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一脚 屈伸ロボ 爆誕

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2021 |10日目

SHISEIGYO-2 Go 弐を応用して1脚ロボットを製作いたしましたので報告します。

SHISEIGYO-2 Go 爆誕 ーリアクションホイールへの道39ー

サーボテスト

手元にトルクの大きいサーボがありましたのでロボット足に使用できるのではとテスト

 

アルミのアームも付いて力強くていい感じだったのでもう1個買って検証

 

なんだかいい感じ♪
このサーボで足を構築することにいたしました。
 

足構築

3Dプリンタでひざ下部 (素材: PLAフィラメント) を作製し、足先は滑り防止を兼ねてTPUフィラメントで構成しました。

いい感じの屈伸運動です。
 

一脚ロボ 検証

SHISEIGYO-2 のリアクションホイールを合体させました。
ホイールはそれぞれ2枚重ねにしてトルクを増強しています。

屈伸動作検証

リアクションホイールによる姿勢制御のゲイン調整を施して比較的安定した屈伸運動が実現できました。

 

足を延ばしすぎたり、急な高さ変動にはまだ追従できていません。

 

起き上がり機能追加

リアクションホイールの回転制御による自立も実現できました。

 

完成

リアクションホイールと足は別マイコンで検証していましたが、
M5Stack CORE2ひとつでの制御にまとめました。

 

 

構成はSHISEIGYO-2 Go 弐 とほぼ同様で球体駆動用360度連続回転サーボが足用サーボになっただけです。

 

おまけ

開発途中で一脚ロボをAgility Roboticsのロボットと比較してみました 😆 

 

特殊球体ホイール バランスロボット SHISEIGYO-2 Go 弐

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2021 |7日目

以前製作した球体ホイールによるバランスロボットを改良いたしましたので報告いたします。

SHISEIGYO-2 Go 球体ホイールを検討 ーリアクションホイールへの道41ー

 

SHISEIGYO-2 Go 弐

以前作った SHISEIGYO-2 Goをバッテリ駆動にして電源ラインを排除し、より自由に移動できるようにいたしました。

3セルのリポバッテリ(11.1V)を24Vに昇圧してモータに給電します。

 

また球体ホイールの左右間に細いスリットを設けて右折左折がよりスムーズに実行できる工夫も施しました。

 

360度連続回転サーボで半球をそれぞれ独立で制御して移動します。

  • 360度連続回転 Feetech FS90R マイクロサーボ

 

動作

 

バッテリ内蔵によって縦横無尽に移動が可能になりました。
左右への旋回もスムーズです。

 

 

M5Stack Japan Creativity Contest 2021

SHISEIGYO-2 Go 弐を M5Stack Japan Creativity Contest 2021 に応募しましたところ 3位入賞することができました!

 

M5Stack社のジミー・ライ社長が受賞作品を選定しコメントをくれて、しかも参加賞までいただける素晴らしいコンテストなので是非来年も実施してほしいです (ジミー社長 非常にお忙しいでしょうが。。)。

 

 

追記

2022/1/15 3位入賞 賞品が届きました!

特別色でキンピカでラグジュアリーなM5Stack CORE2をいただきました。
キレイ!嬉しい!

バッテリ内蔵 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 Unplugged  ーリアクションホイールへの道42ー

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以前から実現したいと思っていた3軸姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3のバッテリ内蔵化を実施しましたので報告いたします。

 

 

昇圧 DCDCコンバータ検討

3軸姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 は 24V入力のブラシレスモータを3つ使用しています。
これまでは24V ACアダプタで電源供給をしておりました。

24Vのバッテリを搭載するのは難しいと考え、DCDCで24Vに昇圧しようと考えました。

以下のDCDCコンバータの使用を検討します。安かったので購入。

 

電子負荷で電流を引っ張って負荷特性を観てみました。
DCDCのポテンショメータを調整して出力電圧を24Vに設定しました。
入力電圧は3セルのLiPoバッテリの使用を想定して11Vとしました。

1次側の電源の電流能力の限界で1.1A以上引けませんでしたが、
1A以上の負荷でも24V出力できておりました。

波形を見てないため正確な安定度は分かりませんが電圧値をみている感じでは特に問題なく使えそうな印象を受けました。

 
電子負荷は以下を使用

 

バッテリ内蔵化

以前製作した3軸姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 eternal をバッテリ内蔵にしてみました。

SHISEIGYO-3-eternal 爆誕 ーリアクションホイールへの道35ー

 

ブラシレスモータ1つにつきDCDC1つで24V電源供給します。

 

バッテリには以下の3セルのLiPoバッテリを使用しました。

 

システム概要図

 

SHISEIGYO-3 Unplugged

動作もバッチリで SHISEIGYO-3 Unplugged の爆誕となりました。

次の記事

DCモータで姿勢制御 SHISEIGYO-1 DC 爆誕  ーリアクションホイールへの道43ー

SHISEIGYO-2 Go 球体ホイールを検討 ーリアクションホイールへの道41ー

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前回は山形大学の開発した球状歯車を参考に2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-2 のホイールへの応用を試しました。

SHISEIGYO-2 Go 爆誕 ーリアクションホイールへの道39ー

 

 

球体ホイールの検討

ホイールを球状にすることによって、移動が非常に安定することが前回わかりました。

しかし、球状歯車を自由自在に動かして様々な方向に移動させるには
機構が複雑になりそうで技術的にも難しいです。

どうしてもSHISEIGYO-2 Go を自由自在に動かしたいのでホイールを再検討いたしました。

 

ORENICS

半球にそれぞれ歯車の溝をつくり、独立して動く機構を考案いたしました。

 

2つの360°回転サーボでそれぞれ回します。

 

 

動作

 

まだまだ自由自在というわけにはいきませんが、方向転換とカーブ走行が実現できました。

 

おわりに

ここでは球体ホイールを検討、製作し動作確認を実施いたしました。

球体を構成するそれぞれの半球の接地精度や制御方法を精査して、縦横無尽に走り回るSHISEIGYO-2 Go を目指したい思います。

それでは次の道でお会いしましょう!

追記

調整 (2021/6/26)

走行調整中

なかなかいい感じになってきました。

次の記事

姿勢制御装置とバーサライタの融合 ーリアクションホイールへの道50ー

SHISEIGYO-2 Go ホイール検討 球状歯車を味見 ーリアクションホイールへの道40ー

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前回 2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-2にギアのホイールを追加して移動できるようにしました。

SHISEIGYO-2 Go の爆誕でした。

SHISEIGYO-2 Go 爆誕 ーリアクションホイールへの道39ー

今回はホイールの検討を進めましたので報告させていただきます。

 

 

ABENICS

先日 Twitterでとんでもない動画を観ました。

 
めっちゃヤバない?動画もカッコいいし

模倣

気づいたらFusion360を開いて球状歯車を作っていました。

動画を参考にギアを360°回して球体を作り、直交するものとANDをとれば完成です。

 

 

いじくってみると更に面白さと凄さを感じることができました。
体験って重要ですね。

 

SHISEIGYO-2 Goへの応用

早速、こしらえた球状歯車をSHISEIGYO-2 Goで試してみました。

 

以下のように360°回転サーボに普通のギアを付けて球状歯車を回している(左のサーボは重量バランスのためのダミー)のですが、たまにギアがロックしてしまい振動が大きくあまりスムーズに動けませんでした。

 

球状歯車をL字の固定具で四方から挟むように固定していたのですが
安定性向上のためにTPUフィラメントでホルダーをこしらえました。

 

しかし、大きな改善はありませんでした。。。
やはり回す方のギアも専用の複雑な形状に加工が必要そうです。

 

SHISEIGYO-2 Go 爆走

専用の回しギアのモデリングはあまりにも難しそうなので断念し、
ギア1個を回転させた以下の写真右の球状歯車を試してみました。

 

したら、いい感じにホールドもできてロックせずにスムーズにまわり
SHISEIGYO-2 Go 爆走したよね。

 

このスピードで動けたら申し分なくSHISEIGYO-2 Go ですね!!

 

おわりに

球状歯車をためして思いがけない進展を得ることができました。

しかし、せっかく球状のホイールを採用するのであれば前後移動だけでは寂しいですね。

もっと縦横無尽に動かしたいです。
別に歯車状である必要もない気がしてきているので検討進めたいと思います。

それでは次の道でお会いしましょう!

次の記事

バッテリ内蔵 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 Unplugged  ーリアクションホイールへの道42ー

SHISEIGYO-2 Go 爆誕 ーリアクションホイールへの道39ー

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私が姿勢制御モジュールの研究を開始して、もうすぐ1年が経とうとしています。
多くの学びと成果を得たのですが、このたびもう一歩前進することができました。

姿勢制御モジュールはあくまで”モジュール”
何かの構成要素の一つとして活用してこそであると常々考えておりました。

今回、1例となる活用実験が成功しましたので報告させていただきます。

 

 

SHISEIGYO-2 Go 爆誕

以前製作し、レシピ販売も実施している2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-2 の支点をタイヤにして倒立を保ったまま前後移動できないかと考えました。

 

早速、結果をご覧ください。

見事に1つのタイヤを支点に倒立前後移動が実現できました。

 

タイヤ

タイヤは360°回転サーボと3Dプリンタで出力したギアで構成しました。

 

 

ギアを連動させての機構は初めてやりましたが、なかなかうまくいきました。
もう3Dプリンタで何でもできちゃいますね。

ギア機構もっと勉強しよっと 🙄 

参考

 

SHISEIGYO-2 Go 動作

SHISEIGYO-2 Go は起き上がり動作も可能です。

 

坂道だってなんのその

 

おわりに

SHISEIGYO-2 をモジュールとして活用することによって、比較的簡単に1輪走行ロボットを実現することができました。

引き続き自作の姿勢制御モジュールの活用実験に励みたいと考えております。

次の記事

SHISEIGYO-2 Go ホイール検討 球状歯車を味見 ーリアクションホイールへの道40ー

SHISEIGYO-3 eternal 改良 ーリアクションホイールへの道38ー

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以前、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”SHISEIGYO-3 eternal”を構築しました。

SHISEIGYO-3-eternal 爆誕 ーリアクションホイールへの道35ー

ここではSHISEIGYO-3 eternalに改良を施しましたので報告させていただきます。

 

 

筐体調整

モータの負担をさらに低減するために、角のRを大きくしました。

 

倒立調整

新筐体で倒立の調整を行いました。

角を丸めた効果でモータの負担が減り、点倒立成功確度も非常に高くなりました。

また、この動作をTweetしたところ
“マツモト”、”マツモトだ”と少し騒がれましたww

なんのことだろうと思ったのですが、アニメのキューブロボットのことだったようで思いっきり のっかってみました。
似ていますでしょうか? 😀 

 

eternal動作

前回同様に電源起動で自律的にモータ回転速度などを調整しながら点倒立動作し続けるようにしました。

 

おわりに

だいぶ点倒立の確度も向上しましたので現状でも見れいられるシステムになったかと思います。

電源線の巻き込みなどケア考えたいです。

どっかで展示してみたいなぁ 🙄 

次の記事

SHISEIGYO-2 Go 爆誕 ーリアクションホイールへの道39ー

SHISEIGYO-1 を改良 APモードでパラメータ調整 ーリアクションホイールへの道37ー

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以下で1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1の製作例をまとめたレシピを販売しております。

SHISEIGYO-1 の制作レシピ

上記レシピのサンプルコードでは各種パラメータをコードに書き込んでいるため、調整が容易ではありませんでした。

 

2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-2ではコントローラにM5Stack CORE2を用いているためタッチパネルでパラメータ調整できるように改良を施しました。

SHISEIGYO-2 を改良しました ーリアクションホイールへの道36ー

 

SHISEIGYO-1はM5 ATOM Matrixを用いていますので、ここではAPモードでM5 ATOMに接続してブラウザでパラメータを調整できるようにしました。

 

 

APモード

M5 ATOM Matrix (ESP32-PICO) をアクセスポイントにして、スマホやPCをWiFi接続してブラウザでパラメータ調整できるようにしました。

 

ブラウザには起き上がりボタンと各種パラメータ調整が表示されます。

参考

 

サンプルコード

サンプルコードは以下でダウンロードできます。
zipファイルでダウンロードされますので解凍してご使用ください。

https://welno.homemadegarbage.com/products/make/shiseigyo-1-AP/SHISEIGYO-1_Ap.zip

動作

 

 

使用方法

  • 改良版サンプルコードを書き込んだSHISEIGYO-1を起動
     
  • スマホもしくはPCのWiFi接続設定でM5 ATOMに接続
    サンプルコードではSSID:SHISEIGYO-1、パスワード:passwordとしています。
     
  • ブラウザページにアクセス
    サンプルコードではIP:192.168.22.1
     
  • GetUpボタンで起き上がり動作、各種パラメータ調整は-/+クリックで実施
    パラメータは電源OFF後も保持されます。

起き上がり動作

今回の改良で左右の起き上がり時の起き上がり直前の最大回転速度を左右それぞれ独立で指定できるようにしました (rotMaxL, rotMaxR)。

回転速度は0~1023で指定でき、0に近づくほど高速になります。

IDRS (倒立角動的再調整システム)

倒立後のモータ回転速度をフィードバックして、逐一 倒立ターゲット角度を調整する手法 IDRS を導入しました。

 

IDRSを使用しない場合はコードの変数IDRSを0にしてください(デフォルトは3.0)。

 

おわりに

今回の改良でSHISEIGYO-1のパラメータ調整が容易になりました。

WiFI設定やパラメータの追加などいろいろアレンジしてご使用ください。

次の記事

SHISEIGYO-2 Go 爆誕 ーリアクションホイールへの道39ー

SHISEIGYO-2 を改良しました ーリアクションホイールへの道36ー

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2軸の姿勢制御モジュール SHISEIGYO-2のM5Stack CORE2用アプリを改良いたしました。

 

上の動画のように各制御パラメータをタッチパネルで変更できるようにしました。
調整した変数はメモリに保存され電源OFF後も保持されます。

コード書き込みや外部からの通信も必要なく変数が調整できますので非常に使いやすくなりました。

動作時の演出もささやかですが追加させていただきました。
 

変数保持

タッチパネルで変更した変数は NVS(Non-volatile storage不揮発性のメモリ)に保持されます。

Preferencesライブラリを使用いたしました。
ライブラリ使用方法については以下を参考にいたしました。


 

Arduinoコード

コードは以下にアップしておりますのでご参照ください。

https://gist.github.com/homemadegarbage/aa009fec3e0b91eb4d2233683147852f

 

SHOPのご案内

SHISEIGYO-2の製作レシピを以下で販売しております。
筐体3Dモデルも以下で無料ダウンロード可能です。

SHISEIGYO-2 の製作レシピ

 

また部品搭載済みのM5Stack CORE2用SHISEIGYO-2 駆動モジュールも販売しておりますので、是非ご検討ください。

SHISEIGYO-2 駆動モジュール

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SHISEIGYO-3 eternal 改良 ーリアクションホイールへの道38ー

SHISEIGYO-3-eternal 爆誕 ーリアクションホイールへの道35ー

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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。

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。

 

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。

 

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。

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。

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。

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。

 

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。

 

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。

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!

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。

 

 

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

SHISEIGYO-2 を改良しました ーリアクションホイールへの道36ー

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 基板製作 ーリアクションホイールへの道34ー

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前回は3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3に起き上がりボタンの追加などの改良を加えました。

1軸 姿勢制御モジュール 物理ブレーキの検証 ーリアクションホイールへの道12ー

今回はSHISEIGYO-3の制御基板を製作したので報告させていただきます。

 

 

基板設計

これまでSHISEIGYO-3はユニバーサル基板に手配線で構築しておりました。

配線がかなり大変なので基板を製作しようと思い立ちました。
これが私自身生まれて初めての自費製作基板となります (業務での基板製造経験はございます)。

EAGLE

PCB設計ツールにはFusion360でもお世話になっているAUTODESKのEAGLEを採用しました。

 

ESP32やIMUセンサMPU6050、ディスプレイモジュールを接続するだけの基板なので比較的簡単にできました。
モータが電流流れるのでモータ電源ラインだけ引き回しに注意しました。

EAGLEの使用方法は以下のサイトが非常に参考になりました。

https://tool-lab.com/mac-eagle-101-1/

 

基板製造

PCB製造はseeed社を使用しました。

2021年1月31に基板設計データをアップ・発注して2021年2月12に基板が到着しました。
工程も早くサイトでリアルタイムに確認できました。春節前に上がってよかったです。

費用は60×82mm 基板10枚で製造費$4.90、送料$19.33と非常に安くできました。

 

参考

 

基板実装

基板に部品を実装していきます。

 

基板によって非常にすっきりカッコよく仕上がりました。

 

動作

無事に動作も確認できました!

 

おわりに

ついに基板もできましたので、プログラムをブラッシュアップしてSHISEIGYO-3の製作レシピの執筆にとりかかりたいと思います。

それでは次の道でお会いしましょう!

次の記事

SHISEIGYO-3-eternal 爆誕 ーリアクションホイールへの道35ー

1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 バッテリ内蔵検討 ーリアクションホイールへの道33ー

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以前製作した 1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 につきましてバッテリ内蔵化を検討しましたのでご報告します。

SHISEIGYO-1 の制作レシピ

 

 

バッテリ内蔵

従来型

これまでSHISEIGYO-1は24V ACアダプタでモータ電源を駆動し、5Vに降圧してマイコンに給電していました。

SHISEIGYO-1は起き上がり動作時に瞬間的に1A以上消費します。

 

バッテリ内蔵検討

先日、朱雀技研ショップのTweetで良い製品をみつけ バッテリ内蔵の検討をしてみようと思い立ちました。

 
並行して勉強しているドローン用に買ったLiPoバッテリを1次側にして、24Vに昇圧してモータに給電する構成にしてみました。

 

組み立て

ユニバーサル基板を使用しつつ組み立てました。

 

 

動作

倒立自体ではそれほど大きな電流消費はないので問題なく倒立が実現できました。

 

しかし起き上がり動作時はビクともしませんでした。。。

 

考察

起き上がりの様子を見ると跳ね起きる前の回転スピードも上がり切ってないようなので
電流が十分に出力出来てないと考えられます。

1次側

起き上がり時にはモータに24V 1A以上の供給が必要です。

使用した1次側のLiPoバッテリの性能は以下の通り

4.35V、容量650mA、電流能力 39A (60C)で瞬間放電能力は78A (120C)とかなり強力です。

昇圧して24V 1A流すために1次側が流すべき電流は効率80%として

$$24 × 1 ÷ 0.8 ÷ 4.35 = 6.9 A$$ 

なのでLiPoバッテリの性能には問題はないはずです。

24V 昇降圧DCDCレギュレータ

そこで 昇降圧DCDCレギュレータの仕様をしっかり見てみることにしましょう。

販売サイトにちゃんと入力電圧-出力電流の図が載ってましたね。。。

出力電圧 24Vで入力が4.35Vだと最大出力電流は0.5A程度でしたね。。。
逆に出力電流1Aを満たすには入力8V以上必要でした 🙄 

ちゃんと仕様を見とくべきでした。

おわりに

比較的ハイボルで元気そうなDCDCだ!と喜びほぼ仕様見ずに買った結果
バッテリ内蔵での起き上がり動作の実現はできませんでした。

しかし購入した昇降圧DCDCはまた何かに使えそうですし、2セルのLiPoバッテリ買ったろかなと思う自分もいます。

あと電源なしにSHISEIGYO-1の倒立動作を気軽にみせれる状態になったので
コロナが収束したらポケットに入れて見せびらかしに出かけようと思います。

次の記事

1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 バッテリ内蔵検討 ーリアクションホイールへの道33ー

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 改良 ーリアクションホイールへの道32ー

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前回、完成を報告させていただいた3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3に改良を施しましたので報告させていただきます。

1軸 姿勢制御モジュール 物理ブレーキの検証 ーリアクションホイールへの道12ー

 

 

ESP32評価ボード変更

これまではAmazonで低価格のESP32ボードを使用していたのですが、
バージョンがESP32Dだったりそうじゃなかったりと届くまで確定できない問題がありました。

そこでESP32ボード購入先を確実性の高い秋月に変更しました。

 

 

2台のSHISEIGYO-3

秋月ESP32Dボード版と旧バージョンSHISEIGYO-3の2台を製作いたしました。

それぞれ筐体の色を変えてみました。カワイイ(*’ω’*)

 

ボタン追加

これまではBLEでスマホから設定や倒立起動させていましたがスマホをいちいち接続したり、
今後 製作レシピを販売するに際して煩雑になるので手動ボタンを追加いたしました。

辺倒立/点倒立選択ボタンと倒立起動ボタンの2個を追加しました。

辺倒立/点倒立選択ボタン

手動倒立時の辺倒立/点倒立モードを選択します。

倒立起動ボタン

倒立起動ボタンを押すと辺倒立し、もう一度押すと点倒立します。

 

おわりに

少しずつですがSHISEIGYO-3の品質も向上させることができているかなと感じております。

モータが3つ、センサ、ディスプレイなど配線も非常に多いので基板をひこうと考えております。
プライベートでは初めてとなるオリジナル基板となりますので楽しんで設計したいと思っています。

それでは次の道でお会いしましょう!

次の記事

SHISEIGYO-3-eternal 爆誕 ーリアクションホイールへの道35ー

2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-CORE2 完成 ーリアクションホイールへの道31ー

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前回は M5Stack CORE2 を用いて、2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-CORE2  の製作を開始いたしました。

はじめてのレザークラフト – キーケース製作 –

 

ここでは SHISEIGYO-CORE2 の完成にむけて諸々調整いたしましたので報告させていただきます。

 

 

安定性向上

モータ制御のパラメータを調整して安定性を向上させました。

かなりの外乱を加えても転倒しません。

 

ディスプレイ表示調整

当初は以下のように表示がカクカクでした。

 

@TobozoTagada さんにディスプレイ表示周りのコードを添削いただき、表示をヌルヌルにしていただきました!

 

これは非常に嬉しいです。見事にM5Stack CORE2 の素晴らしさを引き出していただきました!
本当にありがとうございます!! 🙂 

 

起き上がり動作実現

筐体の足の長さやモータ回転動作を調整し、物理ブレーキなしでの起き上がり動作を実現いたしました。

M5Stack CORE2のタッチパネルボタンを押すと立ち上がります。

 

おわりに

遂に2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-CORE2  が完成いたしました。

物理ブレーキなしでの点倒立達成は快挙といえるのではないでしょうか。

この可愛い倒立動作を是非皆さんにも楽しんでいただきたいので、SHISEIGYO-1のように早速製作レシピを執筆したいと考えております。

それでは次の道で!!

次の記事

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 改良 ーリアクションホイールへの道32ー

2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-CORE2 爆誕 ーリアクションホイールへの道30ー

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以前 SHISEIGYO-3 開発中にM5Stack CORE2 を壊してしまいました。
そうしましたところナント! M5Stack様よりM5Stack CORE2 をご提供いただきました!

 

本当にありがとうございます 🙂 !!こういった援助は非常に助かります。

 

ここでは前にAdafruit CLUE を用いて製作した2軸姿勢制御モジュール  SHISEIGYO-2をM5Stack CORE2 で作ってみましたので報告いたします。

2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-2 爆誕 ーリアクションホイールへの道27ー

SHISEIGYO-CORE2の爆誕でございます。

 

 

SHISEIGYO-CORE2製作

フライホイール2個をM5Stack CORE2で制御します。

 

モータの接続用端子や5V降圧DCDCはM5Stack用BUSモジュールに実装してM5Stack CORE2に接続しました。

電源は外部から24V ACアダプタから供給して、モータ用電源としています。
24VからDCDCで5V生成してM5Stack CORE2に給電します。

 

M5Stack CORE2には6軸IMUセンサ MPU6886が搭載されており、平面状の2軸(x, y)のセンサ値でそれぞれのモータを制御します。

 

完成!

 

動作

Adafruit CLUE 版ではディスプレイ表示のために遅延が発生しバランスが若干不安定でしたが、M5Stack CORE2はESP32が搭載されているのでデュアルタスクでディスプレイ表示とモータ制御実施で非常に安定しています。

起き上がり動作も現在調整中です。
下の動画は板をしいて少しモジュールを起こした状態での起き上がり動作です。

 

おわりに

今回は提供いただいたM5Stack CORE2で2軸姿勢制御モジュールを製作してみました。

まだまだ起き上がり動作の調整やディスプレイ表示のちらつき改善など課題がございますので、検討進めたいと思います!

 

それでは次の道で!!

次の記事

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 改良 ーリアクションホイールへの道32ー

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 ver 1.0 完成 ーリアクションホイールへの道29ー

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前回は搭載モータをすべて同一のモノにして安定点倒立動作を確認しました。

1軸 姿勢制御モジュール 物理ブレーキの検証 ーリアクションホイールへの道12ー

ここではSHISEIGYO-3がひとまず完成いたしましたので報告させていただきます。

 

 

安定点倒立

安定点倒立のために実施したことを記載します。

点倒立時にリアクションホイールが回ってしまうと以下のようにモジュール自体が回転してしまいます。

 
そこで、各ホイールは倒立時に極力停止できるように以前開発した IDRS (Inverted angle Dynamic Readjustment System:倒立角動的再調整システム )を採用しました。

それでも、完全に点倒立後の回転を止めることができなかったので、真ん中のモータには更にモジュール自体の回転をフィードバックして回転を止めるようにしました。

モジュール自体の回転角速度は以下のようにIMUセンサ (MPU6050)の角速度を重力方向に座標変換して得ました。

IMUの角速度を$(ω_x, ω_y, ω_z)$とするとX軸に対して$φ$、Y軸に対してθ回傾いた座標の角速度$(ω’_x, ω’_y, ω’_z)$は以下で算出されます。

$$
\begin{pmatrix}
ω’_x \\
ω’_y \\
ω’_z
\end{pmatrix}  =
\begin{pmatrix}
1 & \sin φ \tan θ & \cos φ \tan θ \\
0 & \cos φ& -sin φ \\
0 & \sin φ \sec θ& \cos φ \sec θ
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
ω_x \\
ω_y \\
ω_z
\end{pmatrix}$$

以上より重力方向の周りの角速度$ω’_z$は

$$ω’_z = ω_y \sin φ \secθ + ω_z \cosφ \secθ$$

で算出されます。これを真ん中のモータ制御にフィードバックしました。

 

モータは以下の式に基づいてトルクつまりモータの回転数を決定しています。

$$T_m = -K_{d1}・θ_b-K_{d2}・\dotθ_b-K_{d3}・\dotθ_w$$
$$T_mはモータのトルク、θ_bはモジュールの傾き、\dotθ_wはホイールの角速度、K_{dx}はそれぞれの係数$$

IDRSは上式の第1項にフィードバックさせ、$ω’_z$は第2項にフィードバックさせました。

 

起き上がり調整

安定点倒立が確立できましたので、起き上がり点倒立のために調整実施しました。

以下を調整しました。

  1. 起き上がり直前のモータ最大回転速度
  2. バンドブレーキを引くサーボの角度
  3. モータ停止からモータ倒立制御開始までの遅延時間

SHISEIGYO-3はIMUセンサを1つしか搭載していないので起き上がり時の遠心力の影響をもろにうけるので、3.で起き上がり中は制御を停止して遠心力低下してから倒立動作に入るようにしています。

真中のモータでまず辺倒立させて、両サイドのモータを同じ速度で起き上がり方向に回転させて同じタイミングと力でブレーキをかけて起き上げて点倒立させます。

 

モジュール回転制御

点倒立後にモジュールを回転させたり所望の角度に向きを変えたりしたいと思い回転制御の検討しました。

まずは回転の仕組みを知るべくSHISEIGYO-3を吊るすことにしました。

 

吊るし実験によってホイールの回転方向でモジュール自体の回転を制御できることがわかりました。

 

回転のメカニズムは何となく理解できたのですが、点倒立との両立方法が思いつかず。。
単純なフィードバック制御では回転制御は難しいのかもしれません。

ということで今回は断念して引き続き勉強します。

 

おわりに

ここで SHISEIGYO-3 の完成を宣言させていただきます。
回転制御ができていないのでver 1.0とします。

SHISEIGYO-1と同様に、近いうちにレシピとしてまとめて出版したいと思います。
回転制御も皆さんに作ってもらううちに誰かが実現してくれるかもしれませんし(他力本願)。

それではレシピの執筆にとりかかりたいと思います。

次の記事

2軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-CORE2 爆誕 ーリアクションホイールへの道30ー

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 点倒立 安定性検討 ーリアクションホイールへの道28ー

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購入したモータの到着待ちのため、ここしばらく SHISEIGYO-3 の開発をお休みしておりました。

ここまでの開発過程は以下にまとめております。

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 の開発過程と今後の予定

 
SHISEIGYO-3 の開発を再開しましたのでご報告致します。

 

 

モータ購入

SHISEIGYO-3 は以下の写真のショートバージョンのブラシレスモータID-529XW を3個搭載しております。

 

しかし ID-529XW 1個を物理ブレーキなしでの起き上がり辺倒立実験中に煙が出て壊してしまいました。

そのため仕方なくSHISEIGYO-3の真ん中のモータをロングバージョンID-549XWを搭載して実験を続けておりました。

安定点倒立を目指しておりましたが、モータの非対称性のため恒久的な倒立が実現できずにいたのでショートバージョンモータを購入し到着を待ちました。

モータ到着

なんとショートバージョンのモータをオーダーしたのにロングバージョンモータが到着しました。。。

 
11/16にAliExpressで注文して12/25に到着し1か月以上待ったのに。。。
目の前が真っ暗になりましたがクリスマスだったのでシャンペーンを飲んでグッと我慢しました。

 

返品も考えましたが面倒ですし、どうせまた1か月待つので止めました。
ロングバージョンモータはまた何かに使えるでしょうし。

再度ショートバージョンモータを購入し、二度と間違えないでくれとコメントを送っておきました。

モータ修理

モータのことは忘れ、家族とのクリスマスパーティーを楽しみ酔っ払ったのですが、
やはり あきらめきれず燃えたショートバージョンモータの基板を到着したロングバージョンモータとの差し替えを思い立ちました。

ショートバージョンモータの基板は思いっきり過負荷による破壊痕がありました。

 

取り外してロングバージョンモータの基板と差し替えて、無事動作を確認できました。

 
酔っていたこともあり、小惑星探査機 はやぶさ のイオンエンジンのメイン出力と中和剤出す所がそれぞれ壊れた2ユニットを結合して推進した時と重なり1人でうっとりしました。

 

点倒立動作

モータを修理して3つ全てをショートバージョンモータにして点倒立動作を確認しました。

 

非対称性が解消され恒久的点倒立が実現できました!!

 

おわりに

ついに安定点倒立が実現できました。

続いて安定した起き上がり点倒立の実現とモジュールの向きの制御の検討を実施したいと思います。

それでは次の道でお会いしましょう!

次の記事

SHISEIGYO-3-eternal 爆誕 ーリアクションホイールへの道35ー

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 バンドブレーキ改良 ーリアクションホイールへの道25ー

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2020 |12日目

前回はTPUフィラメントによるバンドブレーキを用いて起き上がり点倒立を実現できました。

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 起き上がり点倒立達成 ーリアクションホイールへの道24ー

今回はバンドブレーキを改良し、耐久性を向上しましたので報告いたします。

 

 

マイコン周り整理

ブレーキ改良前にマイコン周りをきれいに整理しました。

ESP32にモータなどを直接空中配線していたのでかなりごちゃごちゃしていました。

 

ユニバーサル基板にきれいに配置しました。
モータ配線もコネクタ加工して接続しています。

 

きれいにカッコよくなりました♪

 

筐体軽量化

マイコン整理に伴って若干モジュールの総重量が増えましたので、外筐体の軽量化を実施しました。

強度を損なわない程度にフレームを細くしました。

35gの軽量化に成功しました。

 

TPUバンドブレーキ

これまではTPUフィラメントでバンドブレーキを出力して使用してきました。

 

しかし、使用しているうちにブレーキが削れブレーキング効果が低下したり粉塵が出てくることが悩みでした。

 

バンドブレーキ改良検討

ブレーキが削れて粉塵が出たりするとケアやメンテナンスがハンパなく大変なので改善策を検討しました。

ゴムシート

ゴムシートを購入してTPUブレーキに貼り付けてみました。

 

しかしやはりホイールに削られて粉塵が出てしまいました。。。

ちょっとバンドブレーキに絶望してもう違う機構のブレーキにしようかとも考えたのですが。。。

諦めきれず続いて革を試してみました。
革材は以前レザークラフトに挑戦したときにたくさん買ってあったのです。

はじめてのレザークラフト – キーケース製作 –

 

革(おそらく豚革)を切って両面テープでTPUブレーキに貼り付けました。

 

動作

なんとうまくいきました!

今のところブレーキの損傷も粉塵もなく非常に安定しております♪
さすが革ですね!

 

おわりに

安定したバンドブレーキが実現できましたので、今後は起き上がりや点倒立の確度向上を目指します!

進捗があると大変うれしいですね 😛 !

それではまた次の道で!

次の記事

Adafruit CLUE で SHISEIGYO-1 やってみた ーリアクションホイールへの道26ー

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 起き上がり点倒立達成 ーリアクションホイールへの道24ー

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2020 |3日目

前回は倒立メソッドを確立し安定した点倒立実現の可能性を見出すことができました。

1軸 姿勢制御モジュール 物理ブレーキの検証 ーリアクションホイールへの道12ー

ここではいよいよ起き上がり点倒立を目指します。

 

 

ディスプレイ搭載

マイコンにESP32を使用しており、味気ないのでI2Cディスプレイを追加実装しました。

以下のディスプレイを使用しました。

上部(y = 0~15)がイエローで下部(y = 16~63)がブルーで表示されます。

 

ライブラリは以下を使用しました。
 https://github.com/adafruit/Adafruit_SSD1306

構成

ディスプレイ表示をデュアルタスクの別コアで処理するために、6軸センサMPU6050とは違うI2Cピンを設定して接続しました。

動作

各モータの姿勢角や各傾きをインジケータで表示するようにしました。

参考

 

ブレーキ追加

センターのホイールのブレーキと同様に、TPUフィラメントによるバンドブレーキを両サイドのホイールにも追加しました。

 

マイクロサーボで引っ張っています。

 

動作

辺倒立後に、サイドの両ホイールを起き上がる方向に徐々に高速回転させて
ブレーキをかけて起き上げます。

 

 

やはりなかなか難しいです。。。もろもろ調整して起き上がり点倒立を目指します。

 

ホイールの最高速度やブレーキ解除時間や倒立時のフィードバック係数など各種パラメータを調整する必要があるので非常に難しいです。。
現代制御が分からないので古典制御でゴリゴリフィードバック係数いじって調整しています。。。

以下のようにスマホアプリBlynk を用いてESP32とBLE通信してパラメータ調整しました。

 

実現!!

まだ確度や倒立の安定性は低いですが、ついに起き上がり点倒立が実現できました!!

おわりに

できるかどうかもわからない状態から遂にここまで来ることができました!

今後は起き上がりの確度と点倒立時の安定性の向上を目指します。

最終的にはSHISEIGYO-1と同様に皆さんのご家庭でも楽しめるレシピにして提供できればと考えております。

それでは次の道で!

 

NGシーン

まだ点倒立が完全に安定してないのでOKもNGもないのだが。。

次の記事

はじめてのレザークラフト – キーケース製作 –

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 安定点倒立メソッドの確立 ーリアクションホイールへの道23ー

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前回はマイコンにESP32、IMUに6軸モーションセンサMPU6050を採用し、
ブラシレスモータを制御し点倒立調整の準備をいたしました。

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 ESP32とMPU6050の使用 ーリアクションホイールへの道22ー

ここでは安定点倒立を目指し制御方法の検討を実施しましたので報告します。

 

 

点倒立に向けて

1軸の時のように単純に3つのモータを目標の角度で倒立させる制御をするのみでは下の動画のように倒立後に自転してしまいます。

この回転を抑えるために以下の2つの方法で検討をいたしました。

手法① 自転を検出してモータ制御

倒立後の自転時に各モータが一方方向に回転してしまうので、
モータ速度をフィードバックして回転を打ち消す方法を試しました。

 

しかし、余計に回ってしまい自転を抑制する方法を見出すことはできませんでした。

手法② 倒立後にモータの回転を抑制

続いて逆に倒立後にモータの回転を抑制する方法を試しました。

SHISEIGYO-3の各モータは以下の式でフィードバックをかけて制御しています。

$$T_m = -K_{d1}・θ_b-K_{d2}・\dotθ_b-K_{d3}・\dotθ_w$$
$$T_mはモータのトルク、θ_bはモジュールの傾き、\dotθ_wはホイールの角速度、K_{dx}はそれぞれの係数$$

上式の第三項によって、モータは倒立後も等速で回転することがあります。
例えば床が傾いていたり、センサの誤差や筐体自体がアンバランスな場合です。

この倒立後の等速回転のために点倒立時にモジュールが自転してしまうので、
ここではこの等速回転を抑えるような制御を試してみました(詳細は次節にて)。

完ぺきではありませんが、冒頭は非常に安定した倒立が実現されています。

したがってここではこのホイールの倒立後の等速回転を抑える手法を採用します。

 

倒立角 動的再調整システム

手法②では、倒立後のモータ回転速度を上式の第一項の角度にフィードバックして、
逐一 倒立ターゲット角度をモータ回転速度によって調整する手法を確立しました。

この手法を 倒立角動的再調整システム Inverted angle Dynamic Readjustment System (IDRS)と命名しました。

“IDRS” 非常にカッコいいです。

これによって倒立後に徐々に各モータの等速回転がゼロになる姿勢で安定するはずです。
しかし、前節の動画のようにまだ完ぺきには自転を抑えることはできませんでした。

更に工夫を加え、センターのモータはサイドのモータよりも急速にモータ回転速度の倒立角へのフィードバックをかけるようにしました。

なかかな惜しいです。
IDRSが効いているようですので、あとはパラメータ調整するのみです。

 

動作

IDRSのパラメータを調整して安定倒立を目指しました。

1分以上の点倒立が実現できました。
このIDRSを更に調整すれば恒久的な点倒立が実現できそうです。

SHISEIGYO-3は今後ディスプレイを付けたり、モータを変えたりブレーキを追加する予定ですので、
とりあえずメソッドは確立できたので更なる微調整は後に回したいと思います。
 

おわりに

ここでは安定点倒立を実現するメソッドIDRSを確立することができました。

次は起き上がり点倒立を目指したいと思います。

この道も佳境に入ってまいりました!
いろいろ難しいこともあるかと思いますが
諦めずに頑張ります!

それでは次の道でお会いしましょう。

次の記事

3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3 起き上がり点倒立達成 ーリアクションホイールへの道24ー