本体は、脚部・股関節部・胴体部・腕部および頭部からできています。素材はほとんどがアルミ で、胴体のみエンビ板です。アルミの厚さは、1.5mm・1mm・0.8mmを使っています。300x400mmの大きな板から切り出し、折り曲げ、穴を開けて2mm径のネジとナットで留めています。一部、タップでネジを切ったり、指の入らない狭い部分では、カレイナットを使っています。

 

関節部は、サーボとブラケットならびにアームで連結しています。反対軸には、3mm径のネジをシャフトとして使っています。軸受には合成樹脂ブッシュを使用しています。足首・腰など一部の関節は、ロッドでつないだリンク構造としています。

 

情報源：「世界の定番ARMマイコンSTM３２ディスカバリ」島田義人著（CQ出版）

　　　　「STM３２マイコン徹底入門」川内康雄著（CQ出版）

　　　　「60日でできる! 二足歩行ロボット自作入門」 吉野耕司著（マイナビ）

 

 

サーボモーターは、２種類２３個を使用。合計重量は1,035gで、体重の約半分を占めています。

画像①　２号機の主要サーボ「MG996R」です。低価格サーボとしては高トルクですが、さすがに足回りではトルクが不足気味です。対応策としてリンクを多用し、ヒザ関節は輪ゴムで補強しています。サイズも少し大き目です。サーボのサイズでブラケットの大きさが決まり、ブラケットのサイズにより各部の設計が制約を受けます。２号機の足と腕が太いのはこれが原因です。

 

画像②　マイクロサーボ「SG92R」です。頭部の３軸と両手の爪の開閉に使用しています。小さいのにトルクがあり、動作も正確です。 

 

画像③　MG996Rの「正規品」です。当初購入したMG996Rは、小さな角度変化の指示に追随できない、正確なニュートラルに戻らない、などの問題がありました。後から購入した「正規品」は非常に高性能で、上記のような問題は全く発生していません。後日、下半身の10個のサーボを「正規品」に交換しました。資金があれば、他のサーボも交換したいと思っています。

２号機の体は、サーボとブラケットおよびアームでできているとも言えます。

画像①　サーボブラケットは、アルミ板を使い、浅草ギ研風のものを自作しました。インターネットで様々なブラケットを拝見、検討した結果、左の図面のとおりとしました。サーボ同士の連結を考慮し、ブラケット本体の長さを57mm、アームの長さを同じ57mmに、アームの半径は半分の28.5mmとしました。

 

画像②　基本形のブラケットとアームです。アルミは、箱型にすると強度が増します。当初、すべて1.5mmで製作しましたが、後日の軽量化対策で、ブラケット本体を1mm厚で作り直しました。アームは1.5mmのままです。

 

画像③　踵と腰に使うブラケットです。この部分は出力軸の隣に足裏等からのアームを取り付ける軸が必要なため、サーボの上部にもブラケットを設けています。

 

画像④　ひざ用ブラケットです。ひざ関節のピッチ軸サーボは２つで一組なので、専用のコンビブラケットを作製しました（画像の左側、右にあるのは肉抜き前のものです）。

 

画像⑤　股関節ならびに ⑥ひじ関節用のブラケットです。いずれもピッチ軸とヨー軸の２つのサーボを直交させたコンビブラケットです。

画像⑦　腕ロール軸用のブラケットです。肩ピッチ軸につながる直交軸が必要なため、変わった構造となっています。

脚部は、足首のロール軸・ひざのピッチ軸Wサーボ・腰のロール軸の４軸からなります。

画像①　足首サーボとブラケットです。前後のネジシャフトに足裏アームを、左右のネジシャフトに脚部アームを連結しています。内側には、サブアーム用のネジシャフトがあります。足首にはトルクが必要なので４節リンクとしています。駆動アームを短く、被駆動アームを長くしてトルクアップを図っています。出力軸の動作角と足首の動作角度が違うので、データ作りは面倒です。実際に動かして確認し、モーションデータに反映させています。

 

画像②　腰サーボとブラケットです。腰部分の基本的な構造は足首と共通です。左右のネジシャフトに脚部アームを、前後のネジシャフトに股関節プレートから伸びているアームを連結しています。足首と同じく４節リンクですが、リンクを強化するため、駆動アームを両持ち構造としています。これの効果は大きく、腰サーボのガタがなくなり、安定した動きとなりました

 

画像③　ひざ関節コンビブラケットにサーボを装着しました。上が脚（太もも）用、下が足（すね）用サーボで す。それぞれの出力軸と反対軸に、上下の脚部アームを取り付けます。

 

 画像④　脚部アームは、1.5mm厚16mm幅です。試行錯誤でこのサイズにしましたが、必要十分な強度がありま す。上下は対象形で、部品はほぼ共通です。

   

画像⑤　脚部の全景です。脚部アームと腰サーボならびに足首サーボとの連結は、フリーアームです。Pen４号に習い、脚部アームはＬ字型としました。これによりひざの可動域が確保され、正座させることができます。ひざはトルクが不足気味で、２号機の最大の弱点です。将来はリンク構造にして、トルクアップをしたいと思っています。

 

 画像⑥　脚部の内側です。見えにくいですが、脚部アームとサブアームで平行リンクの構造を作っています。これにより腰サーボ・ひざサーボ・足首サーボが常に平行・水平になります。 

画像①　股関節は、ヨー軸とピッチ軸の２軸構造です。股関節プレートは、胴体と脚部をつなぐ重要な骨格なので、1.5mm厚アルミで頑丈に作製しました。左手から逆Ｌ字形に立ち上がっているのはヨー軸用のアームで、股関節用コンビブラケットをここに装着します。ヨー軸の軸受けは、プレートに3mmの貫通穴を開け、下からアルミ片をネジ留めしてしてへこましています。プレートの前後は腰サーボに連結するアームで、股関節プレートと一体構造となっています。

 

 画像②　股関節コンビブラケットに、ヨー軸サーボとピッチ軸サーボを装着しました。手前がヨー軸サーボで、チラッと見える直交軸には、胴体から伸びるフリーアームを取り付けます。奥がピッチ軸サーボで、胴体とリンクでつなぎ、胴体を前後に傾けます。

 

画像③　股関節の実際の様子です。股関節プレートから立ち上がったアームにヨー軸サーボの出力軸を連結し、左右のネジシャフトで胴体と連結しています。ヨー軸サーボの後ろがピッチ軸サーボで、胴体につながるアームにリンクで連結しています。

２号機の腕部は、肩ピッチ軸とロール軸、ひじヨー軸とピッチ軸、爪ピッチ軸からなります。

画像①　肩ピッチ軸サーボです。肩ピッチ軸は、当初「片持ち」（サーボの出力軸１か所で次のサーボと連結し、支える）とする計画で、スラストベアリングを使って連結してみましたが、うかくいかず断念しました。腕が重いのかサーボの剛性不足なのか、出力軸がたわんでしまいます。そこで、専用金具を作成し「両持ち」にすることにしました。

 

画像②　肩ロール軸サーボのブラケットを先に取り付けます。肩関節は構造が複雑で、ネジ締めの順番を誤ると組み立てられません。まず、ロール軸ブラケット（３-⑥参照）の直交軸の内側に、サーボホーンを取り付けておきます。ホーンのネジ４本は、直交軸の反対側に開けた４つの穴から、細いドラーバーを差し込んで締めます。次に、ピッチ軸サーボの出力軸をホーンに差し込むようにして、ロール軸ブラケットを取り付けます。出力軸のネジは、反対側のネジ穴からドライバーを差し込んで締めます。次に直交軸金具の反対軸（3mm）を取り付けます。

画像③　最後に肩ロール軸サーボを装着し3mmネジ4本で固定します。ピッチ軸の両持ち金具を後方に持っていったので、ピッチ軸は前方90°と後方30°、ロール軸も90°までの動作が可能です。

 

画像④　ひじ関節はピッチ軸とヨー軸の２軸構造です。左の画像がひじのアームです。左が上方で、肩ロール 軸サーボを取り付けます。右が下になり、ひじヨー軸サーボを取り付けます。 

  

画像⑤　ひじ用コンビブラケットにサーボを装着しました。右が1mm厚の新作ブラケットで、左は1.5mmの旧型です。奥がヨー軸サーボで手前がピッチ軸サーボです。ヨー軸サーボは横向きで、正面から見て左右非対象です。出力軸を腕の中心軸に合わせると、アームとの干渉により稼働範囲が左右で異なりま す。人間のひじと同じように内曲げを優先し、ヨー軸サーボの長い辺を外側にしました。

 

画像⑥　ひじコンビブラケットをアームに装着、肩関節に連結し、指につながるアームを取りつけると、腕の形になりました。 

画像①　２号機の手は、1mm厚の細長いアルミ板を「U」の字型に折り曲げた構造です。裏表の間隔は、間に爪を動かすマイクロサーボSG92Rを挟むのにちょうど良い20mmとしています。展開図に従い、材料を切り出しました。

 

画像②　右手を折り曲げました。小さくて内部が狭いので大変です。右側が指の先端です。床に接触させて滑らせるため、曲面にしています。裏表をつなぐ側壁は、軽量化のため少な目にしたので、中が見える開放的な構造です

 

画像③　サーボに爪部品を取り付けました。爪の取付は片持ちですが、想像していたよりもしっかり固定されています。サーボを本体に取付けるためのプレートを装着しています。

 

画像④　組み立ての準備ができました。プレートごと指部本体にネジ留めします。

 

画像⑤　左手が完成しました。この状態で重量は40gです。 

 画像①　胴体は２層構造で,１F部分には1.2v充電池５本と1.5v乾電池２本を、２F部分にはパルス分配基盤とマイコンを収めます。胴体の骨格は、ひらがなの「ひ」の字型に曲げたアルミ板と２階の床板です。 エンビの胴体に直接力がかからない構造にしています。

 

 画像②　２階の床板です。「ひ」の字型の部品の両端をこれで連結して剛性を確保し、両側に肩サーボを乗せる構造です。軽量化のため不要な部分をカットしたので、変な形になっています。

 

 画像③　胴体の外殻です。1mmのエンビ板製で、エンビ専用接着剤で接着しています。両側の四角い穴は肩サーボのスペースです。２階床板を出し入れするため、手前側に床板の断面に合わせたスリットを設けてあります。前方の丸い穴はスピーカー用、後方の長い穴は電池室の入口です。

 

画像④　胴体上部はエンビ板で別に作製し、上からかぶせる構造としました。この上に頭部を固定します。

 

画像⑤　「ひ」の字型の部品と股関節ピッチ軸のアームを重ねて胴体にネジ留めしました。内側は電池室の床となるので、引っかからないように皿頭ネジを使っています。

 

画像⑥　２階の床板を挿入しました。両端は「ひ」の字型の部品にネジ留めしてあります。ここに肩サーボが乗ります。 

２号機の目は、黒目（不透明）と周囲の半透明部品、その後方の発光機構からできています。 

画像①　黒目と半透明部品は、週刊組立マガジン「ロビー」創刊号からの流用です。黒目の後ろに赤と緑のLEDを備え、黒目の周囲を光らせます。

 

画像②　１つのLEDで黒目の周囲を均等に光らせるため、やや複雑な構造となっています。LEDから前方向に出た光が黒目の裏に取り付けた反射板２で90°外側へ反射し、さらに反射板１で90°反射し、黒目の周囲から前方向へ照射されます。反射材は、アルミをコーティングした菓子袋を流用しています。

  

画像③　画像は目を構成する全部品です。一番上は目の外殻となる塩ビの筒とLED、２段目が黒目、３段目が反射板１、一番下が反射板２です。

 

画像④　LEDと反射板１を取り付けた状態で、後ろから見た画像です。赤と緑の２LEDなので、配置は中心から微妙にズレています。

 

画像⑤　無事に点灯しました。 

頭部は、３軸（ヨー軸・ピッチ軸・ロール軸）の動作機構の上に、頭部外殻を乗せた構造となっています。頭頂部は、週刊組立マガジン「ロビー」創刊号から流用です。

画像①　顔の部分を1mm厚エンビ板で作りました。平面を立体にするのは結構大変で、なかなか思うような形状になりません。

 

画像②　頭頂部にアルミで作ったステイをネジ留めし、これに顔と目を固定しました。

画像③　頭部外殻ができました。

画像④　頭部動作機構の図面です。

 

画像⑤　頭部動作機構の部品です。３軸可動なので、複雑で部品も多くなりました。ブラケットとアームは1mm厚アルミで、かなり華奢な造りです。

 

画像⑥　動作機構を組み立てました。サーボは「SG92R」です。下段の前がピッチ軸、後ろがヨー軸、上段がロール軸用です。この後、上段のブラケット側面に頭部外殻のステイをネジで固定しました。

 

画像⑦　完成した頭部を胴体上部に設置しました。頭部の重量は、胴体上部フタだけで支えています。

２号機には様々な電子部品を搭載しています。

画像①　本体と送信機の配線図です。

 

画像②　マイコン「STM32VL」です。本体と送信機それぞれに１機搭載しています。当初はAVRマイコンの「ATmega644P」を使っていましたが、秋月電子にて入手困難になったため、ARMマイコンに乗り換えました。

型名：STM32Value line discovery　メーカー：STマイクロ社　　クロック：２４MHｚ

フラッシュ：１２８Kﾊﾞｲﾄ　RAM：８Kﾊﾞｲﾄ

1,200円と安価ですが、最新の32ﾋﾞｯﾄマイコンでメモリーが大きく、使い勝手がよいので気に入っています。パソコンでプログラムを作成し、USBケーブルでつなぐだけでダウンロードできます。

 

画像③　パルス分配基盤です。「74HC238」という 3 to 8 デコーダーを使い、マイコンの7つのピンで24個までのサーボをコントロールできます。基盤は自作で、デコーダー3個とサーボ接続用ピンとして6ピンｘ12個（1サーボに3ピン使用）、通電表示用LEDを装備しています。「74HC238」は耐圧が5Vのため、6V電源から3.3Vを作って供給しています。メイン電源は、起動時の電圧低下でマイコンがリセットするのを防ぐため、IC用・右半身サーボ用・左半身サーボ用の３つに分割しています。　　情報源：「STM32マイコン徹底入門」川内康雄（CQ出版社）

 

画像④　液晶モジュール「ZY-FGD1442701V1」です。送信機に使用し、操作画面を表示します。アイテンドーから入手しましたが、その後販売中止になったようです。 

 

画像⑤　無線モジュール「XBee ZB」です。左側（wireタイプ）とアンテナは送信機用で、真ん中（U.FLタイプ）は本体で使っています。本体と送信機の間で、USART経由で文字列をやり取りします。「ZB」は、XBeeシリーズの中でも廉価版ですが、感度抜群で高性能です。かなり乱暴に扱っていますが、なかなか壊れません。  

 

画像⑥　音声合成基盤です。音声合成LSI「ATP3012F6-PU」（株式会社アクエスト）を使い、マイコンからUSART経由で送るローマ字表記の文字列をリアルタイムで発声します。アクセント記号などを使い、自然で滑らかな音声が得られます。 

 

画像⑦　スピーカー「S28G10K15」です。胴体の前面に設置し、音声合成基板からの音声データで発声します。十分な音量ですが、重さは7gしかなく、軽量化に貢献しています。 

 

画像①　送信機は、マイコン「STM32VL」、液晶モジュール「 ZY-FGD1442701V1」、自作

スイッチ 基盤、無線モジュール「XBee」、外部アンテナ、充電池４本などなどからできて

います。タクト スイッチ用の穴を開けたアクリルのケースに収めています。配線図は項目１１

にあります。

 

画像②　ボタンの配置と機能は次のとおりです。

　　　　　　　　１段目：　　「++」 「+」「-」「- -」
　　　　　　　　２段目：　　　　　　　「↑」
　　　　　　　　３段目：　　　　「←」　　「→」
　　　　　　　　４段目：　　　　　　　「↓」

　　　　　　　　５段目：「送信機reset」「空き」 「cls」 「enter」
　　　　　　　　６段目：「本体reset」　「start」 「stop」「send」

情報源：「世界の定番ARMマイコンSTM32ディスカバリ」島田義人著（CQ出版）

私のプログラム開発環境は「EmbeddedWorkbench for ARM」（IARシステムズ）の無償評価版です。IARシステムズのウェブサイトからダウンロードできます。　　http://www.iarsys.co.jp/

これひとつで、C言語を使ってプログラムを作成、コンパイルして機械語に変換し、マイコンにダウンロードするまで一貫して行えます。上記は、「STM32 Valueline discovery」専用の入門書で、非常にわかりやすくお世話になりました。 

 

情報源：「STM32マイコン徹底入門」川内康雄著（CQ出版）　　　http://miqn.net/　

上記は、プログラムに必要なほとんどすべての事項が網羅され、かつ内容が詳細で、これまた大変お世話になりました。ただし、「STM32」シリーズすべてが対象で「Valueline discovery」専門ではないので注意が必要です。同書推奨の開発環境は「Eclipse」ですが、私には難しくて使えませんでした。

 

送信機のプログラムは、上記「徹底入門」に掲載されている「USARTを利用したシリアル通信」のサンプルプログラム「usart_toggle_led_by_serial」を下敷きにし、液晶表示・受信割り込み・外部割込みなどを追加して作成しました。左の「プログラム」をクリックし、「ファイルを開く」でリンクが開きます。なお、掲載しているプログラムは「main.c」のみです。実際に動かすには、周辺の付属ファイルが必要です。試される場合は、川内康雄氏のHPから「usart_toggle_

led_by_serial」の全ファイルをダウンロードし、「main.c」のみ差し替えるのが良いかと思い
ます。プログラムの流れは、受信待ちルーチンが基本で、本体からデータを受信すると液晶画面に表示します。各ボタンを押すと外部割り込みが働いて、ボタンごとの処理関数に飛ぶようになっています。

 本体プログラムの中心部分は、上記「徹底入門」に収録のサンプルプログラム「tim3_pwm_rc

_servo_32ch」からいただきました。マイコンのタイマー機能を使い、最大32個のサーボを同時に制御できる優れものです。これに、受信割込み・送信割り込み・受信データ解析ルーチン・モーションデータなどを追加しています。

 

左の「プログラム」をクリックすると、ファイルが開きます。掲載しているプログラムは「main.c」のみです。プログラムの流れとしては、送信機から送られてくる「データ」により「モード」と必要な数値を設定し、次に送られてくる「命令」により動作を行います。「データ」の先頭には識別子として「ROBO」の４文字がついており、１文字目が「R」のとき「データ」として認識します。

 

識別子以下は、「モード」「モーション番号」「スピード」「繰返し回数」となっており、解析してそれぞれの変数に収容します。命令は「start」「stop」「reset」「test data」「action data」の５種類で、それぞれ識別子「A」「B」「C」「T」「S」で見分けられます。例えば、本体が「モーションモード」のときに「start」命令を受けると、専用の関数「move」に飛びます。「move」はサーボを動作させる関数で、あらかじめ受信していた「モーション番号」「スピード」「繰返し回数」に従い、各サーボが動き所定のモーションを実行します。

２号機は、パラパラ漫画と同じように少しづつ異なる「ポーズ」を次々にとることによって、あたかも動作をしているように見せています。「モーション」は、「ポーズ」をつないだ「動きのパターン」で、基本的に繰り返すことが可能な一連の動作、ということができます。「モーション」のデータは、本体プログラムの中に三次元配列「motion [x][m][n]」として置いています。「x」はモーションの番号、「m」は当該モーションに含まれるポーズの数、「n」はサーボモーターの数です。２号機のサーボは23個ですが、欠番である19番サーボのデータもダミーとして持っているので、「n」は24となります。

 

左の画像はモーションの４番目「足踏み」のデータです。データの最初の行は、プログラムをコントロールする数値を置く場所で、左から順に「全体の行数」「繰返し動作開始行」「終了動作開始行」「繰返し回数」「スピード」です。２行目以下が角度データです。

２号機の操作には４つの「モード」があり、送信機から選択します。

画像①　登録されたモーションから１つを選んで動作させる、もっとも基本的なモードです。メイン画面で「モード」を「１」、「モーション番号」を任意に設定して「送信キー」を押すと、あらかじめ設定されている標準的な「スピード」と「繰返し回数」が返信され、所定の欄に表示されます。これを必要に応じてを修正し、「送信キー」を押すとスタンバイ状態となり、「startキー」を押すと動作を開始します。

 

画像②　２３個のサーボ毎に動作角度を設定し、実際に「ポーズ」を取らせてその適否を確認する、モーション開発のためのモードです。メイン画面で「モード」を「２」に設定し「送信キー」を押すと、本体が「テストモード」となり、スタンバイします。「enter」キーを押すと角度データを入力する専用の画面が開きます（左の画像）。動かしたいサーボの入力欄に角度を入力します。入力が終了し「送信キー」を押すと、指定したサーボが指定した角度まで動作し、「ポーズ」を取ります。角度を修正し、再度「送信キー」を押すと、変更されたポーズを取ります。満足できるポーズができたら、角度を記録しておき、後日モーションデータに反映させます。

 

画像③　指定したモーションを「コマ送り」で動作させ、モーションの適否を確認することにより改善を支援する「モード」です。メイン画面でモード」を「３」、「モーション番号」を設定して「送信キー」を押すと、本体が当該モーションデータ１行目のポーズを取ります。「startキー」を押すたびに次の行のポーズとなります。「stopキー」を押すと、前の行に戻ることができます。

 

画像④　複数のモーションを好きな順番と回数で動作させられるモードです。「足踏み」２回→「歩行」３回（６歩）→「右ターン」→「歩行」２回、というような高度な？動作が可能です。モード１で、使用するモーションの「スピード」と「繰返し回数」を設定しておきます。メイン画面で「モード」を「４」に設定し「送信キー」を押すと、本体が「アクションモード」になり、スタンバイします。「enterキー」を押すと「アクションモード」専用の入力画面が開きます（左の画像）。動作させたい順に「モーション番号」を入力すると「スピード」と「繰返し回数」が表示されます。適当に修正し「送信キー」を押すと動作が開始します。 

画像①　主電源の「ENELOOP PRO」です。１本1.2Vの充電池で、入手が簡単、比較的安く、電流量が大きいのが気に入っています。最初に買ったときは「SANYO」でしたが、何回か購入するうちに合併されて「Panasonic」となりました

 

画像②　当初は４本で4.8Vとしていましたが、トルクが不足気味だったので、途中から５本で6Vに変更しました。単３形５本の電池ホルダーをずいぶん探しましたが見つからず、４本用のホルダーに１本用ホルダーを連結しました。 

 

画像③　マイコンの暴走対策の電源として、単４乾電池２本を搭載しています。当初単３でしたが、減量のため単４に変更しました。 

画像① 「ポケットベンダー」です。株式会社エンジニア製の金属曲げ工具です。エッジが42°の鋭角になっていて1.5mm厚、50mm幅までのアルミ板をきれいに曲げることができます

（3,149円 アマゾン）。

 

画像②　自作ベンダーです。ポケットベンダーは良くできたツールですが、50mm以上の大物には使えず、箱型の折曲げも苦手です。そこで4.5mm厚S45Cの鉄板を使いベンダーを自作しました。工場に依頼し、44mm幅と22mm幅の鉄材の片側を43°のエッジ状に削ってもらい、切断と穴あけは自分で行いました。ベンダーは、270x44mmの部品A 2枚、270X22mmの部品B 2枚、22mm幅で長さが20mmから100mmまで10mm刻みの部品Cからなります。折り曲げ対象物を裏表から挟さみ、折り曲げ線上でエッジ同士を突き合わせてクランプで固定し、クランプの腕を持って折り曲げます。部品Cは箱構造の折り曲げの際、箱の内側で使います。後日、DIYでニッケルメッキを施しました。

 

 画像③ 「ハンドニブラー」です。株式会社ホーザンのアルミ切断工具です。くり抜きたい場所に8mm径程度の穴を開け、ニブラーの頭を出して周りのアルミを噛み切ります。「噛む」といっても刃の切れ味が良く、切り口が変形するようなことはありません。

 

 画像④ 「オシロスコープ(06204KPL JYE Tech社)」です。秋月電子でキットを4,700円で買って組み立てたものです。ロボット作りでは、信号の波形を見たい場面がたまにあり、大変重宝しています。キット組立時には、画面がまったく表示されないというトラブルがありましたが、下記HPから入手した正常電圧チェック表のおかげで解決に至りました。「8550」という表面実装トランジスタの不良を突き止め、これを取り外して、手持ちのトランジスタ「2SA1015」に交換し、見事機能回復させたのは今でも自慢です。もう４年も立派に働いています。 

　　「PICでなんか作るばい」　http://tylercsf.blog123.fc2.com/blog-category-16.html

 

画像⑤ 「はかり」です。1gから3Kgまで量れるので、ロボット製作には最適です。