１１．５ ３代目散歩のお供

ものづくり教室で使おうとしているキューブカート２の制御方法の検討を続けてきたが、なんとか制御できる目処がたち、３代目になる散歩のお供が動くようになった。

けっこう苦労したが、結局問題は以下の３つと判明し、対策を施した。
１．PIC18F1320のRAMは256bytesあるが、Ｃのプログラムで使えるGlobal変数領域は64bytesしかない。
２．モーターとPICその他を同じ電池で駆動しているが、モーターが回ると電池の電圧が相当低下する。赤外線リモコンの受信器の動作可能電圧がギリギリ(2.7V)であることが判明。
３．超音波センサーのアンプがモータの動作時のノイズで反応してしまう。

対策１：
リンクのスクリプトを勝手に修正してみたが、うまくいかない。結局不要な変数を削除したりローカル変数に変更したりして、64bytesに収まるようにした。
対策２：
電源電圧が急激に変化するのを避けるため、モーターの起動時にPWMのデューティーを徐々に大きくしていく仕組みを組み込み、駆動時のPWMのデューティーを50%程度に抑えた。また、電池をエネループから普通のアルカリ電池に替えて電源電圧を高くした。
対策３：
モーターの端子にコモンモード用とノーマルモード用のノイズ対策コンデンサを取り付けた。

これで何とかついてこれるようになったが、起動と停止に時間がかかるので、クネクネする動きが大きくなった。

超音波センサーのアンプはPICの基板には実装できないため、小さい別基板に組み立てた。オペアンプも3Vで動作する7016Dというものを使うことにした。超音波の送信器も同じように小さな別基板に組み立ててある。超音波の送・受信器は今回はマルツで小形のものを調達して使ってみた。左右の受信器と中央の送信器をアクリルのバーに取り付け、それを本体に取り付けてある。

１１．４ コンパクトなリモコン２つ

これまではDVD用のリモコンを使っていたが、ものづくり教室用に小形のリモコンを試作してみた。スイッチを4つ用意し、これで動きを制御する。PICは8ピンのPIC12F683を使う。スイッチ4つと赤外線LED、それに普通のLEDを付け、6本の入出力端子を全て使いきっている。

これで４輪車と３輪車の動きを制御できるようにした。停止ボタンがないので、動かすときはスイッチを押し続ける必要があるし、３輪車はスイッチを２つ同時に押したりする必要がある。

ついでに同じPICを使い、ロータリーエンコーダーのリモコンの基板も作り直し、コンパクトにした。

これまではPIC12F683のコーディングはアセンブラで行っていたが、HiTech C Compilerを復活させ、今回はCでコーディングした。やはりアセンブラよりも書きやすい。

１１．３ タミヤとレゴの車が勢ぞろい

タミヤのギヤボックスを使った４輪車と３輪車ができたので、レゴの４輪車と３輪車を復活させてみた。
４輪車のディファレンシャルギアは、デフ用の歯車が１つしかなく通常のレゴのパーツで作ったのでサイズが大きくなり、タイヤはバイク用の大きなものを使うことになった。
３輪車は以前とほとんど同じ作りになっている。

タミヤの方も調整をした。４輪車のハンドルが曲がり過ぎないよう、左右にスイッチを付けた。３輪車のほうはリモコンが安定して動くように電源周りを再調整したが、まだ取りこぼすことがある。

レゴのステアリングの駆動は歯車で減速して行っており、この歯車にロータリーエンコーダーをつけて回転数を数え、ハンドルの位置を管理するので、ハンドルを真っ直ぐに戻すボタンもついている。一方、タミヤのギヤボックスは内部で減速して出力軸を回すのでロータリーエンコーダーを付けることができず、ハンドルの位置はスイッチのある右端と左端しかわからない。

写真は上から、４台並んだ車、２台の４輪車、４輪車のディファレンシャルギア、レゴの４輪車のステアリング、タミヤの４輪車のステアリング（針金のスイッチがついている）、２台の３輪車、レゴの３輪車を横から見た姿、の７枚。

１１．２ キューブカート２の改造

静大のものづくり教室用に検討中のスズキ教育ソフトのキューブカート２をリモコンで動かせるように改造した。
３輪車の前輪２つをそれぞれモーターで駆動する。後輪はボールになっている。

制御部分は４輪車で使ったもののうち、必要な部分だけを取り出して小さな基板に組み直したものを使う。
もともとついていた基板をはずし、作成した基板で動かしてみたところ、リモコンでの動作が安定しない。調べてみたところ、キューブカート２で使っているモーターの消費電流が大きく、モーターが回ると電池の電圧が相当低くなることが判明。電源部につけてあるコンデンサに1000μを追加し、電池をエネループからアルカリ電池に変更して、なんとか動くようになった。

４輪車で使った新しいシリーズのギヤボックスはモーターの消費電流が小さいことが良く分かった。ギヤボックスのノイズも新しいシリーズのほうが相当小さくなっている。

もともとのキューブカート２は前進だけでスピードも変わらなかったが、これで後ろにも行けるし、スピードも変わるようになったので、アプリケーションを考えてみることにする。

写真は上から、全体、横から見たところ、裏から見たギヤボックスと後輪のボール、制御基板、リモコンといっしょ、の５枚。

１１．１ リモコンで動くデフつきの４輪車

静大のものづくり教室用にディファレンシャルギア付きの４輪車を試作した。

デフはレゴのパーツを使う。観覧車と同様、タミヤのギヤボックスの軸にレゴの歯車を取り付け、これでデフつきの車輪を動かす。レゴの車輪をネットで探してみたが、ほとんど在庫がないことが判明。しかたなくレゴの軸にタミヤの車輪を付けるという非効率な方法を取ることになった。タミヤのスポーツタイヤセットはホイール部分が平らで大きいので、ここに3mmのネジ用の穴を開けてレゴのプーリーを取り付け、車輪をレゴの軸に固定することができた。
車輪の駆動にはエコモーターギヤボックス（３速タイプ）を使う。ギヤの音も小さく使いやすい。

ステアリングはレゴでやっているのと同じ仕組みをタミヤのパーツで作った。
駆動はミニモーター低速ギヤボックス（４速）を使う。小さくて良いが、ギヤの音が大きく出力軸のガタも大きい。
軸にギヤボックスに付属のクランクプレートを取り付け、これにアクリル板で作った左右のバーを2mmのネジで取り付ける。左右のバーの反対側には、以前作ったタミヤのバギーのステアリング用パーツをネジで取り付け、これをシャーシーに付けたアルミのバーに固定する。
ステアリングがスムーズに動くよう、ネジの取り付けの寸法をきちんと合わせ、ダブルナットにして軽く動いてネジがゆるまないように注意した。
左右の回転角度を制限する仕組みをこれから検討して組み込む必要がある。

シャーシーはカインズホームで幅80mmのバルサ板を見つけ、加工も楽なのでこれを使うことにした。
１回目の試作でメカの確認が目的なので、仕上げはみっともない。

制御部分は観覧車で使ったものを使っている。
リモコンはDVDプレイヤー用のリモコンと、ロータリーエンコーダのリモコンが使える。

ちゃんと動くものができることは確認できたので、生徒が作れるように仕上げ、センサーを使ったアプリケーションを検討していく。

写真は上から、全体、駆動部とディファレンシャルギア、タイヤにレゴのプーリーをつけたところ、ステアリング部、ステアリング部の拡大、基板、リモコンといっしょ、の７枚。

１１．０ タミヤのギヤボックスで動く観覧車

静大のものづくり関係でタミヤのギヤボックスを使うことが多いので、制御部分を試作することにした。

レゴのモータ－を動かす場合はPICを5Vで動かしているが、タミヤの場合はモーターを3Vで動かすので、PICも3Vで動かすことにする。
まず、PICと周辺部品の選択と調達。
モーターは２つ駆動することにし、PICはPWM出力が２チャンネルあるものを探し、28ピンのPIC18F2320を使うことにした。
3Vで動くモータードライバーを探すのに苦労した。ネットで探したところ、SOPパッケージのものなら見つかったが、これでは自作は難しい。ものづくりで検討している鈴木教育ソフトの「キューブカート２」というキットで使っているLB1639を使うことにしたが、古いものらしくデータシートが見つからない。LB1630というもののデータシートが見つかったので、これと「キューブカート２」の回路図をみながら行燈用のランプ基板を使って実験を行い、PWMでモーターの回転数制御ができることを確認した。
3Vで動く赤外線リモコン受信モジュールはOSRB38C9AAというものが秋月で見つかり、マルツ経由で調達した。

PIC18F2320の基板を試作し、LB1639を使ってPWMでモーターを動かしてみたが、これまでと同じ38KHzでは全く反応しないことが判明。PWMの周波数を落としていき、結局行燈用のPICで動かしていた100Hzくらいが具合がいいことがわかった。これだけ遅い周波数ならソフトウエアでもPWMを発生できるはずなので実験してみたところ、問題なく動く。PICのPWMは使わなくて良いことになり、18ピンのPIC18F1320が使えることになったので、さっそく試作を行い、リモコンで動作制御ができるようになった。

 制御基板の試作ができたので、これを使って以前作った観覧車を再現してみた。
ギヤボックスはタミヤの楽しい工作シリーズのミニモーター低速ギヤボックスを使っている。

８．８ 自分で荷物を降ろすダンプカー

ダンプカーが自分で荷物を降ろす場所まで行く仕組みを作った。センサーはいつもの超音波を使う。
前回のものは走るスピードが速すぎたので、タイヤを交換してギア比を変えてスピードを遅くした。同じタイヤが２つしかないので、後輪が１軸になったのが残念。

超音波のセンサーは何度も使ってきたが、センサーとPICマイコンの動作を見直してみたところ、割り込み処理で問題があることが発覚した。対策をいくつか検討してみたが、結局送信部がほぼ正面にあるときだけ左右の時間差を測定できるが、それ以外の場合は方向だけしかわからない、というところで落ち着いた。

制御は、まず送信部が左・中央・右のどの位置にあるかを測定してハンドルの位置を決め、送信部が中央にくるまで後退する。その後は左右の時間差を見てハンドルを調整しながら送信部に向かって後退し、距離が近づいたら停止する。ここで送信部との角度を測定し、荷物を降ろす皿にほぼ直角に向いていればOKとする。そうでなければ真っ直ぐになるようにハンドルを切り、ハンドルを戻しながら前進し、また送信部に向かって後退する。真っ直ぐになったら、荷台を上げて荷物を降ろし、荷台を降ろして少し前進して終了とする。

荷物を降ろす容器は四角い箱だと正面からでないと降ろしにくいので、丸い皿を使うことにした。荷物はBB弾だとあちこち飛び散ってしまうので、レゴの小さくて丸いブロックを使うことにしたが、これでも少し飛び出すことがある。

孫のリー君はリモコンで動かすダンプカーは面白がって遊んでいたが、自分で動くのは好きではないらしく興味を示さなかった、、。