必殺マイナーホビー
始めましてNAKAYANです。主に二足歩行ロボット競技会の事を書いてます。
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Nサーボの製作記録
今年はレグホーン10周年記念にして、私が一人で長年開発を続
けてきた自作サーボ(NAKAYANサーボ→Nサーボ)がようやく完成と
言える状態になった年でもあります。

ロボット仲間の方達には”造っている”という話題だけは出していたの
ですが、なかなかお見せできず、もどかしい思いをさせてしまった方
もおられると思いますので、ここに約10年の孤軍奮闘の軌跡を簡単
にまとめておきます。

興味のある方はご覧下さい。

第1章「さっそく断念」

2007年の末、私の愛機レグホーンがデビューして戦績が上がって
きたころ。
当時のレグホーンはJ社のサーボを使っており、そのギアボックスの
貧弱さやモーターの発熱に大変苦労しつつロボットを楽しんでおり
ました。

他のみなさんがK社のサーボで余裕を持ってロボットを楽しんでいる
様子を見て、このサーボではやっていけないなと実感しました。

しかし私は以前から”人と違うモノが持ちたい”とか”1番人気は避ける”
などひねくれた性格であり、さらにはK社のサーボでできたロボット
をK社以外のサーボで造ったロボットで倒してみせたいなどという
願望まであったため、1番人気のK社のサーボを使うわけにはいかな
かった訳です。

※K社を嫌っているという訳ではありませんのであしからず。

しかしK社とJ社以外のサーボといえば当時はほとんどラインナップ
が無く、サーボの乗り換えは意外と難しいものでした。
F社のサーボは少し特殊でしたし、D社のサーボは高価でした。

そこでサーボは自作できないものかというおバカな発想になって
しまった訳です。
おそらくロボットバトルで人生で初めて人一倍得意な事を見つけれた
事に有頂天にでもなっていたのでしょう・・・。
当時はギアボックスを自作する事は考えていなかったので、ギアド
モーターのサーボ化を試みました。下の写真がその一番初めの実験装置
です。
NS1
NS2
ギアドモーターの出力軸にギアリンクで可変抵抗を回転させるように
して、J社のサーボ基板で制御し、モータードライブICで大きな
モーターを駆動させています。

一応サーボ動作をした事に感激しましたが、基本的にギアドモーターは
重たい上にギアのバックラッシュも大きく、3kg以下級の二足歩行
ロボットに搭載するには無理があることに気付き、結局断念しました。

とりあえずはJ社のサーボケースの軸受けを自作ブッシュで強化し、
さらにトルク不足は長穴減速で補助してJ社のサーボを使い続ける事に
なりました・・・。
NS3

第2章「やってできない事はない」

J社のサーボケースの軸受けを強化するために自作ブッシュを埋め
込んだのが意外とうまくいったことで、うまくやれば卓上CNCでも
ギアボックスを自作できるのではないかと思い、J社のサーボギアを
つかってアルミのギアボックスを造ってみると、遊びが大きいものの
一応造れました。

ギアの軸間の精度を見直して、軽量で頑丈なギアとギアボックスを設計
すれば自作サーボは夢ではないと確信し、ロボット大会準備とレグ
ホーンの改造&メンテナンスの片手間のローペースではありましたが
やや本格的にNサーボプロジェクトがスタートしました!。
NS4
写真右上がJ社のギアを使った試作ギアボックス、
写真中上が協育歯車製のストックギアを旋盤とCNCで加工した圧入
二段ギアを使った初めての試作ギアボックス。
写真右中がブラシレスモーターを使ってみた試作モデルで、写真左側の
基板がその制御基板。
写真中央にあるのがなんとか実用できそうな仕上がりになったトルク
100kgオーバーのモデル。
(しかし結局使わなかったので実際使えるモノかはわかりません)

正直私は技術者のようなスキルは無く、何もかも手探り状態・・・
高校は機械科、最終学歴は短期大学の電気電子科程度で、機械も電子も
中途半端といった感じ。強度計算なんてできませんよ!”これぐらいで
いいかな?”という感じでカンで造ってました。

制御回路も1から造る能力は当然無く、J社のサーボから採ったサーボ
制御ICにモータードライブICをくっつけただけのものを使っていま
した。
モーターは市販のサーボモーターを見ると日本製のものが使われてい
たのですが、個人では購入できないとのことなので、高価ではあり
ましたが個人購入可能なマクソンモーターを使う事になりました。

そしてトルク100kgサーボの実測値を測るために製作したサーボ
テストベンチ。
これでトルクとスピード、モーターやFETの発熱具合を見る事ができ
ます。理論値を正確に計算する技法も分からないため、とにかく測って
みればわかるだろうという感じです。
ただ試作モデルを1つ計測すればそこから逆算して求め方がわかり
ました。
NS6
ブラシレスモーターはできるかできないか以前に回路が巨大化しすぎた
のであっさり却下しました。
しかもまともには動かなかったです・・・。

当時の設計スキルではギアとギアボックスの軽量化は予想以上に難しく、
さらにこの頃はケースにA5052材を使っていたため、結局大型なサーボ
しか造れず3kg以下級のレグホーンにこの巨大サーボを搭載するのは
無理がありました。
そこでROBO-ONE無差別級の機体を造る事を試みましたが・・・

造りかけた最中、ROBO-ONEが無差別級の大会を開かなくなった
ので、無差別級ロボットの計画はボツになってしまい、自作サーボ計画
もいったんとどこおる事に・・・。

時に2011~12年ごろの話。

第3章「新型レグホーン計画」

2013年の末、J社サーボ製のレグホーンの老朽化が深刻になって
きたため、レグホーンの後継機の製作計画が勃発しました。

新規のロボットを造る上でまず重要なのはサーボ選びです。
これまでいつか絶対卒業しようと思い続けてきたJ社のサーボはもち
ろん却下なわけですが、K社サーボを使うわけにもいかず、
他のメーカーもコレといったモノが無い状態でした
(J社の二の舞になりそうなものが多い感じ)。

すなわち私に残された道はただ1つ、1度とどこおったNサーボ計画
を再発動し、当時無理だと決め付けていた3kg以下級の機体を構成
できる軽量さと、市販サーボを上回る強度を持った新型Nサーボを造る
事だったのです。

見直すポイントとしては制御基板の小型化とギアとギアボックスの
軽量化、その案として非効率で重たいモータードライブICをやめ、
FETなどディスクリート部品で小型のドライブ回路を自作すること。

ギアボックスはロボットのフレームと兼用するような構造にして軽量化
することだったのですが・・・

この見切り発車と当時の甘い設計スキルがのちに大きな失敗を招く事に
なります!。

ギアとギアボックスはロボット本体の設計と同時進行になるため、
まずは制御回路の製作をはじめました。
この頃も1からサーボ回路を設計するスキルは無かったため、
制御部分のチップに何を使うかがポイントで、F社の小型サーボの基板
を使ってみる事にしたのですが・・・

1作目でいきなりFETが焼けてしまいました!、そして何度作り
直しても焼ける始末・・・。
モータードライブICを付けた場合だけセーフでした。
オシロスコープで入力波形を見てみるとショート状態になるタイミング
がある事が発覚したので、なんだかよく分からないまま結局J社の
サーボに使われていたサーボ制御ICに乗り換える事に・・・
こちらはデータシートもあり、使い方が分かっているので普通に成功
しました。

この失敗に関しては後で調べるような事はしていないのですが、
今考えれば接続間違いであった可能性が高いです。
サーボ制御ICは2ビット制御、F社のマイコンは4ビット制御でして、
その違いがわかってなかったのでしょう。

そして出来上がった基板がコレです。
NS5
写真上側が無知なゆえ失敗してしまったF社サーボ基板の改造品。
写真下がJ社サーボのサーボ制御ICテストモデル。
そして写真中央が最終仕様の実機に使ったバージョンです。

基板ができたら次はロボットの設計なのですが、私はずっと2DCAD
で設計しておりまして、今回も2Dで設計する事に。

Nサーボはギアが大きく市販サーボよりは必ず重くなるので、J社
サーボを使っていた時よりサーボ数を少なくして設計しました。しかし
フレーム兼用ギアボックスの設計は意外と難しく、ロボットの形状もそれ
によってややいびつな形状になってしまいました。

サーボギアの旋盤加工はロボット1台分となると大変で、その作業だけで
もうロボット1台造ったような気分になります。頑張って部品を削りだし
1年ほどかけて完成させてみると・・・3kgを超えている!!!
しかもレグホーンの外装無しで!。

2DCADでは基本的に部品の重量を見ることができないにしろ、
ちょっと予想外の重量オーバーでした。
すぐに全体を見直し、さらにサーボを2つ減らし数ヶ月かけてなんとか
重量がおさまるよう作り直しましたが、初期設計から引きずっている
部分が残り、なんとも納得いかない形状のフレームになってしまい
ました。
さらにモーションを造り始めると足のサーボギアがガリガリうなり
始め、このような状態に・・・。
NS10
肉抜きすぎです。
しかしこの後ほんの0.5ミリ肉を増やしただけで壊れなくなりました。
軽量化と強度のシビアな世界を実感しました・・・。
そしてこの出来立てホヤホヤの新型レグホーンで参加したのが2015
年9月に行われた第27回ROBO-ONE。造るのにただただ苦労
しただけの彼は予選で早々にコースの崖に落ちていきました・・・。
まわりの皆さんは”え~っ!”と驚いていましたが、私からすれば当然の
結果です!!

ROBO-ONE終了後、すぐに最低限バトルができる仕様に改造、
サーボをさらに1つ減らし足裏に内蔵されていたUGS(ユニバーサル
グリップシステム)というグリップを出し入れする機構も取り除き、
100グラムほど余裕のあるレグホーンにしては軽量仕様なものに
なりました。

”コイツはサーボもフレームも失敗作だ!”そう実感して1度心が
折れました・・・

第4章「モノづくりにおいて、失敗は成功するための最高の要素」

初のNサーボ搭載ロボットは、レグホーンという外装をかぶった荷の
重い条件で実現しようとした事もアダとなり失敗作となってしまい
ました。
フレーム兼用ギアボックスにも欠点があり、場所にもよりますがギア
ボックスの剛性が保てず、磨耗もしていないギアの歯が折れた事が1度
だけありました。
NS7
NS8
NS9
しかしサーボは一応動いており、初めに肉抜きすぎで変形したギアを
改良した後は目立った故障もなく普通にバトルできていました。
(まさかROBO-ONE準優勝までいくとはまったくの想定外
でしたが・・・)

全体的には失敗作とはいえ、現状では普通に動いているので問題ない
部分はそのまま次の設計に流用できるわけです。
これはこの失敗作を造ったからこそ初めて分かった事であり、
今までうまくいくか不明であった多く謎が明らかとなりました。

そこですぐに新型レグホーンのリベンジを決行する事にしました!

まずはサーボを普通にユニット化し、スタンダードモデルを設計する
ことに。
制御基板も足りない知識や技術は勉強してでも1からオリジナルの
ものを造る事とし、サーボICや市販サーボから抜き取った基板などには
頼らない事としました。

そして記念すべき実用モデル1号機として型名は「NS-01」と命名、
”Nサーボ1号機”の略ですね。
NS11
Nサーボには”ファイナルギアとホーン部分は一体にする”とか”軸は
可能な限り1直線に並べる”など幾つかの設計ルールがあり、
これらをまとめて「Nサーボ・アーキテクチャー」と呼んでいます。
そしてそれは市販サーボの気に入らない設計を自分好みに改善した
ポイントでもあります。

それに基づいて1から再設計、外観の形状が決まったら1度ロボットの
フレームをすべて設計し、3DCADで部品重量を算出、レグホーンの
300グラムオーバーの外装を搭載した上で軸数も妥協しない本体を
造るにはサーボを何グラムに抑えれば良いかを計算したところ、
1個70グラム以下という答えにたどり着きました。

失敗作レグホーンではサーボ部分単独でもカーボンと樹脂製のケースで
80グラムオーバーだったのでなかなか厳しい条件だったのですが、
サーボを70グラム以下に設計できないと絶対製作をスタートしては
いけないので、毎日毎日、強度を保った上であとどこが肉抜けるかと
考え続ける日々が続きました。

ロボットのフレームも見直し、再設計&軽量化を検討していたせいで
サーボの仕様を考え始めてから約6ヶ月ほどの設計期間を費やしてしま
ったのですが、ようやく70グラムジャストの状態になったので試作
ギアボックスを造ってみました。
NS12
NS13
ギアの旋盤加工は骨が折れます・・・
私は別に旋盤職人ではありません!造るべきものがあるから仕方なく
やっているのです。
NS14
スポーク状の肉抜き加工はギアを冶具に取り付けCNCで行います。
ネジ穴も冶具を使いボール盤で加工します。
ギアの圧入も冶具を使い精密バイスで行います。
NS15
そして試作のギアボックスが完成しました。
NS16
NS17
NS18
失敗作レグホーンで使用していたサーボ基板で動かして見た所、
スペックは以下のような感じでした。

「NS-01ノーマル仕様」入力電圧12V時

●12V定格モーター仕様
・ロック時電流 2.5A
○ギア比 1:196
・トルク 33.0 kg・cm
・速度 0.15 sec/60°
○ギア比 1:240
・トルク 40.4 kg・cm
・速度 0.19 sec/60°

●9V定格モーター仕様
・ロック時電流 3.5A
○ギア比 1:196
・トルク 42.2 kg・cm
・速度 0.12 sec/60°
○ギア比 1:240
・トルク 51.7 kg・cm
・速度 0.15 sec/60°

ギア比はモーターのピニオンギアを変更する事により変えられる
仕様です。
また、ノーマル仕様より1ランク大きいモーターを搭載した
「NS-01ハイパワー仕様」もあり、ノーマル仕様の約3倍の
トルクを有しますが、ギアの傷みも激しいものと思われます。
元はトルク80k以下程度で使用する感じで設計してあります
からね。

ギアもケースもかなり肉抜いたのですが、負荷をかけても壊れる
ような事は無く動いてくれました!。
これでギアボックスはひとまず完成です。

第5章「何度心が折れようとも!」

新型レグホーンのリベンジを始めて機械設計だけで約6ヶ月、
2016年4月の末になっていました。
次はオリジナルサーボ制御基板の開発に挑みます。

一応電子工作は趣味でしていたのですが、主にユニバーサル基板
を使い電子工作の本などに載っている回路を造ったりする簡単な
ものや、マイコンもPICマイコンのアセンブラを少しやったこと
のある程度。
学校でプログラミングの授業なんて受けた事もありません。

まあハッキリ言って得意分野ではない訳です。
しかしハンダ付け能力だけは面実装基板を普通に組めるほどあり
ました!・・・

まずはサーボがどのような制御方法で動いているかを調べなければ
なりません。
インターネットでサーボ制御に関することを調べるとたいがいラジコン
サーボの動かし方とかが出てきます。要はサーボは自作対象ではない
感じなんですね・・・

さらに色々調べると、タミヤのギアボックスを使ったサーボモーター
の学習用キットというものを見つけました。
PID制御という制御方法が使われていたので、モーターのPID制御
に関する記事も検索。マイコンでの実現方法も書かれていたので、これ
を参考にプログラムを造る事にしました。
NS19
現状で足りない知識はまず最近のマイコン、10年前ほど昔にPIC
マイコンを使った事がありましたので、親しみのあるPICマイコンの
最新型を新たに学習する事に。

またPID制御を使ったサーボプログラムは多少複雑で、アセンブラで
組むのは困難であったためC言語も勉強。
PICマイコンの開発環境に無料のCコンパイラが付いていたので
助かりました。

そして小型軽量化とノイズ対策のためプリント基板を使う事にし、
その発注データを造るためプリント基板CADの使い方も学習し
ました。

始めはC言語学習のためLEDを点灯させるような実験回路を製作し、
慣れた段階でサーボの実験回路を造り、モーターの正回転、逆回転
実験や、LEDでFETのスイッチングの様子をチェックするなど機能
を確かめた上でサーボ動作のテストを試みました・・・が、

ガタガタ、ブツブツ音を立てキレイに動いてくれません。
オマケにFETがすぐに発熱してきます!、一応サーボ動作はしますが
何か多くの問題があるような感じでした。

この時使っていた実験回路類です。
NS20
プログラム開発画面
NS22
PID制御は3つの値を絶妙に調整しなければキレイに動作してくれ
ないのは分かっていたのですが、この値をいじってもあまり効果があり
ません。

そこでFETのゲート信号をオシロで見てみると、PID制御が利いて
PWM信号が流れた時に激しいスパイクノイズが発生し、OFF状態で
なければならないハイサイドFETが瞬間的にONになり、ショート状態
になっていることが分かりました。どうやら回路があまり良くない
ようです。

実験回路でうまく動かなければプリント基板の設計&発注もできません。
乏しい回路設計スキルの状態でこのノイズを抑えるため、考えたり
調べた方法を試しては失敗する繰り返しの日々、何度も万策尽きて心が
折れて、寝て回復してまた挑むという日々が2~3ヶ月続きました・・・。

何度も詳しい人に聞こうかとも思いましたが、それでは一人で造ったと
言い切れなくなるので聞く事はNGのルールも突き通しました。

サーボなんて昔から一般に出回ってる機械なわけですから、こんなもの
ぐらい一人で造れないでどうするんだっ!!、みたいな感じです。

そして結局、実験回路でノイズは消しきれなかったのですが”回路的には
絶対間違っていない!、配線の距離や引き回し方に問題がありプリント
基板で最短配線すればノイズ特性は良くなる”と考え、プリント基板化
した時の性能に賭ける事にしました!。

そしてプリント基板発注。
今回は初めてだったのでシンプルにPCBの発注だけにして、部品実装
は自分でする事にしました。そもそもまだコンデンサや抵抗の細かい値
も決まっていなかったのも理由です。
NS21
気付けば8月!、9月のROBO-ONEには間に合わない感が濃厚
だったんですが、一応間に合わせるていでプリント基板が届くまでの間、
サーボケースの切削作業を始める事にしました。

サーボケースの切削ペースは1日1個が限度、ロボットに使う数が
21個+実験用1個と、他のこまごましたパーツの切削もあわせると毎日
1日中切削したとしてもサーボのパーツだけで1ヶ月かかります!。

さらにパーツのバリ取り&追加工、ギアの旋盤加工&CNC加工&
追加工&焼入れ発注、基板のハンダ付け作業も考えるとサーボだけでも
間に合いませんね!さらにこの時点ではプリント基板化した回路が確実に
動作する保障も無かったわけですから・・・。

最終章「そして完成へ・・・」

そして8月末、プリント基板が届きました。
NS23
NS24
5000円値引きクーポンを使って24192円、失敗したりして何度
も注文できるものではありません。
すでにモーターを購入するので大金をはたいてしまっているわけですし。

そして部品実装、写真は実験用で使っていたものなので何度も部品を
付け替えてヤニで汚れてしまってますが、ロボットに使ったものは
もっとキレイにハンダ付けしてあります。
NS25
プログラムを書き込み動かしてみると・・・なんと!問題のノイズが
まったく現れません!!
モーターの動きはまだ少しガタガタしていましたが、ブツブツとショート
する音は無く、PWMによる出力制御がキレイになされていました!。
どうやら読みは当たっていたようです。

その後ロボットのフレーム部品を切削しながら、回路の抵抗やコンデンサ
の値を手探りで調整、プログラムも色々改善しPID制御のパラメータも
キレイに制御されるよう少しずつ調整していきました。
そして”こんなもんでいいかな?”というレベルまでキレイにサーボ動作
するようになったのです!。

※基本的に目分量でしか判断できないため、数値の合わせ方がカンペキか
どうかは分かりません。

1ランク大きいモーターも動かせるよう大電流仕様の改造基板も造り
ました。
これもそこそこ苦労したのですが、話を省きます・・・
NS26
NS27
ノイズ問題が解決されたとはいえ最後の回路とプログラムの調整も
けっこう時間を費やしてしまいました。
ロボットのフレーム部品の切削も思いのほか時間がかかり、気が付けば
もう12月。これからサーボとロボット本体の組み立て作業に入ります。

量産される基板
NS28
量産されるギア
NS29
そして組み立て
NS30
そしてようやくサーボが完成しました!
NS31
次にロボット本体の組み立て。
真の新型レグホーンはいたるところにこだわりが見られる設計です。
NS32
頭蓋骨は3Dプリンター製。
今回は頭にスピーカーを搭載し、頭の中の空洞をエンクロジャーとして
スピーカーの音量をUPさせています。
NS33
新たに造ったカートリッジ式バッテリーユニット。
3セルは何気に初めてです。
NS34
サーボコネクターはカラフルなものを使用。
こういう遊び心は過酷な作業を若干癒してくれます。
NS35
組み立て途中。
胸外装は3Dプリンター部品だと重いので、スポンジに置き換えました。
NS36
こだわりの片支持股関節ピッチ軸。
NS-01サーボのファイナルギアの頑丈さをためすため、あえて
このような構造にしました。耐久性はまだ未知数ですが、
歩行モーションを作りまくってもとりあえずネジのゆるみやガタは
起きていません。
NS37
そして新型レグホーンフレーム完成!!
※やや仮組み状態のため一部部品が変更されています。
NS38
NS39
こんな座り方ができます
NS40
NS41
NS42
サーボの分解能は320度のポテンションを10ビットA/Dで
1024分割しており、最小分解能は約0.3度。少し荒いかと思われ
ましたが、歩行モーションなど造ってみると前のサーボより若干なめ
らかなぐらいで問題ありませんでした。

腕の形状が少し気に入らないためもうちょっと改良、ボロ出しをして
完成状態にしたいと思います。自作サーボで構成したステキな10周年
記念モデルでまた強いレグホーンを再現できるよう頑張ります!。

これで約10年にわたる自作サーボ開発の解説を終わります。
NS-01をしばらく使用し、改善ポイントや新技術を溜め込んだら
改良型も検討したいと思っております。

最後まで見ていただきありがとうございました!。
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【2017/03/03 00:51】 | 二足歩行ロボット | トラックバック(0) | コメント(0) |
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