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倒立振子製作の歩み

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この4年でかれこれ10台以上の倒立振子を製作してきました。そろそろアイデアもネタ切れ状態なのでこれまでの歩みを備忘録としてまとめておきます。

構想倒れの機体、作っては見たが陽の目を見なかった機体も含めて掲載しておきます。

・最初の一台

4年前にArduinoというものをある人から教えてもらってLチカ出来たと遊んでいるうちに動くものが作りたくなって倒立振子というものに興味をもったきっかけが以下のサイトです。

「もうひとつの倒立振子(デジタル版}」

このサイトの情報を頼りに作り上げた記念すべき一号機です。2015年の作品です。ArduinoUNO、タミヤのギアボックスを使っています。

ほんの数秒間ですが倒立したと喜んでいたものです。

二号機

このブログでも紹介したことのある機体です。一号機と同じくタミヤのギアボックスとマブチモータの組み合わせで、マイコンはArduinoUNOを使っています。スケッチはSainsmart InstaBotsの情報を参考にしたものです。このコードにより安定性は格段に向上しています。また初めて赤外線によるリモコン操縦を試みました。


三号機

タミヤのギアボックスではバックラッシュが大きく制御に問題がありそうなのでギアードDCモーターに変更した機体です。 倒立性、走行性ともに期待以上に向上しました。三層構造で下段にモータドライバ、中段にArduinoUNO、上段は電池となっています。

三号機(改)

さらに安定性を向上させようと電池ボックスを移動し二層構造とし低重心にした機体です。 ジョイスティックでWiFi経由でリモコン操作しています。


三号機(最終型)

ArduinoUnoをatmega328とし、モータドライバ以外を一枚基板にした機体。WiFi経由でジョイスティックによりリモコン操縦しています。 ギアードDCモータ機としてはこれ以上はすることはないかなと思った機体。海外からも問い合わせがきたりした機体です。 残念ながらこの機体は部品取りのために解体しました。


調子に乗ってタンゴの伴奏で。旋回はスムーズですが前後進は難しい。速度アップするとすぐに転倒します。エンコーダで速度フィードバックをかけなければならないようです。

・ミニマムサイズ倒立振子

小型軽量化を目指して手のひらサイズで重量126gを実現した機体です。今回始めて衝突回避のための測距センサーも搭載してみました。動作は意図通りになっていますが、この機体も部品取りのために解体してESP-WROOM-02を使って世界最小・最軽量を目指してリニューアルしています。

動画中ではWiFi経由でリモコン操作していますが、転倒したりしながら衝突直前でうまく回避動作はしているようです。

・倒立振子ステッピングモータ仕様一号機

ステッピングモーターは減速機付きDCモーターに較べてバックラッシュの影響がなく、より安定した倒立振子が製作できるという情報がありネット上を検索すると色々あります。

その中でもjjrobots社のBROBOTという機体が安定性も走行性も高いようなのでこれを参考に製作した機体。初めてESP-WROOM-02を使ってWiFi経由でリモコン操作しています。


TouchOSCというソフトをタブレットにインストールしコントローラとしています。実に安定した倒立性と走行性が実現しました。

ここからしばらくはステッピングモータ仕様機の製作がつづいていきます。

・ステッピングモータ仕様二号機

一号機の安定性と走りの良さに気をよくして一号機で使ったNEMA17 というステッピングモータを一回り小さいNEMA15 とし小型化を目標に製作した機体です。モータと電池の配置がが今後の基本になった機体でもあります。

・ステッピングモータ仕様三号機

二号機と同構成ですがデザインにこだわったドラム形の機体。

・ステッピングモータ仕様四号機

ステッピングモータ仕様機も回路的に固まってきたのでこのあたりで量産基板にしてみようということで完成した機体。NEMA15 サイズでは最小サイズの機体だと思います。

・番外編

映画スターウォーズの人気ロボットR2D2を倒立振子化してみようと製作した機体です。目標にした音声と衝突回避センサの機能が中途半端なままそのままになっています。自然に起き上がる様子が可愛い。

・失敗作

正体不明な超小型ステッピングモータが手に入ったので作ってはみましたがあまりにもトルク不足で倒立さえ出来ませんでした。

それならばと減速機付きの同じようなステッピングモータにて再トライしてみましたが、回転数不足をだましだまし倒立までは完成しましたがリモコン走行が出来ずこれも頓挫しています。

・小さな倒立振子

ステッピングモータ仕様での小型・軽量化は諦めて、DCモータでトライしてみることにしました。ベースになるのは以前作ったミニマムサイズ倒立振子です。ESP-WROOM-02にて機体の制御とWiFi機能を兼ね、モータドライバを従来のTA7291Pを2個からDRV 8835を1個とし小型・軽量化を図りました。結果、重量111g、全幅75㎜で完成しました。一体、世界最小・最軽量の倒立振子はどのくらいのものかはわかりませんが、かなりの完成度ではないかと自負しています。

以上がこの4年間の倒立振子製作の歩みです。最後に現存する機体を整列させてみました。

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