カテゴリー: ロボット作り

足郎１を二足歩行させてみる

次の段階として、前への踏み出しをするようにして、二足歩行させてみた。

原理としては、二足歩行であるが、あまりに不恰好だ。膝がないために、足の折りたたみができないので、重心を片足に乗せて、重心のない方の足をしっかり釣り上げなければならず、負担が大きい（下記、サーボ角度図参照）。
二足歩行のために、足の裏に厚さ３ミリの天然ゴムを貼ったことを記しておこう。不要な回転を止めるためだが、役に立った。ただ、それでも回転は完全に止めきれていないが。これも、膝がないことが影響しているか。
サーボ１６個フルに動かしているので、スピード感がなくなってきている。しかし、まだ、スピードを出す余裕はある。
サーボ角度図の最新版は次のようなものである。

動かすためのプログラムを以下に示しておく。プログラミングで、speedの設定を、stepsとintervalで定義するように文法を改訂している。次の文法改訂では、パラメータの演算、式の評価を入れて、さらに、センサーの制御も入れて、プログラミング言語らしくしたい。（Cosm: Controler Of ServoMOtor）

##############################
# 2017年5月18日 Toyoaki WASHIDA
# 2017年5月20日 ver.2.2
# 足郎1号の制御のためのプログラム
# 「二足歩行」
# 左右の揺れとともに前への踏み出しが入っている
# ファイル名: ashiro1-1.ibot
# '#'で始まる行はコメントになる
##############################
# 角度の定義、定義の名前、
# 定義の場合は、内容を {  } 内に書き込む
# デリミタは基本、空白
# %で始まる定義やコマンドの順序は関係ない
# ただし、 { }内記述の順番は意味を持つ（順番の通り実行される）
# パラメーターは、サーボ角度の値（足の角度ではない）
# （注）現状で、上のサーボと下のサーボで方向が逆になっている
# スピード、delayの値で使うことが可能
# パラメーター使用時には'$'の接頭文字が必要
# 角度パラメーター
%param angle0 0
%param angle1 8
%param angle2 14
#%param angle3 16
%param angle3 22
%param angle4 6
%param -angle1 -8
%param -angle2 -14
#%param -angle3 -16
%param -angle3 -22
%param -angle4 -6
# 前へ踏み出す
%param angle5 20
%param -angle5 -20
# 前に出した足のつま先がつっかからないようにする
%param -angle5S -5
# 踏み出しを半分戻す
%param angle6 10
%param -angle6 -10
# スピード定義
# intervalは角度設定の合間に置くms
# stepsは、目的角度まで幾つ区切って進むか
# speedは両者とも定義されていなければエラーになる
# デフォルトはmidium
%defspeed fast {
    interval:2
    steps:10
}
%defspeed midium {
    interval:6
    steps:10
}
%defspeed slow {
    interval:9
    steps:10
}
# サーボ角度の定義集
# 直立状態
%defangles zerophaseSide {
    # 左の項のサーボ名はシステム予約語
    #
    # 左右の動きに関わるサーボ
    LeftUpperLeft:$angle0
    LeftUpperRight:$angle0
    LeftLowerRight:$angle0
    LeftLowerLeft:$angle0
    RightUpperRight:$angle0
    RightUpperLeft:$angle0
    RightLowerRight:$angle0
    RightLowerLeft:$angle0
    #
    # 前後の動きに関わるサーボ
    LeftUpperFront:$angle0
    LeftUpperBack:$angle0
    LeftLowerFront:$angle0
    LeftLowerBack:$angle0
    RightUpperFront:$angle0
    RightUpperBack:$angle0
    RightLowerFront:$angle0
    RightLowerBack:$angle0
}
# 最初の一歩の前段階
# 右への傾きの第1段階、菱形に潰れる
%defangles rightphase1-pre {
    RightUpperRight:$angle2
    RightUpperLeft:$-angle2
    RightLowerRight:$angle2
    RightLowerLeft:$-angle2
    LeftUpperLeft:$-angle2
    LeftUpperRight:$angle2
    LeftLowerLeft:$-angle2
    LeftLowerRight:$angle2
    # 前後の動きに関わるサーボ
    # 不要と思われる
}
# 歩行中の
# 右への傾きの第1段階、菱形に潰れる
%defangles rightphase1 {
    RightUpperRight:$angle2
    RightUpperLeft:$-angle2
    RightLowerRight:$angle2
    RightLowerLeft:$-angle2
    LeftUpperLeft:$-angle2
    LeftUpperRight:$angle2
    LeftLowerLeft:$-angle2
    LeftLowerRight:$angle2
    # 前後は半分くらい戻す
    LeftUpperFront:$angle6
    LeftUpperBack:$-angle6
    LeftLowerFront:$angle6
    LeftLowerBack:$-angle6
    RightUpperFront:$-angle6
    RightUpperBack:$angle6
    RightLowerFront:$-angle6
    RightLowerBack:$angle6
}
# 右への傾きの第2段階、
# 右足に重心を十分移動し、左足をできる限りあげる
%param angle3U 10
%param -angle3U -10
%defangles rightphase2 {
    RightUpperRight:$-angle4
    RightUpperLeft:$angle4
    RightLowerRight:$angle3
    RightLowerLeft:$-angle3
    LeftUpperLeft:$angle3U
    LeftUpperRight:$-angle3U
    LeftLowerLeft:$angle1
    LeftLowerRight:$-angle1
    # 前後はここで真っ直ぐに戻す
    LeftUpperFront:$angle0
    LeftUpperBack:$angle0
    LeftLowerFront:$angle0
    LeftLowerBack:$angle0
    RightUpperFront:$angle0
    RightUpperBack:$angle0
    RightLowerFront:$angle0
    RightLowerBack:$angle0
}
# 右への傾きの第3段階、
# 左足を前に踏み出す
%defangles rightphase3 {
    # 左右は揺れを直立に戻す
    LeftUpperLeft:$angle0
    LeftUpperRight:$angle0
    LeftLowerRight:$angle0
    LeftLowerLeft:$angle0
    RightUpperRight:$angle0
    RightUpperLeft:$angle0
    RightLowerRight:$angle0
    RightLowerLeft:$angle0
    # (left)前に踏み出す 後ろ足(right)の送り
    LeftUpperFront:$-angle5
    LeftUpperBack:$angle5
    LeftLowerFront:$-angle5S
    LeftLowerBack:$angle5
    RightUpperFront:$angle5
    RightUpperBack:$-angle5
    RightLowerFront:$angle5
    RightLowerBack:$-angle5
}
# （改訂S：右足をあまり開かない）左への傾きの第1段階、菱形に潰れる
# angle2 は本来14
# パラメータはどこにおいても良いので
%param angle2S 4
%param -angle2S -4
%defangles leftphase1 {
    LeftUpperLeft:$angle2
    LeftUpperRight:$-angle2
    LeftLowerLeft:$angle2
    LeftLowerRight:$-angle2
    # ここを変形
    RightUpperRight:$-angle2S
    RightUpperLeft:$angle2S
    # ここまで
    RightLowerRight:$-angle2
    RightLowerLeft:$angle2
    # 前後は半分くらい戻す
    LeftUpperFront:$-angle6
    LeftUpperBack:$angle6
    LeftLowerFront:$-angle6
    LeftLowerBack:$angle6
    RightUpperFront:$angle6
    RightUpperBack:$-angle6
    RightLowerFront:$angle6
    RightLowerBack:$-angle6
}
# （改訂S：）左への傾きの第2段階、
# 左足に重心を十分移動し、右足をできる限りあげる
# LeftLowerLeftをもっと引く
%param angle3S 32
%param -angle3S -32
%param angle4S 0
%param -angle4S 0
%param angle3T 10
%param -angle3T -10
%defangles leftphase2 {
    LeftUpperLeft:$-angle4S
    LeftUpperRight:$angle4S
    # ここを変化させた
    LeftLowerLeft:$angle3S
    LeftLowerRight:$-angle3S
    # ここまで
    RightUpperRight:$angle3T
    RightUpperLeft:$-angle3T
    RightLowerRight:$angle1
    RightLowerLeft:$-angle1
    # 前後はここで真っ直ぐに戻す
    LeftUpperFront:$angle0
    LeftUpperBack:$angle0
    LeftLowerFront:$angle0
    LeftLowerBack:$angle0
    RightUpperFront:$angle0
    RightUpperBack:$angle0
    RightLowerFront:$angle0
    RightLowerBack:$angle0
}
# 左への傾きの第3段階、
# 右足を前に踏み出す
%defangles leftphase3 {
    # 左右は揺れを直立に戻す
    LeftUpperLeft:$angle0
    LeftUpperRight:$angle0
    LeftLowerRight:$angle0
    LeftLowerLeft:$angle0
    RightUpperRight:$angle0
    RightUpperLeft:$angle0
    RightLowerRight:$angle0
    RightLowerLeft:$angle0
    # (right)前に踏み出す 後ろ足(left)の送り
    LeftUpperFront:$angle5
    LeftUpperBack:$-angle5
    LeftLowerFront:$angle5
    LeftLowerBack:$-angle5
    RightUpperFront:$-angle5
    RightUpperBack:$angle5
    RightLowerFront:$-angle5S
    RightLowerBack:$angle5
}
# 実行の定義
# 使えるコマンドは今の所
# setAngle, speed, delay, stand, relax
# メインルーチンの定義
%defexec walk1 {
    # この実行定義はループさせないで
    # exec は、再帰的呼び出しを可能にするか
    # 無限ループを避けなければならない
    # 次のものは繰り返させる
    # カンマの前後に空白を入れないこと
    #
    # まず、立たせる
    stand:all
    # 1000ms待機
    delay:1000
    # 最初の歩き出しは、前後を開いていないため、
    # メインルーチンに入れておく
    # 右に揺れ始める
    speed:midium
    setAngle:rightphase1-pre
    # 歩行のサブルーチンに移動する
    exec:walk2,3
    # 実行が終了したら
    # 立たせる
    stand:all
}
# サブルーチンの定義
%defexec walk2 {
    # 指定されたスピードは再指定がない限り有効
    # 足を上げる
    speed:midium
    setAngle:rightphase2
    setAngle:rightphase3
    # 左に揺れ始める
    speed:midium
    setAngle:zerophaseSide
    setAngle:leftphase1
    # 足を上げる
    speed:midium
    setAngle:leftphase2
    setAngle:leftphase3
    # 右に揺れ始める
    speed:midium
    setAngle:zerophaseSide
    setAngle:rightphase1
    # 100ミリ秒待機
    # delay:100
}
# 実行させる
# exec 実行コマンド
# walk1 定義されている実行内容名
# 1回だけ実行する
%exec walk1 1
######## 以上 ###########

足郎１に足踏みさせる

歩行にはどうしても一時的にでも片足立ちになることが必要なので、足郎１にもそれをさせてみた。サーボ制御言語の応用の意味もあった。

まだ、安定していないが、微調整をしていきたい。左右の動きに関する８個のサーボの角度マップは以下のようである。前後の８個は動かしていない。左右の動きの一部強い非対称性は、重心が微妙に右側にあることと、サーボの引き方のグダグダ感によるものだと思う。（この角度に向かって現在の角度から、ステップを刻みながら近づいていくように、次のスクリプト言語でプログラムされている）

以下に、上記のサーボの制御言語で書かれたスクリプトを記しておく。動画はこのスクリプトで動かしたものである。見れば、言語の文法はおよそわかっていただけると思う。最初は定義が羅列されていて、最後の方に実行コマンドが入っている

##############################
# 2017年5月18日 Toyoaki WASHIDA
# 2017年5月20日 ver.2
# 足郎1号の制御のためのプログラム
# 「足踏み」
# ファイル名: ashiro1-1.ibot
# '#'で始まる行はコメントになる
##############################
# 角度の定義、定義の名前、
# 定義の場合は、内容を {  } 内に書き込む
# デリミタは基本、空白
# %で始まる定義やコマンドの順序は関係ない
# ただし、 { }内記述の順番は意味を持つ（順番の通り実行される）
# パラメーターは、サーボ角度の値（足の角度ではない）
# （注）現状で、上のサーボとしたのサーボで方向が逆になっている
# スピード、delayの値で使うことが可能
# パラメーター使用時には'$'の接頭文字が必要
# 角度パラメーター
%param angle0 0
%param angle1 8
%param angle2 14
%param angle3 16
%param angle4 6
%param -angle1 -8
%param -angle2 -14
%param -angle3 -16
%param -angle4 -6
# スピードパラメーター
# ステップが刻まれる回数なので
# 正の整数、数字が大きくなるほど遅い
# 1ステップの最後に10msの待機を入れている
%param fast 10
%param slow 10
# 直立状態
%defangles zerophaseSide {
    #左の項のサーボ名はシステム予約語
    LeftUpperLeft:$angle0
    LeftUpperRight:$angle0
    LeftLowerRight:$angle0
    LeftLowerLeft:$angle0
    RightUpperRight:$angle0
    RightUpperLeft:$angle0
    RightLowerRight:$angle0
    RightLowerLeft:$angle0
}
# 右への傾きの第1段階、菱形に潰れる
%defangles rightphase1 {
    RightUpperRight:$angle2
    RightUpperLeft:$-angle2
    RightLowerRight:$angle2
    RightLowerLeft:$-angle2
    LeftUpperLeft:$-angle2
    LeftUpperRight:$angle2
    LeftLowerLeft:$-angle2
    LeftLowerRight:$angle2
}
# 右への傾きの第2段階、
# 右足に重心を十分移動し、左足をできる限りあげる
%defangles rightphase2 {
    RightUpperRight:$-angle4
    RightUpperLeft:$angle4
    RightLowerRight:$angle3
    RightLowerLeft:$-angle3
    LeftUpperLeft:$angle3
    LeftUpperRight:$-angle3
    LeftLowerLeft:$angle1
    LeftLowerRight:$-angle1
}
# 左への傾きの第1段階、菱形に潰れる（使わなかった、以下の改訂版を使った）
%defangles leftphase1 {
    LeftUpperLeft:$angle2
    LeftUpperRight:$-angle2
    LeftLowerLeft:$angle2
    LeftLowerRight:$-angle2
    RightUpperRight:$-angle2
    RightUpperLeft:$angle2
    RightLowerRight:$-angle2
    RightLowerLeft:$angle2
}
# （改訂S：右足をあまり開かない）左への傾きの第1段階、菱形に潰れる
# angle2 は本来14
%param angle2S 4
%param -angle2S -4
%defangles leftphase1S {
    LeftUpperLeft:$angle2
    LeftUpperRight:$-angle2
    LeftLowerLeft:$angle2
    LeftLowerRight:$-angle2
    # ここを変形
    RightUpperRight:$-angle2S
    RightUpperLeft:$angle2S
    # ここまで
    RightLowerRight:$-angle2
    RightLowerLeft:$angle2
}
# 左への傾きの第2段階、これは使わずに、次の改訂版を使った
# 左足に重心を十分移動し、右足をできる限りあげる
%defangles leftphase2 {
    LeftUpperLeft:$-angle4
    LeftUpperRight:$angle4
    LeftLowerLeft:$angle3
    LeftLowerRight:$-angle3
    RightUpperRight:$angle3
    RightUpperLeft:$-angle3
    RightLowerRight:$angle1
    RightLowerLeft:$-angle1
}
# （改訂S：）左への傾きの第2段階、
# 左足に重心を十分移動し、右足をできる限りあげる
# LeftLowerLeftをもっと引く
# この定義に関係するだけのパラメータを書いておく
%param angle3S 32
%param -angle3S -32
%param angle4S 0
%param -angle4S 0
%param angle3T 10
%param -angle3T -10
%defangles leftphase2S {
    LeftUpperLeft:$-angle4S
    LeftUpperRight:$angle4S
    # ここを変化させた
    LeftLowerLeft:$angle3S
    LeftLowerRight:$-angle3S
    # ここまで
    RightUpperRight:$angle3T
    RightUpperLeft:$-angle3T
    RightLowerRight:$angle1
    RightLowerLeft:$-angle1
}
# 前後の動き、使っていない
%defangles foreflac {
    LeftUpperFront:$angle
    LeftUpperBack:$angle
    LeftLowerFront:$angle
    LeftLowerBack:$angle
    RightUpperFront:$angle
    RightUpperBack:$angle
    RightLowerFront:$angle
    RightLowerBack:$angle
}
# 前後の動き、使っていない
%defangles backflac {
    RightUpperFront:$angle
    RightUpperBack:$angle
    RightLowerFront:$angle
    RightLowerBack:$angle
    LeftUpperFront:$angle
    LeftUpperBack:$angle
    LeftLowerFront:$angle
    LeftLowerBack:$angle
}
# 実行の定義
# 使えるコマンドは今の所
# setAngle, speed, delay, stand, relax
# メインルーチンの定義
%defexecs walk1 {
    # この実行定義はループさせないで
    # exec は、再帰的呼び出しを可能にするか
    # 無限ループを避けなければならない
    # 次のものは繰り返させる
    # カンマの前後に空白を入れないこと
    exec:walk2,3
    # 実行が終了したら
    # 立たせる
    stand:all
}
# サブルーチンの定義
%defexecs walk2 {
    # 指定されたスピードは再指定がない限り有効
    # 右に揺れ始める
    speed:$fast
    setAngle:zerophaseSide
    setAngle:rightphase1
    # 足を上げる
    speed:$slow
    setAngle:rightphase2
    setAngle:rightphase1
    # 左に揺れ始める
    speed:$fast
    setAngle:zerophaseSide
    setAngle:leftphase1S
    # 足を上げる
    speed:$slow
    setAngle:leftphase2S
    setAngle:leftphase1
    # 100ミリ秒待機
    # delay:100
}
# 実行させる
# exec 実行コマンド
# walk1 定義されている実行内容名
# メインルーチンは1回だけ実行する
%exec walk1 1
######## 以上 ###########

サーボ制御用の言語

ロボットに複雑な動きをさせるためには、サーボモーターを自在に制御しなければならない。膝なしロボット足郎1号にも、すでに16個のサーボモーターがついている。次の２号では、足だけなのにその倍、32個のサーボをつける予定だ。どう制御するのか。今は、C++のプログラムを書いて実行させている。引数を色々変えれば、ここのサーボ、あるいはサーボグループを変化させることはできるし、また、一連のプログラムの実行も可能だが、結局非常に面倒になっている。
そこで、こうした多数のサーボを制御するためのコンピュータ言語を作ろうと思う。例えばこんな感じである。
（この言語の実際の応用例）

##############################
# 足郎の制御のためのプログラム
# で始まる行はコメントになる
##############################
# 角度の定義、定義の名前、
#定義の内容を {  } 内に書き込む
# デリミタは基本、空白あるいはタブ
# 定義やコマンドの順序は関係ない
# ただし、 { }内記述の順番は意味を持つ
%defangles leftflac {
    #左の項の関節名は予約語
    LeftUpperLeft:12
    LeftUpperRight:12
    LeftLowerRight:12
    LeftLowerLeft:12
    RightUpperRight:12
    RightUpperLeft:12
    RightLowerRight:12
    RightLowerLeft:12
}
%defangles rightflac {
    RightUpperRight:12
    RightUpperLeft:12
    RightLowerLeft:12
    RightLowerRight:12
    LeftUpperLeft:12
    LeftUpperRight:12
    LeftLowerLeft:12
    LeftLowerRight:12
}
%defangles foreflac {
    LeftUpperFront:12
    LeftUpperBack:12
    LeftLowerFront:12
    LeftLowerBack:12
    RightUpperFront:12
    RightUpperBack:12
    RightLowerFront:12
    RightLowerBack:12
}
%defangles backflac {
    RightUpperFront:12
    RightUpperBack:12
    RightLowerFront:12
    RightLowerBack:12
    LeftUpperFront:12
    LeftUpperBack:12
    LeftLowerFront:12
    LeftLowerBack:12
}
#といった感じで、ここでは関節グループだが、
# 個別的なサーボの制御を書いても良い
# このような関節角度の定義を書き連ねる
# 実行の定義
# 使えるコマンドは今の所
# setAngle, speed, delay, stand, relax
%defexec walk1 {
    # この実行定義はループさせないで
    # exec は、再帰的呼び出しを可能にするか
    # 無限ループを避けなければならない
    # 次のものは繰り返させる
    # カンマの前後に空白を入れないこと
    exec:walk2,8
    # 実行が終了したら
    # 立たせる
    stand:all
}
%defexec walk2 {
    speed:10
    setAngle:leftflac
    # 100ミリ秒待機
    delay:100
}
# 実行させる
# exec 実行コマンド
# walk1 定義されている実行内容名
# 1回だけ実行する
%exec walk1 1
######## 以上、サンプル ###########

ファイルにして一気に実行もできて、また、一旦読み込んだら、コマンドプロンプトからインタープリターのようにも実行できるようにしたらいい。

逆振り子中の加速度

逆振り子中の加速度データが取れた。
加速度データは別スレッドで動かして取っているのだが、その間、なんだかサーボ制御の動きがおかしかった。RaspberryPiはコア4なのに、スレッド１個で動揺していては困るな。
青のX軸が前後の動きで、オレンジのYが左右、灰色のZ軸が上下である。
左右には割と安定して揺れているが、ぜん後には突然揺れが襲ってきている感じだ。
どういうタイミングで足を前後に出して行くかが問題だ。もう少し、一方の足への重心移動がはっきりと、安定して行われなければ、逆足の前への移動は難しいのかもしれない。

逆振り子

足郎を一旦組み上げた後、色々なハード的な問題が発生して、リードを作り直したり、足の厚みを強化したりして、時間を使った。ハード上の問題はまだあるが、さしあたって、動きを作り始めている。まず、左右の揺れを正確に刻ませたかった。
歩行まではまだまだだなぁ。

「足郎１号」組み上げました

二足歩行目指して「足郎１号」（足しかないので、いや、足しか作る予定がない、笑）組み上げました。この段階ではまだ、膝関節をつけていないので、実用版ではなく、実験版です。「足郎２号」で、膝を持った普通の「足」にする予定。
足が前後していたり、微妙に開いていたりするので、まず、サーボ角度０で直立している状態をきちんと作ってから動かします。
予測していたより安定性が高い。前後に倒れる力と左右に揺れる力を利用してある貸そうと思っているので、あまり安定していてもいけないが、それはそれでいい。
サーボの反応速度が悪くなければ、二足歩行に持っていけるはず。

リード線作り

夕方からの時間のほとんどを使って、サーボから伸びるリード線を16本作成した。
サーボのゼロ位置の調整、そこから足と上板への距離を測って、それに見合うものを作成したが、おそらく全て調整し直す必要がある。１、２ミリ長くなるので、その分切って、半田付けで繋げるという作業が必要になると思う。
その調整が滑って終わったら、サーボの初期位置でこのロボットを立たせるつもりだ。サーボに支える力がなかったら、最初から全て考え直さなければならなくなる。そうならないことを願いたい。
16個のサーボを、うまく制御するためのプログラム上の工夫が必要だとは思っている。

駆動の原理

基本的に、
（１）重心がかかっているときには、関節を固定させる。
（２）重心がかからず、関節が自由なときに、駆動させる。
（３）関節が固定化されている時の上板の加速度が意味を持つ。

フレームの作成

さしあたって「膝なし版」の二足歩行ロボットに向けて、アルミの枠組みを作成した。
昔見た、ブリキの廃材で作ったロボットの雰囲気。関節に駆動力がかからないので、遊びが大きく、ネジ穴が多少合わなくても問題なし。
今日中に、このフレームに、サーボモータ16個を取り付けて、ハード的なところを完成させたい。16個も（！）大丈夫かな（笑）

倒れこみとしての二足歩行

ロボットの現在の二足歩行が不自然なのは「倒れこみ」が基本になっていないからだ。
人は歩く動きは、ただ前に倒れ続けているだけなのだ。それは、人工衛星が地球に落下し続けているのと似ているかもしれない。倒れるときに、大きな力は必要がない。だから人も、歩くことに大きなエネルギーを使わない。前方に倒れかかると片足を前に出す、新しい足が低になって回転する。さらにその回転が前に倒れこむ。別の足を出す。ただそれの繰り返しである。
倒れる！おっとっと、足を前に出そう、である。
そのとき、ただ、体が左右に揺れる。これは、倒れない程度に揺れる必要がある。なぜなら、倒れこみの時、足を前に出す必要があるが、その足には重心がかかっていてはならないからである。
従って「倒れ込まない揺れと」「倒れ込んでしまう揺れ」の二つを繰り出して、人は歩いていく。
現在のロボットは、関節の角度を変えながら歩いていく。倒れこみはない。倒れこみなどすると、本当に倒れてしまう。