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ROBO-ONEにチャレンジ! 二足歩行ロボット自作ガイド

二足歩行ロボットを作って、ロボコンに挑戦!基本から、製作ノウハウまで解説

 本書は、二足歩行ロボット格闘技大会「ROBO-ONE」に参加できるロボットを製作する方法を解説したものです。
基本的なロボットの構成から、サーボなど使用する部品の概要、歩行などのプログラムの作成までを解説しています。サーボの制御はArduinoを使用し、最低限歩行がきちんとできるロボットを製作します。
 後半では、「ROBO-ONE」の常連参加者による、ロボット製作のノウハウの紹介が中心となります。ロボット製作のコンセプトの考え方や、格闘技の技やダンスなどの動き(モーション)をプログラムする際のコツ、ハードウェア製作のコツなど、初心者がステップアップできるだけでなく、すでに製作の経験がある方でも役に立つ内容となっています。
はじめに
1章 これからはじめる二足歩行ロボット
1-1 二足歩行ロボットの3つの技術
 1-1-1 サーボモータを知る
 1-1-2 運動学を理解する
 1-1-3 ロボットの脚構造
 1-1-4 ロボットの姿勢を知る
1-2 二足歩行ロボットの開発環境の概要
 1-2-1 コントロールボード Arduino
 1-2-2 パソコン
1-3 本書で目指す二足歩行ロボット

2章 ROBO-ONEについて
2-1 ROBO-ONEとは
2-2 ROBO-ONEの進化の歴史
2-3 ROBO-ONEの見どころ
 2-3-1 大技の瞬間を見逃すな!
 2-3-2 出場できるロボットは?
2-4 ROBO-ONEの競技内容について
 2-4-1 3つの競技カテゴリー
 2-4-2 大会を生で見たい!
2-5 ROBO-ONE競技規則
 2-5-1 試合形式
 2-5-2 ダウンの規定
 2-5-3 タイムの取得
 2-5-4 ロボットの操縦方法
 2-5-5 禁止事項
 2-5-6 予選
 2-5-7 認定大会
2-6 ROBO-ONEの技
 2-6-1 すくい上げ
 2-6-2 ひねりたおし
 2-6-3 すくい投げ(大技)
 2-6-4 前転キック(大技)
2-7 ROBO-剣と競技規則
 2-7-1 ROBO-剣とは
 2-7-2 競技規則
2-8 ROBO-ONE/ROBO-剣の今後

3章 ロボットの駆動部分:サーボについて
3-1 サーボとその変遷
3-2 サーボとは
 3-2-1 サーボの概要
 3-2-2 ロボット用サーボがサポートするインタフェース
 3-2-3 マルチドロップ接続
 3-2-4 シリアル通信
 3-2-5 通信プロトコル
 3-2-6 コントロールテーブル
 3-2-7 ホストコントローラ
3-3 近藤科学のサーボ
 3-3-1 KRSシリーズの種類
 3-3-2 シリーズ構成
 3-3-3 B2Mの紹介
 3-3-4 パラメータ設定
 3-3-5 サーボマネージャ
 3-3-6 PCとの接続
 3-3-7 配線
 3-3-8 PWM制御
 3-3-9 使用方法:コントロールボード RCB-4
 3-3-10 使用方法:PC
 3-3-11 使用方法:マイコンボード
 3-3-12 まとめ
3-4 双葉電子工業のサーボ
 3-4-1 サーボの概要
 3-4-2 パソコンでサーボを動かす
 3-4-3 特徴的な機能
3-5 Dynamixelとは
 3-5-1 ラインナップ
 3-5-2 Dynamixelがサポートするインタフェースとコネクタ
 3-5-3 通信プロトコル
 3-5-4 Dynamixelのコントロールテーブル
 3-5-5 ホストコントローラ
 3-5-6 PCからDynamixelを制御する(Python編)

4章 Arduinoによるサーボ制御
4-1 Arduinoとは
4-2 色々なArduinoボード
4-3 Arduinoの開発環境
4-4 Arduino Unoのハードウェア
 4-4-1 ATmega328P
 4-4-2 RAMとフラッシュメモリ
 4-4-3 PWM
 4-4-4 A/Dコンバータ(アナログ-デジタル変換回路)
 4-4-5 デジタルI/O
 4-4-6 シリアル通信
4-5 I/Oシールドでプログラミング
 4-5-1 PSDセンサのデータを取り込むスケッチ
 4-5-2 PWMサーボを制御するスケッチ
 4-5-3 ToF距離センサと2軸PWMサーボを制御するスケッチ
 4-5-4 16軸のPWMサーボをコントロールできるボードを使う
4-6 ArduinoでKRSサーボを使用する方法
 4-6-1 必要な製品
 4-6-2 ハードウェアシリアルとソフトウェアシリアル
 4-6-3 準備
 4-6-4 ライブラリの概要
 4-6-5 サンプルプログラム
 4-6-6 ICSのコマンドにつきまして
 4-6-7 setPos()関数の処理
 4-6-8 プログラムの実行
4-7 Arduinoで双葉電子工業のサーボを動かす(制御/情報取得)
 4-7-1 Arduinoで何ができるのか
 4-7-2 何をするのか
 4-7-3 Arduinoとサーボの接続方法
 4-7-4 サーボを動かしてみる
 4-7-5 サーボの角度データを取得してみる
 4-7-6 他にはどんなことができるのか
4-8 DynamixelをArduinoで制御する
 4-8-1 DXSHIELD
 4-8-2 DXSHIELDのArduino用ライブラリ

5章 ロボットアームを作ろう
5-1 ロボットの構造
 5-1-1 サーボ
 5-1-2 Arduino Unoボードとサーボ接続
5-2 ROBO-剣用スケッチ
5-3 ROBO-剣の遠隔操作部門に参加しよう
5-4 最新競技規則対応
 5-4-1 竹ひごを使った竹刀の製作
 5-4-2 吸盤により固定するスタンドの製作
 5-4-3 ロボットとの接続を通信ケーブルのみにする方法
 5-4-4 第6回優勝ロボット

6章 いろいろな姿勢センサ
6-1 姿勢センサについて
6-2 LSM9DS1 9軸慣性計測ユニット
6-3 MPU-6050搭載6軸センサモジュール
6-4 MPU-9250搭載9軸センサモジュール
6-5 BNO-055センサモジュール
6-6 CMPS11
6-7 姿勢センサのまとめ

7章 二足歩行ロボットを作ろう
 7-1 ロボットの歩行を理解する
 7-2 ロボットの歩行プログラム
 7-3 歩行時の外乱補正制御
 7-4 まとめ

8章 色々なハードウェアを作るコツ:クロムキッドの作り方
8-1 クロムキッド・ガルー
 8-1-1 最初のロボット購入
 8-1-2 最初のロボット大会参加
 8-1-3 機体の改良を色々試行錯誤して大会に参加
 8-1-4 小型の機体で大会に参加
 8-1-5クロムキッドとガルーの製作方法
8-2 それぞれの大会に応じたロボットの作り方
 8-2-1 ROBO-ONE
 8-2-2 ROBO-ONE Light
 8-2-3 ROBO-ONE auto
 8-2-4 ROBO-剣
8-3 機体の設計前に考えたこと
 8-3-1 相手を知る
 8-3-2 自分を知る
 8-3-3 攻撃や防御で考えた機体構造
8-4 ロボットの設計
8-5 ロボットを構成する素材と部品
 8-5-1 素材
 8-5-2 部品
8-6 試作・製作・メンテナンス
 8-6-1 製作で主に使用する工具
 8-6-2 あると便利な工具
8-7 大会直前の注意点
 8-7-1 大会前にいつも行っていること
 8-7-2 試合前に必要なこと
8-7 最後に

9章 連覇するロボットの作り方(コンセプト作りを主に)
9-1 キング・プニの紹介
9-2 設計コンセプト
 9-2-1 目的と目標
 9-2-2 自己分析
 9-2-3 大コンセプト
 9-2-4 小コンセプト
 9-2-5 設計コンセプトの考え方、まとめ
9-3 キング・プニのコンセプト
 9-3-1 目標と自己分析
 9-3-2 キング・プニの大コンセプト
 9-3-3 小コンセプト
9-4 キング・プニのハードウェアの作り方
 9-4-1 片軸の部分は軸受で保護する
 9-4-2 脚のベアリング
 9-4-3 可動部分にできるだけサーボを配置しない
 9-4-4 フリー軸
9-5 キング・プニのソフトウェアの作り方
 9-5-1 モーションの狙い
9-6 キング・プニ 勝つための小ネタ
 9-6-1 ケーブルの配線とテープ
 9-6-2 ZHコネクタのホットボンドで接着
 9-6-3 スポンジで衝撃吸収
 9-6-4 ホーンを六角ネジで固定してガタを消す
 9-6-5 ねじロックは絶対に使うこと
9-7 あとがき

10章 ロボットに多彩な動きをさせる:メタリックファイターでのモーション作り
10-1 モーションの考え方
 10-1-1 モーションとはロボットの動きのこと
 10-1-2 ロボットを構成する基本部品はサーボモータとサーボアーム
 10-1-3 基本部品を組み合わせて直線運動を作る
 10-1-4 サーボモータを組み合わせてさまざまな姿勢を生み出す
 10-1-5 姿勢を連続的に変化させることでモーションが生まれる
10-2 モーションの作成方法
 10-2-1 姿勢を作る
 10-2-2 モーションを作る
 10-2-3 モーション作成時のルール
10-3 効果のある攻撃モーションとは
 10-3-1 パンチモーション
 10-3-2 腰の回転軸を組み合わせたパンチモーション
 10-3-3 足の重心移動と組み合わせたパンチモーション
 10-3-4 足裏をフルグリップ化
 10-3-5 移動と組み合わせたパンチモーション
10-4 モーションのシーケンス
 10-4-1 前進移動モーション
 10-4-2 起き上がりモーション
10-5 コントローラへの割り当て
 10-5-1 どこにどのモーションを入れるかが重要
 10-5-2 メタリックファイターのコントローラへの割り当て
 10-5-3 標準化の促進

11章 ロボットの高速化について:Frosty 
11-1 Frostyの高速走行性能の紹介
11-2 高速走行実現の課題
 11-2-1 サーボは指令通りには動かない
 11-2-2 通常の軸配置だと膝サーボの速度が足りなくなる
 11-2-3 定常走行時は遊脚を前に出す動作はイナーシャが大きい
 11-2-4 速度を上げると接地衝撃が大きくなり反力で姿勢が乱れる
11-3 二関節筋の働きからヒントを得た足機構
 11-3-1 二関節筋とは
 11-3-2 二関節筋の働きからヒントを得た脚機構
 11-3-3 疑似直線リンク機構
 11-3-4 バックドライブ性の重要性
 11-3-5 バネについて
 11-3-6 股関節ロール軸のリンク機構
11-4 FPGAの特性を生かした制御アーキテクチャ 
11-5 Frostyに使われている部品や実装上の工夫、ノウハウについて
 11-5-1 電圧について
 11-5-2 サーボの改造
 11-5-3 ねじりバネの作り方
 11-5-4 ナイロン(ポリアミド)のSLSによる3Dプリント部品について
 11-5-5 イリサートの使用
 11-5-6 カーボンへのフランジ付きベアリングの埋め込み
 11-5-7 足裏材の選定と接着方法
 11-5-8 配線ケーブルについて
 11-5-9 IMUについて
 11-5-10 I/F基板用部品
11-6 あとがき

付録 失敗しないための注意点
A-1 ハード編
 A-1-1 電源アダプター
 A-1-2 Arduinoボードは色々な給電方法を持つ 
 A-1-3 ノイズを考え、はんだ付けで確認をする
 A-1-4 9軸センサの方向確認
 A-1-5 計算と現実が合っていること確認をする
 A-1-6 サーボのコネクタは色々ある
 A-1-7 抵抗値は間違えないようにする
A-2 ソフト編
 A-2-1 シリアルサーボには電源をいれて、エラーを確認する
 A-2-2 エラーの解決方法
 A-2-3 スケッチ名の付け方 

ここでは、本書の4章、5章、6章、7章で取り上げたArduinoのサンプルスケッチを、圧縮ファイル(zip形式)で提供しています。圧縮ファイル(22211-5.zip:約13KB)をダウンロードし、解凍(フォルダ付き)してご利用ください。

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