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DCモータで点倒立 SHISEIGYO-2 DC  ーリアクションホイールへの道52ー

すき 2
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以前、ミニ四駆のDCモータを用いて1軸の姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 DC を製作いたしました。

SHISEIGYO-1 DC の製作レシピ

 

ここではミニ四駆 DCモータを用いての2軸 姿勢制御モジュールを製作し点倒立を目指しました。

 

構成

構成は単純にSHISEIGYO-1 DC のモータ駆動部を2倍にしただけです。
ホイールが倍になり制御ピンが増えたのでコントローラにはM5Stack Core2 を採用しました。

モータドライバDRV8835はモータを2個駆動できますが駆動能力向上のためにモータ1個に対してドライバ出力をパラにして使用しています。

モータの回転は磁気エンコーダで検出します。

部品

筐体ベース組立て

筐体は3Dプリンタで製作しました。

 

M5Stack core2 はM5Stack Japan Creativity Contest 2021 の景品の金ぴかのモノを使用します。実にゴージャスです。

制御コードは以前ブラシレスモータで製作したSHISEIGYO-2のものをベ-スにDCモータ用にカスタマイズしました。

 

モータとエンコーダを3Dプリントした筐体に固定

 

電気結線

モータドライバやエンコーダをブレッドボードを使用しつつマイコンに接続してピン配を検討します。

 

使用ピン決定後にはんだ付け。
結線にはM5Stack用BUSモジュールを用いました。

 

 

 

倒立動作確認

いよいよ倒立動作を目指します。

倒立時のモータの制御パラメータは以前のSHISEIGYO-2の時と同様にCore2のタッチパネルで調整します。

辺倒立

以下のような三角柱の治具を3Dプリントして、まずは辺倒立動作を確認します。

 

X軸 OK

 

Y軸 OK

点倒立

各軸での辺倒立が確認できましたので、三角柱を点倒立用の棒に変えて倒立動作を目指します。

 

だいぶ いい感じに

 

点倒立達成!!


比較的大きなCore2を載せてDCモータで2軸での点倒立の実現には若干の不安がありましたが無地に達成することができました。

 

姿勢制御装置とバーサライタの融合2 ーリアクションホイールへの道51ー

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前回は 1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1のホイールにLEDをつけてバーサライタ動作させてみました。

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

 

姿勢制御モジュールのホイールはバランス状況によって正転・逆転及び回転スピードが変わるので、安定した画の表示は出来ませんでした。

 

スリップリング

前回はホイールにLEDと制御用のマイコン(Adafruit Trinket M0)と回転検出用フォトリフレクタを載せてワイヤレスチャージモジュールで無線電源給電しました。

ここでは画の表示にホイールを駆動するブラシレスモータのエンコーダ出力を使用したいと考えました。
エンコーダによる回転検出値でLEDの点灯パターンを制御すればホイールの正転・逆転及び回転スピードが変わっても表示する画に影響はありません。
しかし問題はどのようにエンコーダ出力値をLED制御に反映させるかです。

そこで遂にスリップリングに手を出してしまいました。

 

スリップリングは回転部に電源線や信号線を接続できるコネクタです。

 

ここでは4線のスリップリングを用いて回転部のSPI入力LEDと接続します。

 

SHISEIGYO-1 POV 構築

購入したスリップリングをSHISEIGYO-1のモータに通したかったのですが、シャフトが短く埋もれてしまいました。。

 

マウントハブと平行ピンでシャフトを延長してスリップリングとフライホイールを固定しました。

 

凄く仰々しくなってしまいました。。

完成

スリップリングの回転部用の配線に11セルのLEDを接続し、他方の配線をSHISEIGYO-1のコントローラであるATOM Matrixに接続します。

 

ATOM Matrix (デュアルコア) で姿勢制御しつつモータエンコーダ出力(1周100分解能)に基づいてSPI LEDを制御します。

 

動作

まずはホイール1周を4分割して4色で発光
エンコーダで回転位置を検出してホイール速度や正転・逆転に依存しない表示を確認。

倒立動作も問題なく出来ています。

 

アニメーション表示

LEDのセル数が少なく回転速度も一定ではなくそれほど早くないので、きれいな表示は出来ていませんがスリップリングの使用によってかつてない表現が実現できました。

 

おわりに

ここでは初めてのスリップリング体験を堪能し、姿勢制御モジュールとPOVの融合による新たな表現を検証いたしました。

今後はスリップリングを用いたガチPOVの製作も検討したいなと考えております。

それではまた。

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DCモータで点倒立 SHISEIGYO-2 DC  ーリアクションホイールへの道52ー

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

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姿勢制御モジュールのホイールにLEDを付けてバーサライタにしてみてはどうだろう。

思いついてしまったので どうなるかは考えずに作り上げることだけを考えて手を動かした。
ちょうど祝日 天皇誕生日。俺なりの祝いの儀式だ。

 

 

とにかく作る

1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1のホイールにLEDをつけてバーサライタ動作させます。

回転部への給電はハンディバーサライタ PovRanianの機構をそのまま利用してワイヤレスチャージモジュールを使用します。

 

ワイヤレスチャージモジュール送信側をSHISEIGYO-1の筐体に固定。
電源は5V DCDC出力に接続しました。

 

ホイールにLEDやワイヤレスチャージモジュールの受信部を固定する治具を3Dプリントいたしました。

マイコンはAdafruit Trinket M0 を使用しました。

 

SPI入力のLEDを11セル前面に固定。
更にホイールに固定後に回転を検出するフォトリフレクタセンサも固定します。

 

ホイールを固定して完成!

筐体に貼ったマスキングテープの白マーカをフォトリフレクタで検出します。

 

動作

 

プログラム的にはフォトリフレクタセンサで回転時間を検出して、1周の時間を4分割してLEDを赤、緑、青、黄で光らせます。

姿勢制御モジュールの場合は回転速度常時変化するのでマーカ1個で回転検出するPovRanian形式だときれいな絵を出すのが難しいです。

ブラシレスモータのエンコーダ出力を利用できれば回転速度や正転・逆転に関係なく絵が出せそうですが無線では厳しいと思います。

いつかスリップリングを使用した有線でのバーサライタ動作も試してみたいです。

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姿勢制御装置とバーサライタの融合2 ーリアクションホイールへの道51ー

姿勢制御モジュール 4重倒立挑戦3 ーリアクションホイールへの道49ー

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久々に姿勢制御モジュールの4段倒立に挑戦しました。

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

 

前回の倒立時間は31秒でした。今回はそれ以上を目指します。

 

 

前回の課題

前回の時点で3段倒立までは非常に安定しておりましたが、3段目に載せているSHISEGYO-1 Jr.のホイールのトルクが足りないかなと感じていました。

このトルク増加によって4段目のSHISEIGYO-1 DCの積載の影響が減り安定するのではと予想しました。

 

調整

前回の課題なども考慮しつつ諸々調整しました。

SHISEIGYO-1 DC 底面調整

SHISEIGYO-1 DCの底を滑りにくくするためにTPUフィラメント製にしました。
大変滑りにくくなりました。

SHISEIGYO-1 Jr.  ホイールトルク調整

前回からの課題であったSHISEGYO-1 Jr.のホイールのトルク不足を解消するために、ナットを増やしました。

この変更によってホイール質量は28g から 50g になりました。

安定性が増して3重で25分以上の倒立が実現できました。

SHISEIGYO-1 the END 重量調整

一番下の姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 the ENDの重量を増して安定化をはかりました。

1軸なので使用しないのですが、ホイールを2個追加でして増量しました。

 

記録会

上記調整を施して記録会実施しました。

47秒の4重倒立を達成しました!

 

再調整

記録会からまたまた気になる点が出てきたので再調整します。

記録会では倒立崩壊時に下から2番目のSHISEIGYO-1の制御が乱れた印象を受けました。
恐らくSHISEGYO-1 Jr.のトルク向上のためにホイール重量を増したことが影響したのだと思います。

SHISEIGYO-1 Jr.  ホイールトルク再調整

SHISEGYO-1 Jr.のホイール重量を増やし過ぎたため少し減らします。

3重だったナットを2重にしました。

この変更によってホイール質量は50g から 43g になりました。

SHISEIGYO-1 DC  ホイールトルク再調整

下から2番目のSHISEIGYO-1の負担をさらに減らすために1番上のSHISEIGYO-1 DCのホイールのネジを減らしました。

この変更によってホイール質量は22g から 15g になりました。

 

これでもSHISEIGYO-1 DC自身は問題なく倒立できることを確認しました。

 

再記録会

1分15秒の4重倒立を達成できました!!

バランスを持ち直す動作がかなりの頻度で出来ているので、もっと良い記録も目指せそうです。

置き方の鍛錬も進めたいと思います。

 

おわりに

今回の調整によって30秒以上の4重倒立は高い確率で実現できるようになりました。

置き方など研究して更なる高みを目指したいと思います!

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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

姿勢制御モジュール 4重倒立挑戦2 ーリアクションホイールへの道48ー

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2021 |15日目

前回 挑戦した姿勢制御モジュールの4段倒立。
このたび再挑戦しましたので報告します。

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

 

 

4逓倍

4段倒立は以下の順番で積み上げます。

SHISEIGYO-1 the END、SHISEIGYO-1、SHISEIGYO-1 Jr.はモータの回転を、使用しているブラシレスモータのエンコーダ出力 1周100パルスをカウントして検出しております。

SHISEIGYO-1 DC の製作でエンコーダ出力を4逓倍する技術を身に着けましたので
上記3機種の回転検出を4逓倍して1周 400カウントで検出できるように改良しました。

 

SHISEIGYO-1 DC は1周 5パルスの磁気エンコーダを4逓倍して1周 20カウントで制御しています。

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

 

4逓倍によって制御のきめが細かくなった気がいたします。

 

4段倒立再挑戦

 

4段倒立 最高記録は31秒でした。

 

テクノロジーと自身との戦い

課題

本挑戦により安定倒立を目指して更なる課題が見つかりました。

 

3段目に載せているSHISEGYO-1 Jr.のホイールのネジを増やしてトルク上げてみたいと思います。
現状で3段倒立までは非常に安定しておりますので、このトルク増加によって4段目のSHISEIGYO-1 DCの積載の影響が減り安定するのではと予想します。

また載せ方の鍛錬も重ねて次回の挑戦に臨みたいと考えております。

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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

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 😆 

 

タムラトウサクさん

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2021 |9日目

 

 
エンジニアや研究者は使用技術や着想の引用元を明確にするべきである
という教育を受けた

教育はされたが守るとは言っていない

やりたいからやった
むしゃくしゃしてやった

 

 

 

 

 

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!

SHISEIGYO-1 DC 完成!  ーリアクションホイールへの道47ー

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2021 |1日目

手頃に姿勢制御装置を楽しみたいということで入手が容易な部品での製作を目指してミニ四駆モータを用いた SHISEIGYO-1 DC の開発を進めております。

前回はモータドライバの発熱によって長時間動作ができないことを報告いたしました。

SHISEIGYO-1 DC の改善検討  ーリアクションホイールへの道44ー

ここでは発熱の改善を目指して色々検証しましたので報告いたします。
最後にお知らせもございますので何卒宜しくお願い致します。

 

 

モータドライバ変更

これまではモータドライバにDRV8835を使用してきました。
ここではDRV8835より出力トランジスタのオン抵抗の小さい TC78H653 を試してみました。

DRV8835がRon 305mΩに対してTC78H653 は220mΩということで発熱が抑えられるのではないかという算段です。

空中配線などで無理やり基板にTC78H653 を実装いたしました。
DRV8835 -> TC78H653 

 

TC78H653実装完了!

動作

早速動かしてみたのですが。。

回転する瞬間に止まる。。。 スタンバイピンをLowで復帰するので過電流保護が利いてるようです。。

程よいスピードで動かす分には動くのですが。。。

モータ変更や配線のケアで救える可能性なくもないですが、一旦過電流保護が作動するとラッチしてしまい非常に使いにくいのでTC78H653は不採用!!

 

基板修正

当初の基板ではモータドライバを裏面に実装しており、モータドライバが基板とモータの間に配置されます。
放熱性が良くないと思いモータドライバを上面に配置するように基板を修正しました。

 

結果としてはさほど大きな改善はありませんでした。。
ヒートシンクもつけてみましたがこれまためちゃくちゃな改善はありませんでした。

 

モータ変更

モータがグレードアップパーツを使用しているためハイパワーで電流が多いのではと思い、

 

ノーマルダブルシャフトモータを試してみました。

 

なんと電流が半分以下に減って 姿勢制御もゲイン調整で問題なくできてしまいました。

初めからノーマルでやっとけばよかったかな。。 
ミニ四駆のモータってこんなにもモノによって性能違うんですね。勉強になりました。

ノーマルダブルシャフトモータの使用によって発熱問題はあっさり解決いたしました 🙄 。

乾電池駆動

ノーマルダブルシャフトモータによって消費電流も減りミニ四駆のように乾電池駆動も確認できました。

 

レシピ販売

ミニ四駆モータで気軽に楽しめる姿勢制御モジュールが完成しましたので、製作レシピの販売を開始いたしました。
乾電池でも駆動可能ですので非常にフランクに姿勢制御できます。

SHISEIGYO-1 DC の製作レシピ

サンプルコードや筐体3Dモデルは上記リンクより無料でダウンロード可能です。
是非ご確認ください。

 

専用基板も以下で販売中です。

SHISEIGYO-1 DC 専用基板

 

3Dプリント済みの筐体組み立てキットも以下で販売中です。

SHISEIGYO-1 DC 筐体組み立てキット

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-1 DC の現状と今後  ーリアクションホイールへの道46ー

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DCモータを用いたSHISEIGYO-1 DC につきまして色々試しましたので報告いたします。

 

前回の報告は以下

SHISEIGYO-1 DC の改善検討  ーリアクションホイールへの道44ー

 

 

筐体修正

前回のテストで物理ブレーキなしでの起き上がり倒立は難しいことがわかりましたので、支点のRを20mmから10mmに変更しました。

 
 
いい感じの倒立具合です。

 

基板試作

基板を試作してみました。空中配線が減ってスッキリしました。

 

長時間動作検証

SHISEIGYO-1 DC を長時間動かすと、急にコントローラが停止して
その後もモータ駆動の瞬間にコントローラが停止する現象が起きます。

しばらく休むと正常に動作します。

 

モータドライバDRV8835のサーマルシャットダウン(TSD)が利いてるのではないかというアドバイスをいただきました。

 

シャットダウン時にコントローラも落ちる理由が不明ですが、モータドライバのTSDが要因で間違いなさそうです。

シャットダウン時のHブリッジの各素子のステータスがどうなるのか記載ないので何とも言えませんがタイミング悪く両サイドONして瞬間的に電流が流れてコントローラも落ちるのかもしれません。

DRV8835は制御基板とモータの間に配置してしまったので排熱は難しいですね。。
ちょっとモータドライバの選定からやり直します。

 

おわりに

だいぶSHISEIGYO-1 DCのことがわかってきました。
残念ながら現状長時間動作ができない状況ですが更に検討・改善を進めていきたいと思います。

次の記事

SHISEIGYO-1 DC 完成!  ーリアクションホイールへの道47ー

姿勢制御モジュール 4重倒立挑戦  ーリアクションホイールへの道45ー

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前回は ミニ四駆用の小型モータを用いた姿勢制御モジュール (SHISEIGYO-1 DC) の実現を報告させていただきました。

SHISEIGYO-1 DC の改善検討  ーリアクションホイールへの道44ー

 

以前、姿勢制御モジュールの3重倒立に挑戦いたしました。

せっかく小型モジュールのSHISEIGYO-1 DCが完成しましたので
更に上に積んで4重倒立を実現させたく挑戦いたしましたので報告いたします。

 

 

SHISEIGYO-1 the END

4重倒立を実現するにあたり1番上をSHISEIGYO-1 DC、2番目をSHISEIGYO-1 Jr.  、3番目をSHISEIGYO-1とします。
そうしますと1番下のモジュールには上記の3台が載ることになりますので、力強い機体にする必要がございます。

そこで以前製作した3軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-3をカスタマイズしてパワフルな1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 the ENDを製作しました。

 

 

最終的にSHISEIGYO-1 the END のホイールは3Dプリントしナットでトルクを増強したモノを採用しました。

 

4重倒立 1st トライ

 

 

 

 

 

1st トライでの課題

  • SHISEIGYO-1 the END の底面が直角すぎて滑りやすい
  • SHISEIGYO-1のホイールトルクが弱い
  • SHISEIGYO-1 Jr.の底面が滑りやすく安定しない

 

4重倒立 2nd トライ

1stトライの課題を受けて改善を施して2ndトライに挑みました。

 

1st トライによる課題を改善したことによって3重倒立は比較的容易にできるようになりました。

 

いよいよ4重倒立に挑戦

2nd トライでの課題

 

4重倒立 3rd トライ

改善を施し再トライ!

 

SHISEIGYO-1 Jr.のホイール トルク増強 市販のホイール (26g) から自作ホイール (39g) に変えて
倒立の胆力増加を目指しました。

遂に達成!

 

おわりに

小型 1軸 姿勢制御モジュール SHISEGYO-1 DCを用いることによって、ついに4重倒立が実現できました。

多重倒立の総括といいますかコツといいますか
エッセンスみたいなものをまとめますと現状以下のようになるかなと

  • ホイールトルク増強
    上段にモジュールを積んで負荷が増すのでホイールはその負荷に耐えうるトルクが必要となります。
    1番上のSHISEIGYO-1 DC以外のモジュールは全て当初のホイールよりトルクを大きくカスタマイズしました。
  • 各姿勢制御モジュールの回転は極力抑えて、柔軟に左右の振動に応答させる
    倒立時の回転抑制には独自技術の倒立角動的再調整システム IDRS (Inverted angle Dynamic Readjustment System) を施して対応した。

  • 支点の滑りの抑制
    IDRSによって倒立時の回転が低減されるとホイールは左右交互の回転になり、支点に負荷がかかり滑りやすくなる。
    モジュールの底面や間に挟む板を滑りにくくする工夫が必要であった。

 
IDRSの詳細は以下の通りです。

 

これらを踏まえ さらに磨きをかけて恒久的な4重倒立を目指したいと思います。

次の記事

SHISEIGYO-1 DC の現状と今後  ーリアクションホイールへの道46ー

SHISEIGYO-1 DC の改善検討  ーリアクションホイールへの道44ー

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前回はついにDCモータを使用した1軸 姿勢制御モジュール SHISEIGYO-1 DC が実現され、喜びの報告をさせていただきました。

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

 

ここではSHISEIGYO-1 DC の更なる検証・改善進めましたので記載いたします。

 

 

本体改善

SHISEIGYO-1 DC 本体に各種変更を加えました。

ホイールのナット数調整

前回はかなりの数のナットをホイールにつけてましたが、重すぎるので減らしました。

一つのネジにナット5個つけていたのを2個まで減らしました。
倒立も問題なくできております。

電源デカップ

モータ回転時にM5Stack ATOM MatrixのLEDがチカチカしておりましたが、
5V電源供給部に デカップリング キャパシタ 100uFを挿入することで改善いたしました。

モータ回転によって電源がへたっていたようです。

モータ固定方法強化

モータと磁気エンコーダを筐体と一体で固定できるようにいたしました。

モータドライバ

モータドライバ DRV8835 の位置をモータ側から制御基板側へ変更しました。
モータドライバへの電源引き回しを極力短くしたかったためです。

モータ選定

ミニ四駆用のダブルシャフトモータを使用していますので、モータ自体にもたくさんのラインアップがございます。
なんとなく買ったライトダッシュモーターPROを購入し使用していましたが、色々かって比べてみました。

  • ライトダッシュモーターPRO
    適正電圧:2.4~3.0V 推奨負荷トルク:1.3~1.9mN・m 回転数:14600~17800r/min 消費電流:1.5~2.2A

    現行品 
     
  • ハイパーダッシュモーターPRO 
    適正電圧:2.4~3.0V 推奨負荷トルク:1.4~1.9mN・m 回転数:17200~21200r/min 消費電流:1.6~3.0A

    電流大きくてドライブできない
     
  • マッハダッシュモーターPRO 
    適正電圧:2.4~3.0V 推奨負荷トルク:1.3~1.8mN・m 回転数:20000~24500r/min 消費電流:2.6~3.5A

    電流大きくてドライブできない
     
  • トルクチューン2モーターPRO
    適正電圧:2.4~3.0V 推奨負荷トルク:1.7~2.1mN・m 回転数:12200~14400r/min 消費電流:1.7~2.0A

    電流そこそこでトルクも大きい

上記4つのモータを比較して トルクチューン2モーターPRO がもっともSHISEIGYO-1 DC に最適であると判断いたしました。

 

電源検討

5V 4AのACアダプタでSHISEIGYO-1 DC を動かしてきましたが、たまに奇音が鳴ってちょっと苦しそうです。

そこで以下の安定化電源を買って動かしてみました。

安いのにハイパワーでOUTPUTスイッチがついています。

回転が速くなると電流が4A近くに一瞬なったりするので5V 4AのACアダプタでは少し力量不足かもしれませんね。

電圧も5V以下だとモータ回転時に電圧降下でマイコンが停止するので
1セルバッテリで気軽に駆動は難しそうです。

起き上がり倒立

これまでのSHISEIGYO-1のように物理ブレーキなしでの起き上がり倒立も試してみました。

DCモータを急峻に方向転換させることができずハネ起きれませんでした。
SHISEIGYO-1 DC については起き上がり倒立は断念するしかないようです。

 

おわりに

ここではSHISEIGYO-1 DC にいくつかの改良を施しました。

電源や基板などさらに磨きをかけて いつかレシピとして提供できるまでに仕上げたいと考えております。

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姿勢制御モジュール 4重倒立挑戦  ーリアクションホイールへの道45ー

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

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常々 姿勢制御モジュールを小型化したいと考えており、重たくサイズもそこそこのブラシレスモータの使用がネックとなっておりました。

ここでは姿勢制御モジュールを小型化をめざしてDCモータの使用を検討してみましたので報告いたします。

 

 

DCモータ

小型で入手性のよいDCモータで姿勢制御モジュールの実現を目指します。
姿勢制御の際にはモータの回転速度の検知が必須となります。

そこで以下の磁気エンコーダを試してみました。

 

早速DCモータにつけてA相、B相のパルスを確認してみました。
いい感じで回転を検出できているようです。

 

モータには回転検出用の磁気ディスクと姿勢制御用のリアクションホイールを接続する必要がありますのでダブルシャフトの以下のモータを採用することにいたしました。

 

姿勢制御モジュール構成

DCモータの回転検出ができそうですので姿勢制御モジュールの製作に進みます。

SHISEIGYO-1と同様にATOM Matrixでモジュールの傾きと角速度を検出しつつモータを制御します。

以下、モジュールの構成概要です。

部品

 

モータと磁気エンコーダは3Dプリンタで治具を出力して両面テープでうまいこと固定しました。
モータドライバもモータ上部に固定しました。

 

 

リアクションホイール検討

ひとまず部品を結線して動作確認

 

筐体やホイールも3Dプリントして本格的に姿勢制御モジュールを構築します。

 

ネジやナットでホイールのトルクを増やして、制御の調整もしますがなかなか難しいです。

磁気エンコーダ検証

ホイールのトルクを上げても なかなか制御がうまくいかないのでモータの回転速度を検出する磁気エンコーダを詳細調査しました。

SHISEIGYOは以下を参考にエンコーダのクロック数を検出しております。

ロータリーエンコーダを使う part 1 : 外部割込みとチャタリング対策

 

使用した磁気エンコーダは1周20カウントと記載あったので買ったのですが、よくよく見ると1周5クロックしか出ていませんでした。
これでは分解能が足りず正確に回転速度を計測できません。。

販売サイトの文言を見直すとA相、B相のクロックのエッジの合計が1周 20カウントとのことでした。。
てっきり各相で20クロック出ているものかと。。。

“The encoder board senses the rotation of the magnetic disc and provides a resolution of 20 counts per revolution of the motor shaft when counting both edges of both channels. “

ESP32のパルスカウンタ機能 採用

モータの回転速度検出の分解能が低く狼狽していたところ非常に有益な情報をいただきました。

 

なんとESP32には割り込み使用せずともパルスカウントができるとのことで早速試したところ本当にエンコーダ出力をカウントでき無事に1周20カウントで回転速度検出できるようになりました。

ESP32のパルスカウンタ機能なんて全然知らなかった。。。

以前 POVディスプレイでESP32を使用した際に、回転を割り込み使ってわざわざチャタ防止でシュミットトリガ入れてたけど この機能使えばよかったんだ。。
とても勉強になりました。

SHISEIGYO-1 DC爆誕

回転速度検出の精度が改善され無事に倒立が達成されました!!

課題はまだ多いけど

おわりに

無事にDCモータを使用した姿勢制御モジュールが実現され、大いなる可能性を見出すことができました。

しかしまだまだ SHISEIGYO1 DC 自体に課題が多いです。

  • 制動が甘い:じっくり調整します
  • モータノイズ:ノイズがガンガンのってLED点滅もおかしくなっているので要対策
  • バッテリ駆動にしたい
  • 起き上がり倒立:これはさすがに無理かも

まずはSHISEIGYO1 DCの精度を高めるべく頑張ります!

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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

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。

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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。

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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!

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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。

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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 🙄 

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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。

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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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