独自でロボット犬を組み立てて踊らせました

独自でロボット犬を組み立てて踊らせました

目次

1. ロボットの構築に関する概要 1.1 シリーズの紹介 1.2 プロジェクトの説明 1.3 プロジェクトの目的 1.4 今回のビデオの内容
2. ロボットの設計と組み立て 2.1 CADモデルの作成 2.2 レッグのデザイン 2.3 アクチュエータの組み立て 2.4 ロボット本体の組み立て
3. 電子機器の組み立てとプログラミング 3.1 回路の設計 3.2 プログラミングの説明
4. ロボットの動作テストと改善 4.1 歩行の実証実験 4.2 問題点の特定と解決策の検討 4.3 次のバージョンへの展望

モデルロボットの構築と動作

ロボットの構築 この記事では、過去4ヶ月間にわたり、私が四足歩行ロボットを構築してきたことについて紹介します。この素晴らしいテクノロジーをどのように利用し、世界を変えるために活用するのか、そして医学研究の進歩にどのように寄与するのか、全てを具体的に説明します。このシリーズの第3部では、私が「トップス」と名付けたロボット犬を完全に組み立てます。トップスは、平面の表面を移動するものを意味する「トラバーサー・オブ・プレーナー・サーフェシズ」の略称でもあり、同時にボストンダイナミクスのロボット「スポット」の逆さ読みでもあります。これは、私がこれまでに取り組んだプロジェクトの中で最も大きく、最も複雑なものであり、多くの課題と数多くの失敗を伴いました。今日は、トップスを最初から組み立てていきます。ビデオをご覧になる前に、このシリーズのパート0、パート1、パート2もご覧いただくことをおすすめします。はじめに、このプロジェクトの非公式なパート0で、ブラシレスモーター、FOCコントローラー、惑星ギアセット、そして無数のテストプリントを使用して独自の準直接駆動アクチュエータを構築しました。このアクチュエータの設計が気に入ったので、今度はよりダイナミックなロボット犬を作ってみることにしました。パート1では、3つのアクチュエータを組み立て、それらを組み合わせて1つのテストレッグを作りました。さらに、フットの運動を制御するために逆運動学の式を導出し、いくつかのゲートシーケンスをプログラムしました。しかし、このレッグの設計はあまり優れていなかったため、パート2では設計を見直し、より優れたレッグを設計しました。これまでのレッグよりも突き出しを少なくし、モーターが回転する様子が見えるように設計をオープンにし、重量も約1ポンド軽量化し、配線を大幅に削減するために通信プロトコルをCANVASに切り替えました。この新しいレッグは、以前のものよりも性能が向上し、見た目も良くなりました。しかし、これには1つの大きな問題がありました。モーターコントローラーに公式のCANVASライブラリがないため、起動時にレッグを手動でホーム位置に戻す必要があるということです。しかし、パート2では、レッグをジャンプさせることもできました。これが非常に良い結果となり、高いノートでこのビデオを終えることができました。そして、私たちはこのビデオのパート3に辿り着きました。始めましょう。

ロボットの設計と組み立て 前回までのプロジェクトでは、テストレッグを構築するためにアクチュエータを使用するアプローチを取りました。このアプローチはうまくいったので、フルロボットのアセンブリでも同じデザイン戦略を適用することにしました。CADモデルでは、ロボットのフレーム全体を構成する4本のカーボンファイバーチューブから始めました。各レッグは、2本のチューブにスライドさせ、2つのパネルで固定することで、非常に少ないパーツで安定したフレームを作ることができます。レッグの設計は非常に簡単で、すでに1つの設計があります。フロントレフトレッグの設計を少し変更するだけで、他の3つのレッグの設計を派生させることができます。それが完了したら、各レッグをメインアセンブリに取り付け、チューブに取り付けて、いくつかのパーツを設計すれば、フルロボットが完成します。さあ、実際にパーツを印刷しましょう。スライシングソフトウェアによると、私の1台のプリンターですべてのパーツを印刷するのに約33時間かかり、プリント間の移行時間も考慮に入れると、約1週間の連続印刷になる予定です。印刷がまだ進行中ですが、すでに一部のパーツを組み立てることができます。まず最初に行うことは、12個のアクチュエータを組み立てることです。高トルクの90 KBブラシレスモーター12個とO Drive S1ブラシレスモーターコントローラー12個を使用して、それぞれのモーターの背面にエンコーダーマグネットを取り付け、さらに背面にO Driveを取り付けます。次に、一部のパーツにベアリングを取り付け、8つのモーターにサンギアを取り付け、残りの4つのモーターにプーリーを取り付け、ギヤボックスを取り付け、プラネットギアを追加して、アクチュエータを作動させます。O Drive GUIを使用して設定を変更し、モーターのキャリブレーションを行い、各アクチュエータのCANバスIDを定義します。各カバーを正確に合わせた後、12個のアクチュエータが完成しました。3種類の異なるアクチュエータがあることに気づくでしょうが、それは各レッグに3つの異なる関節（内股関節、股関節、膝関節）があるためです。これらはそれぞれ組み合わさって1つのレッグアセンブリのボディを形成し、さらに3つのレッグアセンブリ、4本のカーボンファイバーチューブ、2つの中間セクションピースでロボットのメインボディを形成することができます。それでは、ロボットの組み立てに進んでいきましょう。

電子機器の組み立てとプログラミング 次は電子機器の組み立てです。回路図は次のようになります。すべての12個のアクチュエータは、高容量の6セルバッテリーで駆動されます。アクチュエータはさらにCAN LowとCAN Highの2つのラインでデイジーチェーン接続され、これらの2つのラインはCANバストランシーバーに接続され、ロボットのブレインであるTT4.1マイクロコントローラーに接続されます。ロボットを制御するためには、RCリモートとRCレシーバーを使用し、さまざまな制御モードのメニューとして16x2の小さな液晶ディスプレイを使用します。バッテリーのモニタリングにはこの電圧表示を使用し、バッテリー電圧を5Vに変換するために電圧レギュレーターを使用します。ここで回路をテストします。さあ、最初の電源テストを行ってみましょう。アパートを焼き尽くさないことを祈ります。ここからは、前面と背面のパネルにベアリングを追加することになります。パネルはカーボンファイバーチューブを固定する方法として機能し、アダクションジョイントの回転もさらに制約します。パネルを叩いて固定する必要があるため、非常にぴったりとはまるデザインです。ここでもクランプを使用して外れないようにしています。次に、フィートです。以前はテストレッグのフィートを3Dプリントしていましたが、滑り止めの効果がある柔軟性のある素材を使用する必要があります。そこでシリコンが最適な選択肢です。オンラインでこのシリコンモールドキットを購入しました。ショア硬度は30Aで、オンラインのスケールではゴムバンドと消しゴムの間の柔らかさにあたります。フットのベースは3Dプリントされ、目標はシリコンでベースの外側を覆い、2つのモールドの間に浮かせることです。モールドを2つのパーツで押さえ付けた後、ミックスを注ぎ込み、一晩放置します。シリコンが硬化したら、モールドを分解して洗い流し、フットがきれいに出てきました。いくつかのフットを作り、これらのカーボンファイバーチューブに接着します。それらをレッグに接着し、それをさらに各レッグに接着します。ロボットはほぼ組み立てられたので、次はプログラムの準備です。この部分は、ビルドの中でもかなり困難でイライラする部分でした。最初は立ち上げすらうまくいかず、後ろ足のベルトが飛びました。それを修正するために、テンションを増やすために、アドラーピースを再度印刷しました。また、ソフトウェアの通常のレッグ位置もわずかに変更し、後ろ足が負荷を過度に受けるのを防ぎました。そして、立ち上がることができたので、歩かせてみましょう。四足歩行ロボットを歩かせるための主要な原理は、常に2つの対角の足が接地されている状態にすることです。これをトロッティングと呼び、トップスがバランスを保つことを可能にします。ステップの軌跡についても説明しましょう。最初は、ソーサルステップの軌跡を予定していましたが、うまくいきませんでした。そのため、より原始的ですが信頼性の高いスクエアステップ軌跡に戻しました。ここでは、足を前に動かし、下に動かし、後ろに動かす操作を繰り返します。ロボットを前にトロッティングさせるには、基本的には2つのステップのシーケンスが必要です。まず、2つの対角の足がステップを踏むようにして、接地した瞬間に他の2つの対角の足もステップを踏むようにします。同じシーケンスを使用し、足を後ろに動かすと、ロボットは後退します。後ろの代わりに右や左に足を動かすと、ロボットを横に移動させることができます。もっとも直感的ではない動きは、回転です。ここでは、対角の足を逆方向に動かす必要があります。これらのシーケンスは非常にシンプルですが、エンジニアリングの世界では、概念と実装は異なります。ロボットをプログラムする上で考慮する必要がある変数は非常に多く、例えば、各足の地面からの離脱時間、足が地面からどれだけ持ち上がるか、1つのステップの大きさ、足がどれだけ速く加速するかなどが挙げられます。これらの要素はロボットがまず歩行できるかどうかだけでなく、歩行の動きがどれだけダイナミックかにも影響します。そのため、プログラミング、テスト、そして失敗に続いてさらなる失敗と、さらなる失敗を繰り返すことになります。しかし、最終的には何とか動くようになります。このロボットは最高ではありませんが、動作します。このプロジェクトにはハードウェアとソフトウェアの多くの問題があります。モーターのスキップやソフトウェアのキャリブレーションの問題など、修正すべき点がたくさんあります。また、IMUセンサーを使用していないため、トップスはアクチュエータの自然な可動性に加えて、環境や外部の力に反応していません。これは、自動運転機能のないテスラを所有しているのと同じです。車は自動的にナビゲートすることはできませんが、それでも使えます、ただしクーラではなくなってしまいます。今後のバージョンでは、これらの問題をすべて解決したいと思っていますが、今は他のプロジェクトに移ります。このプロジェクトの影響で、高出力のブラシレスモーターとモーターコントローラーが手元にあるため、やりたいことはたくさんあります。次のプランをお楽しみに。このビデオがお気に召した場合は、チャンネルの登録をご検討ください。また、このプロジェクトは完全にオープンソースですので、トップスについてもっと学びたい方、CADデータやコードをダウンロードしたい方は、説明のリンクをご覧ください。ご視聴ありがとうございました。次回のビデオでお会いしましょう。

ハイライト：

• 四足歩行ロボットの構築プロジェクトの紹介
• 自作の準直接駆動アクチュエータの設計と組み立て
• ロボットのフレームとレッグの設計と組み立て
• 電子機器の組み立てとプログラミング
• 歩行のテストと改善
• プロジェクトの課題と今後の展望

FAQ:

Q: このロボットはどのようにして歩くのですか？ A: ロボットは四足歩行をします。対角線の足を交互に動かすことで歩行します。

Q: ロボットはジャンプすることができますか？ A: いいえ、現在のバージョンではジャンプすることはできません。モーターのスキップの問題があります。

Q: トップスの次のバージョンではどのような改善が見込まれていますか？ A: 次のバージョンでは、モーターのスキップの問題を解決し、よりダイナミックな動きを実現する予定です。また、IMUセンサーを使用して環境との相互作用を改善する予定です。