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全自動引きこもり機3rdの制御回路を考える(Raspberry piとCPLDによるサーボの制御)

前回は引きこもり機のデザイン画を描きました。
次は、CADで設計して細部の構造も決めて行きたいところですが。
注文したサーボが届くのが4月中旬で、それまで部品の寸法がわからないので設計できません。
というわけで、ロボットを制御する回路について考えていきます。
  • 液晶画面の表示
顔の表示には液晶画面を使います。
液晶画面の制御には色々な方法がありますが、今回のような小スペースの電子工作にはマイコンが使われるケースが多いです。
しかし、マイコンを使うと液晶の制御が面倒ですし、SDカードのようなメディアから表示データの読出すのは手間や時間がかかります。
僕も以前マイコンで液晶画面を制御してその大変さを実感しました。
【フレームバッファ】自作デバイスで動画再生したみた
そこで、今話題のRaspberry piという小型のPCを使おうと思います。OSはLinuxです。
Raspberry pi:http://www.raspberrypi.org/


Raspberry Pi(wikipediaより)

PCなので、なにもせずとも画面を接続すれば画面表示ができます。
顔を表示するとしたら、動画や画像ファイルを表示するようにすればいいでしょう。
解像度はもちろんフレームレートも高いですからね。かなり表現力の高い表情表示が期待できますし、それ以外のこともなんでもできそうです。

ちなみに、開発環境を整えれば、開発からデバッグ(動作テスト)までの全ての工程をRaspberry pi上で行えるという便利さもあります。
いままでのように”マイコンにプログラムを書き込んで、対象のボードに差し替えてボードの電源をいれて動かす”といった手間が省けます。

  • サーボモータの制御
Raspberry piには何本か入出力ピンがありマイコンのようにサーボモータやLEDを直接制御できます。
そういうと、このボード一枚で直接ロボットを制御できる気がしますが・・・現実は甘くはないです。


Raspberry Pi
Raspberry piにはPWM出力の端子が2個あるので確かにサーボは制御できます。
しかし、今回は間接制御用に20個のサーボを使いたいので足りません。
GPIO(ただの入出力ピン)はたくさんあるので、回避作としてをGPIOを使ったPWM波形の自作が考えられますが、その場合Raspberry pi上で実行されている他のプロセスの影響を受けるので、ジッター(波形がゆらぐ)が発生して、サーボの動作が安定しません。
さらに、LEDやモータの制御を考えるとRaspberry piのGPIOでは本数が足りなかったり・・・ということでサーボモータ制御用の回路を追加しなければなりません。
追加する回路は何が良いか。
チープなマイコンではサーボを制御する際に同じくジッターが発生するので、市販のサーボコントローラを使う、もしくは汎用ロジックICで回路を自作することが考えられます。
どっちでもいいのですが、”コストが安いことと作る楽しさ”を考えて汎用ロジックICを使おうと思います。


MAXII (オプティマイズMAXIICPLDより)

追記:

汎用ロジックICはマイコンと違って、メモリやCPUが入っていないただの組み換え可能な論理回路です。そのため非常に高速で安定した動作を実現できます。しかし、設計を論理回路レベルで行うので複雑な動作をさせるのは難しいという欠点もあります。

有名どころはFPGAやCPLDです。
今回はたまたま手元にあるMAXII(コストパフォーマンスの良さが売り)というCPLDを使います。
  • 駆動輪モータとLEDの制御
先述のようにサーボモータの制御を他の回路に任せれば、Raspberry piの残りのGPIOピンで駆動輪のモータとLEDを制御できます。
LEDはRasperry piにトランジスタを介してつなげればいいですし
駆動輪のモータは適当なモータドライバを介してつなげればいいです。


タミヤ ギヤードモーター
  • 電源
ロボットはなるべくワイヤレスしたいので、バッテリーを使います。
バッテリーは重いです。二足歩行の場合重心は低いほうがいいので、足や脛(すね)に入れようと思っています。
サーボ20個となると結構な消費電力になりますが、あまり大きくても場所に困るので、無難にタミヤのRC用バッテリーを使おうと思います。


タミヤ7.2vバッテリー
  • 回路全体の構成
以上から回路全体はこんな構成になります。



回路全体の構成
一番難しいのがRasberry piとMAXIIの間のI2C通信、MAXIIでのサーボ制御です。

追記:
I2Cとはシリアル通信のプロトコルです。他にもUSARTやSPIなどのプロトコルがありますが、サーボへの指令値を送るにはUSARTでは遅いし、SPIでは信号線が多いとういうことでI2Cにしました。

MAXIIではI2Cの規格に沿った通信回路やサーボ制御に必要なPWM波形を生成する回路の設計が必要になります。ロジックICでのこういった回路の設計は初めてです。楽しみです。



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全自動引きこもり機3rd Editionデザイン完成

前回ラフ絵だった引きこもり機のデザインが完成しました。
まずは箱の状態



一・二作目と同様に箱にトグルスイッチがついただけというシンプルなデザインです。
そしてトランスフォーム後



ヒューマノイド型です。(引きこもりのわりには)堂々としています。
トグルスイッチは収納され、かわりに胸に押しボタンスイッチがついています。
変形後はこのボタンを守るため(とも限りませんが)、両腕のドリルやハンドを使って攻防を繰り広げます。
ドリルやハンドは大きいので変形前は腕の中に収納されています。
肘から先が腕ごと回転します。ドリルだけまわるよりその方がダイナミックでかっこいいです。
背中にはウィングが、動力はジェットエンジンです。
流石に実際に動作はしませんが、吸気口と排気口がついています。
ウィングとかアーマーとかついてますが、一応これらは変形前の外装です。
変形前と後で整合性がとれるかはちゃんと考えていないので、今後の課題になります。
全身に青いラインが入っていますが、これは青色LEDで光らせる予定です。
線をムラなく光らせるために、光ファイバーとかアクリル板を使おうと思っています。これも試行錯誤して考えていきたいです。
暗がりのシーンでは結構かっこいい感じになるとおもいます^^x
デザインはこんな感じです。
さてさて、これから作り始めるわけですが、まず部品が必要です。
とりあえず、間接を動かすためのサーボモータを20個買いました。

RDS3115 Metal gear digital servo Robot servo arduino servo for Robot diy 15kg/cm




少しサイズが大きいですが、トルクや強度等が優れている上に安いのでこれにしました。
20個の制御となると相当なリソースを食いそうです。
サーボモータはPWM制御で動かしますが、安価なマイコンを使った場合
各モータのPWMの処理が互いに影響して動作が不安定になると考えられます。
専用のハードウェアを作るもしくは買うか、この辺りも調べる必要がありそうです。
ボディはやや複雑な形状をしています。
ホームセンターの樹脂板を加工して作ることもできますが、図面の展開や材料の加工に時間がかかって敵わないので、今回は3Dプリンタを使おうと思っています。

Portabee 3D Printerは値段が安いですし、調整をしかっかりすれば、同じ価格帯のものの中では特に高い精度がでるとみています。
(さいあく部品は自分で作れるので、自作できないベアリングやモータ、回路さえ揃っていればオッケーです)


Portabee 3D Printer Kit (Unassembled Kit)



4月に購入予定です。
いまはメイカーズブームなんていわれてますが、僕もこの波に乗り遅れないように
3Dプリンタを使っておもしろいものを作っていきたいですねッ!

MAKERS―21世紀の産業革命が始まる




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引きこもり機3rdデザインつづき

前回の正面のデザインに追加で、側面のデザインを描きました





並べるとこんなかんじ




下書きなので、線がおおざっぱですが、だいたいこんな雰囲気ということで。

ただ、頭から背中にかけて何かもの足りない感じがするので
思いつきしだい描き加えようかなとおもっています。
(首から背中にかけて伸びてる線とかなんなんだろう・・・w)

かっこいいか?というと自分でもなんともいえませんがw
一応かっこいいロボットの法則従ってます。
例えば四肢は根元よりも先端の方を太くするとか、なるべく直線を使うとか。
あと機能的に意味のある部品だけ描くとか。

3つめは描いていて気づいたことです。
無駄にかっこいい線を入れようとがんばらなくても、純粋に機能的に必要な線を描いていると
不思議とそれっぽい見た目になります。
これから書き込んでゆく細かい線に関しても同じかもしれません

多分アニメのロボットのデザインをやっている方も、そういう工学の知識をかなり持っているのではないかと思いました。








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引きこもり機3rdのデザインを考える

引きこもり機3rdはトランスフォームをします。
トランスフォーム前はいままでどおりの箱にスイッチが生えたシンプルなデザインです。

(1st Edition)



今回はトランスフォーム後のデザインについて考えました。
ニコ生で作業配信していたときは、わりと多足歩行ロボットが人気だったので
4足ロボットにしようか6足ロボットにしようかとか考えてみたのですがなかなかうまいデザインが思い浮かばず。

実は動画のシナリオに関しては1月ころから考えていて、トランスフォームするシーンは3rdにとって正念場で、とにかく格好よく映ってほしいシーン(笑)だったので多足歩行ロボットはイメージにあいませんでした。
足がいっぱいあるところに顔をつけると大分不恰好で残念な感じになりますし(盛り上がるシーンでまさかの展開ということでそれも悪くないけど・・・w)
持ち前の可愛さを保持するのは大変ですし(キャラ崩壊w)
あと、過去に多足歩行ロボットは作ったことがあって、どちらかというと二足歩行ロボの方が興味があったり
そんなわけで二足歩行ロボットにしました。

とりあえず下書きです。


頭はトランスフォーム前の顔の液晶画面、右手にはドリル、左手にはハンド、両足にはタイヤが、
肩、腰、腕、脚にはそれぞれアーマーが、描いてませんが、背中には大きなウィングがつきます。
このアーマーやウィングはトランスフォーム前の箱の外装です。

ドリルとタイヤはちゃんと回ります。タイヤに関しては上げ下げが可能で、下げることで立った状態でタイヤでの走行もできます。
間接は手と足で16個、頭をいれると18個になり、タイヤの上下機構やタイヤの駆動を考えると、サーボモータ20個、DCモータ2個程度の構成になりそうです。(意外といかつい・・・w)
液晶画面の高さが10cmなので、マシンの身長は30cmくらい?

あと、細かいところですが、胴体やスネのU字型のラインは”Ultimate machine(究極機械)”の頭文字をとっています。
基本配色は白で、U字ラインのぶぶんはLEDで青もしくは赤で光らせようとおもっています。

以上こんな感じです。
でもまあ、正直清書しないとどんなものが掴めないので、細かいところはそっからですね。
清書したら実はすごくかっこ悪くてやり直しかもしれませんしw

でわでわノシ




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各部品の模写・設計

全自動引きこもり機3rdの製作を先週から始めたわけですが、まずはマシンの設計からやることにしました。

どんなロボットに変形するのか、二足歩行か多足歩行ロボットなのか。
引きこもり機の可愛さを活かしたかっこよさとはどんなデザインなのか。
変形する前とした後で各部品をどのように配置すればいいのか。

アイディア、デザイン、実現性・・・
ささっと考えて設計を始めたかったのですが、どの要素も他の要素と互いに影響を受けるので、
どこから考えても、ああでもないこおでもないとたらい回しになってなかなか前に進めませんでしたw

ひとまず、決めれる部品だけ決めてCAD上に起こすことにしました。

□制御基盤(Raspberry Pi)
液晶の表示とかモータの制御とか全部の制御に使います


模写


サーボモータ(RDS****)
サイズは40×20×40[mm]、速度は0.14[s]/60[deg]トルクは14[Kg・cm]、十分な応答性やトルクがある上に、15個で12,000円と大特価だったのでこれにしました


模写


ディスプレー(7inch tft LCD)
横160×縦100[mm]の液晶ディスプレー、画面のサイズがそのままマシンのサイズになります。
2ndではスペース的に色々ときつきつだったので、ちょっと余裕をもって決めました。



模写


スイッチも適当に探してCADに起こそうかなとおもっています。
そしたら各部品を固定するフレームを設計しようかな~





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Author:回路師
趣味がロボットと動画製作です。
便利な機械やあほなマシンの動画を投稿しています.

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