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電源を入れると点倒立するまで自律的に パラメータ調整しつつ動き続けるシステムを確立いたしました。

名付けて
“SHISEIGYO-3-eternal “
です。

動作は見ていただいた通りなのですが、ここでは開発の流れを紹介させていただきます。

筐体検討

SHISEIGYO-3は上部が解放された筐体となっていますが、SHISEIGYO-3-eternalは立方体の筐体を採用することにしました。

自律動作を実現するにあたり、モジュールはかなりの回数転倒する可能性があり筐体に強度が必要であろうと考えたためです。

とりあえずSHISEIGYO-3の外部筐体を立方体にしてみました。

SHISEIGYO-3 炭治郎

筐体立方体にしたら重くて起き上がれなくなった
軽量化検討中#リアクションホイールへの道#鬼滅の刃 pic.twitter.com/eaKX3UeELb

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 19, 2021

点倒立は安定して実施できますが、筐体の重量が増したため起き上がり動作は出来なくなりました。

筐体軽量化

モジュールが極力軽くなるように、強度が落ちない程度に軽量化を目指しました。

29g 減った pic.twitter.com/R0hEzeOk3d

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 21, 2021

ブレーキ改良

SHISEIGYO-3は以下のように3軸すべて一方方向への起き上がり動作しかできませんでした。

TPU Brake System for SHISEIGYO-3#3Dprinting #motor pic.twitter.com/DVyjStqAvj

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) November 19, 2020

自律的点倒立実現のためには3軸すべてで左右どちらにも起き上がれることが望ましいです。
そこでバンドブレーキを改良し両方向への起き上がり機構を実現しました。

バンドブレーキを改造し両方向への起き上がりを実現いたしました。
ブレーキはTPUフィラメントでこしらえサーボモータで動かしています。#リアクションホイールへの道

Miuzei マイクロサーボ 9g 180° 10個セットを Amazon でチェック！ https://t.co/kC1psFIIYl pic.twitter.com/x4ADzv152D

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 21, 2021

フライホイール検討

筐体の軽量化とブレーキの改良を実施しましたが、まだまだモジュールを自由自在に起き上がらせて動かすことはできませんでした。

倒立は立方体のほうが
というよりモジュールの重量重いほうが安定するのよ
制御スパンもゆっくりでよくなるので。

でも起き上がったりひっくり返したりしたい

モータのトルクはもう限界なので
あとはもうブレーキ変えるか
ホイールいじるしかないなぁ pic.twitter.com/7dJECJXD46

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 24, 2021

慣性モーメント向上

そこでフライホイールの慣性モーメントを向上させて、起き上がり動作を実現させることにしました。

3Dプリンタでフライホイールにナットを追加できる治具を製作して慣性モーメントを増加させました。

これにより左右の起き上がり動作を実現することができました。

無事、フル実装の立方体筐体でも左右起き上がり達成

左右起き上がり辺倒立は夜のおかずにします。#リアクションホイールへの道 pic.twitter.com/3QNmJa7qnC

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 25, 2021

3Dプリント

フライホイールの慣性モーメント向上で左右の起き上がり動作が実現できそうでしたので3軸すべてに展開します。

しかし現状の直径120mmのホイールにバンドブレーキを実装すると、隣り合う面で干渉してしまい3軸に展開ができませんでした。

そこでホイールの直径を小さくすることにし、フライホイールを3Dプリンタで出力することにしました。
モータシャフト固定部のみ市販品を流用しました。

分子間力

フライホイールを3Dプリントすることでサイズやナットによる慣性モーメント調整は容易になったのですが、ここで大きな問題にぶち当たります。

3DプリントしたPLAフィラメント製のホイールがブレーキ時にバンドブレーキの革とくっつく現象が起きたのです。

【疑問】
アルミのホイールの時には起きなかったが
PLAでホイールをこしらえて発生した現象

ブレーキ後に革とホイールがくっつく
ホイールのサイドにマスキングテープやビニルテープ貼っても同じであった。

ホイールサイドをヤスると若干改善した気がする。

摩擦熱？界面？
こんなの習ってない。 pic.twitter.com/Gz2SGIxCh3

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 27, 2021

この現象をtwitter上で問うたところ、分子間力でくっついているのではという助言をいただきました。
確かに以下の動画のように
　・革ーPLA
　・革ー紙(マスキングテープ)
　・革ービニルテープ
と高分子っぽいものがくっつき、
　・革ーAl
　・革ーCu
はくっつかなかったのです。

そこでPLAフィラメントで出力したフライホイールはサイドに銅箔を張り付けて、この吸着を避けることにしました。

まさかこんなところで分子間力を目の当たりにすることになるとは。。。驚きました 🙄 。

筐体再検討

フライホイールを3Dプリントし直径を小さくして3軸すべてに改良ブレーキを搭載することができました。

オーパーツ pic.twitter.com/qvwKD33yL6

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) March 29, 2021

しかし、フライホイールの重量が増したこともあり依然として縦横無尽にモジュールを動かすことはできません。。。。

いよいよ詰んだかとあきらめかけたとき以前製作したSHISEIGYO-1Rを思い出しました。

【SHISEIGYO-1R 】
倒立角動的再調整システム(IDRS)を搭載することで
傾きが大きくてもホイールの回転が抑制され
実に制御しやすくなった♪#成長

SHISEIGYO-1Rについては☟
　https://t.co/whH1ZFTxwd

Inverted angle Dynamic Readjustment System (IDRS)については☟
　https://t.co/LHXohospPx pic.twitter.com/WDEFvLH1Mx

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) December 10, 2020

丸くすればさほどトルクなくても所望の角度に移動できたなと。。。

筐体の角丸めればいいじゃん！

３軸すべてで左右起き上がり実現できました。#リアクションホイールへの道#ReactionWheel pic.twitter.com/95hakU9M9i

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) April 1, 2021

筐体の角をできるだけ丸めて起き上がり時に必要なトルクの低減を行い、
無事に3軸の左右起き上がりを実現できました。

見た目も可愛いです 😛 

起き上がり辺倒立と点倒立も実現できました。

起き上がり辺倒立クリア#リアクションホイールへの道#ReactionWheel pic.twitter.com/zmSDC2nJqi

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) April 2, 2021

おわりに

ざっと以上のような流れでSHISEIGYO-3-eternalを実現することができました。

自律動作の精度や電源線の巻き込み防止などまだまだ課題はございますので
引き続き研究を続けていきたいと思います！

どっかで展示できればいいなぁ。

次の記事

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