風兎2007 新しくなった部分の解説

風兎2005からの変更された点のみ説明します。

アーム部

風兎2005から2007への最も大きな変更点です。 手先が吸引装置からグリッパになりました。

なお、ハンドと呼ぶべきかグリッパと呼ぶべきか迷いましたが、ロボット用語としてはグリッパはハンドに内包される概念だそうです。記号で書くと「ハンド⊃グリッパ」ということです。ハンドは、把持以外に操り機能を持つものも含むそうです。参考:ロボット用語

石鹸箱の最も長い辺を掴めるように設計されています。左右2本の指に相当する部分がありますが、片方しか動かない片開き構造です。見た目の良さ、左右のバランス、確実な対象物の把持といった観点では両開きの方が良いのですが1つのモーターで両開きする機構の設計が間に合わず片開きで妥協しました。この片開き構造について、思いがけないことに中野先生から個性が出て良いというお言葉を頂きました。

動かない側の指が人間の親指のような働きをするということであれば学術的に興味深いと思いますが、風兎の場合は残念ながらそこまで言い切れません。

物体に触れる部分はゴムスポンジを用い、摩擦力の確保と僅かながらの弾性による把持力の安定化を図りました。

これはゴムスポンジの裏側のアルミ部品です。1日目、強度が足りなくて箱を掴み損ねたので2日目に備えて強化しました。部品は手元にあったアルミ板の小片。最後まで改善を続けることが良い結果を生みました。

手先センサー

グリッパの指部分先端にフォトインタラプタ(光センサー)があります。指の間に物体(主に対象物)が入ったことを検知し、確実に把持します。また、アームを動かすと光センサーの位置が変わることを利用して物体の高さを測り、種類を見分けることができます。

判別する種類はボール、缶、倒れている箱、立っている箱、タワーです。 箱とタワーは回転体であるボールや缶と違って向きがありますが、センサーでは判定しません。競技台に置かれる向きが決まっているので、自分の位置と対象物の位置関係から判定します。

把持力の制御

グリッパの開閉にはラジコン用サーボモーター(以下RCサーボ)を用いています。RCサーボは目標角度を与えることしかできません。トルクを直接指令することができず、現在角度と目標角度の差に比例したトルクを発生し続けるようになっています。また過剰なトルクを発揮し続けるとRCサーボの電子回路やモーターを壊してしまう恐れがあります。

特に風兎の場合は電源電圧が7.4Vと高めでその上内部抵抗の小さいリチウムイオン2次電池を使用しており、発生トルクが大きくなるためより危険性が高まっています。

今回はハードウェアに手を加えずに済ませるため、把持力がちょうどよくなる指令値を手動で探して与える方法を取りました。サーボのトルクは動作音の大きさである程度わかります。少しだけトルクを発生している状態が適正です。物体ごとに大きさが異なるので、物体の種類分だけ異なる指令値があります。石鹸箱の場合は直方体ですので３種類の持ち方それぞれについてとなります。

同じようなロボットを作っている人は大抵同じような方法を取っておられると思います。

なお、他に考えられる方法としては機械的に把持トルクを制限する方法、現在角度がわかるようにして指令値に反映させ擬似的にトルク制御をする方法、触覚センサーで対象物を掴めたかどうか検知する方法などがあります。

用いたモーターは上下用・開閉用のいずれもGWS社のラジコン用サーボMicro 2BBMGです。100g以上ある石鹸箱を持ち上げるためにはそれなりの力が必要なためこれを選びました。ギアが金属製のため耐久性もあります。

対象物の取り方

石鹸(箱)

倒れている箱はロボット本体で押して向きをまっすぐにします。グリッパが箱を掴むのに最小限の大きさしかなく、斜めになってしまうと掴めないためです。

立った状態の箱は、そのまま掴むこともできますがロボットと接触した際に前方に倒れてしまうことがあります。そのためわざと倒してから掴むようにしました。

タワー

最初に缶を取ります。上にあるボールは落ちて転がっていきます。もし対象物エリアに残れば、後からセンサーで発見して回収される可能性があります。そうでなければあきらめます。缶を捨てたらまたやってきて、倒れている箱の最も長い辺を掴みます。

2次予選では思いがけず、そのまま後方のゴールに入ってしまいました。予想外でしたが会場を沸かせました。

ボール投げ

風兎2005のときと同じように段差の上を越えてゴールするボール投げを行いました。ゴールを狙うための目印として、前回はゴール前の黒線を認識していました。今回は緑色の筒をゴール横に自ら設置し、これを認識するようにしました。→参照:2次予選(YouTube)

走行制御

スムーズな加速と停止ができるようにするための速度制御を導入しました。

目標速度計算部分と、速度のフィードバック制御からなります。前者では等加速・等減速になるように移動したい距離と現在位置から速度値を生成します。後者では現在速度と目標速度の差を見ながらモーターの出力を調整します。また、タイヤのスリップを防ぐためにモーターの発生トルクが一定以上にならないように制限しています。 これらの制御により滑らかな加減速ができるようになりました。うまくいけばステッピングモーターを使ったロボットでよく見られるような台形加速制御とよく似た感じになります。旋回についても同様です。

風兎2005では位置制御のみを行っており、最高速度に関しては一切保証がなく、場当たり的解決策として最大デューティー比を制限することで擬似的に速度や加速度を許容範囲内に収めていました。映像で確認してみると両者の違いがよくわかると思います。2005の方は急加速・急減速が多く荒っぽい印象を受けるのに対し、2007は静かで重量感のある印象を受けると思います。

しかしながら、全体的に見ると風兎2005の方が若干速かったことがわかりました。重量バランスの影響が大きいのではないかと思います。