投擲ロボットにおけるサーボモータの応答速度を考慮した

修士研究報告
投擲ロボットにおけるサーボモータの応答速度を考慮した
FPGA コ ン ト ロ ー ラ の 試 作
The experimental production of the FPGA controller
for a throwing robot
報
学生番号：
氏名：
告
者
1145058
岸
雅基
指導教員
星野
孝総
平 成 24 年 2 月 3 日
高知工科大学
電子・光システム工学コース
1
投 擲 ロ ボ ッ ト に お け る サ ー ボ モ ー タ の 応 答 速 度 を 考 慮 し た FPGA コ ン ト ロ ー ラ の 試 作
第 1章
序 論 ............................................................................................................ 3
－ ROBO-ONE（ ろ ぼ わ ん ） － .................................................................................. 4
－ ROBO-ONE 宇 宙 大 会 － ........................................................................................ 5
－ ROBO-ONE 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会 － ....................................................................... 5
－ 競 技 内 容 ： 着 地 競 技 － ......................................................................................... 6
－ 学 部 時 の 研 究 か ら 得 た 課 題 － ............................................................................... 8
－ 本 研 究 で 扱 う 範 囲 － ............................................................................................ 9
－ シ ス テ ム の 要 素 － ............................................................................................... 9
第 2章
着 地 ロ ボ ッ ト ............................................................................................. 10
－ FPGA を 使 用 す る メ リ ッ ト － .............................................................................. 11
－ FPGA と は 何 か － .............................................................................................. 12
－ FPGA に よ る サ ー ボ モ ー タ コ ン ト ロ ー ラ の 設 計 と 試 作 － ...................................... 16
サ ー ボ を 動 作 さ せ る (基 礎 実 験 ) .............................................................................. 18
－ サ ー ボ モ ー タ に つ い て － ................................................................................... 21
3章
RC サ ー ボ モ ー タ の 制 御 .................................................................................. 26
－ 制 御 － [15] ........................................................................................................ 26
自 動 制 御 に は ど の よ う な も の が あ る か ................................................................ 26
多 入 力 に 対 忚 す る 為 に ....................................................................................... 26
最 適 な 制 御 手 法 の 選 択 ....................................................................................... 26
負 荷 状 態 で の サ ー ボ の 忚 答 速 度 実 験 ...................................................................... 28
実 験 方 法 .......................................................................................................... 28
サ ー ボ の 忚 答 速 度 ................................................................................................. 29
90 度 回 転 に 要 す る 時 間 ......................................................................................... 31
45 度 の 傾 斜 .......................................................................................................... 31
－ FPGA に よ る サ ー ボ モ ー タ 動 作 実 験 － ................................................................. 33
投 擲 用 の ロ ボ ッ ト の 機 構 ....................................................................................... 34
ア ル ミ と は .......................................................................................................... 35
板 金 （ 板 金 工 作 ） ................................................................................................. 38
－ 電 源 回 路 － ....................................................................................................... 40
3 端 子 レ ギ ュ レ ー タ .............................................................................................. 40
4章
FPGA に よ る PWM 作 成 方 法 ............................................................................ 56
－ FPGA 概 説 － ..................................................................................................... 56
PWM の 作 成 方 法 .................................................................................................. 59
シ ミ ュ レ ー ト ....................................................................................................... 64
第 5章
落 下 実 験 .................................................................................................... 66
2
－ 実 験 結 果 － ....................................................................................................... 67
－ 考 察 － .............................................................................................................. 67
第 6 章 終 章 (ま と め と 考 察 ) ...................................................................................... 68
－ ま と め － .......................................................................................................... 68
－ 今 後 の 課 題 ・ 考 察 － .......................................................................................... 68
参 考 文 献 ................................................................................................................. 69
謝 辞 ....................................................................................................................... 71
活 動 業 績 ................................................................................................................. 71
付 録 ： 回 路 図 .......................................................................................................... 72
追 加 調 査 と 追 加 実 験 ............................................................................................. 72
生 き 物 か ら 学 ぶ 「 猫 は 何 故 着 地 で き る か ？ 」 ......................................................... 72
必 要 な セ ン サ の 条 件 ............................................................................................. 73
ジ ャ イ ロ セ ン サ .................................................................................................... 73
加 速 度 セ ン サ ....................................................................................................... 74
I2C モ ー ド ........................................................................................................... 75
通 信 す る に あ た っ て 注 意 す べ き 点 .......................................................................... 75
－ 通 信 方 法 に つ い て － .......................................................................................... 75
RS232C ............................................................................................................... 75
実 験 環 境 .............................................................................................................. 76
実 験 結 果 .............................................................................................................. 77
通 信 実 験 の 考 察 .................................................................................................... 77
通 信 の 無 線 化 ....................................................................................................... 77
XBee ................................................................................................................... 78
シ リ ア ル 無 線 通 信 ................................................................................................. 78
Xbee に よ る ペ ア リ ン グ 実 験 .................................................................................. 80
Xbee の 使 い 方 ...................................................................................................... 80
通 信 実 験 .............................................................................................................. 81
3
第1章
序論
「ロボットとは何か？」という問いかけに対し、明確な定義を行うことは難しい． ロボ
ットという単語に対して、人が思い浮かべるイメージや動きは人それぞれ違う．定義でき
ない理由は時と場合によってロボットの意味合いが変化するからである．ロボットという
言 葉 は チ ェ コ ス ロ バ キ ア 出 身 の 小 説 家 カ レ ル ・ チ ャ ペ ッ ク の 戯 曲 「 R.U.R」 に 登 場 す る 人
間 を 模 し た 存 在 を 指 す 。ロ ボ ッ ト は チ ェ コ 語 で 労 働 を 意 味 す る 言 葉 robota か ら カ レ ル の 兄
ヨゼフ・チャペックが考えた造語であった。今日、我々がロボットと言われると金属で構
成 さ れ た 、「 機 械 的 構 造 物 」 を 連 想 す る も の と 思 わ れ る 。 理 由 と し て SF 小 説 や 漫 画 ・ ア ニ
メ・映画に登場する題材として描かれるものの大半は、自律的に動作する物体だったから
に他ならない。人々はロボットに対して大きな夢を描いていた。 しかしながら現実世界で
機械に求められたことは産業生産活動に役立つ機能そのものであった．いわゆるオートメ
ー シ ョ ン で あ る ．産 業 に 携 わ る 人 に と っ て の ロ ボ ッ ト（ 自 動 化 や 人 が 行 う 仕 事 の 代 替 ）と 、
前述したある種のファンタジーの中のロボット、とは意味合いや定義に開きがあると言っ
てよい．人間では無いが、人間の代わりとして仕事をしてくれる存在をロボットと呼称す
る．そういった意味ではロボットという言葉は非常に便利である．ロボットに対し、硬い
イメージを連想しがちではあるが、本来チャペック兄弟の定義したロボットとは、有機的
な 物 質 で 構 成 さ れ た 存 在 で あ っ た と い う ．時 代 は 進 み 、21 世 紀 現 在 で は 、ロ ボ ッ ト へ の 原
点 回 帰 な の か 、人 間 の よ う な 動 き や 考 え を 試 行 さ せ 、人 間 そ の も の を ロ ボ ッ ト と し て 捉 え 、
研究することが盛んになっている．本研究では、着地を行うことのできるロボットの実現
を目指し、着地を実現させる為のシステムの一部について論ずる．近い将来、ロボットが
歩く動作・走る動作・跳躍する動作を行うようになるであろう．その際に求められる動作
は着地である．ロボットはロボット自身を守る機構が求められる．ロボットを守る行為は
人間をも守ることにも繋がると考える．
着 地 ロ ボ ッ ト の 歴 史 を 振 り 返 っ て み る と ，山 藤 和 男 氏 ら の 研 究 で 二 足 ロ ボ ッ ト に よ る 姿 勢
検 出 と 着 地 制 御 が 90 年 代 に 行 わ れ て い る ．研 究 目 的 や 目 標 は 高 い 位 置 か ら の ロ ボ ッ ト の 軟
着陸であり，ロボットを安全に地上に降ろすことである．猫が高い位置から着地しても無
事でいられるように，ロボットにも同様の機能を実装できないか試行 していた．機構とし
ては成果を挙げることができたようである．ただし，猫が高い位置から着地できるのは猫
が自身と地面との位置関係を視覚的に捉えることが前提である．よって内部機構だけでな
く外界との関係も考慮しなければならないということも明らかになってきた． 歩行に関す
る研究は多く行われてきたが，
「 着 地 」に 関 す る 研 究 は あ ま り 行 わ れ て い な い の が 現 状 の よ
う で あ る ． (図 .1-1)[1][2][3][4]
FPGA を 用 い た ロ ボ ッ ト シ ス テ ム に は 様 々 な 分 野 で 忚 用 が 試 行 さ れ ，ま た 活 用 さ れ て い る ．
ロ ボ ッ ト の 制 御 や 画 像 処 理 な ら び に セ ン シ ン グ 技 術 等 に も FPGA は 忚 答 速 度 の 面 か ら 技 術
的 な 意 味 で 幅 広 く 貢 献 し て い る ．ロ ボ ッ ト 制 御 で は PID 制 御 等 を FPGA で 実 装 す る こ と で
4
ロボットをコントロールするためのプロセッサとして使用したり，一つのシステムとして
構築できる．モータコントローラや画像処理プロセッサとしても使用されることが多い．
既存のアーキテクチャに依存せずシステムを組むことができる点や既存のアーキテクチャ
を FPGA 内 に 組 み 込 む こ と も で き る ． 様 々 な 分 野 で FPGA は 活 用 さ れ て い る こ と は 周 知 の
事 実 で は あ る ． し か し な が ら FPGA の 登 場 時 期 は ロ ジ ッ ク の 数 が 限 ら れ る な ど 限 定 的 な 使
用 方 法 で し か な か っ た ．ま た ASIC の 開 発 用 の テ ス ト 環 境 と し て FPGA が 活 用 さ れ て い た ．
し か し 前 述 し た 通 り ， 複 数 個 の プ ロ セ ッ サ を 載 せ ら れ る 時 代 と な り FPGA は 携 帯 用 の 端 末
に 採 用 さ れ る ま で に 省 電 力 化 と 小 型 化 が 進 ん だ ． ま た FPGA の 開 発 環 境 が 安 価 で 揃 え ら れ
る よ う に な っ た ． 今 後 も FPGA を 利 用 し た シ ス テ ム 等 の 研 究 は 発 展 を 遂 げ る と 思 わ れ る ．
本 研 究 で は 二 足 歩 行 ロ ボ ッ ト 競 技 大 会 「 ROBO-ONE」 主 催 に よ る 「 ROBO-ONE 宇 宙 大 会
予 選 競 技 会 」の レ ギ ュ レ ー シ ョ ン に 沿 っ て ロ ボ ッ ト を 作 成 し て い る ．以 下 に ROBO-ONE・
ROBO-ONE 宇 宙 大 会 ・ ROBO-ONE 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会 に つ い て 概 要 を 述 べ る ．
図 .1-1 将 来 求 め ら れ る と 予 想 さ れ る ロ ボ ッ ト の 動 作
－ ROBO-ONE（ ろ ぼ わ ん ） －
ロボワンとは二足歩行ロボットによる格闘競技大会の一つである．ラジコンサーボモータ
をロボットの関節とし，マイコンボードでサーボモータをコントロールすることで歩行す
る ． ま た 操 縦 は 無 線 プ ロ ポ か パ ソ コ ン か ら 行 う ． 2012 年 現 在 半 年 に 一 回 ペ ー ス で 通 算 19
回開催されている．開催目的はロボットや試合を楽しむことができ，技術的な素晴らしさ
やエンターテイメント性を重視している．ロボット技術の普及と健全な発展を目指し技術
情 報 は で き る だ け 公 開 す る よ う に し て い る ． (図 1-2)
5
図 .1-2 ロ ボ ワ ン 大 会
－ ROBO-ONE 宇 宙 大 会 －
ロボワン宇宙大会は二足歩行ロボットをロケットで打ち上げ，地球の北極と南極の上を結
ぶ 極 軌 道 上（ 500km)で 戦 わ せ る と い う 無 謀 と も 思 え る 競 技 大 会 で あ る ．ROBO-ONE 衛 星 と
よ ば れ る 縦 横 高 さ 50cm の 衛 星 （ 50kg 以 下 ） を ビ ギ ー バ ッ グ に よ る 打 ち 上 げ で 極 軌 道 を 周
回 さ せ る ．ROBO-ONE 衛 星 に は ロ ボ ッ ト が 数 体 格 納 さ れ て い る 想 定 に な っ て い る ．ロ ボ ッ
ト そ の も の は 二 足 歩 行 ロ ボ ッ ト で あ り 地 上 で 歩 け る こ と が 前 提 で ， 縦 横 高 さ 10cm の 立 方
体 に 入 る も の と さ れ て い る ．地 上 か ら コ ン ト ロ ー ル で き る こ と が 求 め ら れ て い る ．2010 年
に 打 ち 上 げ 予 定 で あ っ た が ， 後 述 す る ROBO-ONE 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会 を ク リ ア し た ロ ボ
ッ ト が 2012 年 現 在 存 在 し な い 為 ， 今 後 の 予 定 が 事 実 上 白 紙 と な っ て い る ． (図 .1-3)[5]
図 .1-3 ロ ボ ワ ン 宇 宙 大 会 （ 予 想 図 ）
－ ROBO-ONE 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会 －
ロボワン宇宙大会予選競技会は前述したロボワン宇宙大会の出場権獲得，ならびに姿勢制
御 技 術 を 高 め る 為 の 競 技 会 で あ る 。 宇 宙 空 間 で は 0G の 無 重 力 状 態 な 為 ， こ れ を 地 上 で 再
現するには落下させるしかない．そこで小型二足歩行ロボットを投擲し，意図的に無重力
状態を作り出す．また着地させることができる程の姿勢制御技術を有するロボットならば
無重力空間でも姿勢制御が可能であろうという推測から行われている競技である．細かい
規 定 に つ い て 以 下 に 示 す ． 半 年 に 一 度 予 選 競 技 会 が 行 わ れ て い る ． (図 .1-4)[6][7]
6
図 .1-4 ロ ボ ワ ン 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会
図 .1-5 ロ ボ ワ ン 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会 の 概 要
－競技内容：着地競技－
所定の位置から，参加者がロボットを手で投げる．
ロボットが両足で着地できれば成功とする．
ただし、以下の条件を満たすこと．
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1． ロ ボ ッ ト の 最 初 の 着 地 点 は 、 投 げ る 位 置 か ら 水 平 距 離 で 1m 以 上 離 れ て い る こ と
2． 投 げ る 位 置 は ， 床 面 か ら 50cm 以 上 の 高 さ で あ る こ と ．
3． 外 乱 に 強 い 制 御 を 求 め る た め ， 手 で 投 げ る こ と ．
4． 2 軸 方 向 に お い て そ れ ぞ れ 180 度 以 上 回 転 す る こ と ．
5． 床 面 は ， ROBO-ONE 1/4 リ ン グ と す る ．
6． 両 足 裏 以 外 が 接 地 し て は な ら な い ．
7．着 地 後 の 姿 勢 制 御 を 確 認 す る た め ，着 地 後 は す ぐ に 立 ち 上 が る も の と す る ．立 つ と は 脚
の ひ ざ 関 節 が 90 度 以 上 で あ る こ と と す る ．ま た す ぐ に と は ，ロ ボ ッ ト が 着 地 後 1 度 バ ウ ン
スし，次に着地するまでを言う．バウンスは空中に浮かばなくてもバウンスと判断する．
8． 着 地 後 3 歩 以 上 の 歩 行 を 行 い 10 秒 間 は 倒 れ て は な ら な い ．
9． 脚 を 90 度 以 上 伸 ば し た 状 態 で 着 地 し ， 衝 撃 吸 収 の た め 着 地 後 さ ら に 曲 げ る の は 良 い も
のとする．
10． 着 地 時 の 脚 の 位 置 は ， 投 げ る 方 向 と 垂 直 を 基 準 と し て 45°の 範 囲 に 左 右 の 脚 を 置 い た
状態でなければならない．
※着 地 姿 勢 に こ だ わ る 必 要 は な い が ， 脚 で 着 地 し た こ と が 観 客 か ら 見 て 明 ら か で あ る こ と
が望ましい．
ロ ボ ッ ト の 規 格 ： 重 量 は 1.5kg 大 き さ は 200×200×100mm の 直 方 体 に 収 ま る こ と （ 変 形 を
許可）姿勢制御の演算部はロボットに搭載している事が望ましいが，有線による外部搭載
でも可．ロボットは姿勢制御装置を搭載していること．ただし，パラシュート，翼など宇
宙 空 間 で 使 用 で き な い 装 置 は 認 め ら れ な い ．バ ッ テ リ ー を 搭 載 し て い る こ と ．
（バッテリー
お よ び サ ー ボ は 地 上 用 の 市 販 品 を 使 用 し て も 良 い ） (図 .1-6)
図 .1-6 ロ ボ ワ ン 宇 宙 大 会 予 選 競 技 会 規 則 (ロ ボ ッ ト の 寸 法 )
8
－学部時の研究から得た課題－
学部時に実際にロボットを製作し，ロボットの競技大会に参加した． 2 回投げたが成功し
なかった．センサを要求に沿ったものを使用していなかったことや，ボディの構造的な強
度 不 足 が 災 い し た ． 空 中 に 投 げ ら れ た ロ ボ ッ ト に と っ て 加 速 度 は 0G な の で セ ン サ か ら の
情 報 が 当 て に な ら な い ．セ ン サ の ノ イ ズ を 除 去 し て い な か っ た こ と も 挙 げ ら れ る ．
（ 図 .1-7）
またマイコンでは常に割り込み処理がかかる状況で判断や指示が困難なのではないかとい
うことも分かってきた．またサーボモータの動作が着地動作に間に合っているかどうかの
判断も考慮すべきであった．
図 .1-7 参 加 し た ロ ボ ワ ン 大 会 で の 様 子
図 .1-8 競 技 結 果 (着 地 後 横 転 ）
研究背景：着地ロボットに使用されるサーボモータに最適な動作をさせるコントローラが
必要である．またサーボモータを動作させるのにマイコンではなく並列動作に適した
FPGA で コ ン ト ロ ー ラ を 試 作 す る ．
9
研 究 目 的 ： 投 擲 ロ ボ ッ ト に お け る サ ー ボ モ ー タ の 忚 答 速 度 を 考 慮 し た FPGA コ ン ト ロ ー ラ
の試作し，投擲ロボットの可能性を示す．
－本研究で扱う範囲－
本来，ロボットはセンサ・演算・サーボコントロールの 3 要素で構成される．本研究では
「サーボコントロール」に焦点を当て，サーボモータで任意の動作ができるようにコント
ロ ー ラ を 設 計 す る ． (図 .1-9)
－システムの要素－
前述した通り，センサと演算部に当たる部分は本研究では触れない．
実 際 に ロ ボ ッ ト を 実 装 す る こ と を 想 定 し ， コ ン ト ロ ー ラ 部 は FPGA で 実 装 す る ．
図 .1-9 本 研 究 で 扱 う 範 囲
本 稿 の 内 容 は 以 下 の よ う に な る ． 2 章 で 着 地 ロ ボ ッ ト に つ い て 述 べ る ． 本 研 究 で は FPGA
を 用 い た 着 地 ロ ボ ッ ト シ ス テ ム の 可 能 性 と 扱 う 範 囲 に つ い て 示 す ． そ の た め ， 3 章 で RC
サ ー ボ の 実 験 、4 章 で は FPGA に よ る PWM 作 成 方 法 に つ い て 述 べ る ．5 章 で は 落 下 実 験 と
着地システムについて述べ，最後に 6 章で結論と考察を述べる．
10
第2章
着地ロボット
本 研 究 で は 着 地 ロ ボ ッ ト の た め の RC サ ー ボ モ ー タ の コ ン ト ロ ー ラ を 試 作 ， 評 価 す る こ と
を 主 目 的 と し て い る ． (図 .2-1)
－システムの提案・システムに求められる性能
着地システムに求められる要求
・ 地 上 50cm の 高 さ か ら 落 下 さ せ て 0.3 秒 以 内 に 最 適 な 動 作 を 完 了 さ せ る こ と が で き る
前述したロボワン宇宙大会予選競技会でのロボットの動きを動作検証すると次のことが分
かった．
・ 投 擲 後 着 地 動 作 す る 際 に ロ ボ ッ ト は 1 関 節 あ た り 90°以 下 の 動 作 に な っ て い る ．
・ 落 下 ま で に は 0.3 秒 ～ 0.4 秒 程 度 の 時 間 が 経 過 し て い る ．
よってサーボモータに要求される動作は
「 0.3 秒 以 内 に 関 節 を 90°回 転 す る こ と が で き れ ば 落 下 ま で に 姿 勢 を と る こ と が で き る ．」
サ ー ボ モ ー タ は PWM に よ る 角 度 指 令 に よ っ て 動 作 す る ． 任 意 の PWM 信 号 を 出 す こ と で
最適な動作を実現させる．
図 .2-1 求 め ら れ る 性 能
一 般 的 に PWM を 実 現 す る 際 に は マ イ コ ン を 利 用 す る こ と が 多 く ， 実 際 に 競 技 大 会 に 出 場
している機体はマイコンによる制御がほとんどである．システムを構築する際はフィード
バ ッ ク 制 御 等 を 用 い る こ と が ほ と ん ど で あ る が ， ロ ボ ッ ト が 落 下 す る ま で の 時 間 が 0.3 秒
～ 0.4 秒 と 極 め て 短 い ． こ の よ う な ミ ッ シ ョ ン を ク リ ア す る た め に は あ る 一 定 の 時 間 ご と
11
に 動 作 を 行 う 時 間 制 御 を 用 い る ほ う が 良 い と 考 え た ． シ ス テ ム の 試 作 に 多 用 さ れ る FPGA
は 多 種 多 様 な PWM を 試 行 す る の に 適 し た デ バ イ ス と 判 断 で き る ． 本 研 究 で は マ イ コ ン は
使 用 せ ず FPGA(Field Programmable Gate Array) を 利 用 す る ．
－ FPGA を 使 用 す る メ リ ッ ト －
FPGA を 用 い る メ リ ッ ト は マ イ コ ン と 比 べ て ， 出 力 さ れ る パ ル ス （ 指 令 ） 等 を 詳 細 か つ 厳
密に定義・実装できる点にある．
通 常 の マ イ コ ン を 用 い て PWM 相 当 の 信 号 を 複 数 出 力 す る 際 、ま ず 考 え ら れ る 容 易 な 実 装
方 法 と し て は タ イ マ ー を 利 用 す る 方 法 が あ る ． タ イ マ ー (WDT)を 利 用 し た I/O ポ ー ト 制 御
で ， 指 定 し た 時 間 で タ イ マ ー が 発 生 す る 割 り 込 み （ IRQ)や フ ラ グ を 利 用 し て マ イ コ ン 自 身
の ソ フ ト ウ ェ ア が PWM 相 当 の 信 号 を 作 り 出 す 方 法 で あ る ．I/O ポ ー ト か ら PWM と 同 等 の
On/Off の 矩 形 波 を 出 力 す る 形 と な る ．た だ し ，タ イ マ ー を ロ ボ ッ ト の 関 節 数 分 揃 え て い る
マ イ コ ン が 尐 な い と い う 傾 向 が あ る ． ま た マ イ コ ン の ソ フ ト ウ ェ ア に よ る PWM 実 装 だ と
ジ ッ タ ー の 問 題 が あ る ． ジ ッ タ ー と は 同 じ PWM 波 形 を 出 力 し て い る つ も り で も サ ー ボ の
波形にゆらぎが発生してしまう問題である．ジッターが発生する理由であるが，ソフトウ
ェ ア の 割 り 込 み 処 理・割 り 込 み 処 理 の 直 前 の 実 行 命 令・他 の 割 り 込 み 動 作 等 の 状 況 に よ り ，
割り込みの発生から割り込み忚答処理までの時間が一定にならないため，忚答時間に誤差
が 生 じ る ． こ れ が ジ ッ タ ー の 原 因 と な る ． フ ラ グ に よ る on/off 制 御 も タ イ マ ー を 利 用 し た
実 装 と 同 様 に 割 り 込 み の 影 響 を 受 け る た め ，ジ ッ タ ー の 原 因 と な る ．信 号 波 形 の ゆ ら ぎ（ ジ
ッ タ ー ） の あ る PWM で サ ー ボ モ ー タ を 動 作 さ せ た 場 合 に サ ー ボ モ ー タ は 振 動 す る よ う な
動 作 を 行 っ て し ま う ． サ ー ボ モ ー タ は PWM 信 号 の 波 形 幅 で 動 作 角 度 の 指 定 を 行 っ て い る
為，信号幅が微小に変わるような状況だとサーボモータは指定角度が変更されたものと判
断し，小刻みな動きを行ってしまう．サーボの連続振動（いわゆる武者震い・ハンチング
と言われる現象が発生する）やピク付きと呼ばれる一定時間中に小さく動くような現象の
原 因 と な る ． (図 .2-2)
12
図 .2-2 ジ ッ タ ー の 発 生
マ イ コ ン の ソ フ ト ウ ェ ア PWM に よ る ジ ッ タ ー の 解 決 は 難 し い ． ジ ッ タ ー が 全 く 無 い 状 態
つ ま り 「 ジ ッ タ ー フ リ ー 」 を 実 現 す る に は PWM を 全 て ハ ー ド ウ ェ ア と し て 実 装 し て し ま
え ば 良 い ．FPGA を 用 い て 必 要 本 数 分 の PWM を ハ ー ド ウ ェ ア 実 装 す る こ と で ジ ッ タ ー フ リ
ー の PWM を 実 装 す る ．
マイコンは使用するピンに機能が割り当てられており，ある程度は使用するピンを変更で
き る が ， 大 幅 な 変 更 は 難 し い ． FPGA の 場 合 ， 電 源 や GND， ク ロ ッ ク 等 の 物 理 的 な ピ ン は
決 め ら れ て い る が ，I/O ピ ン で あ れ ば ピ ン の 位 置 を 任 意 に 変 更 す る こ と は 可 能 で あ る ．PWM
信 号 を FPGA で 出 し た 場 合 ， カ ウ ン タ 数 に よ っ て パ ル ス 幅 を 任 意 に 変 え る と い っ た 動 作 を
容易に行わせることができる．このような動作をマイコンで実装するのは難しい．
－ FPGA と は 何 か －
FPGA と は Field-Programmable -Gate-Array の 略 で ， 出 荷 後 に （ フ ィ ー ル ド で ） 再 構 成 可 能
な ゲ ー ト ア レ イ（ LSI）の こ と を 指 す ．ゲ ー ト ア レ イ と は ト ラ ン ジ ス タ で で き た ロ ジ ッ ク ゲ
ー ト （ NAND ゲ ー ト な ど ） が 多 数 並 ん だ も の で あ る ． FPGA は HDL（ ハ ー ド ウ ェ ア 記 述 言
語）で記述された回路図を，実体化できるプロセッサである．一般的なプログラムはメモ
リ に 格 納 さ れ ， CPU に て 逐 次 実 行 さ れ る も の で あ る ． FPGA の プ ロ グ ラ ム と は 回 路 図 の こ
と で あ り 尐 し 意 味 合 い が 異 な る ．た だ し FPGA の プ ロ グ ラ ム（ テ キ ス ト ソ ー ス リ ス ト ）は ，
マ イ コ ン 等 の プ ロ グ ラ ム と 記 述 が 非 常 に 良 く 似 て い る ． 回 路 図 エ デ ィ タ や HDL で 作 っ た
「 回 路 図 」は ，FPGA メ ー カ ー の 提 供 す る コ ン パ イ ラ に て ，FPGA に 適 し た デ ー タ（ ビ ッ ト
ス ト リ ー ム デ ー タ ） と し て 出 力 さ れ る ． こ れ を FPGA へ ダ ウ ン ロ ー ド す る こ と に よ っ て ，
FPGA が 回 路 図 通 り の 動 き を す る よ う に な る ． 主 な FPGA メ ー カ ー に は FPGA を 世 界 で 初
め て 作 っ た Xilinx・ 後 発 の Altera・ Lattice・ Actel な ど が 有 名 で あ る ．[8][9][10][11][12][13]
13
FPGA に よ る シ ス テ ム 開 発 の 基 礎 実 験 と し て Xilinx 社 製 の FPGA を 搭 載 し た
CQ-EVSP3E100 と い う ボ ー ド を 使 用 し た ． FPGA の 他 に 7 セ グ メ ン ト LED と ス イ ッ チ や 電
源 回 路 ， ダ ウ ン ロ ー ド 用 の 回 路 や 汎 用 I/O ポ ー ト ， な ど を 一 枚 の 基 板 に 実 装 し た 学 習 用 ボ
ー ド で あ る ． 表 .と 表 .に ボ ー ド の 概 要 を 示 す ．
回 路 の 初 期 不 良 が 無 い か 調 べ る 為 ，搭 載 さ れ て い る LED と ス イ ッ チ を 全 て 内 部 配 線 し て 動
作 さ せ た ．プ ロ グ ラ ム 内 容 は 押 す ス イ ッ チ ご と に 点 灯 す る LED が 変 わ る と い う も の で あ る ．
[図 .2-3][14]
図 . 2-3 FPGA で の 動 作 実 験
表 .2 -1
FP GA ボ ー ド
搭載
XC 3 S100 E (Xi li n x 製
FP GA
4 桁 7 セ グ メ ン ト LE D× 1
単 体 LE D× 4
周辺機能
プ ッ シ ュ ・ ス イ ッ チ ×4
3 3Mh z ク ロ ッ ク 発 振 器 ×1
5 .0 V( 最 大 印 加 電 圧 (6 .0 V)
電源電圧
ボ ー ド 上 で 1.2 V, 2 .5 V, 3. 3 V を リ ニ ア ・ レ
ギュレータで生成
外形寸法
11 0. 0× 72 .0 m m
表 .2-2 搭 載 FP GA の 概 要
シ ス テ ム ゲ ー ト 数 10 万 ゲ ー ト
・ ロ ジ ッ ク セ ル 数 216 0
回路規模
・ 組 み 込 み メ モ リ 52 K ビ ッ ト
・ディジタルクロックマネージャ 2 チャ
ンネル
電源電圧
コ ア 電 圧 1. 2 V, I/ O 電 圧 2 .5 V 及 び 3 .3 V
14
ス イ ッ チ の オ ン オ フ に LED の 点 灯 ・ 消 灯 を 対 忚 さ せ た ．
FPGA に プ ロ グ ラ ム を 書 き 込 む 手 順 を お お ま か に 説 明 す る ． ソ フ ト に は Xilinx 社 製 の
ISEWebPack を 使 用 す る ． 最 新 バ ー ジ ョ ン は 11.1 で あ る ． 次 に 設 計 フ ロ ー を 示 す ． [図 .2-4]
新規プロジェクト
の作成
ソースコードの作
成
論理合成
ピン配置の指定
実装
ダウンロード
図 .2-4 設 計 フ ロ ー
・新規プロジェクトを作成する際にターゲットデバイスの指定を行う．
・ FPGA の フ ァ ミ リ （ シ リ ー ズ 名 ）
・デバイス名（型番）
・ パ ッ ケ ー ジ （ IC の 形 状 ）
・スピード等
の指定を行う．
・ ソ ー ス コ ー ド は テ キ ス ト エ デ ィ タ で 行 う ． 今 回 は VerilogHDL と い う 言 語 を 使 用 す る の
で ソ ー ス コ ー ド (「 . v」 フ ァ イ ル )を 作 成 す る 際 に 「 Verilog Module」 を 選 択 す る ．
・論 理 合 成 を 行 う ．ソ ー ス コ ー ド を 論 理 回 路 に 変 換 す る 工 程 で あ る が 多 尐 時 間 が か か る ．
・ピ ン 配 置 の 指 定 を 行 う ．こ れ は 実 際 の FPGA の パ ッ ケ ー ジ 足 が ど の 論 理 回 路 と 対 忚 す る
の か 定 義 す る こ と で あ る ．ピ ン 配 置 に は 制 約（ コ ン ス ト レ イ ン ）フ ァ イ ル を 使 用 す る ．
（「 .ucf」
ファイル）具体的にはテキストファイルであり，信号名とピン番号を指定する．
・実装を行う．ソースコードは論理合成によって回路情報に変換される．ただしこの状
態 で は FPGA は 動 作 し な い ． 回 路 情 報 を FPGA の 内 部 構 造 に 割 り 当 て （ テ ク ノ ロ ジ マ ッ ピ
ン グ ）， 配 置 配 線 を 行 う ．
・ 実 装 処 理 が 終 わ っ た FPGA の 回 路 情 報 を FPGA へ 書 き 込 む 為 の デ ー タ に 変 換 す る ．（ ビ
ッ ト ス ト リ ー ム 「 .bit」 フ ァ イ ル ）
・FPGA に 電 源 を 供 給 し ，パ ラ レ ル ポ ー ト 経 由 で パ ソ コ ン と ボ ー ド を 接 続 す る ．ISEWebPack
の 「 iMPACT（ ソ フ ト ）」 を 使 用 し て FPGA へ ビ ッ ト ス ト リ ー ム フ ァ イ ル を 書 き 込 む ． 接 続
15
が 正 し く 繋 が っ て い れ ば ソ フ ト 側 か ら FPGA が 認 識 さ れ る ．実 際 に 書 き 込 む 際 は 一 旦「 Get
Device ID」（ デ バ イ ス ID を 取 得 ） を 選 択 し て か ら 「 Program」 を 行 う と 良 い ．（ い き な り プ
ロ グ ラ ム を 行 う と 失 敗 す る ．）
・ FPGA へ ダ ウ ン ロ ー ド が 完 了 す る と FPGA が 動 作 を 開 始 す る ．
以 上 が FPGA へ 書 き 込 む 大 ま か な 手 順 で あ る ．ソ フ ト の バ ー ジ ョ ン に よ っ て ソ フ ト の 操 作
方法（ユーザーインターフェース）に多尐の細かな差異が見られるが，上述の手順は変わ
らない．
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－ FPGA に よ る サ ー ボ モ ー タ コ ン ト ロ ー ラ の 設 計 と 試 作 －
・ FPGA に は Xilinx 製 Spartan3E フ ァ ミ リ の XC3S100E と XC3S250E を 採 用 し た ．
・サ ー ボ の 忚 答 速 度 や PWM モ ジ ュ ー ル を 試 作 す る の に XCS100E を 搭 載 し た FPGA ボ ー ド
を 使 用 し た ．（ CQ-EVSP3E100） (図 .2-5)(表 .2-3)
・ ロ ボ ッ ト に 実 装 す る 際 は 小 型 薄 型 な FPGA ボ ー ド （ MFPGA-SPAR3E ） を 使 用 し た ．
(図 .2-9)(表 .2-4)
当 初 ，FPGA は CQ-EVSP3E100 を 使 用 し ，PWM モ ジ ュ ー ル の 試 作 を 行 っ た ．ま た RC サ ー
ボ を 動 作 さ せ る こ と が で き た ． ロ ボ ッ ト に 搭 載 す る 際 に FPGA ボ ー ド の 基 板 面 積 が 大 き す
ぎ マ ウ ン ト で き な い ． 小 型 の FPGA ボ ー ド が 望 ま し い ． XC3S100E は ロ ジ ッ ク 数 が 比 較 的
尐 な い 点 か ら ， ほ ぼ 同 じ 原 理 で 動 き ， ロ ジ ッ ク 数 の 大 き い 同 系 列 の FPGA を 選 択 し た
(XC3S250E)． FPGA は マ イ コ ン と 違 い ソ ー ス コ ー ド で 互 換 を と る こ と が 比 較 的 困 難 と さ れ
る．
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図 .2-5 CQ-EVSP3E100 FPGA ボ ー ド
表 .2-3
CQ-EVSP3E100 FPGA ボ ー ド
型番
CQ-EVSP3E100
周辺機能
4 桁 7 セ グ メ ン ト LED×1
単 体 LED×4
プ ッ シ ュ ス イ ッ チ ×4
33.333Mhz ク ロ ッ ク 発 振 器
×1
電源電圧
5.0V(最 大 印 加 電 圧 6.0V)
ボ ー ド 上 で 1.2V，2.5V，3.3V
をリニア・レギュレーター
で生成
外形寸法
110.0mm×72.0mm
搭 載 FPGA
Xilinx Spartan-3E XC3S100E
回 路 規 模 (FPGA)
シ ス テ ム・ゲ ー ト 数 10 万 ゲ
ート
ロ ジ ッ ク セ ル 数 2160
組 み 込 み メ モ リ 52K ビ ッ ト
ディジタルクロックマネー
ジャー2 チャンネル
電 源 電 圧 (FPGA)
コ ア 電 圧 1.2V，I/O 電 圧 2.5V
お よ び 3.3V
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サ ー ボ を 動 作 さ せ る (基 礎 実 験 )
FPGA で サ ー ボ を 動 か す（ 無 負 荷 ）実 験 を 行 っ た ．on/off を 1.5msec ず つ 交 互 に FPGA の I/O
ピ ン か ら 出 力 す る ．周 期 3msec パ ル ス 幅 1.5msec と 同 等 の 擬 似 的 な 信 号 が 出 力 さ れ る ．FPGA
ボ ー ド 上 の LED を 擬 似 的 な PWM 波 形 と 同 時 に 出 力 す る ． サ ー ボ モ ー タ を 接 続 し ， FPGA
ボ ー ド の LED と サ ー ボ モ ー タ を 同 時 に デ ジ カ メ で 撮 影 す る ．パ ル ス の 入 力 と サ ー ボ が 回 転
す る 動 作 の 様 子 を 撮 影 で き る の で サ ー ボ の 忚 答 速 度 を 把 握 す る こ と が で き る ．(図 .2-7) LED
が点灯する瞬間からサーボの動作完了までのコマ送りの枚数をストップウォッチ代わりと
す る ． 30fps の デ ジ タ ル カ メ ラ で 動 画 撮 影 し ， コ マ 送 り で 動 作 を 把 握 す る ． 実 験 目 的 は 無
負 荷 で の サ ー ボ モ ー タ が ど の 程 度 の 時 間 で 90 度 回 転 を す る の か 調 査 す る こ と で あ る ．
図 .2-7 無 負 荷 実 験
実験結果
90 度 回 転 す る の に 230～ 250msec 程 度 要 し て い る ． ま た サ ー ボ モ ー タ の 動 作 は す べ て 2 度
~3 度 程 度 の オ ー バ ー シ ュ ー ト を 起 こ し て い た ． (図 2-8)
図 .2-8 実 験 配 線 図
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図 .2-9 無 負 荷 時 の サ ー ボ の 動 作 (90 度 回 転 )
20
図 .2-10
MFPGA-SPAR3E FPGA ボ ー ド
表 .2-4
MFPGA-SPAR3E FPGA ボ ー ド
型番
MFPGA-SPAR3E
周辺機能
コ ン フ ィ グ レ ー シ ョ ン ROM
XCF02SVO20C
LED×1
タ ク ト ス イ ッ チ ×1
I/O×59 本
電源電圧
3.3V 単 一 ， ま た は 5V 単 一
外形寸法
60.0mm×50.0mm
搭 載 FPGA
XC3S250E-4VQ100C
回 路 規 模 (FPGA)
シ ス テ ム ゲ ー ト 数 25 万
ロジックセル
5508 個
CLB ア レ イ 数 612 個
分 散 RAM 38K ビ ッ ト
ブ ロ ッ ク RAM 216K ビ ッ ト
乗 算 器 12 個
DCM 数 4 個
電 源 電 圧 (FPGA)
VCCAUX(2.5V)と VCCINT(1.2V)は
オンボード 3 端子レギュレーターに
て生成
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－サーボモータについて－
サーボモータとは物体の位置や姿勢、速度などを制御量として、目標値との結果を比較す
るサーボ機構に用いられるモータを指す．またこのサーボモータはエンコーダで回転軸で
回転軸の回転角度や回転速度を検地し，フィードバック制御で位置決めを行う．サーボモ
ー タ の サ ー ボ と い う の は servant(奴 隷 ・ 召 使 い )の 意 味 で 指 示 し た 通 り に 比 較 的 に 高 速 か つ
高精度に追従するものと定義されている．本研究においてサーボとは，ラジコン等のホビ
ー 用 途 で 使 用 ・ 市 販 さ れ て い る RC(ラ ジ オ コ ン ト ロ ー ル )サ ー ボ モ ー タ の こ と を 指 す ． RC
サ ー ボ モ ー タ は 駆 動 源 の 小 型 DC モ ー タ と ，1/200 程 度 の 減 速 比 を 持 つ 平 歯 車 に よ る コ ン パ
ク ト な 歯 車 減 速 装 置 ， 出 力 軸 (サ ー ボ ホ ー ン 取 り 付 け 軸 )の 角 度 変 位 を 検 出 す る ポ テ ン シ ョ
メータ，モータを駆動・制御するための基板，これらを保護防塵用のケースに封入したも
の で あ る ． (図 .2-11)(図 .2-12)
図 .2-11 RC サ ー ボ モ ー タ の 構 造
制 御 信 号 は PWM(Pulse-Width-Modulation)信 号 に よ っ て 行 わ れ る こ と が 一 般 的 で あ る ． た
だし信号等の標準規格化はされていない．ラジコン用のサーボモータで信号はある程度各
社 で 統 一 さ れ て い る ． 本 研 究 で は ロ ボ ッ ト の 関 節 に 当 た る 部 位 と し て RC サ ー ボ モ ー タ を
使 用 す る ． (図 .2-12)
実 験 に 用 い た サ ー ボ モ ー タ は 近 藤 科 学 製 の ロ ボ ッ ト 用 RC サ ー ボ モ ー タ 「 KRS-4013HV」
を 使 用 し た ． 標 準 で は 動 作 ス ピ ー ド が 公 称 値 0.12sec/60°で あ る が ， 同 社 製 の ギ ア を 変 更 す
22
る こ と で 動 作 ス ピ ー ド を 公 称 値 0.08sec/60° と し て い る ． 最 大 動 作 角 度 は 270° ト ル ク は
18kg/cm 動 作 電 圧 は 9～ 12V で あ る ．（ 図 .2-12)(表 2-5)
図 .2-12 KRS-4013HV サ ー ボ モ ー タ
表 .2-5 KRS-4013HV 概 要
型番
KRS-4013HV ICS Red
Version
定格電圧
9~16V DC
動作スピード
0.08sec/60°
トルク
18kg/cm
寸法
43×32×32.5(mm)
重量
65g
動作角度
270°
制御信号
PWM/シ リ ア ル コ マ ン ド 方
式
制御信号幅
3msec~20msec
仕様
コアレスモータ
全段メタルギア
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図 .2-13
RC サ ー ボ の 動 作 の 仕 組 み
－ サ ー ボ モ ー タ 用 PWM の 仕 様 －
サ ー ボ モ ー タ を 動 か す た め の PWM 周 期 は 通 常 ， 数 ミ リ ～ 20msec 程 度 で あ る ． (図 .2-14)忚
答 速 度 を 考 慮 す る 以 上 周 期 は で き る だ け 短 い ほ う が 良 い ．実 験 に よ り 3msec 程 度 ま で 周 期
を 短 く し て も 問 題 無 く 動 作 す る こ と が 確 認 で き て い る ． サ ー ボ の 動 作 範 囲 は 一 般 的 に 180
度 で あ る が ，KRS-4013HV は 270°動 作 範 囲 が あ る ．(図 .2-15)PWM の 信 号 幅 が 動 作 角 度 と 線
形 な 関 係 性 が あ る ．（ 図 .2-15)左 回 転 時 （ -135°時 ） は 0.7msec 前 後 ， 右 回 転 時 （ +135°時 ）
は 2.28msec 前 後 で あ る ． ニ ュ ー ト ラ ル （ 中 間 0°時 ） は 1.45msec 前 後 で あ る ．（ 図 .2-17）
図 .2-14 サ ー ボ の 周 期
24
図 .2-15
サーボの動作範囲
図 .2-16 サ ー ボ の 信 号 幅 と 動 作 角 度 の 関 係 (線 形 性 )
図 .2-17
サーボの角度と信号幅
25
以 上 の こ と か ら PWM 信 号 幅 と サ ー ボ 動 作 角 度 に は 以 下 の よ う な 式 が 示 さ れ る ．
出力信号幅
動作角度
・・・
備 考 ： PWM の 信 号 幅 と サ ー ボ の 動 作 角 度 の 関 係 性 を 調 べ る 為 に 予 備 実 験 を 行 っ て い る ．
(図 .2-18)市 販 の サ ー ボ モ ー タ コ ン ト ロ ー ラ ボ ー ド と PWM の 波 形 幅 を 任 意 で 変 え ら れ る ソ
フ ト を 用 い て サ ー ボ モ ー タ を 動 作 さ せ る ． 動 作 時 に PWM 波 形 を ロ ジ ア ナ ス コ ー プ で 波 形
幅 を 確 認 し ， PWM 波 形 幅 と 実 際 に サ ー ボ モ ー タ が 動 い た 動 作 角 度 を 分 度 器 を 用 い て 確 認
し ， 前 述 の 関 係 性 を プ ロ ッ ト し て い る ． 関 係 性 は リ ニ ア (線 形 )で あ る こ と を 確 認 し た ．
(図 .2-16)
図 .2-18 サ ー ボ モ ー タ 用 PWM の 計 測 方 法
26
3章
RC サーボモータの制御
－ 制 御 － [15]
制 御 と は 何 か ． 制 御 と は 英 語 で コ ン ト ロ ー ル （ Control） と 表 現 す る ． JIS 規 格 に よ れ ば 制
御とは「ある目的に適合するように，対象となっているものに所要の操作を加えること」
と定められている．制御は人間が操作を行う「手動制御」とコンピュータや機械等が自分
で判断して操作を行う「自動制御」に大別される．
自動制御にはどのようなものがあるか
自 動 制 御 と し て 「 フ ィ ー ド バ ッ ク 制 御 」・「 シ ー ケ ン ス 制 御 」・「 フ ァ ジ ィ 制 御 」 等 が あ る ．
フィードバック制御には目標値が常に一定の値に保っている場合の「定値制御」と，目標
値が時間によって次々と変化する「追値制御」がある．追値制御には，プログラムに従っ
て 変 化 す る「 プ ロ グ ラ ム 制 御 」と 目 標 値 が 時 間 的 か つ 任 意 に 変 化 す る「 追 従 制 御 」が あ る ．
シ ー ケ ン ス 制 御 に は 制 御 の 各 段 階 を 逐 次 実 行 す る も の が あ る ．3 つ の 基 本 パ タ ー ン「 順 序
制 御 」「 時 間 制 御 」「 条 件 制 御 」 の 3 つ の 方 法 を 組 み 合 わ せ る こ と で 動 作 を 行 う ．
・「 順 序 制 御 」 押 さ れ た ボ タ ン の 順 番 通 り に 作 動 す る ．
・「 時 間 制 御 」 一 定 時 間 経 過 す る と タ ス ク を 終 え る
・「 条 件 制 御 」 条 件 が 満 た さ れ る と 動 作 す る
ファジィ制御とはシーケンス制御理論の単純さとフィードバックの線形さを組み合わせ
た「 フ ァ ジ ィ 理 論 制 御 」が あ る ．フ ァ ジ ィ と は「 あ い ま い な 」と い う 意 味 で あ る が ，
「 Yes」
「 No」 の よ う な 厳 密 な 判 断 で 制 御 を 行 う の で は な い ．「 尐 し 小 さ く 」・「 尐 し 大 き く 」・「 尐
し ゆ っ く り 」・「 尐 し 速 く 」 な ど の あ い ま い な 判 断 を 定 量 的 に 扱 う 技 術 の こ と で あ る ．
多入力に対応する為に
ほ と ん ど の 制 御 は フ ィ ー ド バ ッ ク 制 御 が 大 半 で あ り ，「 古 典 制 御 」 と 呼 称 さ れ る ． こ れ
に対して多入力多出力に対忚するために「現代制御」と呼ばれる制御が存在する．主な現
代制御には
・ 最 適 制 御 (optimal Control)
・ 適 忚 制 御 (Adaptive Control)
・ オ ブ サ ー バ 制 御 (Observer Control)
・ 極 配 置 (Pole Assignment)
・ H∞制 御 (H Infinity Control)
などがある．
最適な制御手法の選択
制 御 に は 様 々 な 手 法 が 存 在 す る ．「 最 良 の 出 力 を 得 る た め に 入 力 を ど の よ う に す る か ？ 」
が 問 題 と な る ．入 出 力 の 関 係 を 数 式 で 表 現 し た「 数 学 モ デ ル 」
（ 例：「 伝 達 関 数 」）を 利 用 す
る．制御対象が「非線形」であっても，できるだけ「線形化」して問題を取り扱うことが
27
できる．制御する対象をよく踏まえて制御方法を考えることが必要となる． 本研究では、
学部の成果から姿勢を感知するセンサがノイズが多く使用に適さない・フィルターをかけ
る こ と は で き る が 、 忚 答 時 間 が 0.3 秒 と 短 い た め ， 使 用 に 耐 え ら れ な い こ と が 判 明 し て い
る．
したがって、時間による制御を行わざるをえない．本研究ではセンサを用いない時間制御
のみで制御することとした．
28
負荷状態でのサーボの応答速度実験
2 章で述べた「無負荷状態でのサーボの忚答速度実験」をふまえ「負荷状態でのサーボの
忚答速度実験」を行った．
実験方法
今 回 の 実 験 で は ， サ ー ボ の 稼 働 軸 に 重 量 物 (ペ ッ ト ボ ト ル に 水 を 充 填 し た も の ） を 取 り 付
け た 状 態 で サ ー ボ を 90 度 動 か す ． こ の 様 子 を 30fps の デ ジ タ ル カ メ ラ で 動 画 撮 影 を す る ．
コ マ 送 り 再 生 に て ， LED 点 灯 時 か ら サ ー ボ が 動 作 を 完 了 す る ま で の 時 間 （ 忚 答 速 度 ） を 導
出 ・ 確 認 す る ．（ 図 .3-1） 重 量 物 は ロ ボ ッ ト の 片 足 と ほ ぼ 同 じ 重 量 （ 500g） と な る よ う に し
た．
図 .3-1 実 験 環 境
実験に使用した物品を以下に示す．
・ FPGA ボ ー ド （ 1.5msec 幅 ・ 周 期 3msec の PWM 出 力 ）
・ バ ッ テ リ ー （ 9 セ ル ・ 300mAh）
・ブレッドボード（配線用）
・ジャンパー線（オス‐ オス・オス‐ メス）
・ サ ー ボ モ ー タ （ KRS-4013HV）
・ 500ml の ペ ッ ト ボ ト ル （ 水 を 充 填 済 み ）
・サーボアーム・サーボブラケット（アルミ製）
500ml の ペ ッ ト ボ ト ル を サ ー ボ ア ー ム に M2 の ネ ジ と ナ ッ ト で 固 定 し ， 水 平 に ス イ ン グ す
る形で実験を行った．
29
実験結果
1 回 目 の 試 行 で は 90 度 回 転 し て 安 定 す る ま で に 400msec 程 度 か か っ て い る ．
サーボに重量物を取り付けて水平軸における回転を行わせ，デジカメによる動画撮影から
忚答速度について調べた．
サーボの応答速度
サ ー ボ の 忚 答 速 度 は 90°回 転 さ せ る の に 約 0.8sec か か っ て い た ． 10 試 行 行 っ た が 動 画 を
検 証 す る の に 適 し た 動 画 は 7 試 行 分 で あ っ た ． 図 .3-3 の グ ラ フ は 動 作 角 度 を そ の ま ま プ ロ
ッ ト し た ． 図 .3-4 の グ ラ フ は そ の 平 均 を プ ロ ッ ト し た ． 無 負 荷 状 態 で の 忚 答 速 度 は
0.3sec~0.4sec 程 度 で あ り ， オ ー バ ー シ ュ ー ト し て い る こ と が 確 認 で き た ． 今 回 の 実 験 で は
負荷状態での動作を行った．負荷状態でもオーバーシュートは顕著に確認できた．重量が
あ る 分 ， オ ー バ ー シ ュ ー ト も ＋ 30°近 く な っ て い る ． オ ー バ ー シ ュ ー ト 前 の 90°に 達 す る ま
で の 時 間 は 0.4sec 程 度 で あ る こ と が 確 認 で き た ．
図 .3-3 角 度 デ ー タ
30
図 .3-4 角 度 デ ー タ の 平 均
負荷状態でサーボを回転させ，その挙動をグラフとして示した．
条 件 を 垂 直 方 向 （ サ ー ボ の 腕 を 下 か ら 上 へ 振 る 動 作 ） に し て 実 験 (図 .3-5)を 行 っ た ．
ペットボトル
下 か ら 上へ
動作させる
図 .3-5 振 り 上 げ 動 作 実 験
サーボ
31
90 度 回 転 に 要 す る 時 間
90 度 回 転 さ せ る の に 平 均 で 0.47sec 要 し て い る ． 水 平 ス イ ン グ 動 作 と 同 様 ， 振 り 上 げ 動 作
もオーバーシュートを起こしていた．オーバーシュートは 5 度以下となっていた．水平ス
イ ン グ 動 作 で は 90 度 回 転 し た 後 ，90 度 を 保 っ て い た が ，今 回 の 実 験 で は 85 度 あ た り で 静
止した．
「 45 度 サ ー ボ を 傾 け た 状 態 」 か つ 「 負 荷 を か け た 状 態 」 で の 実 験 を 行 っ た ．
45 度 の 傾 斜
サ ー ボ を 45 度 傾 け た 状 態 で サ ー ボ の 忚 答 速 度 の 実 験 を 行 っ た ．図 .3-6 に 示 す 通 り ，当 て
材 を す る こ と で 45 度 傾 け る こ と が で き た ．
固定用木
材
サーボモータ
サーボアーム
当て材
図 .3-6
当て材
図 .3-6 に は 描 画 さ れ て い な い が 今 回 の 実 験 も サ ー ボ ア ー ム に 500ml の ペ ッ ト ボ ト ル （ 約
500g） を 取 り 付 け た 状 態 で 実 験 を 行 っ た ． 動 作 内 容 は 振 り 上 げ 動 作 と し た ． FPGA を 用 い
て 擬 似 PWM に よ る ニ ュ ー ト ラ ル 信 号 を サ ー ボ に 印 加 し た ． FPGA 基 板 に 取 り 付 け て あ る
LED 点 灯 が 点 灯 す る 時 間 を ス タ ー ト の 基 準 と し た ．
32
サ ー ボ の 応 答 速 度 （ 90 度 回 転 ）
図 .3-7 に 経 過 時 間 に 基 づ き ， サ ー ボ の 動 作 角 度 の プ ロ ッ ト し た グ ラ フ を 示 す ．
0.3sec
0.63sec
図 .3-7
サ ー ボ の 動 作 角 度 （ 縦 軸 角 度 （ °） 横 軸 時 間 (sec)）
45 度 傾 け た 状 態 で の ス イ ン グ 動 作 も オ ー バ ー シ ュ ー ト が 確 認 さ れ た ． 90 度 に 達 す る の に
0.3sec か か っ て お り ，再 び 90 度 近 く で 安 定 す る の に は 0.63sec 程 度 か か っ て い た ．87 度 付
近で静止した．
33
－ FPGA に よ る サ ー ボ モ ー タ 動 作 実 験 －
FPGA に よ る サ ー ボ モ ー タ の 動 作 実 験 を 行 っ た ．第 4 章 で 作 成 し た FPGA に よ る PWM を 利
用 し ， サ ー ボ モ ー タ を 駆 動 さ せ た ． 実 験 の 目 的 は RC サ ー ボ モ ー タ を 実 際 に ロ ボ ッ ト に 組
み 込 ん で サ ー ボ モ ー タ に 負 荷 (バ ッ テ リ ー 等 の 重 量 物 を 搭 載 し た 状 態 )を か け ， 目 標 時 間 内
(0.3 秒 以 内 )に 90 度 の 回 転 動 作 を 完 了 で き る か を 検 証 ・ 確 認 す る ． 検 証 方 法 は 60fps の デ
ジカメによる画像の連続撮影を行い，画像からサーボモータの挙動を把握する．
－実機構成－
図 .3-8 実 験 機 (フ レ ー ム の み )
34
表 .3-1 実 験 機 概 要
搭載プロセッサ
MFPGA-SPAR3E
XC3S250E-4VQ100C
サーボ
KRS-4013HV×4
重量
1.5kg(バ ッ テ リ ー マ ウ ン ト 時 )
機構
オ イ ル サ ス ペ ン シ ョ ン ×4
フレーム
ア ル ミ フ レ ー ム (板 金 )， 塩 ビ パ イ
プ
電源
AC ア ダ プ タ よ り DC12V 供 給
その他
動 作 確 認 用 LED
投擲用のロボットの機構
投 擲 用 ロ ボ ッ ト の 図 を 示 す ． (図 .3-9)(図 .3-10)
図 .3-9 仮 組 の 済 ん だ ロ ボ ッ ト
図 .3-10 投 擲 用 ロ ボ ッ ト （ 横 視 点 ）
35
胴体に対して手足の重量が小さい
図 .3-11
機構概略図
着地時の衝撃を吸収あるいは緩める為にコイルバネとダンパーを脚部に搭載した．
（ 図 .3-11）本 来 な ら ば ダ ン パ ー に オ イ ル を 充 填 す る も の で あ る が ，粘 性 が 高 す ぎ る の で オ
イルをあえて抜いている．足裏は当初アルミ板を加工する予定であったが，重くなること
が 考 え ら れ た の で 塩 ビ パ イ プ を 加 工 す る こ と に し た ．機 構 部 分 だ け の 重 量 は 636g と な っ た ．
完成時の重量の予測
機 構 部 分 の 重 量 は 前 述 の 通 り 636g と な っ た ． バ ッ テ リ ー は 309g(エ ネ ル ー プ ×10 本 )な の
で ， 投 擲 ロ ボ ッ ト の 完 成 時 に お け る 重 量 は 1kg 近 い 重 さ に な る こ と が 予 想 さ れ る ． FPGA
と 事 前 に 作 成 し た 電 源 ボ ー ド な ら び に セ ン サ を マ ウ ン ト す る と 1.1kg 程 度 に な る ．
これから，ロボットを構成するフレーム（枠）の作成方法について述べる．学部時代はエ
ポキシと発泡スチロールによるフレームを用いて実験を行っていた．理由としてアルミ材
の加工が難しい．また学部時代の設計だと重量オーバーになるといった理由から避けてい
た．アルミ板金やアルミの切削等を簡単に行う方法を見つけたので，今回はアルミを用い
たフレームの作成を行うことにした．
アルミとは
ア ル ミ と は ア ル ミ ニ ウ ム の 略 称 で あ る ．JIS 規 格 に よ っ て 使 わ れ て い る 素 材 に 合 わ せ 細 か
く 系 統 別 に 分 類 さ れ て い る ． 今 回 用 い る の は A1050P と い う 1.5mm 厚 の ア ル ミ ニ ウ ム 板 を
用 い る ．（ Hikari 製 ： ユ ニ ホ ビ ー 素 材 シ リ ー ズ ： 品 番 1523： 寸 法 200×300mm） ホ ー ム セ ン
ターで売られており，軽量かつ加工性に優れるアルミニウムである．ジュース缶と同じ素
材 で あ る ． (図 .3-12)[16][17][18]
36
図 .3-12 1.5mm 厚 の ア ル ミ 板
加工手順
加 工 手 順 を 以 下 に 示 す ．（ 図 .3-13）
図 .3-13 加 工 手 順
ロ ボ ッ ト の ス ケ ッ チ を 行 っ た 後 ， Open Office Draw で 原 寸 大 で 部 品 設 計 を 行 う ． レ ー ザ ー
プリンタでフレームのデザインを印刷する．
（ 原 寸 大 設 定 ）レ ー ザ ー プ リ ン タ で 出 力 す る と
全く同じ寸法で出力されるので印刷されたものを直接アルミ板にのり付けする．
（貼り付け
る）カラープリンタで印刷してしまうと寸法が狂った状態で印刷されてしまうので注意が
必要である．印刷情報を基に穴開け加工を行う．穴を開けた後，ニブリングツール（握る
ことで切削する道具）を用いて切削・成型する．ポケットベンダー（手の力で金属を折り
曲げる道具）で折り曲げ加工を行う．
ニブリングツールについて
ニ ブ リ ン グ ツ ー ル （ 図 .3-14） は 手 の 力 で ア ル ミ 板 や ス テ ン レ ス 板 ・ 鉄 板 等 を 切 断 す る こ
とのできるツールである．素材の歪みを尐なく丸穴や角穴・直線・曲線に切断することが
できる．
37
握ることで刃が上下する
図 .3-14 ニ ブ リ ン グ ツ ー ル
図 .3-15
切断方法
爪をひっかけ
る
6mm×2mm
図 .3-16 切 断 状 況
切断方法はニブリングツールの爪にアルミ板を挟み押し切るような形でアルミを削り取る．
(図 .3-15)図 .3-16 に 示 す よ う に 一 回 の 切 断 で 幅 6mm 縦 2ｍ ｍ ず つ 削 り 取 る こ と が で き る ．こ
れを繰り返すことで任意の形を切削する．使用したニブリングツールは株式会社エンジニ
ア「 TZ-20」で あ る ．替 え 刃 の 型 番 は「 TZ-21」で あ る ．切 断 能 力 は ア ル ミ 板 1.5mm 以 下 ス
テ ン レ ス 板 0.6mm 以 下
鉄 板 1mm 以 下 と な っ て い る ．
ポケットベンダー
折 り 曲 げ 作 業 に は 株 式 会 社 エ ン ジ ニ ア 製 「 TV-40」 通 称 ポ ケ ッ ト ベ ン ダ ー を 使 用 す る ．
図 .3-17 ポ ケ ッ ト ベ ン ダ ー
38
使用方法はヘラ状の器具に金属板を挟み込みテコの原理で折り曲げるといったものである．
使 用 方 法 を 図 .6 に 示 す ． ア ル ミ 板 な ら 幅 50mm・ 1.5mm 厚 ま で の 板 を 折 り 曲 げ る こ と が で
き る ． 90 度 曲 げ ・ コ の 字 曲 げ ・ 段 曲 げ が で き る ．
図 .3-18
使用方法
設計方法で注意すべき点
金 属 板 に 貼 り つ け る 展 開 図 に は ，板 金 作 業 の 際 に 素 材 が 伸 び る こ と も 考 慮 し な く て は な ら
ない．折り曲げ用の展開長さを作成しておくべきである
板金工作における展開長さの考慮について述べる．アルミ板に展開図を貼り付けたものを
折り曲げ（板金）によって工作物を作成する．アルミフレームとロボットの胴体部分をア
ル ミ 板 か ら 形 成 す る ．（ 図 .3-19）
図 .3-19 板 金 工 作
板金（板金工作）
板金工作とは比較的厚みの尐ない金属の板（板金）を加工する方法の一種である．展開
図 の「 け が き 作 業（ 板 材 に 針 を 使 っ て 印 を つ け る ）」か ら は じ ま っ て「 切 る 」・「 叩 く 」・「 曲
げ る 」・「 つ な ぐ 」 と い っ た 方 法 を と る ．
展開長さを考慮する
展開長さを考慮せず縦・横・高さのある構造物を作成してしまうと意図した寸法の構造
物が作ることができない．理由として金属を折り曲げる際に材料が延びるか圧縮されるか
39
らである．材料が延びることを考慮して展開図を作成すれば意図した寸法の構造物は作成
で き る ． [19]
展開長さの計算方法
展開長さの計算方法を以下に示す．
(1)
(2)
展 開 長 さ は 中 立 面 で 計 算 す る ．展 開 長 さ L は 直 線 部 (L 1 +L 2 )と 円 弧 (1/4 円 )部 l を 加 え た も の
で あ る ． 計 算 に よ れ ば 1.5mm 厚 の ア ル ミ 板 を 使 用 し て R を 0 と す る と 展 開 図 で は 1.2mm
程度展開長さを考えて作図しなくてはならない．実際に展開長さを考慮してレイアウトを
描 画 し た ． (図 .3-21)
図 .3-20 展 開 長 さ の 考 慮
図 .3-21 実 際 に 設 計 し た レ イ ア ウ ト
40
－電源回路－
ロ ボ ッ ト に 搭 載 す る FPGA や セ ン サ を 駆 動 さ せ る 為 の 電 源 回 路 に つ い て 述 べ る ．今 回 は 5V
と 3.3V の 電 源 回 路 を 2 系 統 ず つ 作 成 し た ． 1.8V 駆 動 の FPGA な ど が 主 流 に な り つ つ あ る
世 の 中 で も 5V や 3.3V の 電 源 は 必 須 と な っ て い る ． 3 端 子 レ ギ ュ レ ー タ と 複 数 の 回 路 素 子
（コンデンサ・ダイオード等）を組み合わせコンパクトかつ安定した電圧を得ることがで
きた．
3 端子レギュレータ
3 端 子 レ ギ ュ レ ー タ (図 .3-22)と は 電 圧 を 下 げ る こ と で 一 定 の 電 圧 を 出 力 す る こ と の で き る
素子のことである．基本的に入力電圧より大きい電圧を得ることはできない．出力電圧よ
り 2V(TA4805S の 場 合 は 0.5V)以 上 の 電 圧 を か け る の が 定 石 で あ る ．ま た 入 力 電 圧 と 出 力 電
圧 と の 差 は 熱 に 変 換 さ れ る ． た と え ば 入 力 さ れ る 電 圧 が 12V で 出 力 電 圧 が 5V だ と 仮 定 す
る ． ま た 今 回 使 用 し た 3 端 子 レ ギ ュ レ ー タ は 1A な の で レ ギ ュ レ ー タ で 消 費 さ れ る 電 力 は
(12V－ 5V)×1A で 7W と な る ．
図 .3-22
3 端子レギュレータ
回路図
図 .3-23
5V 電 源 回 路
TA4805S
41
3 端 子 レ ギ ュ レ ー タ と コ ン デ ン サ を 併 用 す る こ と で 安 定 し た 電 圧 を 得 る こ と が で き る ．ま
た 逆 流 防 止 の た め に ダ イ オ ー ド を 使 用 し た ． 図 .3-23 に 回 路 図 を 示 す ．
電源回路
図 .3-24 に 図 .3-23 の 回 路 図 を 用 い て 作 成 し た 回 路 図 を 示 す ．
左 2 つ が 5V 用 回 路 ，右 2 つ が 3.3V 用 回 路 で あ る ．奥 の 端 子 が 入 力 端 子 ，手 前 の 端 子 が 出
力 端 子 と な っ て い る ．5V 回 路 へ KHR の バ ッ テ リ ー (10.8V)を 接 続 し ，出 力 端 子 の 電 圧 を テ
ス タ で 計 測 し た ．測 定 値 は 4.98V と 5.02V と な っ た ．誤 差 は 0.02V(0.4%)で あ る ．今 後 ロ ボ
ッ ト に 搭 載 す る 電 源 装 置 と し て 使 用 す る ． 3.3V 用 回 路 は 3.300V を 示 し た ． [20]
入力端子
+ －
6c
m
5cm
出力端子
－＋
図 .3-24 作 成 し た 電 源 回 路
電源回路を設計したものの投擲実験前に 3 端子レギュレーターを破損してしまった．以降
は AC ア ダ プ タ を 使 用 す る 電 源 電 圧 の 数 揃 え ， FPGA ボ ー ド や サ ー ボ モ ー タ に 電 源 を 供 給
して実験を継続した．
42
－計測機器－
実験の計測には 2 種類のデジタルカメラを使用した
・ デ ジ タ ル カ メ ラ (canon PowerShotSX120IS)
図 . 3-25 PowerShotSX120IS(デ ジ タ ル カ メ ラ )
表 . 3-2PowerShotSX120IS 諸 元 表
型番
PowerShotSX120IS
画素数
1000 万 画 素 (有 効 画 素 )
形式
1/2.5 型 CCD
光学ズーム
10 倍
デジタルズーム
4倍
動画撮影サイズ
640×480
記録方式
AVI（ MotionJPEG）
フレームレート
30fps
43
・ デ ジ タ ル カ メ ラ (EX-F1 カ シ オ 製 )
図 .3-26 EX-F1
表 .3-3 EX-F1 諸 元 表
型番
EX-F1
画素数
600 万 画 素
形式
1/1.8 型 高 速
CMOS
光学ズーム
12 倍
デジタルズーム
4倍
動画撮影サイズ
512x 384
記録形式
RAW、 JPEG
フレームレート
300 fps、30-300 fps
44
－実験環境－
ク リ ッ プ の つ い た ハ ン ガ ー を 利 用 し て 空 中 に ロ ボ ッ ト を 固 定 し ，サ ー ボ を 動 か し た ．FPGA
か ら PWM を 出 力 さ せ ，サ ー ボ を 駆 動 さ せ た ．(図 .3-27) 実 験 の 手 順 と 目 的 に つ い て 述 べ る ．
ロ ボ ッ ト の 脚 部 を 下（ － 90°）か ら 水 平（ 0°）へ 振 り 上 げ る 動 作 で あ る ．こ の 動 作 を 行 っ た
理由は脚部にバッテリー等の過重物がマウントされた状態でロボットにとって一番負荷の
かかる動きとなるからである．サーボモータに一番負荷のかかる最悪のシチューエーショ
ンでの実験を行った．動作完了までの時間を動画撮影し，コマ送りで動作を確認す ること
で 忚 答 速 度 を 導 き 出 し た ． デ ジ タ ル カ メ ラ は 30fps の も の を 使 用 し た ． 時 間 と 動 作 角 度 を
プ ロ ッ ト し た ． (図 .3-28)
図 .3-27 振 り 上 げ 実 験 の 方 法
45
0.3sec
図 .3-28 サ ー ボ モ ー タ の 振 り 上 げ 動 作
－実験結果の考察－
図 .3-28 の 実 験 結 果 か ら 90°振 り 上 げ る 動 作 に か か る 時 間 は 0.3sec~0.333.sec で あ る こ と が
判 明 し た ． た だ し ， 30fps(1 フ レ ー ム あ た り 0.03sec)の た め 詳 細 な 角 度 デ ー タ を 得 る 為 に は
動 画 フ レ ー ム 数 を 上 げ な い と 分 解 能 が 足 り な い こ と が 分 か る ．90°動 作 完 了 し た 瞬 間 を 捉 え
ることが重要である．
動 画 の 分 解 能（ フ レ ー ム 数 の 増 加 ）を 向 上 さ せ た 状 態 で の 追 試 が 必 要 1200fps ま で 撮 影 可
能 な デ ジ カ メ （ EX-F1 カ シ オ 製 )（ 図 .3-26)を 用 い て 同 条 件 に て 追 試 を 行 っ た ． (60fps モ ー
ドにて撮影)
46
図 .3-29
サ ー ボ モ ー タ 振 り 上 げ 動 作 (60fps)
－振り上げ動作実験の考察－
90°の 振 り 上 げ 動 作 を 60fps で 高 速 撮 影 し ， 再 度 サ ー ボ モ ー タ の 動 作 を プ ロ ッ ト し た も の
が 図 .3-29 で あ る ．
サ ー ボ の 回 転 角 度 が 90°に 達 す る ま で に 約 0.3sec~0.333sec 程 度 要 す る こ と が 再 度 確 認 で き
た．フレーム数が倍になったことでサーボの細かな挙動をプロットすることができた．バ
ッ テ リ ー と 脚 部 の 重 量 と い っ た 負 荷 が か け ら れ た 状 態 で 脚 部 を 90°回 転 さ せ る に は 0.3 秒
程 度 か か る ． 無 負 荷 状 態 で の サ ー ボ の オ ー バ ー シ ュ ー ト は 数 度 以 内 (3 度 程 度 )で あ っ た が ，
負 荷 状 態 (500g)で は オ ー バ ー シ ュ ー ト が 10 度 程 度 発 生 し た ．
47
－検証方法について－
撮 影 し た 画 像 に 分 度 器 ソ フ ト を 用 い て 動 作 角 度 を 確 認 し 、 動 作 角 度 を Excel に 打 ち 込 み プ
ロ ッ ト す る ． 分 度 器 ソ フ ト は ダ イ ゴ 氏 作 ：「 分 度 器 で 測 り ま し ょ
ver1.2.0」 を 使 用 し て い
る (図 .3-30)
連番になっている複数の画像にデスクトップ上に分度器ソフトを重ねて測定を行った．
図 .3-30 分 度 器 ソ フ ト を 用 い て 動 作 角 度 を 確 認 す る
48
－振り下げ動作実験－
振り上げと同様の環境で実験を行った．今回の実験は振り上げ動作と逆の動作を行った．
(図 .3-31)振 り 上 げ 動 作 が 脚 部 が 垂 れ 下 が っ た 状 態 か ら 水 平 に 脚 部 を 振 り 上 げ る 動 作 だ っ た
のに対し，今回は水平位置から垂れ下がった状態へ脚部を振り下げた．サーボの振り下げ
動 作 を 動 作 角 度 と 経 過 時 間 で プ ロ ッ ト し た も の が 図 .3-32 で あ る ．
図 .3-31 サ ー ボ モ ー タ の 振 り 下 げ 動 作 実 験
49
目 標 時 間 0.3sec
図 .3-32 サ ー ボ の 振 り 下 げ 動 作 実 験
－振り下げ動作実験の考察－
振 り 下 げ 動 作 実 験 の 結 果 ，振 り 下 げ 動 作 (90°回 転 )に 要 す る 時 間 は 約 0.13～ 0.14 秒 で あ る こ
と が 分 か っ た ．目 標 角 度 90°に 対 し ，110°(＋ 20）°近 い オ ー バ ー シ ュ ー ト が 出 て い る ．両 足
をほぼ同時に動作させた際には両足同士が衝突するケースも出てきた．本研究ではオーバ
ー シ ュ ー ト を 出 さ ず に 落 下 ま で の 0.3 秒 間 に 90°回 転 を 行 わ な け れ ば な ら な い ．オ ー バ ー シ
ュートは重量物等の負荷がかかった状態では必ず発生する．このことを踏まえ，振り下げ
動 作 の 最 終 段 階 で は 90°を 保 持 し (90°以 上 回 転 さ せ な い )，か つ 0.3 秒 以 内 に 90°回 転 さ せ る
方 法 を と ら な く て は な ら な い ． PWM は 単 に 90°を 指 定 し て い る の み な の で PWM を 経 過 時
間に合わせてパルス幅を変更する必要が出てきた．
課 題 1： オ ー バ ー シ ュ ー ト の 発 生 を 抑 え る
課 題 2： PWM の 信 号 幅 を 経 過 時 間 に 合 わ せ て 変 化 さ せ る
課 題 3： 最 適 な 運 用 方 法 を 探 す （ 最 適 値 ）
50
0.3sec
図 .3-33 サ ー ボ の 動 作 角 度 と オ ー バ ー シ ュ ー ト
－オーバーシュートの防止－
解 決 手 段 と し て PWM の 信 号 幅 を 経 過 時 間 と と も に 変 化 さ せ る 方 法 が 挙 げ ら れ る ． PWM
は 3msec お き に 一 回 パ ル ス を 送 る ． 送 る 回 数 を カ ウ ン タ で 指 定 し ， PWM の 信 号 幅 を 変 化
さ せ る ． 3～ 4 段 階 に 信 号 幅 を 分 け る 形 を と っ た ． (図 .3-33)
51
図 .3-34 オ ー バ ー シ ュ ー ト を 防 止 す る 方 法
実 際 に 4 段 階 に PWM を 変 更 し ，オ ー バ ー シ ュ ー ト を ほ ぼ 抑 え た 状 態 に し た ．
（実験内容は
振 り 下 げ 動 作 と 同 様 ） (図 .3-31)実 行 内 容 は 表 .3-4 で あ る ．
表 .3-4 実 行 内 容 （ タ ス ク 1）
状態
経 過 時 間
指 示 角 度 (°)
(sec)
ステート 1
0～ 0.1
45
ステート 2
0.1～ 0.15
80
ステート 3
0.15～ 0.20
90
ステート 4
0.20～
90
実 行 し た 結 果 ， オ ー バ ー シ ュ ー ト を 抑 え る こ と が で き た ． タ ス ク 1 で は 開 始 角 度 を (0°)つ
ま り 水 平 状 態 と し ，45°の 指 令 (経 過 時 間 0～ 0.1sec）を 出 す ．0.15sec ま で 80 度 の 指 令 を 出
し 、0.15sec の 段 階 で 90°の 指 令 を 行 い ，4 秒 後 に カ ウ ン タ が 回 り き っ て 0°に 戻 る ．(図 .3-34)
オ ー バ ー シ ュ ー ト は 全 く 出 な か っ た ． グ ラ フ (図 ） を 見 る 限 り ， 45°に 達 し た 段 階 で 移 動 速
度 が 落 ち た ． そ の 後 ま た 90°付 近 で ブ レ ー キ が 急 激 に か か り ， 以 降 は 90°を 保 持 し た ま ま
52
90°が 維 持 さ れ た ． 90°に 達 す る ま で の 所 要 時 間 は 約 0.2sec で あ る ． 目 標 時 間 は 0.3 秒 な の
で当初の目的は達成している．グラフを見る限り更なるスピードアップが可 能と思われた
の で ， 最 初 の 移 動 角 度 (45°)を 70 度 付 近 に 変 更 し タ ス ク 2 を 行 っ た (表 .3-5)
図 .3-35 状 態 遷 移 図
表 .3-5 実 行 内 容 （ タ ス ク 2)
状態
経 過 時 間
指 示 角 度 (°)
(sec)
state1
0～ 0.1
65
state2
0.1～ 0.15
80
state3
0.15～ 0.20
90
state4
0.20～
90
タ ス ク 2 を 行 っ た と こ ろ オ ー バ ー シ ュ ー ト は 発 生 し な か っ た ．90°の 移 動 に か か る 所 要 時 間
は 約 0.16sec 程 度 で あ っ た ． 約 0.04sec 短 縮 で き た 形 と な る ． グ ラ フ (図 .3-36） を 見 る 限 り
53
図 .3-37(右 )の よ う な 理 想 的 な 軌 跡 を 得 ら れ る と 思 わ れ た の で タ ス ク 2 以 外 に も 実 験 を 試 行
し た ．結 果 と し て は 最 初 の 指 示 角 度 が 65 度 以 上 に な る と 正 し く サ ー ボ が 追 従 し な い（ 脱 調
す る )現 象 や 脱 力 す る な ど の 現 象 が 3 回 に 1 回 程 度 起 き た の で 最 適 値 は 65 度 で あ る と 判 断
した．
0.1
0.15
0.20
0.3
図 .3-35 タ ス ク 1 と タ ス ク 2 の 動 作 比 較
54
図 .3-37 最 適 な 指 示 角 度
－忚答速度に関する考察－
最適な状態のパラメータに近づける実験を行っているうちに気づいたことは
「一回の（サーボの）移動量によってオーバーシュートが発生するかが決まる」というこ
と で あ る ． 一 回 の 移 動 量 が 多 い と サ ー ボ モ ー タ が PWM の 指 令 に 追 従 で き ず ， 脱 力 も し く
は脱調してしまう．おそらく負荷がかけられた状態では忚答速度が間に合わないのだろう
と 考 え ら れ る ． 0.3sec 以 内 に 動 作 が 完 了 し て い る の で 課 題 は ク リ ア し た と 判 断 で き る ．
55
－回転の向きによる動作の違い－
実装したロボットには同系列同機種のサーボを使用しているが，回転する向きによって回
転 ス ピ ー ド に 差 が あ る こ と が 判 明 し た ． (図 .3-38)
PWM の 周 期 等 を 一 致 さ せ て ほ ぼ 似 た よ う な 波 形 を 同 時 に 送 っ て も 現 象 は 抑 え ら れ な か っ
た．
図 .3-38 回 転 方 向 の 差 に よ る 動 作 の 違 い
サーボの回転方向の向きによって回転速度が変わることは多々あるという報告例はインタ
ー ネ ッ ト 上 に 多 々 見 ら れ る こ と か ら ，本 実 験 に お い て も 同 様 の こ と が 言 え る と 推 察 で き る ．
解決する方法としては回転方向の遅い方に（時計回り）合わせることが考えられる．
56
4章
FPGA による PWM 作成方法
－ FPGA 概 説 －
FPGA 概 略 ：
FPGA は Field Programmable Gate Array の 略 称 で 、プ ロ グ ラ ム に よ り プ ロ セ ッ サ 内 部 の ロ ジ
ッ ク を 生 成 可 能 な LSI で あ る ． PLD(プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク デ バ イ ス ） の 一 種 で あ り ，
"Field-Programmable"（ 現 場 で プ ロ グ ラ ム 可 能 ）な ゲ ー ト ア レ イ で あ る こ と か ら こ の 名 が つ
い た ． FPGA は 論 理 回 路 ブ ロ ッ ク と 入 出 力 端 子 を 司 る ブ ロ ッ ク が 多 数 内 臓 さ れ 、 そ れ ら が
格子状にレイアウトされている構造になっている．複数のフリップフロップ・信号選択回
路 な ど で 構 成 さ れ て い る ．ブ ロ ッ ク ご と に LookUpTable(LUT)，ラ ッ チ ，信 号 選 択 回 路 で 構
成 さ れ ， LUT 単 体 で 簡 単 な 順 序 回 路 を 構 成 す る こ と が 可 能 に な っ て い る ． FPGA は こ の よ
うな論理回路ブロックが多数あって、それらを複雑に配線することで様々な論理回路を構
成 す る こ と が で き る よ う に な っ て い る ． FPGA を 用 い た シ ス テ ム 設 計 を 行 う に は ， ハ ー ド
ウ ェ ア 記 述 言 語（ HDL)で 実 現 し た い 機 能 を 記 述 し ，論 理 合 成 す る こ と で ビ ッ ト ス ト リ ー ム
デ ー タ を 得 る ． こ れ を FPGA に 転 送 す る こ と で FPGA は 任 意 の 機 能 を 実 行 で き る ． い っ た
ん 書 き 込 ま れ た FPGA は 回 路 と し て 動 作 す る が ，電 源 が 切 ら れ る と FPGA 内 の LUT 配 線 ス
イッチ等の設定は消えてしまう．毎回電源投入時にはビットストリームデータを転送する
必 要 が あ る ． こ の た め コ ン フ ィ ギ ュ レ ー シ ョ ン デ バ イ ス （ EEPROM・ フ ラ ッ シ ュ メ モ リ ）
と 呼 ば れ る FPGA の 設 定 情 報 が 入 っ た メ モ リ を 使 い ， コ ン フ ィ ギ ュ レ ー シ ョ ン デ バ イ ス か
ら FPGA へ デ ー タ を 転 送 す る 仕 組 み が 用 意 さ れ て い る ． [21]
図 .4-1 FPGA(Field Programmable Gate Array)
FPGA の 歴 史 は マ イ ク ロ コ ン ト ロ ー ラ ・ マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ よ り も 歴 史 が 比 較 的 浅 い ．
57
FPGA 登 場 時 期 (1984 年 ～ ） は ロ ジ ッ ク IC を 複 数 個 載 せ ら れ る 程 度 で あ っ た が ， 現 在 で は
プ ロ セ ッ サ を 載 せ ら れ る 程 度 の ロ ジ ッ ク を 持 つ FPGA が 登 場 し ， 電 池 等 で 動 く 組 み 込 み 分
野でも十分使用に耐えられるようになってきた．コンピュータの歴史はハードウェアのコ
ストの観点からハードウェアとソフトウェアを二つに極力分離することに注力してきた背
景がある．しかし，ハードウェアのコストよりもパフォーマンスや性能重視のコンピュー
ティングに注力しつつある．現在ではハードウェアとソフトウェアの「融合」によって物
事を解決していくロードマップが確立されつつある．
図 .4-2 FPGA 開 発 手 順
58
本 研 究 で は 開 発 言 語 と し て Verilog HDL を 使 用 す る ． [22]
Verilog HDL
Verilog HDL と は デ ジ タ ル 回 路 の 設 計 用 ・ 論 理 シ ミ ュ レ ー タ 用 の ハ ー ド ウ ェ ア 記 述 言 語 で
あ る ． C 言 語 や Pascal の 要 素 を 取 り 入 れ て お り ， ソ フ ト ウ ェ ア 技 術 者 が 理 解 し や す い よ う
に設計されている．曖昧な記述であっても論理回路を生成することができるが，反面その
曖 昧 さ か ら 修 正 が 難 し く な っ て い る ． IEEE1364-2005 と し て 標 準 化 さ れ て い る ． シ ミ ュ レ
ータ用の言語でもあり，実際に実装する言語としても使用可能である．後継は
SystemVerilog が あ る が ，2012 年 現 在 で も Verilog HDL が 使 わ れ る ケ ー ス が 多 い ．CPU 上 で
動作するプログラミング言語との相違であるが，並列実行が基本かつ逐次実行も記述可能
である．処理を行うというより回路としての機能を記述する形となっている．
VHDL
VHDL(VHSIC(Very High Speed Integrated Circuits) Hardware Description Language)と よ く 対
比 さ れ る こ と が 多 い ． VHDL は 記 述 が 厳 密 で 理 解 し に く い が ， 誤 り を 見 つ け や す い 等 ， 保
守 性 に 優 れ て い る ． Verilog HDL は 1980 年 代 に ハ ー ド ウ ェ ア 回 路 を 効 率 良 く ， プ ロ グ ラ ミ
ン グ 言 語 に よ っ て 生 成 で き る よ う に 研 究 さ れ た 結 果 生 ま れ た 言 語 で あ る ． VHDL は ア メ リ
カの軍用ハードウェアを定義するために開発された言語である．両者は一長一短ではある
が ， 日 本 で は Verilog HDL が 多 く 使 わ れ ， 海 外 で は VHDL が よ く 使 わ れ る 傾 向 に あ る と さ
れ て い る ． (図 .4-3)
図 .4-3 VHDL と Verilog HDL の 比 較
59
PWM の 作 成 方 法
PWM と は Pulse Width Modulation の 略 称 で あ る ．変 調 方 式 の 一 種 で On-Off の パ ル ス 波 の
デ ュ ー テ ィ 比 を 変 更 す る こ と で 変 調 す る ． ス イ ッ チ の On や Off の 比 率 を 変 更 す る こ と で
ある。
今 回 の コ ン ト ロ ー ラ で は RC サ ー ボ モ ー タ を 使 用 す る 為 ， 動 作 に 必 要 な PWM は サ ー ボ モ
ー タ の 仕 様 に 沿 っ た も の で な く て は な ら な い ． サ ー ボ 用 の PWM 波 形 は 数 ミ リ 秒 の 周 期 で
あ る ． パ ル ス 幅 は サ ー ボ モ ー タ の メ ー カ や 型 番 に よ っ て 異 な る が 1.5msec を ニ ュ ー ト ラ ル
位 置 に し て い る 物 が 多 い ． パ ル ス と し て の 有 効 な 幅 は 0.7msec～ 2.3msec 程 度 の 物 が 多 い ．
パルス幅とサーボモータの動作角度には線形な関係性がある．パルス幅を変更することで
サ ー ボ モ ー タ を 任 意 の 角 度 に 動 作 さ せ る こ と が 可 能 で あ る ． (図 .4-4)
図 .4-4 サ ー ボ 用 の PWM と 回 転 角 度 と の 関 係
通 常 ， サ ー ボ モ ー タ 用 の PWM を 作 成 す る 場 合 ， マ イ コ ン の カ ウ ン タ や WDT(ウ ォ ッ チ ド
ッ グ タ イ マ )を 利 用 す る こ と が 多 い ．マ イ コ ン の 動 作 ク ロ ッ ク か ら カ ウ ン タ の 回 る 時 間 を 考
慮 し て I/O 端 子 か ら 任 意 の PWM を 出 力 す る ．
本 研 究 で は マ イ コ ン で は な く FPGA を 利 用 す る ． FPGA を 用 い て PWM を 作 成 す る 際 も カ
ウ ン タ を 利 用 し て PWM を 出 力 す る ． 動 作 メ イ ン ク ロ ッ ク 33.333MHz を 基 に カ ウ ン タ を 数
段 組 み 合 わ せ る こ と で 任 意 の PWM 波 形 を 出 力 す る 形 と な る ． ク ロ ッ ク 分 周 す る こ と で
60
PWM の ベ ー ス と な る 信 号 を 作 り 出 す ． 分 周 し た PWM モ ジ ュ ー ル の ク ロ ッ ク は
秒間に振動する数
分周
ビットカウンタ
と な る ． 1 ク ロ ッ ク の 周 期 は 192μ sec と な る ．
PWM モ ジ ュ ー ル 内 の 処 理 は ，二 つ の カ ウ ン タ (div,cnt)お よ び 2 つ の 制 御 用 レ ジ ス タ DIV,pw
で 構 成 さ れ て い る ． 各 レ ジ ス タ の 値 同 士 を 比 較 し ， High を 出 力 す る か Low を 出 力 す る か
で 判 定 し て い る ． (図 .4-5)
・ div カ ウ ン タ は 16bit カ ウ ン タ で 周 期 を 決 め る DIV の 値 と を 比 較 し ， 一 緒 で あ れ ば div
の値を 0 にリセットする．
・cnt カ ウ ン タ は div が 0 の 場 合 に cnt を +1 す る よ う に し て お り レ ジ ス タ div の High を カ
ウントするようになっている．
・ pout は 、 レ ジ ス タ pw(信 号 幅 ） の 値 に カ ウ ン タ cnt が 到 達 し た 時 に High に 切 り 替 わ る
ようになっている．
図 .4-5 使 用 し た 各 種 カ ウ ン タ の 仕 様
61
PWM に 使 用 す る ク ロ ッ ク は モ ジ ュ ー ル に 入 力 さ れ て い る clk で は 誤 差 が 大 き い ． そ こ で
div カ ウ ン タ を 用 い て 任 意 の ス ピ ー ド の ク ロ ッ ク を 作 る ．こ れ を PWM を 構 成 す る カ ウ ン タ
cnt で 駆 動 さ せ ， PWM の ク ロ ッ ク と し て 採 用 し て い る ．
図 .4-6 カ ウ ン ト ア ッ プ す る カ ウ ン タ cnt と パ ル ス 幅 pw と の 比 較 に よ る 出 力
62
図 .4-7 サ ー ボ コ ン ト ロ ー ラ の 概 要
サ ー ボ コ ン ト ロ ー ラ の シ ス テ ム は 大 き く 二 つ の モ ジ ュ ー ル か ら 構 成 さ れ て い る ．サ ー ボ 用
の PWM を 生 成 す る モ ジ ュ ー ル (PWM モ ジ ュ ー ル 1~4)と 経 過 時 間 に 合 わ せ て サ ー ボ の 指 示
角 度 を 指 定 す る モ ジ ュ ー ル (Top モ ジ ュ ー ル )で あ る ．そ し て こ れ は 4 つ の サ ー ボ モ ー タ を 動
か す こ と が で き る よ う 実 装 さ れ て い る ．実 装 さ れ た PWM は 周 期 3msec で あ る ．8bitPWM(分
解 能 256 段 階 )に 相 当 す る ．
63
図 .4-8 FPGA 内 の 信 号 (接 続 関 係 )
FPGA 内 の 信 号 に つ い て 述 べ る ．Top モ ジ ュ ー ル に PWM モ ジ ュ ー ル が 4 つ ぶ ら 下 が る よ う
に構成されている．
・ メ イ ン ク ロ ッ ク を 64 分 周 し た も の を clk と し て PWM モ ジ ュ ー ル に 渡 し て い る ．
・時 間 制 御 を 司 る ス テ ー ト 1~4 は 4 つ の サ ー ボ の パ ル ス 幅 を pw と し て PWM モ ジ ュ ー ル に
渡している
周 期 を 3msec と す る PWM モ ジ ュ ー ル で あ る が 、 モ ジ ュ ー ル 内 の パ ラ メ ー タ を 変 更 す る こ
とで周期の変更を容易にできるように配慮した．
図 .4-7 の パ ル ス 幅 1~4 が 各 PWM モ ジ ュ ー ル の pw に 出 力 さ れ ，各 PWM モ ジ ュ ー ル に て PWM
の 信 号 が 生 成 さ れ Top モ ジ ュ ー ル を 通 っ て 物 理 ピ ン に 出 力 さ れ る よ う に な っ て い る ． Top
モ ジ ュ ー ル は タ ス ク に お い て 表 .3-4 の 実 行 内 容 に 従 っ て 各 state に 相 当 す る pw の 値 を PWM
モ ジ ュ ー ル に 出 力 し て い る ． ま た タ ス ク 2 に お い て も 同 様 に 表 .3-5 の 実 行 内 容 に 従 っ て 出
力 し て い る ． pw の 値 が 出 力 さ れ る PWM の パ ル ス 幅 に な る ． よ っ て pw の 値 に よ っ て サ ー
ボモータを制御する．
64
シミュレート
作 成 し た カ ウ ン タ か ら 任 意 の パ ル ス が 出 力 さ れ て い る か Verilog-HDL シ ミ ュ レ ー タ
[ModelSimAltera6.6d]に よ る 検 証 を 行 っ た ．
－ ModelSim－
ModelSim は 1997 年 に 登 場 し た 米 国 メ ン タ ー グ ラ フ ィ ッ ク 社 が 開 発 ・ 販 売 し て い る ハ ー ド
ウ ェ ア 記 述 言 語 用 の シ ミ ュ レ ー タ で あ る ． ハ ー ド ウ ェ ア 記 述 言 語 は Verilog HDL， VHDL，
SystemC に 対 忚 し て お り ， コ ン パ イ ル と デ バ ッ グ が で き る 環 境 で あ る ． FPGA 業 界 標 準 と
も 言 え る ソ フ ト で あ る ． FPGA 用 に は Altera 社 向 け の ModelSim Altera Edition と Xilinx 社
向 け の ModelSim Xilinx edition が 存 在 す る ． 本 研 究 で は ModelSim Xilinx Edition が 2010 年
12 月 頃 に 提 供 を 終 了 し て い た 為 ， ModelSim Altera Editon ver.6.6d を 使 用 し た ． 使 い 方 の 流
れとしてはシミュレーションにかける対象となるモジュール（テキストのソースコード）
とシミュレーションの条件等を記述したシミュレーションモジュール（テキストのソース
コード・テストベンチ）を用意する．これを抱き合わせでコンパイルし，シミュレーショ
ンを実行することでモジュールを機器に実装した時と同じ動作をするか検証することがで
きる．検証方法は出力される矩形波のタイミング（時間）や波形の数など意図した通りに
信号波形が出ているか波形を描画して確認する．このようなシミュレーションを行う理由
は モ ジ ュ ー ル を 論 理 合 成 後 に FPGA に ダ ウ ン ロ ー ド し て ロ ジ ア ナ ス コ ー プ 等 で 波 形 を 確 認
するよりも，事前に波形の確認やパラメータ等の変更が容易で効率が良いからである．
(図 .4-9)
図 .4-9 ModelSim に よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 波 形 確 認
65
図 .4-10 実 際 に 動 作 を 確 認 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
図 に 示 す 通 り ， 3msec 周 期 の PWM を 確 認 で き た ． パ ル ス 幅 も パ ル ス 幅 の パ ラ メ ー タ を 変
更 す る こ と で 0.7msec~2.3msec の サ ー ボ を 動 作 さ せ る の に 有 効 な 波 形 幅 を 出 力 す る こ と が
できた．
66
第5章
落下実験
－落下実験方法の説明・手順－
振り下げ動作と同じ動きをさせ，落下実験を行った．実験の目的は落下までに脚部を地面
に向けることができているか確認を行うといったものである．
図 .5-1 ロ ボ ッ ト を 自 由 落 下 さ せ る
図 .5-2 落 下 実 験 の 様 子
67
－実験結果－
落下させた結果，固定した状態と同様，振り下げ動作はすべて落下するまでに完了した．
落 下 す る 時 間 は 0.3 秒 か ら 0.4 秒 で あ っ た ．（ 落 下 位 置 は 網 か ら 高 さ 60cm の 位 置 )
高 速 カ メ ラ と デ ジ カ メ の 画 像 を 見 る 限 り ，動 作 は 完 了 し て い る こ と は 確 認 で き た ． (図 .5-3)
図 .5-3 落 下 実 験 の 検 証
－考察－
高速カメラで撮影した画像からサーボモータの動き（角度等）をプロットしようと試みた
が ， 60fps で は 撮 影 し た ロ ボ ッ ト が ブ レ て し ま い 正 確 な 角 度 を プ ロ ッ ト す る こ と が で き な
か っ た ．(60fps 以 上 に す る と 落 下 の タ イ ミ ン グ に 合 わ せ て 撮 影 が 困 難 に な る )た だ し ，投 擲
前の写真と落下の直前（仮想の地面）の写真等を確認すると仮想の地面に触れる前に動作
が完了していることが分かった．固定した状態での実験と落下実験でのサーボの動きはほ
ぼ同じと考えられる．
68
第 6 章 終章(まとめと考察)
－まとめ－
まとめ
本 研 究 で は FPGA に よ る サ ー ボ コ ン ト ロ ー ラ を 実 装 し ， 着 地 ロ ボ ッ ト の 可 能 性 を
示 す こ と が で き た ． 使 用 し た RC サ ー ボ モ ー タ で 着 地 ロ ボ ッ ト を 構 成 す る こ と は 実 験 か ら
も 妥 当 で あ る と 判 断 で き る ． ま た 今 回 は FPGA に よ り RC サ ー ボ モ ー タ を 制 御 す る こ と が
で き ， 落 下 ま で の 0.3 秒 間 に 着 地 動 作 を 完 了 さ せ る こ と が で き た ．
－今後の課題・考察－
シ ス テ ム の 一 要 素 で あ る サ ー ボ コ ン ト ロ ー ル 部 分 を 実 装 す る こ と は で き た ．忚 答 速 度 も 落
下 ま で の 0.3 秒 以 内 に 動 作 が 完 了 し て い る の で 機 構 と し て 十 分 で あ る ． し か し な が ら 着 地
ロボットは前述したとおり，センサ（ジャイロ・加速度センサ）からのデータを基に動作
を指示する機構を必要とする．これらの問題からセンサからの情報を処理し，コントロー
ラに指令を出すまでの処理時間がどの程度必要なのかを調べるべきである．サーボの忚答
速 度 を 考 慮 す る と 0.1 秒 以 内 に 判 断 を 完 了 し な け れ ば な ら な い こ と が 分 か る ． ま た サ ー ボ
は同機種のものであっても右回転時と左回転時では動作するスピードが顕著に違いが見ら
れ た ． PWM 信 号 の 調 整 を 行 っ て も 同 時 に 動 か す こ と は 困 難 で あ る ． 学 部 時 代 に は ア ナ ロ
グ電圧出力タイプのジャイロセンサや加速度センサを用いて実験したが，ノイズが酷くと
ても使用に適していなかった．着地ロボットを実現するためには本研究のようなサーボを
コントロールする機構だけでなく，センサ類のセンシング技術や処理方法等を深く考慮す
る必要がある．着地ロボットの実現はハードウェアによる性能に依存するところが大きい
と 言 え る ．今 回 の 研 究 で は Xilinx を 使 用 し た が ，Altera の Nios プ ロ セ ッ サ を 使 用 し た ほ う
がフレキシブルなシステムを効率よく構成できたと考えられる．
69
参考文献
[1]空 中 に お け る 多 関 節 2 足 ロ ボ ッ ト の 姿 勢 検 出 と 着 地 制 御
山藤和男
日 本 機 械 学 會 論 文 集 . C 編 59(565), 2780-2787, 1993-09-25
[2]空 中 を 落 下 す る ロ ボ ッ ト の 姿 勢 制 御 と 軟 着 地 （ １ 報 ～ ３ 報 ） 河 村 隆
日 本 機 械 学 會 論 文 集 . C 編 58(545), 151-155, 1992-01-25
[3]空 中 に 投 げ ら れ た ロ ボ ッ ト の 姿 勢 検 出 と 着 地 制 御 山 藤 和 男
Posture Detection and Landing Control of Robot Thrown in Midair
Kazuo Ymafuji
電 気 通 信 大 学 紀 要 7(1), 33-39, 1994-06
[4] ロ ボ ッ ト に 関 す る 独 創 的 な 研 究 開 発 を め ざ し て ロ ボ ッ ト 猫 の 軟 着 地 と ３ 次 元 ひ ね り
山藤
和男
機 械 の 研 究 51(3), 391-397, 1999-03
[5] AMBAC[Active Mass Balance Auto Control(System)] -手 足 の 運 動 を 利 用 し た 方 向 制 御
機能 岩田
敏 彰 計 測 と 制 御 = Journal of the Society of Instrument and Control
Engineers 43(1), 8 -9, 2004-01-10
[6] 二 足 歩 行 ロ ボ ッ ト 格 闘 ROBO-ONE の チ ャ レ ン ジ ー 投 げ た ロ ボ ッ ト は 立 て る の か ？ －
西村
耀一
計 算 工 学 13(3), 1878-1881, 2008-07-31 日 本 計 算 工 学 会
[7]ロ ボ ッ ト テ ク ノ ロ ジ ー
オ ー ム 社 p278-281
[8]FPGA 技 術 No.1 再 構 成 可 能 LSI の 同 人 誌 発 行 元 Susutawari
[9]FPGA 技 術 No.2 再 構 成 可 能 LSI の 同 人 誌 発 行 元 Susutawari
[10]FPGA 技 術 No.3 再 構 成 可 能 LSI の 同 人 誌 発 行 元 Susutawari
[11]FPGA 技 術 No.4 再 構 成 可 能 LSI の 同 人 誌 発 行 元 Susutawari
[12]FPGA 技 術 No.5 再 構 成 可 能 LSI の 同 人 誌 発 行 元 Susutawari
[13]FPGA 技 術 No.6 再 構 成 可 能 LSI の 同 人 誌 発 行 元 Susutawari
[14] DesignWaveBasic FPGA ボ ー ド で 学 ぶ VerilogHDL,CQ 出 版 井 倉
将実
[15] 西 田 麻 実 ， メ カ ト ロ ニ ク ス The ビ ギ ニ ン グ ,日 刊 工 業 新 聞 社
[16]カ ス タ ム ロ ボ ッ ト パ ー フ ェ ク ト ブ ッ ク “ ” ,毎 日 コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン ズ 岩 気 裕 司 ・ 田
中誠二
[17] ロ ボ コ ン マ ガ ジ ン ,ロ ボ コ ン 部 品 ガ イ ド ,オ ー ム 社
[18] ROBO-ONE で 進 化 す る 二 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 造 り 方
ROBO-ONE 委 員 会
[19] 板 金 工 作 の 実 技 ,機 会 技 術 入 門 シ リ ー ズ 小 林 一 清 ・ 萩 原 國 雄 。 水 沢 昭 三
[20] 浅 草 ギ 研 ,2 足 歩 行 ロ ボ ッ ト 製 作 超 入 門 ,オ ー ム 社 ,p16-17
[21] FPGA ボ ー ド で 学 ぶ 組 み 込 み シ ス テ ム 開 発 入 門 [Altera 編 ] 小 林 優
[22]入 門 VerilogHDL 記 述 CQ 出 版 小 林
[23]
ITG-3200
デ ー タ シ ー ト
優，
http://invensense.com/jp/mems/gyro/itg3200.html
70
2010/11/22
[24]Drivers-XCTU-TechnicalSupport-DigiInternational
http://www.digi.com/support/productdetl.jsp?pid=3352&osvid=0&s=316&tp=1
71
謝辞
本研究の遂行にあたり，御多忙にも関わらず親切な御指導，御助言を賜りました星野孝
総准教授に厚く御礼を申し上げます．
また，先輩方，同輩諸氏，後輩諸君の御協力に心より感謝致します．
最後になりましたが，本研究活動を暖かく見守ってくれた両親，弟、祖母、曾祖母に深
く感謝いたします．
活動業績
活動業績記録
2011 年 9 月
平 成 23 年 度 電 気 関 係 学 会 四 国 支 部 連 合 大 会 IEEE 英 語 セ ッ シ ョ ン に て 研 究 発 表
2011 年 9 月
フ ァ ジ ィ シ ス テ ム シ ン ポ ジ ウ ム 2011 に て 研 究 発 表
2010 年 11 月
第 53 回 自 動 制 御 連 合 講 演 会 に て 研 究 発 表
2010 年 9 月
平 成 22 年 度 電 気 関 係 学 会 四 国 支 部 連 合 大 会 IEEE 英 語 セ ッ シ ョ ン に て 研 究 発 表
2010 年 9 月
フ ァ ジ ィ シ ス テ ム シ ン ポ ジ ウ ム 2010 に て 研 究 発 表
2010 年 5 月
第 54 回 シ ス テ ム 制 御 情 報 学 会 研 究 発 表 講 演 会 で 研 究 発 表
2009 年 11 月
人 工 知 能 研 究 振 興 財 団 の 主 催 す る 20 周 年 記 念 論 文 に て 優 秀 賞 を 受 賞
2009 年 11 月
第 1 回ポトラック＆ワークショップで研究発表
72
付録：回路図
図 .A 回 路 図
追加調査と追加実験
本研究ではサーボコントローラの実装に力を入れたのでセンサや実際の実装方法について
は触れていない．仮にロボットに搭載するならばどのようなセンサやインターフェースが
良いか考察する．
生き物から学ぶ「猫は何故着地できるか？」
猫が空中に投げられても着地できる理由は二つある．
一 つ は 視 覚 に よ る 状 況 判 断 が で き る と い っ た 理 由 で あ る ．（ 暗 い と こ ろ で は 着 地 に 失 敗 す
る）
二つ目は猫の胴体と猫の足の重量バランスである．猫の胴体の重さに対して猫の足の重
さ は 小 さ い ．(図 .4)猫 の 足 を 地 面 に 向 け る の に 猫 の 足 の 重 量 は 小 さ い 方 が 有 利 で あ る ．特 に
空中で投げられた状態から任意の方向へ剛体を向けるとすれば「向ける剛体の重量」は軽
73
い ほ う が 良 い ．つ ま り 投 擲 用 ロ ボ ッ ト の 脚 部 は 軽 け れ ば 軽 い ほ う が 良 い と い う こ と に な る ．
ただし，着地時にロボットの重心が高い位置に来てしまう為，今度は横転しやすくなると
い う 問 題 も 同 時 に 出 て く る ． (図 .6-1)
図 .6-1 猫 は 何 故 着 地 で き る か ？
必要なセンサの条件
着 地 シ ス テ ム を 構 築 す る 際 は FPGA を 用 い る ．FPGA は デ ジ タ ル な I/O を 搭 載 し て い る が
ア ナ ロ グ 入 力 に は 対 忚 し て い な い も の が 多 い ． 本 研 究 で 使 用 し て い る FPGA は デ ジ タ ル の
み 対 忚 し て い る ． 学 部 時 代 に 使 用 し て い た セ ン サ は ア ナ ロ グ 電 圧 出 力 の 為 ， FPGA に 直 結
す る こ と が で き な い ． デ ジ タ ル な 機 器 同 士 を 通 信 さ せ る 方 式 と し て SPI あ る い は I2C 等 が
挙げられる．よって必要なセンサの条件は
・ SPI あ る い は I2C が 対 忚 し て い る こ と ．
・ 3.3V 程 度 の 電 圧 で 駆 動 す る こ と ．
ジャイロセンサに関しては
・ 600 度 /sec 以 上 の 角 速 度 に 対 忚 し て い る こ と
加速度センサに関しては
・数 G の検出が可能であること
またロボットに搭載する慣性計測装置としての役割をさせるので小型軽量であるこ とが求
められる．
ジャイロセンサ
上記の条件を満たすジャイロセンサを挙げる
・ ITG-3200 搭 載 三 軸 ジ ャ イ ロ モ ジ ュ ー ル (図 .6-2)[23]
最 大 ±2000°/ 秒 で 13° の 分 解 能 を 持 つ ジ ャ イ ロ セ ン サ で あ る ． 通 信 方 式 は I2C で あ る が
400kHz で の 通 信 が 可 能 と な っ て い る ．
そ の 他 に も SPI/I2C 接 続 が 可 能 な ジ ャ イ ロ セ ン サ は あ る が 検 出 感 度 の 範 囲 が 600°以 下 で あ
る こ と が 多 い ．（ 実 験 等 に 必 要 な ジ ャ イ ロ セ ン サ の 動 作 角 度 範 囲 は 600°/sec 程 度 ） ま た 調
査の結果，検出角度の範囲が大きいセンサほど角度分解能が下が ることが分かった．
74
図 .6-2 ITG-3200
I2C 接 続 な の で 最 大 400kHz で 通 信 が 可 能 で あ る ． デ ー タ シ ー ト に よ れ ば 1 秒 間 に 8000 回
程 度 サ ン プ リ ン グ 可 能 と な っ て い る ． 0.3 秒 な ら ば 2400 回 程 度 サ ン プ リ ン グ す る こ と が 可
能である．センサ側にレジスタとフィルタ機能が搭載されているようである．センサ内で
サ ン プ リ ン グ が 8kHz(0.1msec)で フ ィ ル タ 後 は 256Hz(4msec)と な る ． 8 回 （ 1～ 256 回 ） セ
ン サ 内 の レ ジ ス タ に 貯 め て 割 り 算 を 行 う こ と も で き る よ う で あ る ． セ ン サ 内 で の ADC は
16bit で あ る ． セ ン サ を 考 慮 し た I2C/SPI 接 続 の FPGA 回 路 の 設 計 が 必 要 に な る ．
加速度センサ
加 速 度 セ ン サ で I2C/SPI 接 続 が 可 能 な も の を 調 べ た と こ ろ 3 つ ほ ど 候 補 に 挙 げ ら れ る も
のを見つけた．
・ ADXL345 搭 載 三 軸 加 速 度 セ ン サ モ ジ ュ ー ル
・ M3AXIS-ADXL345
・ MMA7455L
三軸加速度センサモジュール
3 軸加速度センサモジュール
1 つ目と 2 つ目のセンサモジュールは発売元が違うものの搭載している素子は同一のもの
である．
特 徴 と し て デ ジ タ ル 出 力 (I2C/4wre-SPI/3wire-SPI)
3 軸 に お け る ±2g/±4g/±8g/±16g
電 源 動 作 2.0V～ 3.6V： 超 低 消 費 電 力 (typ 40uA)分 解 能 10bit と な っ て い る ．
3 つ目のセンサモジュールは
特 徴 と し て デ ジ タ ル 出 力 (I2C/SPI)
3 軸 に お け る ±2g/4g//8g 動 作 電 圧 2.4V~3.6V，
分 解 能 8bit と な っ て い る ．
加 速 度 セ ン サ「 ADXL345」に つ い て デ ー タ シ ー ト の 調 査 を 行 っ た ． I2C あ る い は 4 線 SPI/3
線 SPI 接 続 に よ る 加 速 度 デ ー タ の 取 り 出 し が 可 能 な 素 子 で あ る ．
75
I2C モ ー ド
結 論 か ら 言 え ば I2C モ ー ド は 使 用 に 適 さ な い ．理 由 と し て I2C の 通 信 速 度 が 100kHz あ る
い は 400kHz と な っ て い る 為 で あ る ． 通 信 速 度 に 合 わ せ た デ ー タ 出 力 レ ー ト が 固 定 さ れ て
し ま う 為 で あ る ． 仮 に 400kHz の I2C の 場 合 の 最 大 出 力 (Output-Data-Rate 以 下 ODR)は
800Hz と な る ． 100kHz の I2C の 場 合 の ODR は 200Hz ま で 低 減 す る ．
一 秒 間 に 800Hz だ と 0.3 秒 間 に 取 得 で き る デ ー タ は 240 回 と な る ．200Hz だ と 60 回 と な る ．
SPI モ ー ド
SPI モ ー ド の 場 合 通 信 速 度 は 最 大 5MHz と な る ． ま た ODR は 最 大 3200Hz 使 用 す る こ と
が で き る ．0.3 秒 間 に 960 回 デ ー タ を 取 得 す る こ と が で き る 計 算 と な る ．ODR は 16 ビ ッ ト
の「2 の補数」フォーマットで出力される．
通信するにあたって注意すべき点
ADXL345 を 使 用 す る 際 マ イ コ ン の ADC(AD 変 換 )機 能 を 使 う よ り も 運 用 上 難 易 度 が 高 い
ことが分かった．
・センサに電源投入した際に 1 秒以内ではあるがセンサが立ち上がるまでに時間を待つ必
要がある．
・データを要求した際に出てくる信号を読み取ってはならない．
・モード選択をする必要がある．
・タイミングチャートを意識した信号を送る必要がある（受信も同様）
・センサ内のレジスタマップを意識した信号を送る必要がある．
センサを正しく使うには様々な手順があることが判明したがデータシートを基に読み進め
ていく必要がある．
要求された性能をセンサが満たしていることは判明した．
セ ン サ を 上 手 く 適 切 に 使 う に は 接 続 す る FPGA 側 の プ ロ グ ラ ミ ン グ を 入 念 に 行 わ な く て は
ならないことも判明した．
－通信方法について－
RS232C に よ る 通 信 実 験 に つ い て 述 べ る ．実 験 に 使 用 す る 投 擲 用 ロ ボ ッ ト の ロ グ を 取 る 方
法 と し て シ リ ア ル 通 信 を 用 い る こ と を 想 定 し て い る ． マ イ コ ン （ 本 研 究 で は FPGA） と パ
ソコンとの通信を確立すればログをデータとして取得できる．そこで比較的短い距離
（ 30cm)と 10m の 距 離 で 通 信 実 験 を 行 っ た ．
RS232C
RS232C と は シ リ ア ル 通 信 の 一 種 の こ と で あ る ． 正 確 に は RS-232 (Recommended Standard
232) は 、パ ソ コ ン と 音 響 カ プ ラ 、モ デ ム な ど を 接 続 す る シ リ ア ル 通 信 方 式 の イ ン タ ー フ ェ
76
ースの一つである。インターフェースはポートとも呼ばれるため、シリアルポートと一般
に呼ばれることもある。
実験環境
実 験 環 境 を 図 .6-3 に 示 す ．
図 .6-3 配 線 図
図 .6-4 レ ベ ル コ ン バ ー タ
ケ ー ブ ル 長 は 30cm と 10m の も の を 使 用 し た ．通 常 レ ガ シ ー イ ン タ ー フ ェ ー ス は 12V の た
め，電圧を変更しなければマイコン等には接続できない．このためレベルコンバータを用
い た ．（ 図 .6-4） RXD は デ ー タ 受 信 用 の ポ ー ト で TXD は デ ー タ 送 信 用 の ポ ー ト で あ る ． こ
れを互いにクロス接続させることで双方向のデータ通信が可能となる． 通信用のターミナ
ル ソ フ ト は KCB-1（ マ イ コ ン ボ ー ド ）に 付 録 と し て つ い て く る Serial Term と い う シ リ ア ル
通 信 用 ソ フ ト を 用 い た ． (図 .6-5)
77
図 .6-5 Serial Term
実験結果
10m の ケ ー ブ ル 長 で あ っ て も 文 字 の 送 信 は 成 功 し た ． た だ し 、 送 受 信 を 行 う こ と が で き
なかった．シリアルポートから秋月電子シリアルモジュールへの通信はできるが、秋月電
子シリアルモジュールからシリアルポートへの通信を行うことができなかった．通信速度
（ボーレート）やパリティ等もチェックしたが通信できなった．シリアルポートから秋月
電子シリアルモジュールへの通信は正常であることを確認した．
通信実験の考察
今 回 の 実 験 で 10m の ケ ー ブ ル 長 で あ っ て も 通 信 を す る こ と が で き る こ と が 分 か っ た ．使
用したケーブルがアルミ箔でシールドされているためだと考えられる．投擲実験の際には
シールドを剥がして必要なケーブルだけで実験することも想定される為，ケーブルの仕様
が 変 わ っ た 際 に は 再 度 実 験 す る 必 要 が あ る ． 仮 に RS232C が 使 用 で き な く な っ た 場 合 は
RS485 に よ る 通 信 に 置 き 換 え る べ き で あ る ．RS485 を 採 用 し た 場 合 は RS485-USB 変 換 装 置
を作成するか購入する必要があると思われる．
通信の無線化
実験のログ（経過履歴）を取る方法について述べる．投擲用ロボットを作成し，ロボット
を実際に投擲してデータを取る．取るデータの項目は大きく３つで「３軸加速度センサ２
基 」 と 「 ３ 軸 ジ ャ イ ロ セ ン サ 」 の ロ グ と 「 サ ー ボ の 角 度 デ ー タ に 見 立 て た PWM の パ ル ス
幅 」で あ る ．UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter シ リ ア ル 通 信 の 一 種 )を 使 用
し て 投 擲 ロ ボ ッ ト と PC と を 通 信 さ せ て セ ン サ 等 の 値 を 取 得 す る ． 有 線 で の UART の 実 験
は ケ ー ブ ル 長 25m で の 通 信 は 成 功 さ せ て い る ． FPGA を 使 っ て の UART の 実 験 は ま だ 行 っ
て い な い ． 投 擲 す る と い う 実 験 の 性 質 上 ， 有 線 UART で あ る と ケ ー ブ ル の 取 り 回 し が 面 倒
で あ る ． 投 擲 時 に 配 線 の 存 在 が 実 験 に 影 響 を 与 え か ね な い ． 無 線 UART に よ る ロ グ の 抽 出
が 適 し て い る と 考 え ら れ る ． (図 .6-6)
78
有線による接続
XBee を 用 い た
接続
ペアリングして接続を
確立する
図 .6-6 有 線 と 無 線
XBee
無 線 UART を 手 軽 に 実 現 す る 方 法 と し て XBee（ じ ぐ び ー ）が 挙 げ ら れ る ．XBee と は ZigBee
規格の無線通信機能とマイコン搭載した小型のモジュールの総称である．規格や送信能力
に よ っ て 違 い が 存 在 す る ． (図 .6-7)
28m
m
25mm
図 .6-7 Xbee
シリアル無線通信
XBee は UART を 無 線 化 す る こ と の で き る モ ジ ュ ー ル で あ る ．シ リ ア ル 通 信 は 主 に 送 信 と
受信の二つのピンアサインとボーレート（通信速度）を一致させれば文字列等を送受信可
能 で あ る ． 本 来 有 線 で あ る シ リ ア ル 通 信 を XBee に 替 え て 無 線 化 す る ． 理 論 上 マ イ コ ン
（ FPGA）と XBee と を 接 続 し て や れ ば 手 軽 に 無 線 化 す る こ と が 可 能 の は ず で あ る ．今 流 行
り の フ ィ ジ カ ル コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ の 雄 で あ る Arduino 等 で の 採 用 事 例 が 多 い ．
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図 .6-8 Xbee 使 用 例 （ Arduino）
XBee エ ク ス プ ロ ー ラ USB(ケ ー ブ ル 付 )
XBee1mW チ ッ プ ア ン テ ナ タ イ プ
XBee ピ ッ チ 変 換 基 板
PC 側 に は XBee と シ リ ア ル USB 変 換 ア ダ プ タ ー を 接 続 し ，ロ ボ ッ ト 側 に は XBee を 接 続 す
る ． PC 側 は 後 述 す る シ リ ア ル コ ン ソ ー ル （ COM ポ ー ト 用 ソ フ ト ウ ェ ア ） を 用 い て モ ニ タ
リングする．
シリアルコンソール
通信を行っている最中にデータが流れてくる様子をモニタでき、保存できることが望ま
れる．学部時代はシリアルターミナルというソフトを使用したが，基本的にモニタできる
ソ フ ト で あ れ ば 問 題 無 い ． VB で 作 成 す る 方 法 な ど も あ る よ う な の で 適 し た 方 法 を 調 査 す
る ． (図 .6-9)
図 .6-9 SerialTerm
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Xbee に よ る ペ ア リ ン グ 実 験
Xbee は 一 言 で 述 べ る な ら シ リ ア ル 通 信 を 無 線 化 で き る 物 理 的 な モ ジ ュ ー ル の こ と で あ る ．
(図 .6-10) こ の 度 2 つ モ ジ ュ ー ル を で ペ ア リ ン グ を 行 っ て 文 字 の 送 受 信 が 可 能 で あ る か を
テストした．結果は良好であった．
図 .6-10 Xbee
Xbee の 使 い 方
Xbee を 簡 単 に 使 用 す る に は USB の シ リ ア ル 変 換 機 を 用 い る と 良 い ．今 回 は 学 部 時 代 か ら
使 用 し て い る 秋 月 電 子 の シ リ ア ル 変 換 機 （ 以 下 秋 月 シ リ ア ル ） (図 .6-11 –左 )を 使 用 し た ．
注 意 点 と し て Xbee は 3.3V 駆 動 で あ る の で 間 違 っ て 5V 電 源 に は 接 続 し て は い け な い ． 秋
月 シ リ ア ル に は 3.3V の 出 力 ピ ン が あ る の で Xbee の 電 源 Vcc と 直 結 す る ．秋 月 シ リ ア ル の
TX ピ ン (送 信 )と Xbee の Din ピ ン（ デ ー タ 入 力 ピ ン・設 定 ピ ン ）を 直 結 さ せ る ．同 様 に RX
ピ ン（ 受 信 ）と Xbee の Dout（ デ ー タ 出 力 ピ ン ）を 直 結 さ せ る ．ま た GND 同 士 を 直 結 さ せ
る こ と を 忘 れ て は な ら な い ． 合 計 4 本 の 線 を 接 続 す れ ば 使 用 す る こ と が で き る ．（ 図 .3）
図 .6-11 (左 )秋 月 シ リ ア ル 変 換 モ ジ ュ ー ル
(右 )Xbee エ ク ス プ ロ ー ラ ー USB
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図 .6-12 配 線 図
通信実験
通 信 実 験 に は 2 台 の ノ ー ト パ ソ コ ン を 使 用 し た ．1 台 は 先 ほ ど 述 べ た 秋 月 シ リ ア ル と Xbee
の セ ッ ト ・ 2 台 目 は Xbee エ ク ス プ ロ ー ラ ー （ Xbee と シ リ ア ル 変 換 機 を 繋 い で 動 か す 専 用
の ボ ー ド ） (図 .6-11-右 )を 用 い た ． ど ち ら も USB 接 続 で PC と 繋 ぎ ， Xbee の 設 定 用 ソ フ ト
X-CTU(図 .6-13)を 使 用 し て ペ ア リ ン グ の 設 定 や ボ ー レ ー ト （ 通 信 速 度 ） の 変 更 を 行 っ た ．
図 .6-13 X-CTU[24]
以 前 述 べ た よ う に XBee は マ イ コ ン と の 接 続 を 想 定 し て い る ． 理 論 上 は FPGA と 直 結 さ せ
てデータの送受信ができるはずである．投擲ロボットのログ（センサ等のデータ）を取得
す る 際 ，有 線 で は ロ ボ ッ ト の 挙 動 に 影 響 を 与 え か ね な い ．Xbee で 無 線 化 さ れ る こ と で 効 率
良くデータを取得できると思われる．