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Pixy2.1 レンズ交換

ロボットビジョン (Robot vision made easier:pixycam.comの冒頭文)

画像処理を行った結果を出力してくれる便利なカメラとして登場した”Pixy CMUcam5 イメージセンサ”ですが、既に2回のモデルチェンジを経ています。

(Original Pixy → Pixy2 → Pixy2.1)

Pixy2は固定レンズでしたが、Pixy2.1はボードカメラで標準的な”Sマウント(M12 P-0.5)”になり、レンズ交換が可能となりました。

画像処理は以下3種類が選択できます。

●Color Connected Components
●Line Tracking
●Video

 

いざレンズ交換

早速webショップで即日発送のレンズを焦点距離違いで3種類発注!

オリジナルレンズを取り外し、購入したレンズを取付て専用アプリの"Pixymon"を見ながらフォーカス調整を行います。

ここでトラブル発生!

なんとフォーカスが合うポジションがレンズが外れて1mm程の距離にあります。

他のレンズも、丁度外れた当たりでピントが合うようです。

 

スペーサ作成

エクステンダーを購入して距離を稼ぐ方法もありますが、エクステンダーの外ネジと内ネジのオフセット距離にピントがあるので、今回は無理そうです。

そこで、スペーサを設計して基板とSマウントの間を3mm以上離す事にしました。

例によって3DCADで設計してレーザー加工機で試作!

厚紙による試作

良い感じなので2mm厚アクリル板2枚を貼り合わせてIRカットフィルタを付けれる様にした物と、3mm厚アクリル板1枚物を製作(加工時間57s)。

(平板から立体物を作る方法はこちら ↓ )

https://blackbox-crusher.hatenablog.com/entry/2021/07/29/020802

左:IRカットフィルタ有り       右:IRカットフィルタ無し

Sマウントとの接合面は800番のサンドペーバーで艶消し処理をしています。

ネジをM2×8mmに交換して組み立てれば完成です。

組立完成

IRカットフィルタが無い場合には、色の鮮やかさが損なわれます。

白色・黒色・青色・赤色が比較できる溶剤型アクリル樹脂接着材を撮影 (太陽光)

(このブログではwebにて容易に検索できる事は解説しません。

カラーイメージセンサの仕組みについては多くの説明がweb上にありますので、そちらを御覧下さい。)


IRカットフィルタが必要な理由はザックリ以下の通りです。
●センサ(フォトダイオード)は赤外線領域にも感度がある。

●R・G・B各カラーフィルタは赤外線領域の透過率が高い。

カラーフィルタの透過率特性をエクセルを用いてグラフにしました。

RGBカラーフィルタの透過率特性

御覧の通りRGBの何れのカラーフィルタも800nm以上の赤外線領域では透過率が高くなります、

例えばRGB比率100 : 0 : 0の青い物を撮影しても、光源に赤外線が含まれる場合にはGフィルタの素子にもRフィルタの素子にも赤外線による信号が出てしまうので、100 : 30 : 30の様になります。

これが色褪せの原因です。

照明が白色LEDや蛍光灯のみの会場ではIRカットフィルタがない状態でも色褪せる事はありませんが、ジャパンオープン2022のレスキューチャレンジの会場の様に太陽光の採光による照明を採用している建屋もあります。

レンズ交換する場合は、IRカットフィルタについても考慮しておくと”いざという時”に困らないと思います。

 

 

 

 

 

 

 

任意波形/ファンクション・ジェネレータ JDS2900 インプレ

任意波形(ソフト付属) DDS方式2CH 266MS/s ¥14,620

桁間違ってんじゃね?と思う値段ですね。

そろそろ、長年連れ添ったアナログ式ファンクションジェネレータに別れを告げて、任意波形/ファンクション・ジェネレータに買い替える予定だったので、早速調査開始!

メーカーのホームページを探すのに苦労しました。

首页 (junteks.com)

”JDS2900”のページを探して、アプリケーションをダウンロードしてインストール!

購入の前に付属のソフトが自分のPCで問題なく動作する事を確認します。

製品本体との接続が確立しないと操作画面にならない仕様のソフトもあるのですが、”DDS Signal generator”は操作画面まで行けました。

4つのタブで構成されていて、本体パネルのスイッチ操作は全部PCからできそうです。

これが任意波形をPC(フォルダ)から読み出したり、ジェネレータに書き込みを行う画面です。

ソフトウエアのサンプル波形を”Open”する事ができました。

サンプル波形はxxxx.CSVとなっていて、2048個のデータを作製すれば評価したい波形を自分で作成する事ができます。

任意波形をエクセルで作成、CSV形式で保存して、”DDS Signal generator”に読み込ませる事ができました。

英語版のマニュアルをダウンロードして仕様を確認!

問題なしと判断して発注!

 

インプレッション

先ず、とてもコンパクトです。

場所の限られた自宅のデスク環境では好都合です。

パネル操作は直観的で、普段ファンクションジェネレータを使っている方ならマニュアル見なくても使える感じです。

起動時間はとても早くて電源スイッチONから3秒で使えます。

動作音は、とても静かです(”じじい”の耳には何も聞こえない、たぶん無音?)。

表示器もカラーで見やすいです。

任意波形も本体に複数記録するメモリーがあって”Strage Location”を指定してPCからの書き込みや本体からPCアプリへの読み込みができるので重宝します。

ホビーユースでは先ず不足はないと思います。

実際に任意波形に対するアナログ回路部の挙動確認がサクサク行えて、とても良い買い物だったと思っています。

 

 

 

レーザー加工を前提にした設計例その3(試作用材料)

試作

3DCADで設計を行って、干渉チェックをクリアしていれば、問題なく組み上がります。

組み上がりを眺めると、CAD上で色々な角度から見ていたのに ”ここは剛性不足かな” とか ”まだ寸法詰めれるな” とか色々思うことがあります。

現物とCAD上のモデルにギャップを感じるのは、力量不足と思うのですが、レーザーによる部品切り出しの時間が非常に短い事を利用して試作を行う事にしています。

 

試作用材料

試作用の材料としては

〇安価

〇加工時間が短い

〇本番の材料と同じ厚み

が好ましいのですが、厚みが問題にならない所は牛乳パックを洗って乾かした物を使っています。

 

3拍子全て揃っている材料として辿り着いたのは

ダイソー カラーボード300×450×2mm 5P です。

450mmを半分に切ればbeamoのワークエリアに良い感じなので、100円(税別)で10枚相当になります。

材料は一般用ポリスチレンと書かれています。

ポリスチレンはCO2レーザーと相性の良い材料です。

発砲材なので若干縮みますが、試作で全体像を見るのには充分な精度で仕上がります。

Beam Studio 設定

部分的試作

全体を試作するのも良いのですが、3DCADで省略している(モデリングしない)配線のさばき方など、実際に作って ”様子を見たい部分” だけを試作する事が多いです。

 

バッテリーケースの例

バッテリーのケースを作る際にはバッテリーパックの線の出し方やバッテリーパックとケースのクリアランスなどを確認しておきます。

試作:カラーボード450×300×5mm 3P使用 切り出し時間1分

試作バッテリーケース + LiFeバッテリー

板厚3mmの設計に対して板厚5mmの発砲スチレンボードを使用したので接着しろが余っていますが、内寸は問題なく検証できます。
実際にバッテリーを組み込んで見ると真横に線を出すより縦方向に線を出す方がストレスが少ない様子なので、下側に寄せた切り欠き部分を上側に寄せる変更を加えました。

完成

 

これが、ゴールデンウイークを利用して設計・製作したレスキューラインのお手本ロボットですが、バッテリーにストレス無く配線をさばく事ができました。

リモート講習会用ガジェット

リモート講習会での不便

ロボット教室が長期にお休みになってブログでの技術情報共有を始めました。

最近はTeamsを使ったリモート講習会も行っています。

技術的な内容を理解して頂くには、図示する事が大切です。

予め講習内容に関する図表は準備しますが、想定外の質問を受ける事があります。

この時、ホワイトボード機能を使って図示する方法もあるのですが、ポインティングデバイスによる”お絵かき”は要領を得ません。

ペンタブにもチャレンジしたのですが、”じじい”には荷が重かったです(習熟断念)。

 

コンビニでの出会い

最近の書籍は”ふろく”が充実していると聞いていましたが、車移動の途中で寄ったコンビニの書籍コーナーで”デジタルメモ mini 990円"が目に飛び込んできて思わず購入。

3DCADでパーツの派生品を作製する際にオリジナルの寸法をメモしておくのに重宝してます。

 

アナログ式電子黒板

デジタルメモ miniの画面をTeamsのカメラに写せばいいのでは?

となったのですが、カメラの前にデジタルメモ miniを置くと自分がPCの画面を見にくいし、”相手側にどの様に見えているのか?”が分かりにくいので、いまいちです。

 

USBカメラで専用台を作れば良いのでは?

余っている古いUSBカメラ(130万画素)を採寸して、デジタルメモ miniの画面全体が写る距離を測って、3DCADでサクッと設計(2部品)。

先ず厚紙をレーザー加工(1分19秒)して、セロテープ張りで組立。

カメラ距離が適正なのを確認して、アクリル板をレーザー加工(6分0秒)の後、組立。

こんな感じに仕上がりました。

安価な材料で試作、本番の材料で加工・組立の両方を合わせても20~30分で完成するので、レーザー加工機は重宝します。

 

実際に使うとこんな感じです。

”なんで放熱パターンはドレインなんですか?”の問いに”プラスチックパッケージの中では金属のフレーム(ピン)に直接触れているのがドレイン側だから”と答えた時の図です。

紙に書く感覚でスラスラ書けるし、ボタン”ひと押し”で消去できるので説明のテンポも良くなります。

レーザー加工を前提にした設計例その2

アクリル板

黒色アクリル板は半導体レーザーでもCO2レーザーでも加工性の良い材料です。

キャスト材を用いて、応力集中に注意(角を作らない)を払って設計すれば、強くて軽いロボットを製作できます。

 

接着面積の確保&組立精度向上

アクリル板同士を溶剤接着すると一体化した様に強固な構造物になります。

この特性を利用しない手はありません。

接着時に位置ずれを起こさない様に、予めスナップフィットプラモデルの様に(はめあい)部分を設計しておきます。

嵌め合い部分を沢山作ると接着面積が増えると共に、接着面が直交する事で接着面剥離が起きやすい方向性を軽減できます。

嵌め合い設計例

組立例

 

剛性向上

H形鋼(マンションなどの建築現場で見た事あると思います)と言う”鉄骨構造建築物”で定番の材料があります。
H型鋼が多用されるのは、少ない材料(軽量)で高い強度があるからです。
この他にもT型鋼、山型(L字)鋼などがありますが、何れも平板を垂直に組み合わせる事でどの方向(断面に対して)からの強度も高く、軽量に仕上げる工夫と言えます。

この平板を垂直に組み合わせる手法を応用すれば、レーザー加工前提のロボット製作に高強度・軽量を付加することができます。

嵌め合い設計例

組立例

これは厚み3mmのアクリル板による例ですが、中央のベアリング穴部分を押した時の変形量が同じになる平板の厚みは5mm(Fusion360静荷重シミュレーション結果)となります。

複数の厚みの材料を揃えて置くのもコスト高ですし、厚みが設計上のボトルネックになる場面もありますので、T型構造で強度を得る手法は有効だと思います。

T型構造による強度向上例

触って頂くと剛性感が伝わるのですが、オンラインの限界ですね、おやじ参加できるオープン大会に出場する機会があれば持っていく予定です。

 

レスキューラインロボット(履帯型・レスキューアリーナでの検証結果)

履帯型ロボットの製作

タミヤのトラック&ホイールセットは入手性が良いのですが、履帯が軟質樹脂製の為にグリップ不足で坂道を上る事ができませんでした。

タミヤ 楽しい工作シリーズ トラック&ホイールセット | タミヤ (tamiya.com)

履帯に熱可塑性エラストマーを使用した連結式クローラースプロケットセットの登場により

タミヤ 楽しい工作シリーズ 連結式クローラー&スプロケットセット | タミヤ (tamiya.com)

重量に気を使えば坂道を登れるロボットの製作が可能になりました。

そこで履帯型ロボットを製作することにしました。

 

履帯型のレスキューラインロボット

履帯型や6輪などの多輪型のロボットは中央の車輪がバンプに乗り上がった時に、下図の様にセンサと床の距離が離れてしまいます。

ラインセンサは床から遠くなると、白色の床でも黒色に判定される程、値が低くなり、正確なラインの読み取りが不能になります。

履帯型ロボットの問題点 ラインセンサが持ち上がる

この状態の解決策がサスペンション機構です。

履帯が実用化された頃のサスペンションは2個の転輪をシーソーの様にした構造で、シンプルで工作には向いています。

履帯の全長と転輪の数によってシーソの長さが決まりますが、直径10mmのバンプをクリアする事を目標に設計しました。

シーソー式サスペンションの動き

この様に10mmバンプ通過時にラインセンサの持ち上がりを軽減できます。

 

横幅の長い減速バンプでは、シーソーが機能しない為にラインセンサの持ち上がりが発生します。

この辺りは、”ジャパンオープン2022けいはんな”のアリーナで検証しましたので動画を御覧下さい。

減速バンプの定義

実際のアリーナ

アリーナ使用許可を頂いて最後のチームが得点走行を終了し、片付けになったタイミングでの走行です(関係者のみなさん、御協力ありがとうございました)。

貴重なチャンスですので、サスペンションの効果確認の他に”ラインセンサ2個のみ”のロボットで、どの程度ライントレース性能が出せるのかを検証しています。

ジャパンオープン2022けいはんな日本リーグアリーナ

比例制御は直角の連続など見た目に難しそうなタイルではミスしませんが、45度のカーブ直後の直角は最も難しいタイルと言えます。

意外かもしれませんが、45度のカーブなどの緩いカーブでは差分値が小さい為に制御値も小さくなって姿勢の変化が緩くなってしまいます。

ラインとの平行状態に戻る前に直角カーブに到達すると、ロボットからは直角カーブが鋭角に見えて対応不能に陥ります。

このアリーナで最もライントレースが難しい所が赤丸手前になります。

比例制御の難関タイル

ロボカップジュニア レスキューライン PID制御のしくみとプログラム検証方法 - 隠居エンジニアのものづくり (hatenablog.com)

奥の赤丸はライン-壁間の距離がレギュレーション最小の100mmになっています。

ロボットのサイズが大きいとタッチセンサが壁に当たって障害物回避プログラムになってしまう等のトラブルが発生する可能性があります。

壁まで100mm

ロボカップジュニア レスキューライン・メイズロボットの大きさ - 隠居エンジニアのものづくり

奥のオレンジ色の丸が円柱バンプ、手前のオレンジ色の丸が角柱バンプです。

円柱バンプはサスペンションが動作して問題なく走行しました。

円柱バンプ

角柱バンプはシーソーサスペンション自体が乗り上がってしまってサスペンションとしての機能を失います。

これによりラインセンサが持ち上がって、制御不能になりました。

角柱バンプ

レーザー加工を前提にした設計例

カニカルパーツ

ネットストア”モノタロウ”で手軽にメカニカルパーツが購入可能になりました。

289円(税別)のリニアブッシュ(直動ユニット)を見つけたので、早速購入しました。

直径6mmのシャフトと組み合わせて使用します。

 

リニアブッシュ・シャフトの保持機構

アクリル板同士を溶剤接着すると一体化した様に強固な構造物になります。

レーザー加工 → 平行ピンを用いた位置合わせ仮組立 → 溶剤接着 の手順を前提に設計します。

(平行ピンの使い方については過去記事を御覧下さい。)

blackbox-crusher.hatenablog.com

リニアブッシュの固定には板ナットを用います。

M3板ナット

M3ネジが通る様に中央は厚さ3mm、両サイドは厚さ2mmのアクリル板を用います。

リニアブッシュ保持機構(上:中央・下:両サイド)

この状態で溶剤接着材を流し込みます。

リニアブッシュ保持機構(組立)

板ナットを横からはめ込んでネジを通せば完成です。

構造(説明の為に長めのネジを使っています)

スライドブッシュを取付て、ネジで固定すれば完成です。

製作例