2017年8月15日火曜日

鉄の壁をのぼる「Climbing robot」

鉄の壁をのぼる「Climbing robot」を作ってみました。
両側の車輪にネオジム磁石を4個ずつ取り付けて、鉄の壁に貼り付く仕組みです。

Youtubeの「How to make a wheg climbing robot at home」
(Brainergiserさんの作品)を参考にしています。
Brainergiserさんの作品との違いは
車輪の素材&磁石、尻尾に磁石をつけたところ、目を付けたところ等です。
車輪は12mmの角材で作りました。

車輪に付ける磁石は、ダイソーの13mmφのネオジム磁石を
クリアファイルに入れ、テープで留めています。

ttギアモーターの軸の形状に合うように穴をあけて、

③を①の中心にネジ留めしています。

ttギアモーターの上下に薄い板を取り付けました。

下側に6mm×3mmのリング磁石3個をアルミ針金に通して
取り付けたのですが、 

いざ動かしてみると、安定性が悪かったので
12mm×3mm(穴4mm)のリング磁石3個を、
アルミパイプ+木材でしっかり固定しました。

目はダイソーのループエンド(手芸品)に青色LEDを入れています。

目には100Ωの抵抗を入れ、
電源は250mAhのリポパックで配線しました。
リポパック(リチウムポリマーバッテリー)は、
取扱いを間違えると火災や怪我の危険性がありますので、
取扱には十分な注意が必要です。 
もしこれを見て、作って下さる方は こちら ↓ の注意事項をご確認ください。

⑧に④を取り付けたら完成です。

ギア比の違うttモーターを使って2体作ってみました。
左は1:120、右は恐らく1:400くらいありそうな感じです。
左の方がかなり速く走ります。
右はトルクが大きいので、安定した動きです。

このオリに入れておくと、勝手に歩き回ってくれます。
実は、このロボは なかなか真っ直ぐに歩行してくれず、
苦肉の策として、このオリを作りました。

ロボは左と右で、尻尾の長さ&角度を変えました。(赤丸部分)
左のロボの尻尾がもう少し長いと、オリの左上の角を曲がるときに時々 落下します。
右のロボの尻尾がもう少し短いと、オリの右上の角を曲がるときに時々 落下します。
(5回に1回くらい)
尻尾の長さ&角度で落下防止になるとわかったときは
嬉しかったです♪  今回の一番の工夫点 (笑)
理由はよくわからないですが、
トルクの大きさ、磁石を引き離すタイミングや
重力バランスなど関係しているかも知れません。
実は目はつけない方が、落下しにくいのですが、
出来れば付けたかったので・・・(^^;

速く歩くタイプ、遅く歩くタイプともにビデオに撮ってみました。

タミヤのシングルギヤボックス(4速タイプ) を344.2:1で組み立てて
同じように作ってみました。
①単3アルカリ乾電池2本使用では重くて、壁をのぼりきれず断念。
(平坦なところは問題なく動きます。)
②リポパック(3.7V)を使用し抵抗2Ωを入れると、ちゃんと壁を上るのですが
モーターに3.4Vくらいかかっていました。(モーター定格3V)
抵抗4.4Ω入れると、モーターにかかる電圧は2.9Vくらいになりましたが、
壁をのぼりきれず断念しました。
今 思うと、ダイオード1本入れて、
0.7V落とす方法の方が良かったかなぁ?

上で使用のttギアモーターの定格は6Vなので抵抗は入れていません。




これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

2017年8月8日火曜日

「発振回路の永久コマ」や「ソーラーゆらゆら人形」がなぜうまく同期するのか?考えてみました。

以前、作った「弛張型発振回路の永久コマ」
なぜ、「発振回路」と「コマの回転」がうまく同期して 回り続けるのか?
よくわかってなかったので、考えてみることにしました。
 

「発振回路の永久コマ」以外の
「リードスイッチを使った永久コマ」や、
2種類の太さのコイルを同じ鉄心に巻き、トランジスタ1個で制御する永久コマ」は
コマの磁石により、スイッチングしてるので、
同期するのは理解できるのですが・・・

100均のソーラーゆらゆら人形も
発振回路になっていて、
恐らく同じような理由でうまく同期して、綺麗に揺れ続けるのだと思います。
完全に同期しないと、途中 つまづいたような揺れが出てくると思います。
(発振周波数は永久コマに比べ、かなり低いです。2Hz程度?)


「発振回路の永久コマ」の回路図です。


以下、電磁石両端の波形です。
コマを回していない状態の電磁石両端の電圧波形
(22Hz、正最大電圧約1.5V、逆起電力約2.2V)
 

電源をオフにして、コマを回したときの電磁石両端の電圧波形
コマを回すと、コマに貼った磁石が電磁石の上を横切り、
電磁誘導が発生します。     
周期、発生電圧はコマの回転速度により、変化します。
(下は約66Hz0.03V発生しています。
電源オンで安定して回転しているとき、だいたいこれくらいの速度と思います。

コマが安定して回っているときの電磁石両端の電圧波形
①の発振回路の波形に②の電磁誘導の波形が重なった感じです。

左はコマが電磁石に接近しているとき、
右はコマが電磁石から離れた位置にあるときで
上の映像のようにコマが公転軌道を描くようなときは
この下の波形の左~右を繰り返す感じです。
公転せず、定位置(電磁石の真上で回転)のときは ほぼ左の状態です。

コマの回し初めから、安定して回り始めた時までの波形の映像です。
コマは上の映像のように、公転軌道を描くように回っていて
電磁石に接近したり離れたりしています。

この映像の最初 速くコマをまわしました。
映像の3秒~6秒目あたり、オフ時に波数が3つ少々見えます。
オン時の回転も含めると 恐らく1周期の間に4回転しているような気がします。
7秒目以降は3回転になったような気がします。
6秒目から7秒目では発振周波数も大きく変化しています。
安定後も 刻々と周期が変わっているようですが、
いずれの場合も 誘導電圧が負から正に変わる瞬間に
電磁石がオンになるように見えます。


ピンクの丸の波数は、
コマの重さ や 電池電圧、コマと電磁石の位置等で変化すると思います。
(波数が多いほど高速回転)
以前、もう少し重いコマの時は、波数は1.5でした。
今回のピンクの丸の波数は2.5で
発振回路のオフ時にコマは2.5回転し、
オン時に0.5回転するのかな?と思います。

<私の考察>
上の波形を元に以下のように考察してみましたが、自信はありません。
間違い等、ご指摘頂けると幸いです。

考察①
コマの回転によりコイルに発生する誘導電圧は下の図のようになります。

考察②
コマの回転によりコイルに発生する誘導電圧とコマの位置関係を考えてみました。
磁石のN極がコイルに最接近したときが、誘導電圧の正の最大(②のところ)
磁石のS極がコイルに最接近したときが、誘導電圧の負の最大(④のところ)
になると思います。

考察③
コイルに流れる電流は、電圧よりも位相が90度遅れます。(理論上)
そのため、下の②の状態の時、電磁石に電池からの電流が流れはじめたときに
N極同士が反発して回転力を増します。
③の状態のときもコイルに電流は流れ続けていて、
S極はN極に引き寄せられ回転力を増します。
④の状態のときに、電池からの電流は切れますが、
慣性力でコマは回転を続けます。

コマの磁石がコイルの上で移動するときに発生する誘導電圧が
負から正に変わる瞬間に電磁石がオンになることが、
うまく同期するポイントになっていると思います。
(のところ)
この状態でうまくトリガが働き、オンになるのでしょうか?
また、オフになるタイミングも
誘導電圧が正から負に変わる瞬間のような気がします。
(のところ)


この装置、磁石を逆極性で貼らなくっても
例えば、N極、N極を下に向けて貼っても回転し続けます。

そのときの電磁石両端の波形です。
一見、コマによる電磁誘導は見られませんが・・・

拡大すると、やはり電磁誘導が発生してるのがわかります。
この場合は発振回路のオフ時にコマは0.75回転し、
オン時に0.25回転するのかな?と思います。

同極なので、N極が近付くか離れるかによる電磁誘導です。
N極、S極を下にしたときよりも、弱い電磁誘導になっています。
(さらに回転速度が落ちるので尚更弱くなります。)

誘導電圧発生時の波形で
異極(コマの磁石N、S)と同極(コマの磁石N、N)の位置を考察してみました。

異極のときも同極のときも、②のときにN極がちょうど左にくることで
電磁石とコマの磁石がうまく反発して回転力を得るのかな?と思います。
①の位置は異極の場合はN極が近づきS極が離れるので、Nが下ですが、
同極の場合はN極が近づきN極が離れるので、N1が斜め下になるような気がします。
異極の場合は上の①~④で1回転だけど、
同極の場合は①~④で半回転しかしないので、回転速度が遅くなり、
1回 発振する間に、コマは1回転しかしないように思います。


100均のソーラーゆらゆら装置の場合
私の持っているオシロスコープでは残念ながら綺麗な波形が取れませんでしたが
逆起電力はほとんど発生していないようです。

ソーラーゆらゆらで不思議なのは
磁石の下側をN極にしてもS極にしてもうまく揺れ続ける点だと思います。
この場合も上と同じように考察してみました。
(波形がとれなかったので、「永久コマ」のものを使って考えてみます。)


100均のソーラーゆらゆらではソーラーパネルが小さいため
ソーラーパネルと並列に電解コンデンサを接続し、
発振回路オフ時にコンデンサに電荷を溜めておき
発振回路オン時に、(コンデンサ+ソーラーパネル)から電流を送ることで
パワーアップさせてると思います。




これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。