ロボットプログラミング教室 part3： ロボットアーム制御
目的
このパートでは、ダンボールでできた簡単なロボットアームを作り、動かすことを目的とします。
手順
1. 材料を用意する
以下の材料をご用意ください。
Arduino
・Ardino Uno Rev3
秋月電子通商
もしくは
・ESP-WROOM-32 開発キット
秋月電子通商
パソコン
・お持ちのものをお使いください。
使用するArduinoとパソコンに対応しているUSBケーブル
・上記のArdino UnoのUSB端子はType-Bで、ESP-WROOM-32 開発キットのUSB端子は、
micro-B端子です。Type-Bやmicro-B、Mini-Bがありますので
購入の際はご注意ください。もう一方の端子はお使いのパソコンにあった
ものをご用意ください。
・また、通信に非対応のケーブルも販売されていますが、
本企画には使用できませんので、購入の際はご注意ください。
ブレッドボード
・ブレッドボードとして販売されているものであれば大丈夫です。
・動画や写真で使用しているものは以下のものです。
秋月電子通商
ジャンパワイヤ
・両端がオス(ブレッドボードに挿すことができるピン状端子)になっているもの(オス-オス)をご用意ください。
・以下のもの以外でも大丈夫です。
秋月電子通商
サーボモータ
・SG90
秋月電子通商
ポテンショメータ
・10kΩ半固定ボリューム
秋月電子通商
抵抗
・1kΩ抵抗
秋月電子通商
ダンボール
・お持ちのものをお使いください。
・写真では、9cm×15cmと4cm×15cmに切ったものを使用しています。
・正確にこの大きさに切る必要はありませんが、サーボモータより十分大きく、扱いやすい大きさでお使いください。
2.アームを作る
9cm×15cmの大きい方のダンボール片の端からおよそ1cmのところにサーボモータを置き、その輪郭(りんかく)をマジックペンで描く。
マジックペンで書かれた枠の内側に穴を開ける。
このとき、枠よりも穴が少し小さくなるように開ける。
※穴を大きくし過ぎてしまうと、サーボモータがはまらなくなってしまいます。
ここでは、目打ちやハサミを使って穴を開けていますが、カッターなどでも穴を開けられます。ケガをしないよう、十分に注意して穴を開けてください。
開けた穴にサーボモータをはめ込む。
※少しきついかもしれませんが、頑張って押し込みます。
穴が小さすぎると思ったら、穴を大きくしてください。
もう一枚の、4cm×15cmの小さい方のダンボール片に、サーボモータに付属しているサーボホーンを、写真のようにセロテープで固定する。
サーボホーンをサーボモータの出力軸にはめる。
ここまででロボットアームの作成は完了です！
次は、パソコンでプログラムを打ち込む作業になります。
3. プログラムを打ち込む
Arduino IDEを起動します。
初めて使用する場合には、写真のような新規ファイルが表示されます。
新規ファイル内の内容を全て削除します。
以下のプログラムをコピーします。
少し長いですが、頑張ってください。
[Arduino Uno用プログラム]
#define n 50
#define d 0
#include <Servo.h>
Servo myservo;
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
//3番をサーボモータにPWM出力するピンに指定する
myservo.attach(3);
//serial通信の設定。これによってパソコンと通信し、シリアルモニターに値が表示される
Serial.begin(9600);
Serial.println("シリアル通信始まるよ");
//A5番ピンを、入力を読み取るためのピンとして設定する
pinMode(A5, INPUT);
}
//初期設定
float value = 0;
float values[n]; //最新のポテンショメータの値をn回分記録しておく枠を作る
float value_ave = 0;
float value_ave_old = 0;
float angle = 0;
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
//ポテンショメータの値の読み取り,
value = analogRead(A5); //A5番のピンの電圧を読み取っている(0<=value<1023)
//配列のn個の値を一つずつ前にずらす（先頭の一番古い値は消える）
int i;
for (i=0;i d || (value_ave - value_ave_old) < -d){
//アーム角度の計算
angle = (-90) + 180 * value / 1024;
//サーボモータ保護のため、角度の範囲を設ける
if(angle < -70){
angle = -70;
}
if(angle >70){
angle = 70;
}
//サーボモータに出力
myservo.write(angle + 90);
//value_ave_oldを更新
value_ave_old = value_ave;
}
//Serial通信に表示
// Serial.print("value_ave = ");
// Serial.print(value_ave);
// Serial.print("\n");
Serial.print("angle = ");
Serial.print(angle);
Serial.print("\n");
delay(20);
}
[ESP32用プログラム]
#define n 50
#define d 300
#include "esp32-hal-ledc.h"
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
ledcSetup(1, 50, 12); // channel 1, 50 Hz(20ms), 12-bit
ledcAttachPin(25, 1); // ピンの 25 番を channel 1 に設定する
// 12bit なので、0~4095(2^12-1) までの範囲が 0~20ms に対応する
// データシートによると、20msのサイクルの中で、パルス幅を
// 次のようにして角度をコントロールできる。()内はPWMの値
// 0.50ms(102) → -90度
// 1.45ms(297) → 0度
// 2.40ms(491) → +90度
//serial通信の設定。これによってパソコンと通信し、シリアルモニターに値が表示される
Serial.begin(9600);
Serial.println("シリアル通信始まるよ");
//34番ピンを、入力を読み取るためのピンとして設定する
pinMode(34, INPUT);
}
//初期設定
float value = 0;
float values[n]; //最新のポテンショメータの値をn回分記録しておく枠を作る
float value_ave = 0;
float value_ave_old = 0;
float angle = 0;
float arm_value = 0;
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
//ポテンショメータの値の読み取り,
value = analogRead(34); //34番のピンの電圧を読み取っている(0<=value<4096)
//配列のn個の値を一つずつ前にずらす（先頭の一番古い値は消える）
int i;
for (i=0;i d || (value_ave - value_ave_old) < -d){
//アーム角度の計算
angle = (-90) + 180 * value / 4096;
//サーボモータ保護のため、角度の範囲を設ける
if(angle < -70){
angle = -70;
}
if(angle >70){
angle = 70;
}
//アーム出力値の計算
arm_value = 102 + (491 - 102) * (angle - (-90)) / 180;
//サーボモータに出力
ledcWrite(1, arm_value);
//value_ave_oldを更新
value_ave_old = value_ave;
}
//Serial通信に表示
// Serial.print("value_ave = ");
// Serial.print(value_ave);
// Serial.print("\n");
Serial.print("angle = ");
Serial.print(angle);
Serial.print("\n");
// Serial.print("arm_value = ");
// Serial.print(arm_value);
// Serial.print("\n");
delay(20);
}
コピーできたら、新規ファイルに貼り付け(ペースト)します。
左上のチェックマーク(「ファイル」という文字の下のマーク)をクリックして、コンパイルする。
その後、写真のように「コンパイルが完了しました。」と表示されればプログラムの打ち込みは終了です。
4.回路を構成する
以下の図や写真のように回路を構成する。
写真のように、それぞれのワイヤが正しく接続されていることを確認する。
回路図ではサーボモータのコードが直接ブレッドボードに挿さっていますが、実際にはジャンパワイヤで間をつなぐことになります。
写真を参考にしてください。
Arduino Uno用の回路
ESP32用の回路
ここまでで、ほぼ全ての準備が完了しました！
あとは動かすだけです！
5.動作させる
Arduino Unoもしくは ESP32がパソコンに接続されていないことを確認したあと、Arduino IDEの画面に戻り、「ツール」→「シリアルポート」で表示されるもの(COM)を確認する。
※「1. Arduinoとは」で行った手順と同じものです。
Arduino Unoもしくは ESP32をパソコンに接続し、同じように「ツール」→「シリアルポート」で 表示されるものを確認する。そのとき、Arduino Unoもしくは ESP32を接続する前は表示され ていなかったものが対応するCOMで、それをクリックする。
「ツール」→「シリアルプロッタ」をクリックする。
2枚目のような画面が表示されれば問題ない。
ポテンショメータを回して、シリアルプロッタに表示されるグラフが変動するか確認する。
このグラフは、アームの角度（-90〜90）を表している。
※アーム角度は、サーボモータが端まで動き壊れてしまうことを防ぐため、プログラムの中で、-70〜70の範囲でしか動かないように制限しています。
余裕があれば、その部分を見つけてみてください。70という数字に注目すると見つけやすいかもしれません。
※アームの動き始めと動き終わりにブルブルと震えることがあります。震えが酷い場合は、プログラムの上から2行めの"d"の右隣の数字を大きくしてみてください。
お疲れ様でした！
ポテンショメータを回して遊んでみてください！
多くのロボットは、腕や足などの関節にここで作成した仕組みが用いられています。それらをいくつも組み合わせてロボットをコントロールするための学問は「ロボティクス」と呼ばれていて、機械系の学科で学ぶことができます。
また、本企画使用した電子部品については、「メカトロニクス」という授業で学ぶことができます。
機械系では、プログラムによって実体をもつ"物"を動かし制御するための知識を得ることができます。
ロボットを扱うために必要なことが一通り学べるので、ロボットが好きな方、本企画で動く仕組みを面白いと思ってもらえた方は、ぜひ機械系の学科の他の企画ものぞいてみてください。
きっとより興味を持っていただけると思います。
参考としたサイト・文献
