ロボット作るぞ!-8-脚の改良

 久々の雨の週末。ロボット製作も久しぶり、しかしながら脚の振動がどうしても治まらず。
 ロボットの動作モードでサーボモータ(SG90)の角度のオフセットを取ることに目的とした静止モードがあるのですがその状態にすると脚がガクガクと震えが止まりません。
 歩行モードで動きが判るようにゆっくり動かすと震えが顕著に影響して前進歩行が震えでバックしたり。高速モードだと震えの影響が小さくなるので何とか歩けます。


 
BT君 「どうしてこうなるの???
タッタ 「気を付け!
BT君 「ビシッ!
タッタ 「この状態でロボットはガクガク震えちゃってるの。早く動かすと震えるながらも早く手足を動かしてるから、ちゃんと動いてるように見えるけど本当はこの気を付け!の状態でビシッと止まらないと完全解決にはならないんだよ。
BT君 「なるほど~!で、どうすれば良いの?
タッタ 「考えます@@;

 もともとこの振動はサーボモータへの電流不足が原因だと思っていましたが、かなりの大容量の電流に変更しても治らないし PWM Periodを変更しても治らない。ネットで情報を集めてもPWM Periodは50Hzでやってる人も60Hzでやってる人もして対した影響も無さそう。本当はここはオシロスコープで見たいところだけど個人的に持っていない測定器なので調べようがないw

 そうなると次の考えられる要因はサーボが動かしている脚がサーボのイナーシャと共振していることです。この話は難しい説明を省きますがタッタの専門分野から外れてしまうので計算で回避するのは難しい。一番簡単なのは脚を軽量化することです。
 
 試しに脚のついていないサーボモータに変更したらサーボモータは安定して動きます。
 次にへの字型の脚の接着点を破壊して脚を半分にしたら振動は止まりました。
 
 これで足の構造に問題があることが解りました。
 
 手軽の部品でボディを作成する予定でしたが大きな壁にぶち当たりました(笑
 




メーカ:Apple モデル:iPhone 5s 露出時間(秒):1/30 F値:2.2 露出プログラム:ノーマルプログラム ISO:125 焦点距離(mm):4.15 露出補正:1.00 輝度:2.90179055887141 撮影日時:2016:04:03 13:59:57
 切断した脚の重量を測ってみると8gでした。意外と軽いのでこれ以上軽くて剛性を確保するのは結構たいへんだww
 
BT君 「脚が作れそうな物を探してくる!!

 発泡スチロールやダンボールなど色々と探して来てくれましたが決定打になる部材は見つけられず、仕方なくまたしてもアクリル板から切り出すことにしました。
 
 とりあえず太腿は5cm ヒザ下を10cmで試してみました。
 

 残念、、、まだ少し震える。
 
 ヒザ下の部品に1cm間隔で穴をあけて軽量化。まだ完全には安定せず。
 ヒザ下の部品に5mmで穴あけて、、これでかなりの安定度に。
 
BT君 「どうしてこっちの部品には穴を開けないの??
 と、太腿に部品には穴を開けないことに疑問を持ってくれました。
 
 難しい話ですが鉄尺で説明。支点から揺らす時に鉄尺を曲がらない方向で揺らすのと曲がる方向に揺らすのでは先端の揺れ方が違うこと。
 これは柔らかいとたわんで力が波状に広がって揺れが大きくなる振動と近い現象であること。







 また、鉄尺の支点近くにおもりをつけてもあまり変化は無いけど先端におもりをつけると揺れが大きくなること。
 
 まだBT君には「おぉ!!!」と、言う驚きの声しか出ず自分でどうしてそうなるのか考えられる話では無いですが実験をしながら説明すると食いつきは良いですね。
タッタ 「イナーシャって言うのは距離が遠いところにおもりがあると効果が大きくなるのね。だから太腿に穴を開けても効果がないことは無いんだけど遠くにある部分に穴を開けたほうが効果あるんだよ!

BT君 「なるほど!!!でも、これ以上こっちの部品には穴を明けれる場所が無いよ!!!



 さてBT博士どうしましょうね。

タッタ 「よく気が付きました!!!バキッ!
BT君 「うわぁ~~~@@;

 ヒザ下の部品の穴を利用して折って短くしました(笑
 
 とりあえず何回か折って調整した結果。
 ヒザ下は8.5mmでほぼ安定することがわかりました。





メーカ:Apple モデル:iPhone 5s 露出時間(秒):1/15 F値:2.2 露出プログラム:ノーマルプログラム ISO:500 焦点距離(mm):4.15 露出補正:1.00 輝度:0.440178571428571 撮影日時:2016:04:03 18:22:25
 
 さて、、、昆虫ロボットなので脚は6本。試作品が出来ましたがこれを、あと5本作らないと行けません。あぁ~~~卓上電鋸とか旋盤機が欲しい!!流石にこの作業は4月から小2とは言え危ないのでタッタの作業になるのでした。





メーカ:Apple モデル:iPhone 5s 露出時間(秒):1/30 F値:2.2 露出プログラム:ノーマルプログラム ISO:320 焦点距離(mm):4.15 露出補正:1.00 輝度:1.29982363315697 撮影日時:2016:04:03 20:16:45

 まだサーボフォンの取り付け穴の加工が終わっていませんが今日はここまで





メーカ:Apple モデル:iPhone 5s 露出時間(秒):1/15 F値:2.2 露出プログラム:ノーマルプログラム ISO:500 焦点距離(mm):4.15 露出補正:1.00 輝度:0.481703659268146 撮影日時:2016:04:03 20:17:04

 やった~!楽しみだ!!!
 
 とりあえず筐体がしっかり出来れば、そこからはタッタの得意分野に突入です。筐体完成に向けてもうひと踏ん張り!!




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ロボット作るぞ!-7-ボディ改良×サーボブラケット作成

 忙しくてプログラムのほうが公開出来ていませんが、とりあえず版でも欲しい方が居たら差し上げます。
 
 BT君が土曜日の学校イベントで居ないし雨は降っていて、とりあえずロボット作業でBT君が居ない時のほうが良い作業をすすめることにしました。
 
 サーボモータのSG90とPWMサーボシールドの相性が悪いのか電源容量が足らないのかサーボモータの振動が止まりません。
 今回、ちょっと安い電源を見つけたので25Aの電源を購入しました。しかし多少改善したもののまだ振動するので電源だけが問題じゃないのかな。
 オシロスコープがあれば原因追求も容易いような気がしますが個人的には持って居ないし、わざわざ職場に持って行って調べるのもな~w
 PWMサーボシールドの設定のほうも少しイジって調整していくしかないかな。
 
 って、ことで細かい振動でサーボモータ同士の接着が取れるのでなにか対策を~ってことでロボットの構造のほうで対策することにしました。(小学生が作れるレベルで作成するはずなんだけど、大人のこだわりで工具の敷居が徐々に高くなっているようなw)




メーカ:Apple モデル:iPhone 5s 露出時間(秒):1/33 F値:2.2 露出プログラム:ノーマルプログラム ISO:125 焦点距離(mm):4.15 露出補正:1.00 輝度:10.8531187122736 撮影日時:2015:11:14 15:46:55

 家にあったアクリル板をPカッターで30mm×50mmに切り出して二箇所にルーターで穴をあけてサーボホーンにネジ止めしました。

 前後に振れる足が長くなり今までの足の間隔だと移動角が取れないのでボディの板は2枚入りだったこともありホットボンドで連結。
 補強で脚の木材を真ん中にホットボンドで固定。

 サーボホーンの穴Ø1mmとかなり細かいネジの仕様になっていますが近所のホームセンターには2mmのボルトしかなかったのでサーボホーンの穴を大きく加工しました。


こんな感じに進化しました。





メーカ:Apple モデル:iPhone 5s 露出時間(秒):1/20 F値:2.2 露出プログラム:ノーマルプログラム ISO:320 焦点距離(mm):4.15 露出補正:1.00 輝度:9.45447470817121 撮影日時:2015:11:14 18:48:41

 

-簡単な組立図-

ボディの木は100mm×70mmを2枚連結
脚は100mmの丸棒












 これで今まで窮屈だった脚の前後の移動が取れるようになりました。実はこれは次のステップで重要なんです。

 昆虫の歩き方って調べると動画付きの説明など色々と見れます。BT君のロボットは動きを単純化しているので公開している動画では脚を一本ずつ動かしています。
 しかし昆虫は脚を3本セットで動かして歩いているそうです。(すっとボケていますが、実はBT君のロボットには、そのプログラムが既に組み込まれています)
 そうなると前足が後ろへ、中足は前へ動く衝突しやすい状況が発生するので今回の改修で衝突しにくくなりました。




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ロボット作るぞ!<6本脚歩行>

 追加のサーボモータも届いたので6本足歩行にしました。これでカメっぽいロボットからぐっと、昆虫ぽくなったかな?
 
 それとホームセンターでゴム足を見つけました。9.5mmサイズなので10mmの足に無理やりはめ込めました。
 BT君にやらせようと思ったけど意外にも力が必要だったんで大人の力ではめ込めました。1個40円以下で安くて手軽でしたが滑り止め効果は思ったよりも低めでした。
 さて動かすぞ!!!
 


 ロボットが四本足だった時点でプログラムは既に6本足制御になってたんですけど^^;
 
 足がプルプルしているのは電力不足らしい。8Aの電源だと12個動かすのは苦しいらしい。もう少しお小遣いを貯めて12Aぐらいの電源を買いたい所。

 6本足になったことでBT君には昆虫の歩き方について話をしようと思ってたけど宿題に手こずり作業時間が少なくなり6本足のロボットを見ているだけ終わってしまった。

 タッタもプログラムのバグで中脚を上げる制御が間違って下げる制御になっていて、おっと、、、とパソコンでさくっとバグを修正して新しいプログラムを書き込んで直ぐに歩き出した。それを見たBT君は

BT君 「僕もプログラムを覚えたい!!!ロボットに歩き方を教えてあげたい~~!

 と、かなり興味津々でした。(理系への育て方は興味と言う餌を与えることだと思いますww)

 しかし、まだ日本語もあやしいBT君にプログラム言語を覚えることは出来るのだろうか?
 とりあえずはアルゴリズムの考え方だけ留めるつもりだったけど悩ましい。




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ロボット作るぞ! ボディの作り方

 ロボット作るぞ!で作っているロボットは厳密に同じ寸法で作る必要はありません。ただし、プログラムに手を加えずにで動かすならばサーボの向きだけ合わせて作ってください。
 

 サーボモータはこれね
 
 ロボットの筋肉 サーボモータ


 ボディには100mm×70mmの木の板を使っています。ホームセンターで2枚で100円で売ってました。
 ボディの木の板に足が前後に動かすためのサーボモータを100均で売っている強力両面テープで貼り付けました。
 軽くするために小さいほうが良いです。木材じゃなくてアクリル板で加工したりアルミプレートにボルトどめしても良いです。
 
 しかし、このロボットは小学生でもちょっと手伝って貰えば作れること、試行錯誤しながら組み立てて新しいアイディアが浮かべば組み替えることを前提に作って行くのでラフな工作で問題ありません。動きが決まったらサーボモータのブラケットを作るかも?っとか考えてます。

 番号はサーボモータのNoです。PWMボードのチャンネル番号になります。プログラムの書きやすさから番号は0から始まっています。PWMボードのコネクタに挿すだけなので間違っても動きを見ながら直してね。




 使用しているサーボモータのSG90は180°回転します。丁度中間の90°の位置で足がボディと直角になるようにします。


 丁度中間の90°の位置で下の図のようにまっすぐなるようにします。(だいたいで大丈夫)
 前後用のサーボモータにネジ止めしたサーボホーンにホットボンドで上下用のサーボモータを貼り付けています。


 上下用のサーボモータも中間位置の90°の状態で足が直立するように貼り付けます。オレンジの部分が頭脳のアルディーノ基盤です。これも専用フォルダに載せてフォルダを両面テープで固定してます。
 足も10本で100円で売っていた100mmの丸棒を使っています。これを90°の角度でホットボンドで貼り付けて足の形にしてサーボホーンに直接ホットボンドで貼り付けました。


 サーボモータの動きが不安定で振動したりするとホットボンドが剥がれてしまうこともあり何度も貼り付け直しになるので厳密な角度はソフトウェアで調整できるようにしていますので可動域さえ確保すれば気楽に貼り付け大丈夫です。

 実際に動かす可動域は下の状態です。180°ちょっとの範囲でロックがかかるので下の2枚の図のような可動範囲があればOKです。
 
 足を下げた時(ボディが床から少し浮く程度)

 足を上げた時(ボディが完全に床に着いた状態で1cm以上は足が上がること

 我が家のロボットは試行錯誤で酷使されていることもあり何度も部品が外れて最取り付けを行っているので、かなりゼロ点の位置がズレています。なので調整したオフセット値もかなり大きなものになっています。
 
 
 形が出来上がってくると早く動かしたくなりますね^^;




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ロボット作るぞ! 簡単な歩き×課題

 水曜日はタッタが定時間日で早く帰宅できるので水曜日にロボットをやろうね!って約束していました。水曜日の朝からロボットをやろう!!って張り切ってましたがタッタが仕事から戻って来てからね@@;
 
 この日はBT君のロボットを歩かせました。動き始めると大興奮ですね。
 
 最終形態は昆虫ロボットを目指しているので6本足にする前提で今はサーボモータの制限などがあり4足歩行になっています。
 実際にこんな動きをする動物はいませんが、カメに似ているかな?単純な動きで歩行させています。
 
 
 
 今回のBT君への課題は、このロボットに足らない所見つけること。
 
 かなりヒント(ロボットの動きをタッタがオーバーアクションで真似したり)を出し続けて、やっと足が滑っていることに気が付きました。
 さて、どうすれば良いか?
 
 本来ならば、足首の関節を増やして地面に設置する足裏を作り常に水平になるように制御すれば足と地面の接地面積が増えて滑りづらくなります。しかし、これ以上は関節(サーボモータ)を増やせないので、この作戦は出来ませんどうすればいいかな!?
 
BT君 「地面を紙とか滑らないよう物に替えれば良い!!

 確かにそれなら足は滑らないけど今ののロボットはお腹を軽く擦って歩いているので、それだとますます前に進まないかも。それにそれはロボットの改良じゃなくて環境面の改良だよね^^;

 ここからは中々説明が難しい子供特有の自由過ぎる発想で聞いてるほうがクラクラするようなアイディアが沢山出てきます。
 
 ミニ四駆とかも出てきてタイヤを見てやっと

BT君 「やっと繋がった!(泊慎之介風)


BT君 「木よりもゴムのほうが滑りにくい!!

 今日はもう少し色んなことが出来ると思ったけど、こんなところで就寝時間になりました。
 
 お休みの日にホームセンターに行ってゴムボールみたいな部品探しに行きましょう~!

 タッタの課題…
 サーボモータSG90は精度が適当って情報があったけど単純なテストでは思ったより悪くない印象でしたが無付加での回転精度は悪くないのですが足を付けてサーボモータに負荷がかかるとかなり動きがバラバラです。同時に同じ量を動かすテストでも停止する時間にばらつきがかなり出ますw動きがかなり悪いサーボモータがあったので馴染ませようと手で回していたら動かなくなりましたwwギア軸がズレている状態から軸が割れたようです。安物なのでこれぐらいは広い心を持ちましょうwwソフト的なオフセット調整機構が必要です。

 ロボットの筋肉 サーボモータ

 
 
 ネットで集めた情報で、このサーボモータSG90を10個動かすのに1~2Aぐらいあれば行けるって情報があったので、安価な2AのACアダプタで動かしていましたが2Aで動かすにはサーボモータにかかる負荷にもよりますが4つぐらいでギリギリです。安定して動かすには2個かなw
 12個のサーボモータを動かすんであれば10A級の電源が欲しいところ。10Aだと少々お高いのと子供がいたずらすると危険、ちょっと対策を考えないとね。(今回は手持ちの8Aの電源で動かしています。)コンパクトな身体に不釣合いなでっかい外付け電源。あ、、ヱヴァンゲリヲンかっ!!
 
 電源の調査の過程でBT君が寝ている間にPWMサーボシールド(モータ制御基盤)電解コンデンサ(オプション)を付けておいたのですが

ロボットの脳から筋肉に繋がる神経 I2C接続16チャンネル12ビットPWMサーボシールド(Adafruit 16-channel PWM/Servo Shield)
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-08941/

 

BT君 「これなに??いつの間につけたの?どうなるの?
 と、すぐに細かい変化に気がついてコンデンサの働きを説明しました。このロボット作りで色んなことに興味を示してくれるとシメたものです(笑
 




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プロフィール

AKI

Author:AKI
この可愛い生命体はハンドルネーム“BT”です。
BT君の可愛さと親ばかぶりに呆れてください。


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GRの写真はおかあさんKissX2の写真はおとうさんが撮っています。
平日はおかあさんの写真が中心で休日はおとうさんの写真が中心で構成されています。


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