2012年05月19日

倒立振子ロボットめも

メモたんく』の ぱんと氏 のところで倒立振子ロボットを作っているのを見つけた。興味深いのでメモしておこう。

オリジナルは、『からくり小僧』の iCHIRO 氏の LIBRA-ZERO/ONE 。こちらの記事も合わせて見ている。

モーター + 車輪:

    まず、モーターは、ギア付きの ステッピングモータ SPG20-1362。 (ぱんと氏は) これに、タミヤの 楽しい工作シリーズ No.96 オフロードタイヤセット を直接付けている。

      記事をみていると、 オフロードタイヤセットの(ホイールではなくて)タイヤが外れる? -- みたいなことが書いてあった。iCHIRO 氏は 同じシリーズの ナロータイヤセットを使っている。ただ、ちゃんとセットアップできれば オフロードタイヤセットの方が良いようなことも書いてあった。

      ... なかなか タイヤの選択も難しいらしい。

    いままでにも、倒立振子ロボットに興味を持ったことはあるのだが、駆動部のトルクと速度をどうするのが良いのか分からなかったので、パスしていた。なるほど、SPG20-1362 が具合が良いのか。-- この組み合わせで 倒立振子ロボットとして実績があるというのは 心強い。

モータ用電源

    モータの駆動電圧は 15V 近いようだ。オリジナルの LIBRA-ZERO/ONE では PIC の PWM で 昇圧 DC-DC コンバータを自作している。

    キーになる要素をメモすると ..

    表面実装用(SMD) インダクタ (27uH, 3.1A) を使用し、PWM周波数は、200KHz位。出力電圧14.4Vで 電流0.4A (5.76Wの出力) 。入力は約4.8Vで2.0A (約60%位の効率)

    この DC-DC コンバータは I2C デバイスとして実装されているとのこと。

その他の部品

    (ぱんと氏は) センサに、小型圧電振動ジャイロモジュールを使っている。

      iCHIRO氏も 使っているのは ジャイロセンサ 秋月の旧製品? 。それはともかく、ジャイロセンサは、角加速度を検出するものではなく、角速度。ふうむ Gセンサは使わないものなのか。

    モータドライバは、何だろう? ユニポーラ型だそうだから、表面実装用トランジスタアレイTD62083AFNG とかで十分? 8ch だから これで 2 個のモータを制御できるし。

モーターを回すだけでも 電源の問題もあるし、なかなかに手応えがありそうだ。その上で 倒立振子 としての制御 、さらに 自由に動かすための制御 がある。

駆動系を作るのは比較的簡単そうで、動かすのに頭を使う。なかなか良さそうなテーマだ。 実際に動かすのも狭い場所で楽しめそうだし、その面でも良い。

部品についても、良い物が結構安く手に入るようになってきた。良い時代になったものだ。

その他のメモ

SPG20-1362

    今は、SPG20-1332 と 2 種類がある。以前は SPG20-332 というのが売られていたのだが、性能が上がってコンパクトになったのが、SPG20-1332 。1332 は、1 ステップ 0.75°で遅い。1362 は、1 ステップ 1°で若干高速で こちらの方が 倒立振子 として向いているそうだ。

      (参考) からくり小僧:ステッピングモータ(SPG20-1362)を使ってみた

      これを見ると、高速回転ではトルクが低下していく。グラフを見ると 600 pps ぐらいで半分。とりあえず 限界を 720 pps と仮定すると 2 回転/秒 (= 0.083sec/60°)。55mm のタイヤなら 35cm /sec 。このときの トルクは 25 mN・m ぐらい ... 1N・m = 10.2 kg・cm だそうだから 0.25 kg・cm ?

      無理やりサーボモータで使われる単位にしてみたが ... 速度はサーボモータ並みだけれども トルクは(小型のものと比べても)はるかに(一桁) 小さい感じ。

    データシートを見ると 2W と書いてある。抵抗は 68Ω。電流を流しつづけたときに 14.4 ^2 / 68 = 3.0W だから こんなもの? 電流的には 14.4 / 68 = 210mA (最大) 。0.4 A 流せれば 2 個駆動できる。

DC-DC コンバータ

    AVRで再実装するとして、PWM は 8MHz が使えるから オリジナルと同じ条件。200kHz だと 40 ステップ。ステッピングモータの駆動専用だから、スイッチングの ON/OFF 制御だけでも良さそうな。

    Nch MOSFET は、平均 2A は 流せないといけないが、どういうのが良いのだろう?

    20V耐圧の SOT-23 品を使うとか ... デジキーになってしまうが、DMG3420U,DMG3415U , IRLML6246 とか。-- Pch版が 秋月にあるもの を選んでみた。
    これらだと、AVR を 3.3V で使うことにしてもちゃんとスイッチングできる。秋月にあるのは、VGS が高いので、4.8V のバッテリーをそのまま電源しないといけない。

    あるいは、秋月で手に入る SO-8 パッケージ シングルの FD5680 (60V , 8A) を取り敢えず使うことにしておいて、デジキーで 手に入る DMS3016SSS に置き換え可能にするとか。

    それはともかく、モータ専用で凝らないなら Tiny13A 程度でも作れそう。

タイヤ

    楽しい工作シリーズだと、

      No.96 オフロードタイヤセット
      No.145 ナロータイヤセット
      No.111 スポーツタイヤ
      No.193 スリムタイヤセット
      No.194 ピンスパイクタイヤセット

    と各種ある。直径 55mm 前後 が安心だが、もうすこし小径でも良いらしい 。他のメーカだと MYU-004 あたりが使えるかも知れない。

(不完全)パーツリスト

SPG20 モーターの代替

    SPG20-1362 のようなギア付きのステッピングモータは、入手が難しい。秋月で安く手に入るから良いが、いずれは在庫がなくなるだろう。手に入らないようになるとすれば .. どうするのが良いのだろう?

    だいたいの性能は、最大 2 回転/秒(120RPM) で トルクは 0.25 kg・cm 程度。( 静止トルクはこの 4 倍ぐらい)。120RPM ぐらいまでで これ以上のトルクがあるものを探せば良い。

    ダブルギヤボックス

      4つのギア比を設定できる。その中に 114.7:1 のギア比があり 115 RPM / 0.8 kg・cm だそうだ。

      車軸の位置は 2 通りあるが、114.7:1 のとき 車軸の位置は外側になるので、問題なさそう。

    ツインモータギアボックス

      227 RPM / 0.42 kg・cm 。少々早く トルクが少ない。

      車軸の位置が良さそう。

    このあたりの ギアボックスが 速度・トルクの面で使えそう。これが使える以上他のものを探す必要はないぐらいに思える。モータは最大 3V 。逆回転が必要なので、フルブリッジ(モータドライバ)も必要。

    問題は回転速度検出だが、中間のギアが露出しているのだから、ストライプ状に塗って、反射型フォトリフレクタ を使えば良さそうな気がする。ただしノウハウがないので どうやるのが適切なのかは分からない。

    あと、DC モータなので、(電圧ではなく)電流をモニタしていれば、回転数は分かるのではないか? 10000 RPM というと 166 Hz 。この値か その 2倍の周波数で 電流が変化するに違いない。

    モータドライバは、秋月で扱っている BD6211F-E2 が良さそう。正転・逆転 ができて、PWM での 速度制御もできるようだ。ボリュームを使った 電圧での回転制御すら可能で なかなか興味深い。

    (参考) モーター性能比較表

      上記のギアボックスは、FA-130 モータを使用している。このモータは ミニ四駆でも使われているので、高性能モータが いろいろ存在する。モータ置き換えも考慮に入れた方が良さそう。

ステッピングモータ制御覚書

    Wikipedia にも 項目があり 制御の仕方の説明がある。

    回し方の基本方式は、一相励磁 と 二相励磁。二相励磁は、2 個のコイルに同時に電流を流すやりかたで、トルクが強いらしい。なら基本はこれ?

      一-二相励磁 というのもある。二相励磁のタイミングを変えて 一相励磁の状態が間にある感じ? なめらかになるだけで、トルクは変わらない?

    回し方の原理は簡単だが、負荷が大きすぎたり、パルス周波数が高すぎると脱調する。脱調しないように制御することが重要。

    負荷が小さければ、電圧は高くなくて良いはず。5V でも 制御の実験はできるかも知れない。DC-DC コンバータ自体が怪しげなら、5V でとりあえず制御の基本コードを作るという方針でも良いかもしれない。

    さて、脱調しないようにするには、回転のスタートとストップで 加速度が一定になるような 制御が必要。ものには慣性があるから 当然だ。また、どこまでも速度を上げられるわけではないから、ある速度に達したら その速度を維持する。

    基本はこういうことだが、倒立振子だから扱うものは基本的に加速度。定めた加速度を発生させるような 機能になっていないといけなさそう。

    それを守った上で、目標の速度にしたりすれば良い? あとは移動距離。方向転換とかは、移動距離をベースにした制御?
posted by すz at 00:06| Comment(0) | TrackBack(0) | 日記
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