１３．１０ 昔の芸を再現する三輪車

せっかく新しいハードウエアで三輪車を作ったので、これまでの芸を再現してみた。
ものづくり教室の教材に使えるものがあるか、検討してみることにする。

１．散歩のお供。
センサーの超音波受信器と発振器は小さい基板に組んで取り付けてある。
前を行く車が200ms毎に超音波を送信し、三輪車が左右の受信器で受信し、先に受信した方に前の車があるので、そちらの方向に進む。三輪車も超音波を送信し、反射音が戻ってくるまでの時間を測定し、前の車との距離が近付いたら停止する。

 

動画はこちら。

２．逆立ち。
これも超音波センサーを使う。だいたいバランスが取れる位置で手で支え、リモコンで動作開始する。動作開始時に、センサーと床の距離を測定する。一定時間（14ms）毎に超音波を送信して床からの距離を測定し、初期距離より小さければ前傾しているので前進し、初期距離より大きければ後退する。初期距離の設定が微妙なので、リモコンで調整できるようにしてある。

動画はこちら。

３．ロータリーエンコーダーのリモコン。
２つのレゴの歯車を回転させ、それぞれの歯車に取り付けたロータリーエンコーダーの出力で左右の車輪を制御する。
右に回すと前進、左回りだと後退、ゆっくり回すとゆっくり動き、速く回すと速く動く。リモコンから三輪車へは赤外線で100ms毎にデータが送信される。

動画はこちら。

１３．９ ボリューム２つのリモコンで動かす四輪車

ボリューム2つのリモコンで四輪車を動かしてみた。
四輪車はディファレンシャルギアつきのもの。PICの基板は三輪車と同じものを作った。

動画はこちら。

車輪の駆動は歯車で減速し、チェーンでデフを回す。

ステアリングは以前と同じメカだが、応答が速くなるよう歯車の組み合わせを変更してある。

動かしてみたが、ハンドルのボリュームの位置と実際のステアリングの角度が即座に対応できないため、ハンドル操作が自然にできないことが判明。
また、三輪車は2つのモーターで2つの車輪を駆動するが、四輪車は1つのモーターで2つの車輪を駆動するため、駆動力が半分となり、レゴのモーターを3Vで動かすと、速度が遅い時にはかなり動きが苦しいことも判明した。
ボリューム２つのリモコンは三輪車向きのようである。

１３．８ ボリューム２つのリモコンで動かす三輪車

キューブカート用にボリュームでハンドルを動かすリモコンを作ったが、前後の速度もボリュームで制御するリモコンを作ってみた。
動かす車は前進・後退ができる三輪車とする。

 動画はこちら。

 これまで、3Vの電源で動かすモーターのドライバーは、古いLB1639というものを使っていたが、新しいものがないか探してみたところ、TIのDRV8830というものをSILで基板に取り付けられるモジュールを秋月が販売しているのを発見。しかもこの石は制御信号をI2Cで受け取るので、モーター2つ分でもPICの出力は2pinですむことになる。
さっそくこれを調達し、8pinのPIC12F1822で制御することにした。
せっかく8pinのPICを使うので、できるだけ小さく組み立てることにし、一番小さいユニバーサル基板（ICB-288）に組み込んだ。出力はI2C（2pin）とLED/Piezoの3pin、入力はスイッチ/Piezo、ボリューム/Piezo、赤外線受光器、の3pinで6pinのポートを全て使う。

 基板の動作テストをするとき、手元にあるモーターがレゴのモーターだったので、これで動作テストしてみたところ、レゴのモーターが3Vでもそこそこ動くことを発見。本来レゴのモーターは9V仕様で、これまでは6V（単3電池4ヶ）で動かしていたが、今回は単3電池2ヶでレゴのモーターを動かすことにした。

 できあがった三輪車は以前作ったものとほとんど同じに見えるが、PIC周りのハードウエアは圧倒的にシンプルになっている。

リモコン側は、キューブカート用に開発したリモコン用プリント基板を使い、ボリュームを2ヶ取り付ける。両手で操作するため、1つは表側、1つは裏側に付けている。
左手の親指で前後の速度をコントロールし、右手でハンドルを制御する。
けっこううまく制御できる。

１３．７ 長針・短針と文字盤がついた振り子時計

 動画はこちら

振り子時計の長針と短針を同じ軸上に取り付けた。長針は内側の軸、短針は外側の軸に取り付ける。内側の軸はレゴの軸を使い、外側の軸はレゴの軸が通るパイプを使う。ものづくり教室の仲間に協力してもらい、パイプの調達・歯車の軸穴の拡大・軸受けの軸穴の拡大の加工をしていただいた。短針を動かす最後の16歯の歯車と短針を長さ40mmのパイプの軸に取り付ける。

 文字盤はガンギ車と同じくCDで作った。シンプルにするため、数字は使わず○を印刷してある。長針はレゴのプーリーにレゴのパーツをとりつけてある。短針はパイプの軸に取り付けられるのが16歯の歯車しかなかったので、この歯車にレゴのパーツをむりやり取り付けてある。

 これまでは以前作ったあんどんを時計の台に使っていたが、今回は専用の台も作成した。上下の板を4本の柱で支える構造にしたが、直角に組み立てるのは難しいことが良く分かった。

生徒が作成できるよう、ガンギ車は1周30秒のものを使い、歯車の組み合わせも見直した。以前は全て平歯車の組み合わせで減速したが、ウオームギアを使うとちょうどよい減速比になることを発見し、ガンギ車の回転を減速するところでウオームギアで40歯の歯車を駆動し、1/40の減速比を得た。
ガンギ車から長針への歯車は、
1/40 * 8/24 = 1/120
長針から短針への歯車は、
8/16 * 8/24 * 8/16 * 16/16 = 1/12
とした。
歯車の支持は以前は作りやすいよう片持ちの部分もあったが、支持が安定せず針のガタが大きいことが判明し、ウオームギアで駆動する40歯の歯車以外の支持を両端支持に変更した。

時刻合わせは、ウオームギアで駆動する40歯の歯車を取り外して行う。長針を回して時刻合わせをするが、時刻を戻す場合には、一度大きく戻してから時刻を進めて合わせるようにする。

１３．６ 残像表示の振り子時計

動画はこちら

しつこく振り子ネタ。今回はLED８ヶを振り子といっしょに振動させ、そこにドットマトリクスを順に表示し、残像で文字を表示する振り子時計。

振り子の振幅を大きくできるよう、ガンギ車は使わない。振り子の駆動は、左右の振幅最大の位置でモーターを回転し、輪ゴムで振り子を引っ張る。位置の検出は２ヶのリードスイッチと振り子に着けた磁石で行う。回転を止める位置はモーターの軸に付けたカムのネジがメッキ線と接触して動作するスイッチで検出する。駆動用のPICの基板は腕時計のネジ巻き機で使ったもの。

フォントはネットから「見咲フォント」という8*8ドットのフォントを入手した。漢字のフォントもあり、全部はPICのメモリに入らないので、ひらがな・カタカナ・アルファベット・数字・記号だけを抜き出し、もともとのフォントは横方向が1バイトになっているので、縦方向が1バイトになるように変換し、配列のソースファイルにしてPICのプログラム領域に配置した。サイズは3Kbyte弱。
フォントのサンプルはこんな感じ。

表示部はPIC18F2431を使い、基板を作成した。時計表示の他に、メッセージを表示できるようにしてある。4つのメッセージをEEPROMに保存してあり、スイッチで選ぶ。パソコンにつないだLEDリモコンから赤外線でメッセージを書きかえることもできる。

残像表示なので、慣れないと読めないし、明るいと読みにくい。孫のリー君にも見せたが、読みにくいためか興味を示さなかった。
駆動用のモーターのギヤボックスの音が大きいのも難点である。

１３．５ 振り子の実験その３

振り子の実験の最終回。目標の60秒で1周するガンギ車ができた。前回と同じくCDの周囲にピンを並べるが、60ヶ並べると間隔が6mmくらいしかない。直径3mmのピンではアンクルの爪が入る隙間もなくなるので、直径1mmのメッキ線をピンに使った。
アンクルの爪の取り付け位置を狭めてある。
30秒で1周のものより少し微妙な調整が必要であったが、動き始めると安定して動いている。

長針と短針を動かす歯車をレゴの歯車で作ってみた。同じ軸にはできないので、長針と短針は別の軸になっている。一番下にガンギ車（秒針）があり、次に長針、一番上が短針となる。針は40歯の歯車に黒いピンをつけて目印にしてある。

ガンギ車から長針への歯車は、
8/24 * 8/16 * 8/16 * 8/40 = 1/60
長針から短針への歯車は、
8/16 * 8/16 * 8/24 * 24/24 = 1/12
最後の24/24の歯車は針の回転方向を合わせるため。

省電力化の対策をおこなった。PICのクロックはこれまで8MHzだったが、システムクロックを1KHzから100Hzに変更し、PICのクロックを1MHzにした。
ギヤボックスからガンギ車に動力を伝えるプーリーも見直しを行い、輪ゴムの滑りが少なくなるように、ギヤボックス側のプーリーを少し大きいものに変更した。

これで、単3のエネループ2ヶで連続運転したところ、丸5日間動いた。以前よりも5倍程度長持ちするようになったようである。電池を単1にすれば1ヶ月近く動く可能性がある。
これで振り子時計の基本部品の確認が出来たので、生徒が時計を作る実現方法を仲間といっしょに検討して行くことにする。

１３．４ 振り子の実験その２

前回のガンギ車は12秒で1周であったが、これを30秒で1周にバージョンアップした。
直径が10cm程度で丸いものを探し、CDがちょうど良い大きさなのに気がついた。ピンの穴位置を書くのは、プリンタでCDに印刷することにした。
元の図面はフリーの製図ソフトDraftSightで作成。JPGにした図面をCDにプリントするアプリに読み込んだが、サイズの調整がマニュアルでしかできず、目で見て位置とサイズを調整するしかなかった。

ピンは直径3mmのアクリルの棒を15mm程度の長さに切って使う。最初はカッターでグルッと周りを切って手で折る、という作業でやってみたが、カッターを1周させたところできちんと元の位置に戻ってこず、きれいにできない。仲間に相談したところ、パイプカッターという道具があることが判明。これを使ってきちんと切ることができた。
2枚のCDに30ヶの穴を開け、レゴの歯車を取り付けて、中心をきちんと合わせる。
周囲の穴にピンをさしてアロンアルファで接着してガンギ車が完成。

PICの基板は前回はユニバーサル基板にPICとモータードライバーを取り付けたものを使ったが、これだと生徒は作れない。リモコン用に作った基板を使えないか検討してみたところ、モーターは１つで方向も1方向だけなので、トランジスタ１つで駆動できることが判明。リモコン用のプリント基板に組み込んだ。

モーターは前回は小さいミニモーターを使ったが、サイズは大きいがエコモーターギヤボックスのほうが低消費電力をうたっているし、同じ条件で駆動するとこちらの方が力も強いので、エコモーターに変更した。
電池の寿命が延びるはずであるが、まだ測定はしていない。