はじめに
ここでは、 Arduinoマイコンを使って、ロボットアームのプログラミングの基礎を学びます。
※本ページは実験のテキストです。
マイコンによる入出力実験１ へのリンクはこちらです．
概要
マイコンによる入出力実験１ では，Arduinoのデジタル入出力，アナログ入出力，ラジコンサーボの使い方を学びました．
今回は，その応用としてラジコンサーボを４個使うロボットアームをArduinoで動かします．
実験１で利用したServo.hを使ってラジコンサーボを動かすことも可能なのですが，
今回はスキルアップのためにサーボを動かすための専用シールドを使います．
シールドはI2C通信で利用するように作られているので，Arduinoを使ったI2C通信の学習も行います．
実験装置
実験１とは別の装置を使います．
- Arduino UNO R3
- PCA9685 PWM & Servo シールド
- EEZYbotARM Mk1
- USBケーブル
- 5V ACアダプタ
以下の写真に示します．
Arduino UNO には，複数のラジコンサーボを動かすためのシールド基板が既に刺さっています．
また，シールド基板とロボットアームとの配線も済んでいます．
ラジコンサーボは瞬間的に大きな電流を消費することがあるため，USBケーブルからArduino UNOに供給されている5[V]では不足してしまう可能性があります．
そのため，5V大電流のACアダプタを別途電源として使用します．
解説
EEZYbot ARM Mk1
以前，この実験では，Arduino.org公式の Tinkerkit Braccioを使っていました．
しかし，壊れやすい，直しにくい，修理部品が入手できない，など問題が多かったため変更しました．
EEZYbot ARM Mk1は，フリーの3Dプリントデータの公開サイト「Thingiverse」でデータが公開されているロボットです．
https://www.thingiverse.com/thing:1015238
このサイトから部品データをダウンロードして，3Dプリンターで印刷すれば，作ることができます．
修理部品もすぐ作れます ．
その他の部品も比較的安価に入手できます．
- アームのサーボ MG90S
- ハンドのサーボ SG90
- M4のネジ・ワッシャー・ナット
- M3のネジ・ワッシャー・ナット
- 中空 真鍮棒
- サーボ延長ケーブル
このハンドアームは，ラジコンサーボで動きます．
それぞれのサーボの番号とハンドアームの関節との関係は，下の図のようになっています．
サーボ０：土台のヨー旋回
サーボ１：第１リンク
サーボ２：第２リンク
サーボ３：ハンドの開閉
それぞれのサーボとコネクタには，上記と同じ色の●シールが貼ってあります．
サーボの番号が１から始まっていないのは，シールド基板の端子が0から始まっているからです．
PCA9685 PWM & Servoシールド
入出力実験１の 10.ラジコンサーボを動かそう では，Servo.hを使ってラジコンサーボを動かしました．
ただし，Servo.hでは最大で12個までしか動かすことはできません．
(Arduino UNOでは12個もピンがありませんが)
解説： Servo.h
例えば下記の写真のよう二足歩行ロボットでは，21個のラジコンサーボを使っているため，12個では足りなくなります．
12個以上の多くのサーボを動かしたい場合は，Arduinoの機能を拡張する シールド で対応します．
PCA9685 PWM & Servo シールド は，シールド１枚で16個のサーボを動かすことができます．
また，このシールドは複数枚重ねて使うこともできるので，16 x 2，16 x 3,,,というように16の倍数で使える個数が増えていきます．
今回のロボットアームには4個(あとで5個に増えますが)しか使わないので，正直Servo.hでも十分事足ります．
しかし， シールドの使い方を学ぶために，敢えてこちらにしました．
PCA9685
本シールドに使われている「PCA9685」というICは，
メーカーの データシート を見てみると，
「16-channel, 12-bit PWM Fm+ I2C-bus LED controller」
と書いてあります．
実はこのIC，ラジコンサーボを動かすためのものではなくて，LEDの明るさを変化させるための製品なのです．
入出力実験１の 9.アナログ出力の解説 でPWMを使ってLEDの明るさを変化させたのと同様に，16個同時にLEDの明るさを制御するICなのです．
ラジコンサーボの信号 で解説したように，
「PWMのパルス幅は0～100%の全域で使うのに対して，PPMは20ミリ秒のうち4～11%の部分しか使いません．」です．
したがって，LEDの明るさコントロールのパルス幅をArduinoプログラムで調整すれば，ラジコンサーボ信号として使うことができます．
現在PCA9685は，ラジコンサーボ信号を作る目的で多用されているため，本来はLEDの調光用の製品であることを知らない人もいるくらいです(笑)
I2C
上記のPCA9685は，I2C-bus LED controllerと書いてあるように，基板内シリアル通信の規格「 I2C 」を使ってArduinoと通信を行います．
I2C は，2の部分がべき乗を意味するので，正しくは「アイ スクウェア シー」と読みます．
しかし，プログラムのテキストでは上付き文字は書けないので I2C になってしまうため，皆「アイ ツー シー」と呼んでいます．
参考：Ｉ２Ｃの基礎知識
「LANにつながったパソコン」が「IPアドレス」を使って区別されるのと同様に，
「I2Cバスにつながったスレーブ」は「I2Cアドレス」を使って区別されるのです．
I2Cを使うICには，今回のようなPWM出力だけでなく，様々な機能をもった製品があります．
モータ駆動IC，ジャイロセンサ，方位磁針センサ，気圧センサ．．．etc.
マイコン本体が色々な機能を持っていなくても，I2Cを使って機能を増設する ことができます．
Arduinoでは，I2Cに対応したシールド基板で，機能を増設することが推奨されています．
実験手順
以下の手順に従って、実験を行ってください。
- I2Cの動作テスト
- PCA9685用のライブラリ
- EEZYbotARMを動かしてみる
- EEZYbotARMをキー入力で動かす
- EEZYbotARMにrampユニットとサーボを追加して動かす
- EEZYbotARMを教示/再生で動かす
おわりに
以上で マイコンによる入出力実験２ の作業は終了です．
この後は，担当の先生の指示に従って，課題に取り組んでください．