Now Under Constructing
Motivation
お手軽に高性能なメカナムホイールローバーを製作する。メカナムホイールは動きが面白いだけでなく、モータの制御などは様々な応用例を考えることが出来る。横方向への動きから、蟹を連想させるので本プロジェクトをCrabと呼ぶことにする。ここに書いてある内容はあくまでも参考とすること、製作に際して生じたいかなる損害に対して作者は一切の責任を負いません。
Background
近年、ラズベリーパイを始めとした高性能なLinuxベースのSBC(Single Board Computer)が安価に買えるようになった。これらは昨今のAIブームにも対応できる。コンピュータに加えて、メカの部品（フレーム、モータ、等）もお手軽に色々な種類が入手できるようになった。これらを活用し、AIの実験にも対応できる高性能なメカナムホイールローバーを製作する。
Architecture
Overview
Crabを構成している主要なコンポーネントの説明を行う。主要なコンポーネントとして、「メカニクス」「エレクトロニクス」「ソフトウェア」が挙げられる。これらを有機的に組み合わせることにより、お手軽だが高性能なローバーが完成する。
Mechanics
主要なメカ部品を列記する。注意点として組み立てやすさを重視し標準的な市販されている部品、あるいは加工済みのものを購入し、追加工がなるべく発生しないようにする。
| Component | Product | Distributor | Specification | Amount | @Price (JPY) | Note |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Frame | Aluminum | Misumi | 15mmx15mmx130mm | 6pcs | 240 | |
| Bracket | Frame | Misumi | For 15mmx15mm | 4pcs | 145 | |
| Battery | Amazon | 25mmx25mmx3mm | 1 pack | 840 | ||
| Motor | Aliexpress | For Motors | 4 | 60 | ||
| Motor | DC-Motor | Aliexpress | 12V/w-Encoder | 4 | 1000 | |
| Wheel | Mecanum | Aliexpress | 60/80/96mm | 4 | 1000 | Choose Diameter |
| Adapter board | *** | *** | For SBC size | 1 | *** | Depend on SBC size |
| Misc | Screw | Misumi | M3-6mm-Bind | 30 | 89 | Look for cheap-venders |
| Nut | Misumi | M3-Rectangle | 1 pack | 600 | For Aluminum-Frame | |
| Washer | Misumi | M3 | 4 | |||
| Spacer | Hirosugi | M3 | ??? | Depend on board height combination |
-
Frame
ラダー構造にし剛性を高める。資材商社のミスミなどから、15mmx15mmx130mmのアルミフレームを6本調達する。梁の幅は49mmにしラズベリーパイの締結穴の短手方向と同じ寸法にした。これによりGroovy-Quatro(モータコントローラ基板)の取り付けを容易にしている。
-
Bracket
フレームと各種コンポーネントを締結する部品の総称として使う。フレーム同士の締結はフレームのサプライヤーが供給しているが、モータ、バッテリなどはユーザが任意に実装するので、ユーザの選択と責任になる。ここでは、今回利用したモータとバッテリのブラケットを紹介する。
-
Frame bracket
フレーム同士の締結用。前後のモータ部と梁の固定用で4ケ必要。
-
Battery bracket
バッテリはSBCとモータの電源供給として２種類使う。モータのバッテリは梁の間に実装するので不必要だが、SBCのバッテリはフレームの底面に装着するので必要になる。「く」型のブラケットを使って固定する。
バッテリの固定用これらを用いて、底面に貼り付けたモバイルバッテリを固定する。
-
Motor bracket
モータ固定用利用するモータによって選ぶ。今回は２種類のモータを用いた。モータの幅が異なるので、フレームの幅も異なる。
-
Motors
モータは出力にギアが直結されたギヤードモータを選ぶ。ギヤードモータは様々なモータが販売されている。モータは走りに直結するので好みで選ぶ。高速化がテーマであれば、高回転型を選ぶし、トルク重視ならそのようなモータを選ぶ。また、ホイールの径・重量・材質によっても走りが変わってくるので留意する必要がある。
今回利用したモータは２種類。
初期型はモータ、ホイール、モータブラケット全て単体購入して組み合わせた。
-
96mmホイールとのセットのモータ
こちらはモータ、ハブ、モータブラケット、ホイールがセットになっているので使いやすい。ホイールサイズが96mmなので、完成時にかなり大きくなる。最初はこちらのセットを買ったほうがいいだろう。
-
Mecanum-Wheel
メカナムホイールは用途とデザインによって選択する。現在のフレームは取り付けの自由度が高いので、メカナムホイールも数種類選べる。60/80/96が今回利用しているモータには適している。材質も金属とプラスチックがあり、どちらも一長一短である。
-
Adapter board
-
Misc.
<Pic.: Misc.>
ビス、ナット、ワッシャー、スペーサなどで部品を締結していく。締結方法や必要数は写真を参考にすること。
Electronics
エレクトロニクス関連のコンポーネント
| Component | Products | Vendor | Specification | Amount | @Price (JPY) | Note |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Single Board Computer | Raspberry Pi Jetson-Nano |
*** | 64bit/Linux | 1 | 10,000 - 20,000 | |
| Motor Controller | Groovy-Quatro | Marutsu | 4ch/QEI | 1 | 14,800 | |
| Universal I/F | Groovy-IoT | Marutsu | UART, ADC, I2C by USB | 1 | 2,480 | |
| Battery | Mobile | Amazon | For SBC | 1 | 1,980 | |
| Drive | Amazon | For Motors | 1 | 2,800 | ||
| Cable | Power | Amazon or ? | For SBC | 1 | 1,000 | Suitable for each SBC |
| USB | Amazon | For I/F and Camera | 2 | 800 | Suitable for each target | |
| UART | *** | For Groovy connection | 1 | ??? | Suitable for connection | |
| Motor | incl. motor | For Groovy-Quatro | 4 | incl. motor | Mandate to customize for I/F |
-
SBC(Single Board Computer)
ラズベリーパイやJetson-Nano等のLinuxベースのSBCを用いる。AIや自律走行など今後の活用を考慮すると64bit以上が好ましい。
-
Groovy-Quatro (Motor controller)
DCモータコントローラ基板。今回のプロジェクトのキーコンポーネントである。大宮技研により開発・販売されている。広く出回るArduinoの系譜のモータ今ローラではなく、Groovy-PIDの制御モータチャネルを拡張して、4ch化してある。フルスクラッチで開発されているので、encoder(QEI)付きDCモータに完全に最適化されている。物理サイズもSBCとして広く利用されているラズベリーパイと同じ穴位置なので、簡単に接続が可能である。ファームウェアはオープンソースで公開され、MIT-License なので、自由に拡張し利用することが出来る。
-
Groovy-IoT (Universal I/F board)
-
Battery
バッテリは２種類あり、論理系(Mobile battery)と駆動系(Drive battery)とを分けて、それぞれ給電する。
-
Mobile battery
-
Drive battery
ドライブバッテリはラジコン用のリポバッテリを利用する。コネクタはXT60を選べば、Groovy-Quatroにそのまま接続できる。このバッテリは幅が梁の間の幅とほぼ同寸なので、そのまま格納可能となった。
-
Cable
各コンポーネントを接続するためのケーブルは主として電源と各種のI/Fに大別される。ここではそれぞれの役割と選択基準について述べる。
-
Power
-
USB
-
UART
UARTケーブルはGroovy-IoTとGroovy-Quatroを接続するために用いる。Groovy-IoTのコネクタはGroveコネクタ互換なので、Groveケーブルを追加工する。追加工のためには、圧着ペンチをもちいる。配線に関しては写真を参考のこと。
-
Motor
モータのケーブルはモータ購入時に付属しているので、そちらを加工する。手順は以下の通り、
- モータに付属のケーブルをGrooy-Quatroとモータまでの距離に少し余裕を持たせて切る
- 切った方の被覆を剥く
- コンタクトを圧着する。
- コネクタのピン配置を確かめて、ケーブルに圧着したコンタクトをコネクタハウジングにセットする。
-
BT(Bluetooth) Joystick
-
Options
Crab はSBCの余っているUSBが利用できるので、様々なオプションが追加可能である。ここではオプションの一例をあげる。基本的にはUSBデバイスである。
-
Camera
カメラはCSIを用いても接続できるが、USBの方がお手軽である。ただし、フレームへの固定方法はカメラによるので注意が必要である。サンプル例はステレオカメラの接続である。ステレオカメラ用のマウントは独自に製作したものである。
-
irMagician
irMagicianは赤外線学習リモコン。小型・軽量で低消費電力であるので、ロボットへの実装が簡単である。部屋から部屋へ移動し、赤外線リモコン対応の家電などの制御ができる。
Software
Softwareは大きく分けて、ファームウェアとファームウェアを呼び出す応用ソフトウェアに大別できる。応用ソフトウェアとして今回は先に紹介したBT-JSの値を読み取り、スロットルとステアリング制御を行うソフトウェアを紹介する。
-
Firmware
ファームウェアはGroovy-QuatroのMCU PIC18F46K80のFlashメモリに格納されており、SBCからはUARTを介して制御コマンドを受信し、モータを制御する。詳しくはこちらを参照のこと。
-
Control software Throttle/Steering
上位の制御ソフトウェアとして、BT-JSのアナログジョイスティックを読み取り、その傾きと方向によってスピードと方向で移動できるソフトウェアを実装する。下記にコードを示す。pythonでの実装なので、python3.x, evdev, request, pyserialをインストールしておくこと。
from __future__ import print_function
import math
import requests
from evdev import InputDevice, categorize, ecodes
import serial
from time import sleep
#creates object gamepad & print
gamepad = InputDevice('/dev/input/event3')
print(gamepad)
#creates object serial & print
ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 57600, timeout=1)
print (ser)
OFFSET = 0
ACC_CURV = 1.0
X_AXIS = Y_AXIS = 0
X_MAP = Y_MAP = 0
X_OFFSET = Y_OFFSET = 0
DIRECTION = 0
M = [0, 0, 0, 0]
testSpeed = -800
#display codes
try:
for event in gamepad.read_loop():
print(event)
#Buttons
if event.type == ecodes.EV_KEY:
keyevent = categorize(event)
print (ecodes.bytype[keyevent.event.type][keyevent.event.code], keyevent.event.value)
if ecodes.bytype[keyevent.event.type][keyevent.event.code][1] == 'BTN_X':
if keyevent.event.value == 1:
print("Turn Left")
M[0] = M[1] = testSpeed
M[2] = M[3] = testSpeed
if keyevent.event.value == 0:
print("Stop Turn")
M[0] = M[1] = M[2] = M[3] = 0
if ecodes.bytype[keyevent.event.type][keyevent.event.code][0] == 'BTN_B':
if keyevent.event.value == 1:
print("Turn Right")
M[0] = M[1] = -testSpeed
M[2] = M[3] = -testSpeed
if keyevent.event.value == 0:
print("Stop Turn")
M[0] = M[1] = M[2] = M[3] = 0
#Analog gamepad
elif event.type == ecodes.EV_ABS:
absevent = categorize(event)
#print ecodes.bytype[absevent.event.type][absevent.event.code], absevent.event.value
if ecodes.bytype[absevent.event.type][absevent.event.code] == 'ABS_X':
X_AXIS = absevent.event.value - 128
X_MAP = X_AXIS * 8
if X_MAP > 0:
X_OFFSET = X_MAP * ACC_CURV + OFFSET
else:
X_OFFSET = X_MAP * ACC_CURV - OFFSET
print('X_AXIS, X_MAP, X_OFFSET -- %d %d %d' % (X_AXIS, X_MAP, X_OFFSET))
if ecodes.bytype[absevent.event.type][absevent.event.code] == 'ABS_Y':
tmp_y = absevent.event.value - 128
Y_AXIS = tmp_y * -1
Y_MAP = Y_AXIS * 8
if Y_MAP > 0:
Y_OFFSET = Y_MAP * ACC_CURV + OFFSET
else:
Y_OFFSET = Y_MAP * ACC_CURV - OFFSET
print('Y_AXIS, Y_MAP, Y_OFFSET --- %d %d %d' % (Y_AXIS, Y_MAP, Y_OFFSET))
theta = math.degrees(math.atan2(Y_AXIS, X_AXIS))
speed = math.sqrt((Y_OFFSET * Y_OFFSET) + (X_OFFSET * X_OFFSET))
if (speed > 1000):
speed = 1000
if (theta > 75) and (theta < 105): #North
DIRECTION = 0
print("North")
M[0] = M[1] = speed
M[2] = M[3] = -speed
elif (theta > 15) and (theta < 75): #NorthEast
DIRECTION = 1
print("NorthEast")
M[1] = M[2] = 0
M[0] = speed
M[3] = -speed
elif (theta > -15) and (theta < 15): #East
DIRECTION = 2
print("East")
M[0] = M[2] = speed
M[1] = M[3] = -speed
elif (theta > -75) and (theta < -15): #SouthEast
DIRECTION = 3
print("SouthEast")
M[0] = M[3] = 0
M[1] = -speed
M[2] = speed
elif (theta > -105) and (theta < -75): #South
DIRECTION = 4
print("South")
M[0] = M[1] = -speed
M[2] = M[3] = speed
elif (theta > -165) and (theta < -105): #SouthWest
DIRECTION = 5
print("SouthWest")
M[1] = M[2] = 0
M[0] = -speed
M[3] = speed
elif (theta > 165) or (theta < -165): #West
DIRECTION = 6
print("West")
M[0] = M[2] = -speed
M[1] = M[3] = speed
elif (theta > 105) or (theta < 165): #NorthWest
DIRECTION = 7
print("NorthWest")
M[0] = M[3] = 0
M[1] = speed
M[2] = -speed
print ('Theta, Speed, DIR --- %f %f %f' % (theta, speed, DIRECTION))
else:
motorSpeed = ('s 4 %d %d %d %d\r\n' % (M[0], M[1], M[2], M[3]))
sleep(0.01)
ser.write(str.encode(motorSpeed))
print (motorSpeed)
except:
motorOff = ('s 4 %d %d %d %d\r\n' % (0, 0, 0, 0))
ser.write(str.encode(motorOff))
print (motorOff)
print ("Control lost...")
print("End script")