. "槍突きプラットフォーム"としての車体を安定させる直線走行制御
3. スムースに直線へ復帰できるカーブ走行制御
4. 走行状況に応じた槍位置・槍速度の制御

の4点が基本として重要であると考えた。それぞれの目標を書き残してみる。

1については、予選30秒、決勝60秒という制限時間を如何に無駄なく使えるかに係る要素になる。最後に円柱標的を倒した直後に時間終了、という理想を前提に立てた「コースを○周する」という性能目標を確実に実践するためには、再現性のある走行を行えることが欠かせない。これまでのロボットで使用した速度／加速度制御を改良して対応したい。

2については、成績を大きく左右する要素になる。どれだけコースを速く周回しても、ロボットの左右振動が発生して槍先もブレていては、安定した得点は望めない。左右のブレを抑えつつ、如何に高速度・高加速度にできるかという技術的なチャレンジになる。大会で好成績を収めた方々はマイコンカー競技への参加者が多く、直線高速走行のノウハウで全体をリードしている印象がある。負けないように取り組みたい。

3については、ヘアピンカーブ走行が終わり車体が直進に戻ったとき、正確に車体中心がライン中心に乗っていることが理想になる。大会で撮影したビデオを見ると、速いロボットはこの区間の走行が正確で、直線復帰後の車体のズレ・振動が少ない。先ずはライン上の走行で最適な復帰条件を把握し、それがラインの無いショートカット走行でも正確に再現できるようにすべく、これを実践可能なソフト(&ハード)構成を導入したい。

4については正直ハードウェアを含めて「やってみないと分からない」所が多いが、印象をメモ。

• 平行標的は予め標的に槍を近づけておき、"ノック"するように少し動かして的を叩く手法が多い‥動きが少なくタイミングを合わせやすい感じ
• 槍を駆動するサーボ機構を右置きすると"ノック"に都合が良い感じ
• 垂直標的は角度制御で槍が当たるように合わせておけば、車体がブレなく真っ直ぐ走っていれば当てられる感じ
• 槍駆動サーボはRCサーボがベースがほとんど。槍の支持部もサーボホーン＋リンク用部品をうまく組み合わせた構成が多い。"俺サーボ"化は必須である感じ‥無改造では用途外のため制御特性が合わず振動しやすい

"俺サーボ"を前提とすると、現段階では俺サーボのマイコンに"位置状態"と"エンコーダパルス"を親基板から与えれば十分であると考える。"位置状態"は

• ニュートラル(ゲート通過可)‥1状態
• 平行標的 ノック前‥1状態
• 平行標的 ノック後‥1～2状態
• 垂直標的 左側‥1状態
• 垂直標的 右側‥1状態
• 円柱標的‥1状態

程度で増えても8状態、3ビット情報で十分か、これにノック前から後に遷移させる段階などで槍を動かす速度を変える補正が必要な場合に備えてエンコーダパルスも要るかも、という考え。お馴染みのPSoCやPIC、AVRで対応できそう。"ノック後"以外は走行位置ベースで状態遷移すれば良く、"ノック後"に遷移するタイミングだけを速度／加速度も考慮して正確に与えれば当たるかな‥槍先位置やタイミングの微調整のし易い構成が必要かな‥といった細かいところは実践の中で検討・構築するのみ。

‥メモはここまで。コンセプトのイメージは出来てきたが、性能目標の設定と詳細検討は別途実施。マイコンカー活動との関連付け・重み付けも必要だが、とりあえずは大会で撮影してきたビデオ動画を編集してまとめておきたい。今回の撮影は(先日手厳しいことを書きながらも) やっぱり軽量・小型の携帯性と高速撮影が良い感じのDMX-HD1A と(某倒産ショップの影響で買い直すことになった) 軽量三脚で対応。カメラの記憶媒体は2GBのSDカード、これを4回交換しての撮影となった。かわいいLEGOロボットから伝説のロボキヨマサ、強豪常連の方々のロボットまで色々撮れているはずなので、ちゃんと整理してじっくりと見てみたい。

走行系ギアボックスの設計。

ここ一週間、出張２回＆早朝仕事３回(今日も6:30～)のため夜の作業時間を控えめにしているが、毎日こつこつ。EAGLEでの部品ライブラリ・回路図作成と合わせて、前輪周りを中心に機構の具体化・修正を進めている。

低重心化のため少しでも走行モータの取り付け高さが低くなるように設計を変更し、車輪軸に対しモータ軸が前輪で5.4ミリ、後輪で2.5ミリ低い設計になった。例年よりも車輪径が小さいため下げ代は多くないが、現状の角パイプベースの設計とモータ径を考えると必要十分な設計になった。高精度の工作環境があるとこの辺の寸法決定の自由度が高いのだろうが、自分の場合は最小単位が 0.1ミリで済むように設計している。走行系ギヤボックス周りの設計の場合、Excel上で

1. 車輪径、ギア比、モータ径、ホイールベースを決定
2. モータ軸と車輪軸の軸間距離を補正込みで計算
3. モータ軸と車輪軸の”垂直距離”を0.1ミリ単位で振り、必要な軸間距離が稼げる ”水平距離”を0.1ミリ単位で算出、軸間距離の理想計算値と 0.1ミリ単位で作った際の実際値の誤差が小さい順に並べ替える
4. 3の結果からモータの取り付け高さが最低高さを満たす集合を取り出し、取り付け高さと軸間距離の双方が最適な組合せを選定する

という作業を進めることになる。1を決めれば、あとは自動で選択肢が出る状態。
他にも、長い間先送りになってきたタイヤ製作精度向上のための加工環境・加工方法の検討も行い、今年こそまともなタイヤを使用できる見通しが立ってきた。

明日と明後日はロボットランサーの調査見学。交通手段と宿の手配は済んでいるが、持って行くモノの準備をしなければ・・・

こちらのブログで、ハイエンド3DCADの機能省略版が無償配布されていることを知った。一体どういうビジネスモデルがあってこのようなことが出来るのだろう。普通ならバナー広告が画面に出たりするところだが、CADソフトとしては面白そうな感じなので登録してダウンロードしてみた。

電源ICとゲートドライブICの選定。

これまでの検討、実験の結果を踏まえて、電源ICとゲートドライブICを選定していた。基本的な選定条件は以下の通り：

• 確実に入手できること (購入実績のある業者で販売されていること)
• 確実に実装できること (下面に放熱パッドがある製品などは避ける)
• 動作電圧範囲の上限は 11.5V 以上、下限は 5V 未満であること

まずは電源IC。昇降圧用途のICで条件に合うものを探すと、必要なインダクタが2つ (またはトランスが1つ) のICと、1つのICがあるようだ。

• 2インダクタ: LM3488, MAX668
• 1インダクタ: S-8460, LTC3780

SEPIC構成なら2つ、昇圧/降圧の切替え構成なら1つというところか。SEPIC構成は入力と出力を切り離せる点、スイッチ素子が減らせる点がメリット。切替え構成はインダクタは1つで済むメリットがあるものの、スイッチ素子が増えて基板設計も難しそう。しかし今回の用途の場合は動作期間のほとんどが降圧動作、切替え構成のほうが良いと考えた。S-8460を選定。

次にゲートドライブIC。先日製作した試作基板にはMIC4425 という製品のDIP版を使用したが、本番基板用としては4Vから動作する UCC27425 を選定。