名称 MIRS2203 基本設計書
番号 MIRS2203-DSGN-0002

版数 最終更新日 作成 承認 改訂記事
A01 2022.10.13 池ノ谷、豊田、吉貞 初版
B01 2022.10.14 池ノ谷、豊田、吉貞 機能・性能の要点整理
B02 2022.11.4 池ノ谷、豊田、吉貞 大沼 一部表記改善、物品内容変更
B03 2023.2.9 豊田、吉貞 大沼 エレクトロニクス電源使用変更、システム構成ブロック図変更

目次

1.はじめに
本ドキュメントはMIRS2203の基本設計書である。

2.システム概要
　アフターコロナによるインバウンド需要の回復に伴い、地域格差問題が大きく浮き彫りになると考えられる。
過疎化が進む地方では魅力的な宣伝を十分に行うことが出来ない。
RAPTAではその問題を「ロボットでの擬似観光を用いた体験型広告」によって解決する。
疑似観光とは、自宅などから遠隔で現地にあるロボットを操作しながら観光地を巡ることの出来る旅行の事である。
　具体的には、遠隔地からPCを用いて機体を操縦し、決められた範囲を自由に動いて回ることができる。
また、スマートフォンを用いたVRと首の動きに連動するカメラにより、没入感の高い観光体験をすることができる。
さらに、マイクとスピーカやLEDドットマトリクスによる表情の表示、簡易アーム等により買い物や地域住民との交流も可能である。

3.機能・性能

RAPTAの主な機能について下に示す。

走行機能
・前進、後退、転回

危険回避機能
・ライントレースによるエリア制限
・超音波による危険回避

ワイヤレス接続機能
・PCからの接続を待機する
・PCとMIRS本体をネットワークを介して接続し、キーボードの操作を受け付ける

カメラ機能
・ワイヤレス接続機能によって得た操作でカメラの角度を変更する
・ワイヤレス接続機能によって得た操作でカメラの写真を撮影する
・PCにカメラの映像を送信する

ディスプレイ表示機能
・操作によってドットマトリクスに文字やアバターを表示する

会話機能
・カメラ内蔵マイクとスピーカーを使用する

アーム機能
・左右各90°、上60°下0°

緊急停止機能
・物理スイッチを押された時動作を停止する
・緊急停止した後のスイッチを戻しても動作は停止したままとなる

メンテナンス機能
・マジックテープで取り付けられている外装パーツのつけ外しが容易にできる
・メンテナンス機能はハードウェア面での機能なためプログラム停止時のみ使用可能とする

RAPTAの主なモードについて下に示す。

遠隔操作モード
・走行機能
・危険回避機能
・ワイヤレス接続機能
・カメラ機能
・ディスプレイ表示機能
・会話機能
・アーム機能
・緊急停止機能
ユーザPCからMIRS本体をキーボードを用いて操作し、コミュニケーションを取ることができるモード

自動帰還モード
・走行機能
・危険回避機能
・ディスプレイ機能
・緊急停止機能
ユーザPCとの接続が切断された場合ライントレースを使用して初期位置に戻るモード

待機モード
・ワイヤレス接続機能
・緊急停止機能
・メンテナンス機能
初期位置でユーザPCからの接続を待機するモード

動作に関する優先度は緊急停止機能、危険回避機能、走行機能の順に高い優先度が設定され、全て割り込みで動作をする
その他の機能は並行で動作する

動作概要について次に示す。

MIRS本体
　・起動時 : raspbery pi4, arduinoの起動。プログラム上ではシェルスクリプト等を用いて待機モードへ移行する。
　・ユーザPCとの接続時 : 遠隔操作モードへ移行する。
　・ユーザPCとの切断時 : 自動帰還モード移行する。

使用ユーザ側操作
　・MIRS本体との接続 : raspbery pi4とネットワークを介して接続する。
　・MIRS本体の操作 : キーボードからの入力及び映像, 音声を送受信する。
　・MIRS本体との切断 : web上のUIを操作して切断する。タブをそのまま閉じた場合も同様に切断する。

RAPTAの主な性能について下に示す。

走行速度制限 : 30~50[cm/s]
走行時間制限 : 45分以内
使用可能温度 : 気温30℃以内推奨, raspbery pi4のcpu温度が90℃を超える場合動作を停止。
許容段差　　 : ±15mmまでの段差
同時使用人数 : 1人

4.システム構成

　4.1メカニクス
Fig.1に機体各部の名称を示す。
twosideview
Fig.1 機体各部名称


Table.1に今回使用する部品を示す。
Table.1 使用部品一覧
部品名 目的 内容 備考
カメラ/ジョイント カメラ取り付け、可動のため 【新規】3Dプリンタで作製
ディスプレイ/LEDドットマトリクス 各種データの表示のため 【新規】購入
ディスプレイ/フレーム LEDドットマトリクス取り付けのため 【新規】PP板を加工
ディスプレイ/ジョイント パーツの接合のため 【新規】3Dプリンタで作製
ディスプレイ/外装 内部部品保護のため 【新規】PP板を加工
簡易アーム/フレーム パーツの接合のため 【新規】アルミ丸棒を加工
走行機構/タイヤ 走行機能上昇、デザイン変更のため 【新規】3Dプリンタで作製し、ゴムを接着 標準機のパーツから変更
走行機構/キャスター 走行機能上昇、デザイン変更のため 【新規】購入 標準機のパーツから変更
基盤/バッテリーマウント バッテリー取り付けのため 【新規】3Dプリンタで作製 標準機のパーツから変更
支柱/フレーム カメラ、ディスプレイの取り付けのため 【新規】購入(ミスミフレーム)、アルミ角パイプを加工
支柱/ジョイント フレームの接合のため 【新規】3Dプリンタで作製
支柱/ケーブルクリップ ケーブルをまとめるため 【新規】3Dプリンタで作製
ボディ/天板 支柱、フロントカウル、緊急停止の取り付け、内部部品保護のため 【新規】アクリル板を加工 標準機のパーツから変更、教育研究支援センターで行う
ボディ/中板 基盤など各種部品を搭載するため 標準機のパーツを無加工で使用
ボディ/底板 機体の形状を変更し、各種部品を搭載するため 【新規】アルミ板を加工 標準機のパーツから変更、教育研究支援センターで行う
ボディ/フレーム 機体形状保持のため 【新規】購入(ミスミフレーム)、標準機のパーツを無加工で流用 標準機のパーツから変更
ボディ/外装 内部部品保護のため 【新規】PP板を加工
フロントカウル/フレーム ディスプレイ保持のため 【新規】購入(ミスミフレーム)、アルミ角パイプを加工
フロントカウル/外装 内部部品保護のため 【新規】PP板を加工
フェンダー/フレーム 内部部品保護のため 【新規】アルミ角パイプを加工
フェンダー/外装 内部部品保護のため 【新規】PP板を加工


　4.2エレクトロニクス
Fig.2にシステム構成のブロック図を示す。
system_configuration
Fig.2 システム構成ブロック図


Table.2に電源仕様、Table.3に表示部・操作部仕様、Table.4にセンサ・仕様、Table.5に駆動部仕様を示す。
Table.2 電源仕様
供給元 供給電源[V] 供給先
モバイルバッテリー 5 Rasberry Pi
模型用バッテリー 7.2 モータードライバ
単三電池 4.5V(1.5*3) サーボモータ

Table.3 表示部・操作部仕様
名称 使用用途
ドットマトリクス 表情や文字による簡単なコミュニケーション
緊急停止スイッチ 緊急時にロボットの動作を強制的に停止させる

Table.4 センサ・I/F仕様
名称 個数 使用用途 通信方法
カメラ(&マイク) 1 映像撮影、音声でのコミュニケーションのため USB
スピーカ 1 音声でのコミュニケーションのため 3.5mmステレオミニプラグ
超音波センサ 2 衝突回避のため 4ピン
フォトリフレクタ 2 ライントレースのため 4ピン

Table.5 駆動部仕様
名称 個数 使用用途
DCモータ 2 移動用
サーボモータ 2 カメラ駆動用
サーボモータ 2 簡易アーム駆動用

　4.3ソフトウェア

標準機のモジュールに加え新たに使用するモジュールの仕様等を次に示す。
Fig.3にraspbery pi4のモジュール構成を示す。
module_raspi
Fig.3 raspbery pi4 モジュール構成図

Table.6にraspbery pi4のモジュール仕様を示す。
Table.6 raspbery pi4モジュール仕様
基本モジュール名 モジュール機能 関係モジュール群 備考
pilot.c 全体の制御 主要モジュール, arduinoモジュール momoの動作は別で常設する予定
inpctrl.c コントローラ(キーボード入力)の入力を待機 servoctrl.c, camctrl.c コントローラかキーボードからの入力を待機。操作内容は移動用にwasd, 指差し棒用に↑←↓→を予定
runctrl.c 走行のコントロールを行う inpctrl.c, arduinoモジュール 機体制作に合わせて調整
camctrl.c サーボモータの制御 socket, arduinoモジュール カメラの物理稼働に使用
armctrl.c サーボモータの制御 socket, arduinoモジュール アームの操作に使用
dotctrl.c ドットマトリクスの制御 アバターの制御も行う。

Fig.4に user_app のモジュール構成を示す。
input.cとsocket_user.cを含み、キーボードからの入力をソケット通信でRaspiに送る。momoの起動と接続も行う。
module_user
Fig.4 user_app モジュール構成図

Table.7に user_app のモジュール仕様を示す。
Table.7 user_appモジュール仕様
基本モジュール名 モジュール機能 関係モジュール群 備考
inpctrl.c キーボード入力を受け付ける servoctrl.c, camctrl.c キーボードからの入力を待機。受け付ける内容は移動用にwasd, カメラ用にtfghを予定, アーム用にijkl, アバター用に1~4
socket_user.c inputで受け付けた入力をソケット通信で送信


Fig.5にarduinoのモジュール構成を示す。
module_ino
Fig.5 arduino モジュール構成図
arduinoのモジュールは既存のモジュールにサーボモータの制御を行うservoctrl.inoとフォトリフレクタの制御を行うphoto.inoを追加する。

5.開発工程表

次のリンクにMIRS2203の開発日程を示す。
黄色で示している部分はテスト期間,キャリア研修,冬季休暇等により全体作業を行いずらい期間を示している。
ソフトのモジュールに関しては詳細設計が完了次第一部エレキ等が作業を分担する事がある。
ガントチャート

6.物品購入

Table.8に購入する部品を示す。
Table.8 購入部品一覧
物品名 型番 単価(税込み、円) 数量 価格(円) 商品URL
サーボモータ SG-92R 500 5 2500 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-08914/
LEDドットマトリクス P3-2121-64x32 3421 2 3421 https://www.amazon.co.jp/dp/B07SRY8V84/ref=cm_sw_r_awdo_WPNDKX7Y0X8HH1SSH209_1
フォトリフレクタ LBR-127-HLD 50 4 200 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-04500/



MIRS DATABASE