二足｜明日の設計図

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元気なAdel

文化の祭典前日に動いていたロボットです。もちろん当日も動いていましたよ。

当日は500人を超えるご来場もありよかったのでないですか。
文化の祭典お疲れ様でした。それぞれ反省はあると思いますが、特別問題が起きてないので、よかったのではないでしょうか。

全体的に、いつもより覇気がありませんでしたね。まあいいか。

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　足裏について・序（前）

　ホビー二足では、足裏は足の長さによって制限されている。大きくすることで、動きが安定するからであり、当然十分な大きさがあればロボットは転倒ができなくなる。もちろん大きすぎることで、動きの軽快さなどが失われることはある。
　人と比べると動だろうか。人間の足裏は、つま先からかかとまで、股下から地面までの3、4分の1である。つまり、ホビー二足と比べると小さくなっている。
　また、ホビー二足の足裏は金属や樹脂、木材などの素材がある。これは、人間に比べだいぶ硬い素材である。この状況を自分で考えてみると、足裏には、アルミの板が付いている。それも週刊誌ぐらいの大きさ。そして、骨に直接固定されている。この状態でフローリングやタイル、アスファルトを歩く。とても歩きづらそうである。

　一体どうして歩きづらいのか。
　まず足を持ち上げないと歩き始められない。そこで問題になってくるのは足裏の大きさである。大きいので、床に対して傾きが少しでもあると、少し持ち上げただけではかかとや、つま先などが接した状態になる。それに比べ、足裏が小さければ、少し足を上げることで床から離れることができる。足の一部が床に接した上体であるときは、床からの反力がある。つまり、それによってバランスが崩れることがある。足裏全体で接しているときに対し、つま先やかかとでは、体の中心から離れた位置で反力を受けることになるので、ちょっとした回転モーメントを生じさせてしまうことが容易にわかるだろう。
　次に着地である。着地についても、足裏の傾きによって、つま先や、かかとで着地してしまうことが考えられる。またそれは、足を上げるときに比べ、足裏の素材が硬いことから、はるかに大きな衝撃となって、ロボット全体のバランスを崩す要因となる。それに比べ、やわらかい、皮膚や脂肪からなる足裏では、つま先や、かかとのような端から着地しても、変形することで、衝撃自体を緩和し、より足裏内側で着地したような位置に負荷がかかる。
　さらに足裏の硬さは、着地時に跳ね返るという可能性を発生させる。普通に考えてみてほしいプラスティックの定規をつくえにぱしぱし当てると、一回当てたつもりでも、細かいを多が連続で鳴ることがわかるだろう。つまり、足裏の硬さによって、足全体に、細かい振動を発生させる原因となる。これは、連続で歩行していった場合、着地のたびに蓄積され、着地瞬間の足裏の状態や、全身の動きのバランスに影響出す。このような考え方は、物理の弾性係数によく関係する。変形なしに跳ね返ることを完全弾性衝突、変形しきって跳ね返らないことを非完全弾性衝突という。

　モーションしたことによってロボットはどのくらい不安定になり、どのくらい移動しているのかを考える。たとえば、自分が、3歩歩いてみる。最初の位置から、どのくらい移動しているだろうか。歩幅はどのくらいだろうか。これについては、股関節周り、膝、足首の回転量や移動量が把握できれば正確に値が計算できるだろう。しかし、ホビー二足においてはそのようには行かない。移動ロボットなどでも用いられるオドメトリ（デットレコニング？）と比較してみると理解が早いのではないだろうか。オドメトリでは、主に車輪の回転数によってどのくらいどこに移動したかを計算することである。これを使えば、地球一蹴も道筋を決めれば進んでいけるというものである。だが実際には、そんなことはできない。なぜなら、車輪が回転したからといって、その回転角かける半径分の円弧の長さに進むとは断言できない。路面の凹凸や、状態によって、車輪が接地していなかったり、滑ってしまったりすれば、すべておかしな数字になってしまう。つまり二足歩行においても同様のことが充分に考えられ、またより滑りやすいものである。ホビー二足が歩いているところなどご覧になったことがある人はわかると思うが、フローリング上で樹脂の板などが移動すれば、当然のことながらすべりを発生する。これは、上記オドメトリなどを考えるときに大きな壁となるが、必ずしも、バランスの安定の邪魔になっているわけではない。「足リンクについて」に述べたように、足裏が床面に接触するときは、大きく目標からずれている可能性がある。そこで足裏が滑らないと考えると、足が床についてから、思いっきり床面を蹴飛ばすような力を発生してしまうことがわかるだろうか。その力の成分は大体鉛直上向きと、床面に沿う摩擦力である。前者は足間接の単なる負荷トルクとなるが、後者は、床に着地した瞬間に足払いをかけられたようなことになる。つまり、重心から最も遠い点で、力を受けるので、とても大きな回転モーメントを発生させる。当然ロボットは即転倒する。また転倒しなかったとしても、ロボットは目標の移動距離とはだいぶ違った位置へと移動する。
　ここで、すべる場合をはどうなるか。基本的に動摩擦係数というのは静止摩擦係数よりも低いことや、つま先やかかとなどの端がぶつかってから、若干のすべりの後、足裏全体の着地となるので、結果として、目標からの足裏の傾きによるずれは緩和されることがある。
　もちろん、すべりの強さによって、同様のモーションでも全体としての速度は大きな差が生まれる。さらに同じ速度で移動していてもすべり具合によって、移動距離が変わる。簡単に考えれば、ローラシューズをはいて、すぐに走り出せるかといえばそんなことはなく少し助走のような、加速期を持たなければならない。減速も同様である。

　このように足裏の素材は人に比べ、だいぶ違った様相を示す。人の歩き方をまねたとしてもそれはホビー二足にとっては、無駄の多い歩き方であることが考えられるので、注意して素材を選ぶ必要があるし、摩擦係数などは、床面の状態によっても左右されてしまう。こればかりは場数を踏んで記録をとり、よさそうなものを選定していく必要があるようだ。

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Adel論　序説

　今度芝浦の大会に出ることに決めました。以前もAdelの足の改修が進んでいることを報告しましたが、それに伴うモーションの変更も進んでいますので、そこらへんを文書で書いていきます。

　足のリンクについて・序

　すべてのモーションについて重要なのは、足である。二足歩行であるから、歩行による移動、バランスよい攻撃、などに大きくかかわってくる。最近の、ホビー二足では”平行リンク”よく用いられる。これの利点としては、まずサーボの数の減少である。ピッチ方向の姿勢の微調整は、できなくなってしまうが、それは自由度の減少であり、理論上回転方向のガタやぶれというものがなくなる。もちろん理論上であるので、フレームのたわみや、ギヤのバックラッシやリンクのガタは残る。しかし、ピッチ方向におけるモータのトルク不足による振動や、不安定感に関しては、著しい効果があるようである。
　だが、前方への移動等のモーションには前後への加速度運動となるので、ピッチ方向への振動が発生しやすい。そのため、多くのロボットは足首や、股間付け根の足のピッチにジャイロによる角速度のフィードバック安定化制御をしている。それにおいては、平行リンクは対応することができない。一部のロボットでは”独立ピッチ”という、足首や股間の付け根に軸を配置しているものもある。
　このことから、現在のホビー二足においては、シリアルリンクの足も残っている。シリアルリンクのロボットは平行リンクと違いたいていは空間6自由度を持っている。つま先立ちやかかとに重心を持ってくるようなことも可能である。フレームパーツ数が少なくてすむため、設計が簡単で充分な考察をすることができるし、フレーム自体の重量は減らすこともできる。しかし、シリアルリンクでは平行リンクのように拘束されないのでサーボのトルクの影響がもろに出てくるし、負荷がかかり続けるので、多くのエネルギーを消費する。それによって、サーボの保持性能によって足のガタ、目標からのずれが顕著になる。基本的にサーボモータというのは負荷を受ければ若干であるが偏差を持ってしまう。

　以上のようなことが足の設計では重要な要素となってくる。

　次に考慮しておかなければいけないのが、移動モーションの考え方である。基本的にホビー二足はRCサーボモータ（以下サーボ）を各関節アクチュエータとして用いる。つまり、全体の状況を考慮したモータのサーボ制御は基本的にはできない。それぞれが勝手に位置制御なりを行うことになる。
　つまりプログラムで命令してやるものは結局目標角度である。目標角度の離散データを単位時間当たりに命令していくことになる。その命令に対して、サーボは最大の出力を持ってその角度に行こうとする。よって、モデル化するのが簡単なのは運動学レベルである。サーボの応答速度がある程度判明しているなら、それの可能な範囲で、位置の変化を命令してやればいい。ということになる。したがって、単位時間ごとに行くべき足先の位置から、各関節角度の導出を行い、命令する。これにより歩行制御ができる。

　結果として、二足歩行ロボットには設計上のガタと、理論上の目標位置がどのような関係になるのか。という事柄でモーションの作りこみ具合が変わってくる。設計によっては、ガタが大きくなり、各関節に付き発生することになると足先の位置というのは、足の長さに比例してずれてしまう。たとえば足の長さが15センチ程度あるとして、股関節の角度が3度違うだけで、1センチ程度の目標位置のずれとなってしまう。これが、片足が浮いているときなどを考えると、両足支持時に比べ負荷を増え、そして浮いている足先の位置は地面についている足から考えると2センチ以上のずれが発生してしまうことになる。
　この程度のずれがどのようにモーションに影響するか。ROBO-ONEのレギュレーションによると、足裏の長さは、2キロ以上のロボットで、前後7センチ5ミリ、左右4センチ5ミリ、となる。これは目標位置に足裏の中心が来るように目標位置の設計してやった場合、片足浮いているときから、足を付く瞬間には足裏の外周あたりが目標位置になってしまうことがわかる。また、足裏の着地角度も6度以上のずれが考えられるので、床面からの足裏射影は0.5ミリ程度のずれが生じる。こうなると、着地した瞬間の目標位置は足裏外周から2ミリ中心へ移動したところとなる。こうなってしまうと、目標としていた、足幅や、移動速度と大きな差が生まれてしまう。

　このような諸事実から、ホビー二足の理論的な制御と現実の違いが陽に理解できると思う。すなわち、足リンクの設計によって、制御手法が決定されてしまうということ理解できるだろう。このことをよく考えながら、設計を進めてもらいたい。

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家篭り中

　Adel、家にこもること早3ヶ月と数日

　ひそかに行われていたAdelの換装。ちょっとだけ紹介。

　左はひざです。
　しゃがみきれない。←ミスった。

　スパイラルチューブ変更。ジョイフル本田で細くて長いやつが250で売っていたので、少し前に衝動買いをした。
　ブルーのシリコンチューブも結構気に入っていたが、分厚いのでフィット感があまりよろしくないので交換。
　
　そもそもなぜ換装しているのか、ROBOONEレギュに対応させるため。手に対して、足を伸ばした。

　つけてみて、ちょっと手で押したり、引いたりしてみる。思ったよりアルミは歪まない。←（やばい、バックラッシュが・・・進化している。）

　

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よろしくない傾向

　KONDOのバスタブソールを見て、足裏製作法を思いつきました。

　最近のバスタブソールはカーボンでできているものもあり、とても軽量で頑丈です。しかし、カーボンというのは、いがいと入手性が悪く、曲面などの成型はかなりめんどうです。お店では、板しか置いてないし。
　つまり、バスタブカーボンはKONDO二しかないんです。

　があ！

　おいらのサークルには、それとなくプリプレグが凍っています。
　そこで、型を作って焼きましょうという考えに行き着きました。

　しかしまあ、曲面というのは面倒なので、とりあえず回りにリムを立ててなんとかかんとか。

　で、どうやるか？

　計画してみる。　

　雌型と雄型を用意。

　アルミの曲げで、作ります。雄型はカーボンの厚み分小さく作ります。
　また、足裏なので、ねじのことを考えないと困り者です。そこで、ねじをカーボンに焼きこんでしまいましょう。
　そのために、雄型にはねじ用の穴が必要です。

　雌型は穴はないです。

　準備したら、カーボンを取り出します。

　アルミに離型処理をします。
　
　雌アルミ雄アルミにそれぞれカーボンを張ります。

　雄は穴にあわせてカーボンにテキトーに穴を開けます。
　ねじをはめます。

　両方の型をくっつけます。できれば、雄型には小さい穴を無数に開けておきたい。それでもって、雄の外側にトイレットペーパーをぎゅっとくっつけて、雌と一緒にクランプで挟みます。

　焼く。

　剥がす。

　出来上がり。

　わくわくがとまりませんね。しかし、これをやるのは4月半ばだと思います。待てば海路のなんとやらです。

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二足てきな

　長いこと（2年くらい）二足班でしたが、最近はマイコンカー班で、こんなことに時間を要していていいのかどうか知りませんが・・・。（エンドミル折れちまったし、回路は最終的にはテキトーに配線すればいいし、プログラムははじめたらこっちの勝ちだろうし・・・？）

　自分はずっとハイテックの5498を使っていました。
　ロボット用13キロのスチールギアです。ずっと使いまわしですが未だにばっくらっしはほとんどないと思います（場所によっては少しある）。そんなわけで、はいてっくサーボの情報があるとつい乗ってしまいます。

　少し前にTmkにシリアル通信で動かせばいいジャンとか、なんとか言われました。様な気がします。でいくらか情報提供も受けたわけですが、とりあえず動いていたものをまたいじくりなおすのも面倒と思って放って起きましたが、最近いろいろと情報が・・・。
　aitech.ac.jp/~furuhasi/robo/technical/motor/serial.html
　まあこんなものとかを発見しました。

　いつこれに手を出して、いつ結果が出るのか想像がまったくできないのですが、もしかしたらそのうち手を出すかもしれないです。
　最近知ったけどロボノヴァサポートページ（English）にいろいろと情報とかVBのソースコードとかも落ちていることを知りました。どうわおうこく？がVBでシリアル通信するプログラム書くって言ってたし、それにも一枚かませてもらいたい気もする。

　でもなそうするためにはH8-3694Fはそろそろ厳しいですな。新しいマイコンに手を出さないと。

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いろいろ

まずは、歩行モーションについて一考します。
　この歩行はつい先だって作られたモーションです。フィードバックは何もなしで、ZMPを目指すように、歩行軌道を作っています。基本的には、ZMPは正面から見て横軸方向しか考えていません。
　歩行周期は0.5secです。
　歩幅は大体4cmぐらいです。
　単純に計算すると、0.16m/sです。
　しかし、すべりまくるのでよくわかりません。

　足の横幅は、ずっと同じはずです。しかし、見るからに違う。足を内から外へけっているように見えます。何でか？－＞股関節の前後軸の回転に対し、サーボのトルクが及びません。及ばないので、目標とする角度に目標とする時間にたどり着きません。
　どうやって解消したらいいんでしょうかね。
　ジャイロとか効かせるとなんかできるのかな？

　とりあえずジャイロを今度買いましょう。楽しみ。

　最近僕は、biped robot teamではなくなりました。現在はmicon car teamです。
　でもって、今日はいろんな成績を収めたことのあるマシンの写真を歴覧してました。
　見た限り全部は、ステアリングがあります。4WDかどうかはそれほど決まってません。
　ホイールは、アルミ、ポリアセ、の加工品、ラジコンキット、フィルムケース、塩ビパイプ、成型ウレタン、にスポンジまいて、シリコンシートあるいは、成型シリコンです。
　電池の使い方は意外といろいろあって、制御用と駆動用でわけたり、わけてなかったり。デンチボックスだったり、組電池だったり、特に決まらない様子。
　リアウィングは最近流行り。
　シャーシはアルミ、アクリル、ポリカ、CFRP、とかいろいろ。
　センサアームは、アルミ、ポリカとかエンプラの類、リボン鋼、とか。ホイールベースより長いのが最近の流行。
　モータは駆動用は、指定モータ、マクソン、かな？ステアリングはラジコンサーボより、自作の方が多い。
　ギアは黄銅がおおいね。ポリアセもあるね。というかそれだけかな。
　センサは大抵キットと大差ない。
　
　結論
　対向2輪では勝てない。
　ステアリングがただのベアリングフリーでは勝てない。
　センサアームが、ホイールベースより小さいと勝てない。
　モータが金属ブラシだと勝てない。

　いや、対向2輪で挑戦もありかも・・・。

　今の悩み
　電池でかい。

復活のビッグブラック
z軸のステッピングモータとネジのカップリングが外れている。

さて、まずは取り付ける。
なんかてこずる。

カップリングつく。

z軸動く。とてもよろしい。

決して、ジアゾカップリングとかではない。

この前取り付けた、基板の状態。
可変抵抗で、ステッピングモータの電流が決まる。らしい。

最近電源入れっぱなしにすると、ステッピングモータが熱い。

可変抵抗まわす。
z軸とかをまわす。
このぐらいの保持力でいいか。という妥協案にたどり着く。

動かす。（写真に写っているのは僕じゃありません。）
もともとの問題。がおきる。
問題ー＞CNCの電源入れる。
スピンドルまわす。
ー＞ステッピングモータが、勝手に動く。
ー＞いろいろ切削中に動く。
ー＞変な削り方する。
ー＞パーツ壊れる。エンドミル折れる。
ということで、オシロでノイズ計測。
原因不明。
ノイズらしきものは発覚しない。しかし、スピンドルモータの影響であることはもはや間違いない。
スピンドルの電圧を変える。
5v~40v
そのぐらいのレンジで変えてみる。
にわかに高電圧の方が、動くような気がしなくもない。でも低電圧でも動くことは確かだ。
何でか？スピンドルがステッピングモータと別電源。
回路が別。というか、スピンドルは、電源器直。
これが原因か。しかし、スピンドルモータの高電圧化がうちのビッグブラックの売りだ。
GNDを一致させてみるか？
ー＞何もしないよりか、動かない。どうやら気がするだけではない。
しかし、
未だに動くことがある。
ー＞やっぱり、回路一致か？電源一致か？
回路一致させる。
うご・・・かない・・・・・・と思う。
パーツを切ってみる。大体20ミニッツぐらい。
うまく切削完了。
原点回帰。－＞ズレは確認できず。
たぶん・・・・・・・・・・・・・・・・なおった・・・か？

少し、様子を見よう。
（※後半の写真はお見せするものがございません。）

　今度12月の13日に、津田沼にてうちのサークルが展示を行います。先端ものづくりチャレンジというものにブースをいただくようです。多くのお客様のご観覧お待ちしております。
　その前の週には大学はオープンキャンパスなのでそちらもよろしくお願いします。
　
　See you tomorrow.

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How to use that?

　先日は幼稚園にて、Adelとかのデモンストレーションをやってきました。なかなかに説明というものは難しい。なにせ相手は幼稚園児。何を言ったらいいのやら。

　とりあえず、このロボットは敵と戦うんじゃないよ。ということだけは念を押しておきました。よく言ってることがわかりませんけど。まあいいか。

　途中途中で、足が良く動きませんでした。何ででしょう。そのせいか最近後ろの起き上がりがどうにもうまくいきません。やったときによってなぜか、腕の伸び具合が違う。様な気がする。

　あんまり、まともにしゃべれなかったけど、みんな楽しんでくれたろうか。そう思う、そう思うことにしよう。

　今日は今日とて、サーボモータの実験。

　例のレッドホーンこと、HDS-2288ですが、よくわかりません。とりあえず、TmkがMG996の基板に交換。→保持トルク急上昇。でもケースに入らない。トルクが増えたというか、制御の仕方がまったく別のようなきがする。
　次に、オレがHSR-8498の基板に交換。→やはり保持トルク急上昇。やはり制御が違うな。
　
　「ん？5Aの電源器がCC?サーボは一個しかつながってない。」

　と思っていると。

　「あちっ！」

　恐ろしい高温になった。

　一度冷ましてから、もう一度。

　「あちっ！」

　電圧を下げてから、もう一度。

　「あちっ！・・・あれCCじゃないな。」

　熱くなるけど動いてる。動いてる。
　一安心して、電源を切ってみる。ちょっとまわしてみる。いやに硬い。
　
　「？」

　これは、相撲班的な。モータ焼け（？）でしょうか。なんともかたい。

　とまあ、あんなこんなで、サーボが一個お亡くなり。

　大体、自分が作ってるロボットの流れについて理解している人はわかると思いますが、実は8498はいくつか持っています。というか、自宅で遊んでる。今日とりあえず個数の確認。12個ていどの確保に成功。平行リンクでヨー軸なしで、腕は2軸になる。ああ、すばらしい。
　ようやく懐カーボンの出番か？たのしみだな。

　ちなみに、次のイベントは12月13日。津田沼キャンパスです。ブースで売り込みのひとと、サッカーする人がいます。楽しみにね。
　ロボットは２台以上出したいね。

　HEWのインストールもしたし、まずはMCRですね。

　cup cake cnc　をご存知ですか。部費で買わないかな。

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しかたない。

小さく出ましたね。だいぶ。

実はSR－X01のほうに書こうと思ったんですが、ブラウザの設定をこの前からいじるのがよくわからんようになって、ろぐいんができない。だから、こっち側に乗せちゃう。
これは、ですね。ZMPをとる重心の軌跡。つまりそれの1/2周期の部分です。（おそらくそのはず。）。どうみるか？右向いて立ってるロボットを上から見たときの重心の位置だと思えばよろしい。→が時間軸です。

　明日（いや、きょうか？）はついに津田沼祭の準備日になってしまいました。大した準備ができてません。目標であった。二足、マイコンカー、ロボコン、のロボット製作はおそらくしっぱい。もうまにあわない。クソーーー。
　仕方ない。から、二足でロボコンでよう（まだちゃんと動いてない）。

　さて、気合い入れていこうか。

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さっむい

　昨日の写真のロボットは今日の午後7時ごろに電気の力で自立しました。とりあえず何とかなったか。しかし、公称スペックとくらべると結構、よわっちい。どうしたらいいのかな。なんか電流不足とかかな？なんでかな。

　結構ぐにゃってなる。やべーどうしようか。移動モーションどころではない。くそHDS-2288レッドホーン。

　そうだ、マイコンカーやろう。

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