USBインタフェースによるモータコントローラのモジュール化とその応用
○徳山陽人

精廬幹人

橋本周司 （早稲田大学ヒューマノイド研究所）

1 はじめに各関節は位置センサとしてポテンシオメータを備えた1自由度

近年、LEGOのMINDSTORMSやSONYのAIBOなどエモータユニットからなる。ロボットはモジュール化されているた

ンターテイメントロボットや教育ツールとしてのロボットの開発が盛んに行われてきている。これらのロボットの特徴として、コめ自由度の増減や回転軸方向の変化が可能となっており、ユーザーによる機構の変更が可能である。今回の実験では３自ンポーネント化されたハードウェアが用意されており、ユーザ由度直列型のSRA-1を使用した。

ーにとってハード設計が容易もしくは不要である点とプログラミングが可能である点などがあげられる。これら机上で運用可

各モジュールはそれぞれ独立のU-MCにより制御される。
U-MCのブロック図をFig 2に示す。U-MCはUSBを通じて制能なロボットはデスクトップロボットと呼ばれる [1]。こうしたロボ御可能であるため、ＤＡボード等の拡張用のボードをPCに増ットの開発の背景として、各種センサ、アクチュエータなどの小型化と大量生産が可能になったこと、マイコンチップなどの設する必要がなく通常のノートPCから制御可能である。また
AD入力を備えているため、モータを駆動するPWMパルス信計算機の飛躍的な機能の向上があげられる。しかしこれら既存のデスクトップロボットの開発環境はハード、ソフト面ともに限られている。本研究ではデスクトップロボットの設計の容易さや保守性のよさを考え、モータ制御のモジュール化を行うことにより柔軟なハードウェア設計と、複雑なアクチュエータの制御を可能にすることを目的としている。ここではその概要とHost PCHub

既 存 の HIDUSB Interface

応用例を紹介する。

2 手法
従来、デスクトップロボットはメインコントローラとしてマイコンチップを使用しユーザーはPCから用意したプログラムをロボットに送るという手法を取っている。このためロボットの機能は

USB Motor Controller(U-MC)USB Camera
PWM Pulse

マイコンの処理能力に依存している。本研究ではメインコント
ローラをPCとして外部に用意した。これにより知能の高いロボット動作が可能になるだけでなくディスプレイやマウス、キーボード、マイクなどの既存のPCインタフェースを利用できる利点

Robot Arm(SRA-1)がある。またモータコントローラは筆者らが開発したUSBイン
タフェース搭載のモータドライバ U-MC [2]を使用している
ためハード、ソフトともにモジュール化したシステムを設計可能である。現在、本システムの有用性を検証するアプリケーションとしてGUIによるロボットの操作及び動画像によるロボットの動作の模倣を行っている。

3 システム構成
製作したシステム構成をFig １に示す。本システムは大きく分けてロボット部、モータ制御部、メインコントローラの３つの要素からなる。
ハードウェアとしては関節ごとにモジュール化されたロボット
アーム SRA-1 を製作した。SRA-1は多関節型ロボットであり、Motor Controller Module with a USB Interface and its
Application
Haruto Tokuyama, Mikito Toguro and Shuji Hasimoto
Dept of Applied Physics, Waseda University{haruto, mit, shuji}@shalab.phys.waseda.ac.jp
3-4-1 Okubo, Shinjuku-ku Tokyo 169-8555, Japan

Fig 1. システム構成
PC からの制 御 指 令 （USB ）

SPI

USB
コントローラシリアル通信モータ制御用
メインコントローラ

USBN9603

PIC16F873

USB
インターフェース部

PWM信号

モータドライバ

アナログ電圧TA8440H
モータ駆動電圧
モータ＆ポテンシオメータ
モータ制御部

Fig 2. U-MC ブロック図

号のフィードバックループ処理はU-MC内で処理可能である。

4 動作実験

U-MC は 制 御 モ ー ド と し て 位 置 、 速 度 制 御 に 加 え

本システムの有用性を確かめるためにシステムを作成し動PWMDUTY比を上位から設定するファンダメンタルモードの三つのモードを持ち、ホストPCは各制御パラメータやモード作実験を行った。本システムのホストPCのデスクトップ上のGUIからSRA-1の位置制御を行うアプリケーションを作成し、指令をU-MCに送るだけで複雑な制御が可能である。そのほマウスによるロボット制御を試みた。その結果ユーザーは画面かに・ハブを含めた最大127個のアクチュエータを増設可能

上から自由にSRA-1を操作することができた。また、複数のモータもU-MC内部で処理することによりホストPCのCPUに負・パラメータ変更でアクチュエータの変更が可能

荷をかけずに実時間制御できるばかりでなくUSBによる関節・ファンダメンタルモードではモータの状態を送信することによるホストPCからのフィードバック制御が可能の増設も簡単に行うことができ本システムの拡張性が示された。
次に、USBカメラによる動画像を利用した人間の動作の模・最大50mAの消費電力（範囲内ならバス電源駆動可能）倣を行った [4]。ここではデスクトップロボットの実現のためになどの特性があげられ、省スペース、保守性といったデスクトップロボットの運用上不可欠な条件を満たし、機能拡張性のカメラのみを用いる。全体の処理の流れをFig 3に示す。まずメインのコントローラはUSBインタフェースを通して人間の腕点でも優れている。の動きを動画像として取得する。メインコントローラは取得した

今回使用したホストPCはUSBポート搭載のノートPCを使用した。現在ホストPCのOSはLinux2.2.16（USBバックポー

動画像から時間差分画像を計算し、画像から動きのある部分を切り出し、処理を軽減するために時間差分画像をモザイクトパッチあり）で、作成したデバイスドライバともにWebから得る化する。次に、得られたモザイク画像を2値化し細線化したもことができる [3]。のを入力モデルとする。得られた２値細線化入力モデルを模倣するようにホストPCは各関節の目標位置をU-MCに与える。

時間実験の結果、入力した人間の動きに対応してロボットの動作USBカメラが生成されることが確認できた。
時間差分画像

5 おわりにハードとソフトの設計が容易であるばかりでなく、より自由な設計の可能なデスクトップロボットを実現するUSBインタフェ

時間差ースによる関節モジュールを製作した。このようなデスクトップロボットを容易に構築できる環境は動作や作業を伴う教育ツールとしても今後大いに期待できる。今後はモータユニットの多様化、多種のセンサによる複数フィードバックなどをはかり、より高度なデスクトップロボットの作成を行っていきたい。また
ソフトウェアの面でもセンサ情報の処理などについてモジュー入力モデル
モザイク化

アームロボットへ

細線化

ル化をすすめ、より知能の高いなロボットを開発する環境を整の近似備したい。
ロボット目標位置

謝辞

アーム目的位置

本研究の一部はIMS国内プロジェクト「HUTOP」によっている。
＋−
USB Motor Controller(U-MC)

参考文献[1] 平岩明,小方博之:”デスクトップロボティクスのお教室-ICC
ワークショップ ロボットを作るから- ”,日本ロボット学会誌

現在位置
PWM Pulse

Vol.18 No.2,pp181-184 (2000)[2] 徳山陽人,精廬幹人,橋本周司： USBインタフェース搭載の小型モータコントローラの開発 ，第18回日本ロボット学術講
演会予稿集１pp.119-120 (2000)[3] http://www.phys.waseda.ac.jp/shalab/u-mc/index.html[4] 精廬幹人 ,橋本周司： 動画像を利用した実ロボットによるRobot Arm (SRA-1)

Fig 3.動画像処理による動作模倣

動作の模倣 ,第5回パターン計測シンポジウム資料,pp.21-26(2000)