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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

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。

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

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 🙄 

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

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。

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

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!

1軸 姿勢制御モジュール の筐体製作 ーリアクションホイールへの道5ー

前回M5Stack ATOM Matrixと内蔵の慣性センサMPU6886でモータ制御するところまで確認いたしました。

ここでは1軸姿勢制御モジュールの筐体を作りこんで
簡単に動作確認を実施いたしました。

 

筐体製作

1軸姿勢制御モジュールの筐体を製作します。
筐体は3Dプリンタで製作いたしました。

モータ寸法

モータの寸法はAliExpressのモータID-549XW 販売ページ と実機計測で把握しました。

Fusion360設計

Fusion360で筐体設計いたしました。

M5Stack ATOM Matrixもきっちり収まるように設計いたしました。

3Dプリント

ANYCUBIC MEGA-Sで出力いたしました。

 

モータとM5ATOMと一緒に組み立てます。

 

動作

前回 とほぼ同じコードと配線構成で動作確認いたしました。

とりあえずモータ電源なしで動作確認

 

モータ電源12Vを印可して動作確認。

やはり単純に傾きに比例して回転させる制御 (P制御)では立ちそうもありませんね。。。

しかし筐体はバッチリできたと言えそうです。
とてもかわいらしく製作できたので、この子をSHISEIGYO-1 (シセーギョー ワン)と名付けました。

 

おわりに

1軸姿勢制御モジュールの筐体が完成いたしました。
次回以降でしっかり制御を学んで倒立の実現を目指したいと思います。

それでは次の道でお会いしましょう!

チョベリグ金魚水槽システム

これまで地道に金魚水槽をカスタマイズしていき、管理システムはすっかり生活に溶け込んでおります。

今回は金魚水槽システムについてまとめます。

 

 

チョベリグ金魚水槽システム概要

本システムでできることは以下の通りです。

  • 水槽LEDの遠隔制御、水温、pHの測定
  • ESP32-CAMによる映像配信

金魚水槽監視システム製作開始 ーエッジAI活用への道 14ー

 

  • 水質データログ記録

pHセンサを味見 ーエッジAI活用への道 7ー

 

  • 遠隔エサやりユニット搭載

金魚水槽のフィルターをブクブクから外掛けフィルターへグレードアップ

システム構成

 

システムブラウザ画面

ESP32をサーバとしてアクセスすると管理画面が表示されます。

ブラウザでできること

  • “ご飯をあげる”ボタンでエサ供給
  • スライダでLED調光
  • 水温、pH測定値表示
  • ESP32-CAM画像ストリーミング表示
  • ESP32-CAM調整画面表示

エサやりユニット更新

システムブラウザ画面の”ご飯をあげる”ボタンを押すとソレノイドが動いてエサを押し出して水槽に供給します。

エサやりユニットのエサ補充部は漏斗を利用しておりましたが、クビレの部分でエサが詰まるので修正しました。

 
Fusion360で設計して、3Dプリンタで出力しました。
エサ補充部を一体化させました。

 

制御部筐体

金魚水槽のフィルターをブクブクから外掛けフィルターへグレードアップ

 

水槽に外掛けフィルターを導入したので、これまでの制御部むき出し状態じゃ水しぶきなどで壊れそうだったので素敵なケースに収納いたしました。

ダイソーの高級タッパを使用させていただきました。

 

 

M5Stack ATOM Matrix で ハンディーバーサライタを製作 ~ POV1-ATOM ~

前回はM5Stack ATOM Matrixを用い、モータ速度を手動で制御して残像表示するバーサライタを構築しました。

回転計を自作

しかし、手動でのモータ速度調整では残像を安定して定位置に表示できませんでした。

そこでここではセンサで回転を検出して描画する手法を試しました。
構成的にはSPI入力LEDテープを使用しているハンディーバーサライタ PovRanianとほぼ同じです。

 

 

構成

回転部にM5Stack ATOM Matrixとフォトリフレクタを搭載し、
ワイヤレスチャージモジュールを使って回転部への給電します。

部品

 

POV1-ATOM

取っ手部はPovRanianを流用しました。
取っ手部の白いマーカをフォトリフレクタで回転のたびに検出して回転時間を計測します。

回転部はFusion360でデザインし3Dプリントで作成しました。

デザインの際に ししかわさん が作製したM5Stack ATOM Matrixの3Dモデルを使用させていただきました。
非常に助かりました。ありがとうございます!

 

本当に3Dプリンタは便利!人生が変わりました。
デザイン通りに出力完了。

 

 

回転部にはワイヤレスチャージモジュールの受信側も搭載します。

フォトリフレクタ

フォトリフレクタがマーカで遮られるたびに割り込み動作で回転時間を測定する方法を採用しております。
しかしESP32にてフォトリフレクタの出力で割り込みをかけると、以下のようにチャタリングでまともに動きません。

 

そのためシュミットトリガインバータを挿入してチャタリングを除去しました。

 

シュミットトリガインバータ TC7W14FU のパッケージが0.65mmピッチSSOP8でしたので2.54mmピッチ変換基板に実装して使用しています。

Arduinoコード

フォトリフレクタによる割り込みで回転時間を計測して、1周の回転時間を32分割して絵を表示しています。

表示画像データ

表示画像データgraphics.hは前回同様にExcelで生成しました。

 

動作

やはりセンサできちんと回転を検出すると絵が安定していいですね♪

ちょっとLEDがNeoPixelのためか回転速度が上げられなかったので
デュアルコアで制御などまだまだ検討の余地はございますね。

ものづくりの道にゴール無し。

PovRanian の筐体を3Dプリンタにて

昨年末に購入した3DプリンタでPovRanian の筐体を作ってみました!
今までは木とか金具で構成していたので。。。

 

 

回転部

今回は満を持してFusion360で設計することといたしました!

マイコンやフォトリフレクタの3Dモデルも販売元から提供されており設計の助けとなりました♪

 

 
めちゃくちゃ試行錯誤して製作を進めました。。。

 

うまいこと中に詰め込み配線

 
回転部完成!

 
黒フィラメントでシックに仕上げました。

乾電池

電池もスマートに内蔵したいと考え電極を購入し、電池ボックスの設計も実施いたしました。

これまた試行錯誤して、なんとか電極を固定し単三電池をピッタリ入れるボックスが作製できました。

 

取っ手部

試作機1号

電池を持ち部分に収納する形で製作してみました。
DCモータもネジ穴を設けてきっちり固定します。

 
乾電池4本を並列に配置しましたので取っ手が太くなり過ぎました。。。

試作機2号

電池を2直列2並列に配置するようにして取っ手を細く持ちやすくしました。

 
また電源スイッチにラッチスイッチを採用しました。

試作機3号

各種微調整し、電池の極性を明示するためにケースには文字を入れてみました。

 

 

モータ収納部が円形のためか出力の際にベッドから離れて反ってしまうことがありました。

 
これはモデルを下敷き(ブリムというらしい)の上に出力することで解決しました。
意外にもブリムは簡単に取り外しできました。

 

おわりに

正月休みのほぼすべてとその後も仕事終わりに深夜まで夢中になって、筐体設計を頑張りました。

ツールの使い方から学習し、さらには形状によって変わりゆく3Dプリンタの出力具合いに悩み 試行錯誤を繰り返しメチャクチャ時間を使いました。

そのぶん木や金具を組み合わせていたのとは比べ物にならないほどに狂おしい新生PovRanianが爆誕しました。

引き続き3Dプリンタで色々なものを製作してゆきたいです!

 

レシピ販売

ShopでPovRanianの製作レシピの販売を開始しました。

レシピは 全22ページ 税込み¥500です。
筐体3Dモデルとサンプルコードは以下リンクで無料でダウンロードできますのでデータだけでもDLしてみてください。

PovRanian の製作レシピ