ロボコン日記

Fusion360で簡単なリファレンス用マウスをモデリング


加工

既に重い...　（モータが普通のφ6-12mmのシリーズより1.5倍重いのが原因）

実際の機構で前回と同じ要領で再び歪み計測。今回はパラメータとして手元の4種類
MK06-4.5、翠嵐のモータ、赤い彗星のモータ、緑モータ（dyNAMIX)
のモータを入れ替えて計測してみた。



前回との相違点は
・磁石を鉄芯で覆っている
・ベアリングがある
・モータがある

結果

だめだ...もろにモータの磁束漏れを拾っている。モータが無くても歪みが大きいことから、磁石の周囲に鉄芯を巻くとモータのコアと互いに反発はしなくなるが、エンコーダに届く磁界も弱くなるためS/Nが悪くなっていると推測。レニショー純正のφ3×1では厳しそうだ。

設計変更
磁石をφ3×1から今まで使ってきたφ3.5×1.5(ネオジム）に変更

かなり改善された。結局のところ精度は位置決めだけでなく、使用する磁石の磁力の強さにもかなり依存するようだ。

今でも1005と0.5mmピッチのはんだ付けぐらいは明るい場所なら（20代は暗くてもいけた）裸眼でも楽勝だが、0603以下やQFNがちゃんとパッドについただとか、パターンが断線していないかを確認するのはちょっとつらくなってきた。

1. Efix HDMI VGA 7 〜 45Xという中国製実体顕微鏡

今年から中華通販も解禁することにした。
特にトラブルもなく、EMSで注文から約1週間ほどで届いた。

梱包は例によって分別が死ぬほど大変なテープでぐるぐる巻き、発砲スチロールなどは型どりされており、去年のCNCよりかはまともな梱包がされていた。ACアダプタは説明になかったが親切にも日本の100Vに対応のものが同封されていた。

特徴は
・ズーム付　7～45倍　（7倍でマイクロマウス基板の半分が見える程度）
・LEDリングライト付　（このブランドはLEDが面実装型で作業の邪魔にならない）
・焦点距離:10cmほど
・3眼式でHDMIで見ている内容を外部モニタに出力可能
・最初からはんだ付けを想定しており、簡易的な耐熱マットやツール置き場も付属する。
・価格は3万円以下。国産だとニコンやオリンパスが大手だが10万を超える。

筐体は傷があったり、LEDリングライトの端子が下のようにただのはんだ付けだったりといろいろ加工が雑な部分はあるが機能に支障はない。


説明書は無いが勘で組み立てる。


双眼部分はピントもダイアルでスムーズに合わせることができて、くっきりと期待通りの画を得ることができた。HDMI出力は一昔前のデジカメレベルの画でピントの精度も双眼部分に比べるとかなり劣る。それほど使う予定はないので問題無し。

実際に顕微鏡ではんだ付けしたときは
・良い点
　面実装部品のピンセットによる位置決めが正確に行える。
　セミリフロー時にはんだの溶け具合がすぐにわかる。
　基板上のゴミ取りがしやすい。
・不便な点
　どうしても高さ方向の視界が失われるので、
　QFNの側面のはんだ付けの確認等はワークを傾けるなどひと手間が必要。
　覗きこんでいて視野が狭くなるので、手に持ったはんだごてや
　エアーノズルを画面外の他の部位にぶつける可能性がある。

今後のマウスはもっと部品を小さくしていくのでうまく活用できればと思っている。

2. 白光　FR-803B リワークステーション（ホットエア）


もともとは10万以上する高級機器だが、国内業者から格安で購入。2016年ディスコンで白光製品はディスコンから3年経つとサポート切れになるので格安のリリースが増えているものと思われる。

こちらは同価格帯で欧米での評価が高い中国製Quick861DWと迷ったが消耗品の入手性がよくなさそうなのと、温度表示がでたらめな可能性があるので国産の白光を選んだ。

特徴は
・センサフィードバックによるFX-888はんだごてと同じぐらい高速かつ正確な加熱
・ヒートガンよりエアーをかなり弱くできる。（部品が吹き飛ばない）
・温度を細かく設定できる
・プログラムでリフローの温度プロファイルを入れることができる
　（基板や部品を痛めずにリワーク、リフローが可能）
・ノズル内にバキュームも内蔵していて大きなICチップであれば
　ピンセットを使わずとも吸い取ることができる。

このように腹パッドがある部品でも、プログラムされた温度と時間のエアーをあてるだけでピンポイントで簡単に取り外すことができる。（因みにUSBは別要因で剥がれたので関係無いです）また逆にクリームはんだを塗布すればリフローができる。


実際にリワークしてみて
・良い点
　従来のようにはんだを盛ったり、吸い取り線で汚したりすることなくスムーズに
　基板から部品を取り除くことができる。

・不便な点
　加熱は速いが使用後の冷却は自然冷却らしく遅い。
　温度設定などボタン操作とLED表示が前世紀的で若干判りにくい。
　（一応、勘だけで操作してプログラムなども出来たが）
　筐体が大きく重く、場所を取る。（後継機は小型化されたようだ）


マウス中部支部のメンバの中にはもっと頭のおかしな機器に囲まれている人もいると思うので、自分はまだまだ見劣りする電子工作環境だと思う。

あけましておめでとうございます。
はい年男です。

今年の本業は謎の開発部隊に選抜されるらしく、関連した技術の勉強もプライベートでやろうかと思っていて、昨年よりさらに時間がなくなることは必至でなかなかマウスの大会に顔を出すことは難しくなるかもしれませんが死なない程度に頑張ります。

マイクロマウスは...
年末～新年でも、センサの評価と実機の走り込みとログ解析を行っているアホだが、
マイクロマウスの目下の課題は2017年以降に作ったハーフ、クラシック全ての機体が吸引すると低速のターン(1m/ｓ）程度でもこのオーバーステアが発生すること。

緑が目標角速度、紫がジャイロの角速度であるが途中で不自然に角速度が落ちている。これはスリップしていることを意味する。2017年以降のマウスはモータマウントと車軸の剛性が上がっている。（手で動かしてもがたつかない）またジャイロは旧作がMPU6000に対してICM20602という最新式のジャイロを用いている。ハードの変化点はこれぐらいである。

大方、タイヤの接地と機体の重心の問題と推測はできるが
不可解なのが車軸をポジティブキャンバに設定し、モータマウントの基板への固定ネジを緩めるとこのオーバーステアが緩和される方向に働くということである。一般常識的に結果は逆（ネガティブキャンバ+マウント剛性強化）のほうが安定するはずである。実のところこの現象に2年以上悩まされていて、次の新作で何を改善すればいいのかわからず新作の設計が進まない状態である。わざと足回りの剛性を従来機並みに下げるという手もあるがそれでは何か腑に落ちない。

四輪+吸引はもはや何がおきているのか自分でも理屈がわからなくなりつつあるので、一旦やめて、シンプルな機体に回帰しようかとも思っている。

前回に引き続きレニショー製磁器式エンコーダRMB06のテスト。
今回は1回転の歪みの精度が今まで使っていたエンコーダと比べてどの程度かということを確かめる。磁石径もマイクロマウスに使うことを想定して同社の選択肢のなかで最小のφ3厚さ1mmの小型のものを選択した。

以下に試験装置のブロック図を示す。

図のように光学式エンコーダであるMTL社のMES-6の軸にCNCで作成した磁石マウントを圧入し、対面に測定対象であるRMB06をセットする。パラメータとして磁石とセンサの距離を変えて1mmと2mmで振った。この両者は同じ軸の回転角度を共有しているわけで、両者の角度データを比較すれば角度誤差が計測できるというわけである。

一般的に光学式エンコーダは磁器式エンコーダより精度が高く、アッシーとして工場で調整されているはずなので今回はMES-6が誤差のないものとして考える。

あらかじめ断わっておくが、この結果で得ようとしているのはあくまでもマイクロマウスを作るときに使用する個人向けの工作機械の精度でどのくらいのエンコーダの精度が出せるかというものである。データシートでうたっているような絶対的な角度誤差ではないのでそのつもりで...仮にそれを測ろうするのであれば、もっと筐体の剛性UPや加工精度が必要で光学エンコーダもハイデンハイン等の認証された専用計測用エンコーダを使うべきで、それは個人が趣味でやるレベルではない。

比較対象として自分の機体である翠嵐や赤い彗星に使用していたa社の12bitインクリメンタルエンコーダとマイクロマウスではよく使われているF社1319モータ（IE2-400エンコーダ付）も同様の手法で計測した。1319は下写真のようにカップリングで接続した。


結果は以下の通り

縦軸がMES-6との角度の差分（歪み）、横軸が絶対角度である。尚インクリメンタルでZは使っていないのでそれぞれ計測開始点は異なる。

結果からRMB06　距離=1mmがエンコーダ付モータ1319と同程度の歪みレベルに収まっていることがわかる。また距離を2mmにしてもさほど歪みは大きくならなかった。
一方、a社のエンコーダは1mm,2mmとも歪みが少し大きく、特に距離を長くしたときに歪みが大きくなった。

歪みが発生する原因としては

1.センサ内のホール素子の処理方法のちがい（ばらつきの影響を受けるか受けないか）
2.芯だし不良（センサと軸の回転中心のズレ）
3.MES-6の軸の傾き（すりこぎ運動）

というものがある。今回の実験でも2,3の要因が支配的でたまたまa社のほうが大きかったのではと思うかもしれないが、治具で一応合わせているので条件は同じはずである。
3に関してはダイヤルゲージで回転方向が0.04mm、前後方向で0.03mmのブレがあった。
以下はRMB06 d=1mmのNG事例で軸中心を0.3mmほど横にずらした結果である。


振幅が4degほどまでに大きくなっている。このズレは自分の機体（翠嵐）のタイヤ径/制御ソフトで速度に直すと約0.46m/sほどの計測誤差が発生する計算となる。（ちなみに振幅が1degだと誤差は0.11m/s程度）これは古典制御では修正できない潜在的誤差となる。実のところ速度が発振してもマイクロマウスはあまり精度に影響はないのだが、機体の振動は大きくなるのでモータが余分に電流を消費して発熱が大きくなったり、タイヤの接地が不安定になったりするなどの2次被害が出る可能性はある。

ちなみに径が大きく高さのある磁石（φ4厚さ4mm)も試したが両社とも結果に大きな差はなかった。

どちらにしても磁気式エンコーダは光学式エンコーダに比べ、安価で小型化が容易というメリットはあるが組みつけの段階でかなりの精度を出さないとサーボ制御をかける用途としては使いにくいのである。特許をいろいろ調べると産業界では制御用として磁気エンコーダが単体で使われることは少なく、なんらかの補正手段を用いたり、光学式エンコーダとハイブリットで使うなどして精度を確保している事例が多い。

RENISHAW（レニショー)株式会社様の好意により、マイクロマウスにも使用可能な磁器式エンコーダの提供をいただいたので、次期型マウスは搭載する方針で開発を進める。

先方はイギリスに本社を置く、ロータリエンコーダや3次元計測用プローブなど高精度が求められるセンサ製品を中心に展開する企業である。

経緯としては本社で何人かマイクロマウスに参加しているメンバー経由で紹介があったのと、自分の本業でもたまたま付き合いのあるメーカであったということである。打合せの席で本業の案件のついでに実際に開発中のマイクロマウス実機を囲んで上司や海外の技術者もまじえ、小1時間ぐらい仕様について議論するところから始まった。

提供を受けたのは下記RMB06という磁気エンコーダモジュール(写真右下の黒い奴）

マイクロマウス開発者の視点としての本製品のうれしさは
・幅7mm以下
・電源3.3V
・ABZインクリメンタル(4逓倍：4096p/r）プッシュプル出力
・磁石径はφ3から公式に対応（もちろん径方向着磁）
・重量0.1g以下
特に3.3Vでφ3の磁石から対応するエンコーダはなかなか市場には無い。

形状が独特で直接立てるのは難しいので下記のホルダをCNCで加工して埋め込んだ。


リファレンス用のシャフトは何年か前に景品で頂いたMTLの光学エンコーダMES-6を使用した。軸にガタがあるので今後の歪み計測用にメカ的歪みを計測しておく。小さいので本当はレーザー変位計が欲しい。


仮配線。制御評価用には2012年ぐらいの2世代前のマウスを改造して用いる。


9700rpm前後（=マウスを全速力で走らせたときの車輪速度）でフリーに回転させたときのAB相の波形。きれいに出力されている。少なくも従来から仕様しているams社のAS5040系統では、径の小さい磁石を使うと停止時にも微妙に雑音が載っていることがあるが、このRMB06はどこで止めても雑音は載っていなかった。また、たまに安価なエンコーダだとモータのスイッチングノイズを拾うため対策が必要だが、このエンコーダはそういうことも今のところ必要はなさそうだ。


次回はリファレンスエンコーダと比較して歪みがどのくらいなのか検証する。

マイクロマウス：翠嵐3位

今回は最短経路が20m近くとかなり長く、小型のバッテリーしか積めないこのクラスは持続力との勝負だった。2走目でゴール直前でリセットがかかり、バテたのでこれは厳しいと思ったがターン速度だけMaxにして3走目でゴール。4走目は直進速度も上げたがほとんどバッテリーが残っていなかったらしく、後半でブレーキ力が足りなくなりリタイヤ。なるほどセミファイナルのように単純なコースの走行難易度というより、持続性の意味で難易度の高いというコースもあるのだなということを認識した。上の2人はそのまま中部と同じ順位だが、タイムを上回るにはちがうアイデアを持ってくるか、メカ精度向上とイナーシャ低減が必要でどちらにしろハードウェアを変えないと無理そうだ。

クラシックマウス：赤い彗星2位

今回から主催者側からの発表で教育用のクラスとなったので、過去の名題が出題される。今回はAPEC2002のコース。調べるとIEEEのいくつかの迷路アルゴリズム関連の論文にも例題として登場しているので良い迷路ということだろうか。実際、上位でも経路選択がかなり分かれていた。

自分のマウスは南周りの斜め走行がほとんどない直進がメインのコースを選択した。自分の機体はあまり加減速は得意ではないがそれでも時間的にはこちらが速いようだ。去年のMAXから少しずつパラメータを上げていったが、予想通り最後は優勝者とのチキンレースになり少しの差で優勝を逃した。今年の最適経路はV90や135ターンはおろか連続ターンすら全くない高速型の迷路で体格差をいかせる区間があまりなかった。

ただトレーサの優勝者のブログを見ても感じたが、命を削ってでも絶対に勝ちたいという気力の差で今回私は負けたような気がする。ロボット競技というものは個人の技術力や経験による差というのはどうしてもあるが、スポーツとある程度同じで理屈を超えた力を出す為に最後に必要なのは製作者の根気である。その根気次第で差はある程度埋められると私は信じている。



さて、来年は新元号最初、そして我が国でマイクロマウス大会が始まって40周年となる記念大会である。ついこないだ30周年座談会の記事を見たような気がしていて時が経つのは早く感じる。実は2社ほど製品モニタ依頼が来ていて実物も手元に既に届いている。まずは年内それらの単体評価をじっくり行ってから次のマウスを形にしていこうと思う。

マイクロマウス全日本大会は今年から運営の効率化のため、従来のフレッシュマン、エキスパートといったクラス分けと予選日がなくなり、1日でいきなり3競技の決勝（正確にはマウス競技はセミファイナルとファイナルがわかれているため4競技だが）がほぼ同時並行で行われる形に変更となった。近年国内外で競技人口が増えたため、国内選手は地区大会でのポイントが実質予選という形になった。海外選手は地区大会に参加というのは無理な話なので今までの実績等からしかるべき出走順に入る。

今までは予選で今の癖や調子を見て、決勝までに悪かったところを修正といった感じだったが今回は試走日で見極める必要がある。

今年の会場は東京工芸大学（厚木）
何度も足を運んでいる会場で、マイクロマウス大会の環境として申し分ないところである。

名古屋→小田原　（ひかり）
小田原→本厚木（小田急）
たまたま今年デビューした新型ロマンスカーGSEが来た。


小田急ロマンスカーの醍醐味はなんといっても展望席からの眺めで、なかなか取るのが難しいらしいが、今日はなぜか新幹線内でネットからあっさり最前列が予約できた。

1枚ガラスでほとんど遮るものもなく、外部の走行音などもほとんど聞こえない。快適な前面展望を楽しめた。


車内空間もモダンで快適だが、唯一不便に感じたのが展望席部分は荷物棚が無いことである。扉付近に空港特急のような棚はあるが、数は少なく混雑時はすぐに埋まってしまう気がした。

本厚木からバスで会場到着。

クラシックは初っ端から直進があまり安定しない。車輪を手で回すと微妙に摩擦が左右でちがう。ギヤに付着したゴミをピンセットで1時間以上かけて取り除き少し戻ったように思えた。その他、Maxパラメータ近くのターンで微妙にずれている要素があったので修正。ただこれは実際の試合で走らせてみないと良い方向に行くかどうかはわからない。吉と出るか凶と出るか...　それよりもこの機体は過去に何度も突然ハードが不調になるということがあったのであまり弄りたくはない。

マウスのほうは先週に中部支部でだいぶ合わせ込んだので、それほど大きなトラブルはなくいつも通りの調子だった。今回は走行順的にほこりが厳しそうだが、後ろにひかえる宇宙人たちに人類でもここまで走れるぞというプレッシャーをかける役割が求められるポジションである。

そしてマウスパーティだが予想通り、人間の体調が悪くなり退散。全日本は毎回うつ病の症状が出るのである。だったら何でここにいるのかということになるがそれは自分の中のなにかが欲するのであろう。とりあえず寝て体調を回復させることを優先する。

本業はここのところ生産技術モード。うん、設備更新を依頼したらNGが多くなった。
いろいろ解析するとノイズ耐性が駄目だった。差動配線じゃない通信線をツイストペアとか...

マウスのほうはあまり冒険せず、調子をときどき見るぐらいで全日本にそなえて体力を温存している。耐久性がよろしくない。

さて、中華CNCのX4-800Lだが購入して半年ほど経ったが今のところ致命的なトラブルは起きておらず品質も安定している。（たまにスピンドルモータの制御が位相ズレをおこしていそうな音がするが）ただしアルミやPOMを削る分にはまだいいが、MDFといった木材系を削るとモータの空冷ファンで粉塵が舞って部屋中に漂うという欠点がある。

今まで掃除機を構えていたが世の中的には集塵機を装備するのが一般的らしいので自作することにした。


見にくいがスピンドルの横にホースを追加して左下の黒いハンディクリーナで吸いこむという単純なものである。ただしそのまま吸いこむとすぐにクリーナの内部が粉塵でつまってしまうので、青いカップが見えると思うがこれがサイクロンユニットで原理はこのあたり参照
遠心力で粉塵を分離してゴミはカップの底に溜まるようになっている。多くの製作者はこの下にペール缶などタンクを接続するが粉塵の量はそこまで多くないので省略した。ただ、一般的なサイクロンとちがって自分は中心の吸いこみ口のパイプの下を塞ぎ、横に開けた無数の小さな穴から吸うようにしている。これにより下に溜まった粉塵が巻き上げられて吸いこまれることを防止する。実際、6分ぐらいのMDF切削後クリーナーの内部に入った粉は目で見えるものはなかったので狙いは成功している。

集塵部は以下のようなユニットをスピンドルモータに装着する


よくある機構であるが、ここはスカート部に一般的にはブラシを使っている人が多いが、ブラシの隙間から空気が漏れて圧力が低下するためきれいに集塵するためにはクリーナーの出力をある程度強くする必要がある。ここは自分のオリジナルでスカートに画用紙で作成した蛇腹を採用している。これにより吸引すると加工面に蛇腹が密着し、吸いつくことで気圧をかなり下げることができるため、弱い吸引力でも集塵が可能になるというわけである。


稼働の様子


クリーナはそのままでは非常にうるさいので秋月電子のトライアック万能調光器キット(40A)を使って出力を絞っている。このキットを使う場合、クリーナはマイコン制御でない単純なもののほうがうまく行く。

走れそうな4台エントリー
クラシック
赤い彗星　：　4.883　優勝
追憶の黒影：　5.768
マウス
翠嵐　3.304　3位
MU-18T 探索のみ


クラシックは2012年から大会7連覇　日本国内の参加地区大会では20連勝を達成した。

クラシック


1985年のつくば科学万博で行われた世界大会の復刻迷路とのこと。最短経路を出すのはそれほど難しくないが、コースは長い直進区間や、当時としてはまだ普及していなかったと思われる斜め走行区間もしっかりと用意されていて現代でも十分に走りごたえのある迷路である。自分のマウスは最適経路は上画像の黄緑（優勝タイム）、ターン数最小モードでは北回りの経路を選んだ。北回りルートは走行難易度は低いが少し距離が長めになるためタイムは落ちるようだが、当時のVTRを見ても3位の方はこちらを選択している。ターンが遅ければ距離が長くても北回りのほうが速いはずなので、30年以上前の当時にそれを判断できるアルゴリズムがあったということになる。

マウス

前日からあまり調子が良くない。深夜2時まで粘ったが良くならず、当日もMU-18Tは最短はできず、翠嵐のほうも真ん中ぐらいのパラメータでしか走れなかった。その後の調べでスカートと路面の摩擦が大きくなっていて、修復すると少し戻った。MU-18Tのほうはその後の社内イベントではソフト、ハードを改良、最短成功率は少しづつ向上しているがφ3広角（対TPS601+4550)センサの姿勢制御があまりしっくりこない。考え方を変えてトレーサ的な強い補正をするほうがいいのかもしれない。

今大会はどの競技も1位と2位の争いが熾烈で面白かった。そして各方面負けず嫌いのチキンレースがまた始まるような気がする。ただ競技でもテクノロジーの進化の分野でもライバルがいるというのはプラスに思わなければならない。形はどうであれ、実力が拮抗していればあと自分がもう少し頑張れば追いぬけるというモチベーションを高めるのである。
（ただし、あまりにも凌駕しすぎると逆にモチベーションを失うパターンもある）

今年はAPEC 台湾と国際大会には出ているのだが国内の大会には未だ出ていない。ルール変更でどこかの地区大会で完走しないと全日本への出場権が与えられない。自分が唯一参加予定の中部地区大会は参加者のレベルが高く地区大会の中でももっとも難しい大会なので時間はあまりないが、せめて現状のマウスの体調は把握しておく。

久々に技術的記事を...

マウス（無印）
ソフトを2016年後半までタイムスリップさせた。どうも少しづつ修正していた制御系に狂いが生じて少し不安定になっている。差分を追ってもいまいち原因はわからないがホイールとバッテリを交換したことで少しタイヤの接地状態が変わり、現状の制御系にマッチしなくなった可能性がある。

クラシック
昨年の全日本以降、4走目以降のパラメータの成功率が低い。これはかなり限界に近いレベルになりどうしても滑りや瞬時的なトルク不足などでターン進入、脱出位置のズレなどでセンサの値が変化して壁のエッジ検出をミスする確率が増えることに起因する。

エッジ検出は従来4パターンぐらい場合分けしていたが、失敗時のデータを解析して場合分けを廃止して下記のようにシンプルにした。

これがどのケースでも従来手法よりいいとは限らないと思うが、少なくとも小さな迷路での成功率は少し向上したように見える。これ以外には絶対値でなく微分して相対的な変化率を見るというのも検討している。
センサに移動平均フィルタをかける人も多いと思うが自分は業務で出力結果は物理的意味を持たない愚作と教え込まれているので本業だけでなくマウスの信号処理に一切使っていない。というかフィルタ類すら現在のマウスではログ用以外にほとんど使っていない。

こういった設変は自分のなかでは堪どころとしてスライドに残すようにしている。

似た問題が起きた時に時間が経つとソフトを見ても、当時なぜそうしたかという根拠を忘れて間違った方向に進む事例が多いのである（例えば別のところを書き換えてエラーをエラーで消すなど）考え方を残すことはエンジニアリングでは重要な要素である。