四脚歩行ロボットを作る その１ 初号機構想

前回、ロボット製作に掛ける思いのたけを述べましたが、早速部品をポチりはじめました。順番が逆な気もしますが、初号機の構想の整理を進めたいと思います。

１．構想

• 4足歩行。
• いきなり出来るわけないので、初号機で何を勉強すれば良いのかを勉強する。
• 歩けなくてもいいが、環境への対応が出来る事。環境からの入力をフィードバックさせる。

ざっくりしてますが今決まっているのはこれだけです。

これをもとに初号機の要件を具体化してみます。

２．とりあえずの仕様

• 一足あたり３自由度
• アクチュエータはサーボモータ
• ジャイロセンサーで姿勢感知
• 感圧センサーで一肢ごとの負荷検出
• 制御は慣れてるArduino系ボードを使用

犬の歩行をイメージした場合、当然4本脚になるのですが、現実の肢の自由度は前と後ろで異なるようです。SPOT では足首以降の関節を省略しているので、前肢は肘に相当する部分に1自由度と肩に相当する部分に2自由度が与えられています。また、後肢についても前肢と同じ構造としていますが、実際の犬の関節構造を見ると、足首に相当する関節が大きな働きをしているため、ここに1自由度、膝に1自由度、股関節に2自由度なければならないことがわかります。（本当は前後肢ともに捻じれ方向にプラス１自由度ある）
生き物らしさを追求するうえでは後肢に4自由度を与えたいところですが、関節数が増えると制御が複雑になる点と、前肢と後肢を同じ構造にすることはハード面でもソフト面でも大幅なコスト減につながることを勘案し、初号機は前後肢同構造の3自由度とすることとしました。将来的には4自由度を狙いたいところです。

アクチュエータはまず一般的なサーボモータ駆動とします。初号機は一番安く入手性の高いものを選定します。

生き物らしさを追求するうえで欠かせないのは環境への適応だと思っています。歩行を含めた動作について素人ながらにいろいろと考察していますが、環境（外乱）に対するフィードバックはかなり「生き物らしい」動きを見せてくれるはずです。

4脚歩行ロボットの動画の中でも、Spotが蹴とばされても倒れないシーンを見て驚いた方は多いのではないかと思います。
転びそうになったところへとっさに肢を出して支えるこの動作はぜひ再現してみたい機能の一つです。
どうやって制御するかは後から考えるとしますが、体の姿勢や加速度を感知する6軸ジャイロは必須でしょう。また、アクチュエーターの負荷に応じて押し返すような動きが必須かと思いますので、フィードバック回路が必要でしょう。

制御は使い慣れている　Arduino系ボードを使用する予定です。処理能力が足りなければ2号機以降で変更していくことでしょう。

３．部品選定

部品選定の強い味方、Aliexpress。安価な部品を適当に目についたものからカートに放り込みました。初号機なのでトルクが足りないとかセンサ感度が悪いとかそもそも使用出来ないとか、トラブル上等でいきます。失敗は成功のマザー。

• サーボモーター：SG90
• マイコンボード：Arduino Pro Micro
• PWM制御ピン増設ボード：PCA9685 module
• おまけのPWM制御マイコン：TLC5940NT
• 9軸ジャイロセンサー:GY-9250 9-axis sensor module
• 感圧センサー：Thin Film Force Sensor

サーボモーターは一番安いものを選んだだけです。生き物らしさを出すにはパワーウェイトレシオが不足していると思われますが、よしとします。

Pro Microを使っているのは前に買った在庫があるからです。小さいのが良ければNanoとか、PWM増設ボードが面倒ならMegaでもいいです。Pro MicroではPWM出力ピンが足りませんので、増設ボードとかマイコンを注文しました。使い方はまだ判りません。

センサー類は適当に選択。

サーボブラケットや構造体が決まってませんが、部品、特にサーボモーターの現物を見てから考えます。

４．まとめ

部品選定しましたが、初めて扱うデバイスばかりで出たとこ勝負感が否めません。ただ、社会人になって技術者続けてますが、ある程度構想したら予算をつけてプレ試作ぐらいしないと事業化の可否も判断出来ません。

現物を目の前にして改良を重ねる方が手っ取り早い事が多いですし、結果に重きを置かない趣味の世界に於いては、その過程こそが悦楽です。

次回はサーボモーターが届いてからになるでしょうか。

到着までにサーボモータの制御方法の予習をして待つことにします。