AIT鉄人3号の開発環境、使用されている技術
AIT鉄人２号では、近藤科学製KR-2346ICS(2350ICSと基本仕様は同じ)というサーボモータを使用してきた。このモータはロボット専用で、色々なオプションも販売されていて、初心者が使うには使いやすいサーボだ。しかし、AIT鉄人３号では更なる大型化を考えているので、よりハイトルクのモータが必要になる。重さ100g以下のハイトルクサーボモータは以下のようなものがある。
| KR-2346/2350ICS 近藤科学 |
RS601CR FUTABA |
DS8611 JR |
X-Servo HSR-5995TG Hitec |
Dynamixel DX-117 BestTechnology |
DA20-06-350 VOLZ |
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| トルク | 20kg・cm | 21kg・cm(9.6V) | 19kg・cm(5.0V) | 30.0kg・cm(7.4V) 24.0kg・cm(6.0V) |
37.0kg・cm(16V) 28.0kg・cm(12V) |
35kg・cm(6V) (最大50kg・cm) |
| スピード | 0.16秒/60° | 0.17秒/60°(9.6V) | 0.2秒/60°(5.0V) | 0.12秒/60°(7.4V) 0.15秒/60°(6.0V) |
0.126秒/60°(16V) 0.167秒/60°(12V) |
0.11秒/60(6V) |
| 軸受け | プラスチック （メタルOP有） |
? | メタル | メタル | ？ | メタル |
| ケース | プラスチック | プラスチック | プラスチック | プラスチック | プラスチック | メタル |
| 重さ | 58.0g | 93g | 68g | 62g | 66g | 88g |
| サイズ | 41×38×20mm | 59×26×47.1mm | 40×38×21mm | 40×37×20mm | 46.3×36.8×31mm | 41.6×46×20.5mm |
| 駆動電圧 | 6.0V | 9.6V | 3.2-8.0V | 6.0-7.4V | 11-18V | 6-7.4V 12、20-30V(OP) |
| 動作角度 | 180° | 220° | 120° (180°可) |
180° | 300° | 130° 260°(OP) |
| 方式 | PWM | RS485 | PWM | PWM | RS485 | PWM |
| 定価 | 14,000円 | 19,000円 | 16,000円 | 15,540円 | 28,000円 | 300ユーロ (約40,000円) 動作角260度オプション 120ユーロ (約16,000円) |
VOLZのサーボの高トルクは魅力的だが、完全に予算オーバー。Dynamixelもハイトルクで色々インテリジェントな機能があり、今一番欲しいサーボだが、予算的に無理。すると、1万円台のＨｉｔｅｃかＪＲのサーボがトルクが大きくて良さそうだ。
サーボモータは大きな負荷がかかるとふたの軸受けが変形してくるという問題が良くおきる。近藤科学の場合、オプションとして軸受けを金属にした上蓋を販売している。近藤科学のサーボを使う人はこれをつけたほうが良いだろう。HitecのHSR-5995TGは上蓋のすべての軸受けがメタルになっている。また、DS8611も軸受けは一番負荷のかかる中央がメタルで、かなり補強されているだけでなく、本体側もメタルの軸受けになっている。
DS8611のトルクは一見低そうだが、トルクが電圧にほぼ比例すると考えると、7.4Vで28kg・cmに成る。また、通常トルクは測定条件により大きく異なり、３割ぐらいの誤差は当たり前の世界。特にJRの計測方法は、他社より小さめに値が出る傾向がある。
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| HSR-5995TG 蓋の軸受けはすべてメタル |
DS8611 こちらは蓋の中央の軸受けがメタルだけでなく、 本体側の中央の軸受けもメタル |
まずは、サーボのトルクのガチンコ勝負。２つのサーボをつないで、互いに逆方向へ無理やりまわしてみた。比較のためにKR-2346ICSも使用。念のため、サーボは２個ずつ用意して２回ずつの勝負。
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| 2つのサーボをつないでガチンコ勝負 | ||
結果は以下のよう。
| KR-2346ICS | HSR-5995TG | DS8611 | ||
| KR-2346ICS | − | ０−２ | ０−２ | ０勝４敗 |
| HSR-5995TG | ２−０ | − | ０−２ | ２勝２敗 |
| DS8611 | ２−０ | ２−０ | − | ４勝０敗 |
KR-2346ICSはトルクが小さいので、簡単に負けて回ってしまう。DS8611対HSR-5995TGの場合は、両者のトルクが強烈で、最終的には２回の勝負ともHSR-5995TGの軸受けの破損で勝負がついた。
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| HSR-5995TGは２回とも軸受け破損 |
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DS8611の方が、5995TGより１割ほどトルクが大きい。
| HSR-5995TG | DS8611 | |||
| モータギア | 10 |  |
10 |  |
| １段目ギア | 10/60 |  |
11/60 |  |
| ２段目ギア | 11/50 |  |
11/50 |  |
| ３段目ギア | 13/34 |  |
11/34 |  |
| 最終段ギア | 1/42 |  |
1/42 |  |
| 減速比 | 0.00334 |  |
0.00311 |  |
HSR-5995TGは１段目を除いてギアはすべてチタン。減速はDS8611の方が１割ほど大きい。この違いがトルクの違いに出ているのだろう。ただ、減速比が大きい分DS8611の方が１割ほどスピードは遅い。サーボモータの出力に大きく関係するモータは両者とも17mmのコアレスモータを使っている。ただし、DS8611の方が１ランク上のモータのようだ。さらにDS8611のモータはケースに密着しており、外壁との間に空気層は無い。そのため、放熱効果も高そうだ（JR PROPOではMiracle plastic heat sinkと説明している）。
また、HSR-5995TGはケースのねじは４本だが、DS8611はねじ６本で止められているので、剛性的にも高そうだ。
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| DS8611のモータには外壁 との間に空気層は無い |
DS8611は上からもねじ止め トータル６本でねじ止めしている |
DS8611は回転のがたつきがある。また、HSR-5995TGはマイコンを使っているので特性を変えることができるが、DS8611はマイコンを使っていないので、特性の変更はできない。しかし、マイコンを使わない分位置決め精度はDS8611の方が高いと思われる。また、DS8611の制御基板はHSR-5995TGの半分の大きさであるため、ケースを加工して制御基板を外に出すにも好都合だ。DS8611の動作角度は120度だが、構造的には回路定数の変更で200度近くまでまわせる。
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| HSR-5995TGの制御基板 | DS8611の制御基板 |
以上の結果よりDS8611を使うこととした。
| 注：今回使用したDS8611はJR社から提供された米国モデルです。DS8611は日本ではDS8511の型番で販売されています。仕様は出荷時期等によって多少異なります。 |
ロボットに適しているカメラには、主に２種類ある。CCDカメラとCMOSカメラだ。これらについても、愛知工業大学の電気系学科などの講義で習う。それぞれ以下のような特徴がある。（一般的な汎用カメラの場合。それぞれの欠点を改良した優れたカメラも中にはある）
| CMOSカメラ | CCDカメラ | |
| 画質 | × | ○ |
| 感度 | × | ○ |
| 追従性 | × | ○ |
| 消費電力 | ○ | △ |
| 単一電圧動作 | ○ | △ |
| 大きさ | ○ | △ |
| 価格 | ○ | △ |
性能的にはCCDカメラの方が優れている。携帯電話でも、上位機種ではCCDカメラが採用されていることが多い。しかし、AIT鉄人３号では、４ー５ｃｍ幅の頭部にカメラを２個搭載する予定。したがって、大きさが何よりも最優先。その点CMOSカメラが有利だ。CMOSカメラも最近はかなり改良が加えられてきているので、性能的にも大丈夫だろう。
また、カメラモジュールを使うときに考えなければならないのは、出力フォーマット。ビデオ信号には、色々な出力形式があり、その分類の仕方もさまざまだが、まずアナログとデジタルで分けることができる。テレビなどはアナログで、通常ホビーで手に入るカメラモジュールもアナログが多い。しかし、コンピュータと相性が良いのはディジタル。アナログ信号をコンピュータにつなごうとすると、A/D変換が必要になる。
また、その信号形式で大きく以下の４つに分かれる。
下に行くほど信号は劣化していく。たとえば、通常のテレビはコンポジット信号、ハイビジョンではコンポーネント信号が使われている。また、カメラモジュールを使うときに考えなければならないのは、出力フォーマット。ビデオ信号には、色々な出力形式があり、その分類の仕方もさまざまだが、まずアナログとデジタルで分けることができる。テレビなどはアナログで、通常ホビーで手に入るカメラモジュールもアナログが多い。しかし、コンピュータと相性が良いのはディジタル。アナログ信号をコンピュータにつなごうとすると、A/D変換が必要になる。
また、その信号形式で大きく以下の４つに分かれる。
- RGB
- Y/色差コンポーネント(YUV,YCbCr,UYVY)
- Y/C
- コンポジット（NTSC,PAL,SECAM)
また、伝送方式も、以下のような種類がある、
- パラレル
- シリアル（SDI、IEEE1394)
ただ、カメラモジュールは少量販売してもらえるところがあまり無く、特にディジタル出力のものは入手が難しい。色々問い合わせても少量の購入は断られることが多く、ディジタル出力で購入できるものは4種類ほどしか見つからなかった。そこで今回は、購入できるものの中で大きさが一番小さいカメラモジュールを使うことにした。特性は以下のようである。
| タイプ | CMOS |
| 画素数 | 640×480 30万画素 VGA |
| サイズ | 6mm×7mm×5.5mm |
| 光学系サイズ | 1/4.5 |
| フレームレート | 40fps |
| 電源電圧 | 3.3V |
| 出力形式 | YCbCr 9bitsBayerRGB 8bitRGB 12bitRGB |
| パッケージ | 20 pin CLCC, FPCB |
| イメージ処理 （シリアルコントロール） |
・defect correction ・color interpolation ・color correction ・edge enhancement ・contrast stretch ・white balance ・exposure control ・color saturation ・ganma correction |
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