そろばん珠で全方向に移動できるコースターロボットを作る

そらまめ35号「Soloban-wheel coaster」

FlashAirで全方向移動や回転運動が可能なロボットを作ってみました。
車輪は自作のオムニホイール+360度サーボ。
LEDはWS2812B x24。
ベースはコースター基板です。

コースター形状ですので、プリンなど軽いものを載せて運ぶことができます。
方向転換することなく全方向に自由に移動が可能です。
ソフトウェア次第で、FlashAirに内蔵されたマイコンによる自立走行や、スマホからのリモコン操作が可能です。
ライトアップ機能も搭載していますので、載せたものが一層映えるかもしれません。

部品名	型番等	個数	備考
そろばん	13桁	36珠	ダイソーで購入
カードリング	30 または 35mm、Φ3mm	3個	ダイソーとユニディで購入
ポリウレタン線	0.26mm	1巻	手持ち
ローテーションサーボ	SG90-HV	3個	３６０°連続回転サーボ
FlashAir	W-04 16GB	1個	Wi-Fi内蔵SDカード型マイコン
コースター基板	円形、Φ86㎜	1枚	MFTでのFlashAir購入特典
24連LEDリング	WS2812B x24	1個	aliexpressで購入
昇圧DCDCコンバータ	3.3V出力 500mA	1個	aliexpressで購入
Dフリップフロップ	TC7W74FU	1個	サトー電気で購入
電解コンデンサ	220uF	1個	aliexpressで購入
SDカードソケット		1個	aliexpressで購入
ユニバール基板	2.54mmピッチ	1個	aliexpressで購入
ピンヘッダ	2.54mmピッチ	適量	aliexpressで購入
電池ボックス	単3×2用	1個	秋月電子で購入
乾電池	単3	2個	eneloop pro
その他消耗品	適宜	適量	両面テープ、接着剤、はんだ等

足回りの部品はこちらになります。

１）そろばんを万能はさみとペンチで分解し、球を取り出します。
２）外したリングに珠を通します。
　　カードリングの大きさで通せる数が来まります。このリングは35mmΦで12個通せました。
３）サーボについてきたプラ部品を加工して長さを調整します。
　　自分は端を薄く削って差し込める様にしてますが、ここまでの加工はいらないと思います。

４）ポリウレタン線でプラ部品をカードリングにしばりつけて固定します。
　　同じものを3個作れば完成です。

30mmΦのカードリングで作った時の写真も紹介します。10珠なので少し小さい車輪になります。
十字に縛ることができないので、プラ部品を接着剤で補強しています。

FlashAirは、PWM信号を５個出せるので、そのうち3個をサーボモータの端子につなげます。
また、端子切り替えでLEDの制御信号を出力することができます。
１）ユニバーサル基板にカードスロットとDCDCコンバータを固定します。
２）DCDCコンバータの入力に電解コンデンサをつけて電池ボックスの電源をつなぎます。
３）DCDCコンバータの出力をFlashAirにつなぎパスコンをつけます。
４）ピンヘッダを並べます。
５）3端子ごとにピンヘッダに電源とグランドと制御信号をつなぎ、サーボ3個のコネクタを直接刺せるようにします。
６）LEDリング用のピンヘッダにFlashAirのSPIデータ出力端子と電源を繋ぎます

FlashAirはそのままでは、LEDリングを制御できません。そこで簡単な信号変換回路を用意します。
回路図を示します。
この回路を使えばFlashAirの1.6MHzのSPIの信号をLEDリング用の信号に変換することができます。
この変換回路をLEDリングの表面の空き地に取り付けます。

コースターロボットのベースには、MFT2015で配布されたおまけ基板コースターを利用しました。
とてもかわいい基板です。裏面の配線パターンは使いません。

１）LEDリング上の変換回路とマイコンモジュール（上のFlashAirのSPI端子）を繋ぎます。
２）LEDリングをコースター基板の表に両面テープで貼りつけます。
３）電池ボックスとローテーションサーボをコースター基板の裏面に貼りつけます。
４）電池とサーボの配線をマイコンモジュ－ルにつなぎ、配線が絡まないように束ねます。
５）ローテーションサーボに車輪を取り付けます。
６）配線を見直し、FlashAirと電池を取り付けたら、ハードウェアは完成です。


8の字走行のソースコード例
-----------------------------------------------
-- Soloban_corster for W4.00.03
-- Copyright (c) 2019-2021, AoiSaya
-- All rights reserved.
-----------------------------------------------
function chkBreak(n) -- for FTLE(FlashTools Lua Editor) BREAK
	sleep(n or 0)
	if fa.sharedmemory("read", 0x00, 0x01, "") == "!" then
		fa.pwm("stop",2)
		fa.pwm("stop",3)
		fa.pwm("stop",4)
		error("Break!",2)
	end
end
fa.sharedmemory("write", 0x00, 0x01, "-")

local script_path = function()
	local  str = debug.getinfo(2, "S").source:sub(2)
	return str:match("(.*/)")
end

function SG90(ch,degree) -- degree=-90..90
  local interval, min, max = 20, 0.5, 2.5 -- [ms]
  local freq = 1000/interval -- [Hz]
  local duty = ((degree+90)/180*(max-min)+min)/interval*100 -- [%]
  fa.pwm("duty",ch,freq,duty)
  fa.pwm("start",ch)
end

-- main
local myDir  = script_path()
local libDir = script_path().."lib/"
led = require(libDir .. "SlibWS2812B")
local rgb={}
local num = 24
local bright = 8
local ctbl ={
0xFF0000,
0xE02000,
0xC04000,
0xA06000,
0x808000,
0x60A000,
0x40C000,
0x20E000,
0x00FF00,
0x00E020,
0x00C040,
0x00A060,
0x008080,
0x0060A0,
0x0040C0,
0x0020E0,
0x0000FF,
0x2000E0,
0x4000C0,
0x6000A0,
0x800080,
0xA00060,
0xC00040,
0xE00020
}

local	r, g, b, c, k, p, v
local	be = bit32.extract
local	cos = math.cos
local	sin = math.sin
local	M_PI = math.pi
local	p2r = 2.0 * M_PI / 360.0
local	M_2PI_3 = M_PI*2.0/3.0

		k = 0
		led:setup( num )
		for i=1, num do
			c = ctbl[(k+i)% num+1]
			rgb[i] = {}
			rgb[i].r = be(c,16,8)
			rgb[i].g = be(c,8,8)
			rgb[i].b = be(c,0,8)
		end
		k = (k+1) % num
--		led:light( rgb, bright )
		chkBreak()

fa.pwm("init",2,1)
fa.pwm("init",3,1)
fa.pwm("init",4,1)
SG90(2,0)
SG90(3,0)
SG90(4,0)

v = 100
s=10
w=20

while 1 do
---[[
	for p = 0, 359, s do
 		r = p * p2r
		fspeed =  v * sin(r)
		rspeed =  v * sin(r-M_2PI_3)
		lspeed =  v * sin(r+M_2PI_3)
		SG90(4,fspeed);chkBreak(w);--fa.pwm("stop",4)
		SG90(3,lspeed);chkBreak(w);--fa.pwm("stop",3)
		SG90(2,rspeed);chkBreak(w);--fa.pwm("stop",2)
--		collectgarbage()
	end
--]]
	chkBreak(w)
end

return

動作させたときの様子をいくつか紹介します。

Twitterにつぶやいたときの動画を紹介します。
姿勢制御用の加速度センサーなどはついていませんが、同じ場所を8の字走行できていることがわかります。
全方向に移動できるオムニホイールとしての精度はそこそこ高そうです。
走行中にボディがふらつくのは制御値とサーボの回転数が比例していないためで、補正すれば改善できそうです。
https://twitter.com/La_zlo/status/1172561174937784320

かぼちゃのおもちゃを載せてライトアップしてみました。
プログラム次第で載せたものを好きな色で演出することができます。

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