名称	MIRS2501 MVP設計書
番号	MIRS2501-DSGN-0003

版数	最終更新日	作成	承認	改訂記事
A01	2025.10.27	仲下		初版

本ドキュメントは、MIRS2501、BABLOONプロジェクトのMVP(Minimum Viable Product)設計書である。

1. MVP仕様概要

風船を作成し、シャボン玉を撒くことにより遊園地のような空間を演出するロボット。
ペルソナ：週末ドライブで道の駅に訪れる3人家族
ユースケース：広い敷地内でワクワクする空間を演出する目的でクローラ型ロボットが巡回し、風船を配る。

2. 全体像(概形)

本機体の全体像を図1に示す。
本機体は走行部、制御部、稼働部で構成される。

3. モジュール分割

BABLOONを構成する各モジュールの配置を以下に示す(図2)。

①クローラ部
②MIRSコンテナ部
③ストックモジュール
④ヘリウム供給モジュール
⑤シャボン玉吹き出しモジュール
赤枠はアルミフレーム

4. モジュール説明

各モジュールを構成する機構を以下に示す。

クローラーモジュール(図3)

図3 クローラー

標準機準拠の足回り。巡回走行のために使用する。 20×20アルミフレーム500mm4本でクローラー2個を支え、20×20アルミフレーム505mm2本でそれらをつなげる。

MIRSコンテナモジュール(図4)

図4 MIRSコンテナ

機体を制御するための電子機器、電源を入れる箱。
主電源とモード(風船作成モード、巡回モード)の切り替えを行うボタンが取り付けられている。
MIRSコンテナに搭載するエレキ関連部品を以下に示す。
- Arduino UNO
- Raspberry Pi
- 電源(LiFePO4 24V)
- モバイルバッテリー
- 冷却ファン

ストックモジュール(図5)

図5 ストックモジュール(左から全体像、正面、裏面)

風船を保管しておくモジュール、以下の機構・部品で構成される。
- 風船ストック(図6)
  風船が取り付けられた逆止弁を保持するための部品
- ストック機構(図7)
  
  図7 ストック機構
  
  ワクワクフィーダー(図8)と呼ばれるからくりが三つ並んだもの。
  ワクワクフィーダーとは上下のラックギア(図9)でサーボモータが付いたピニオンギア(図10)を挟み込み、サーボモータで風船ストックを一個ずつ送り出すからくり。
- 風船ストック受け皿(図11)
  ストック機構(ワクワクフィーダー)から落ちてくる風船ストックが入る受け皿(図12)。受け皿固定用パーツ1,2(図13 図14)と受け皿サポートパーツ(図15)でフレームに取り付けられている。
  
  図11 風船ストック受け皿(固定パーツ付き)
- 風船ストック回収ボックス(図16)
  風船ストック返却口(図17)が取り付けられた箱、風船ストック返却口にはリミットスイッチが取り付けられており風船ストックがセンサに感知されることで⑤(シャボン玉吹き出しモジュール)からシャボン玉が噴き出す。
  
  図16 風船ストック回収ボックス
- 色選択ボタン
  どの色の風船を膨らますか選ぶボタン、各レーンに一つずつつけられる。
- アクリル板
  機構を保護するための板。
- 一連の動き
  ストック機構には各レーンごと色の違う風船がつけられた風船ストックが4つずつ保管されている。
  ボタンにより風船の色(レーン)が選ばれるとそのレーンの風船ストックについた風船が膨らみ提供される、その後風船ストックはストック機構により風船ストック受け皿にのる。
  風船ストック回収ボックスには風船ストックがちょうど入る穴が開いているのでそこに受け皿にのっている風船ストックをいれる、すると⑤のシャボン玉吹き出しモジュールからシャボン玉が噴き出される。
  またストック機構にはそれぞれのレーンにボタンがつけられておりボタンが押されたレーンから風船が出てくる。

ヘリウム供給モジュール(図19)
風船にヘリウムを送るモジュール、以下の部品機構で構成される。

図19 ヘリウム供給モジュール
- ヘリウムボンベ
  ヘリウムのボンベ市販品
- チューブ
  ヘリウムボンベとノズルをつなぐチューブボンベの付属品(内径5mm 外径7mm 長さ1000mm)
- ガントリー機構(図20)
  
  図20 ガントリー機構
  
  ノズルの位置を選ばれたレーンの位置に動かす機構、以下の要素で構成される。
  - ステッピングモータ
    タイミングベルトを回し、ノズル押し付け機構を動かす。ノズル押し付け機構に用いられるものと区別するため、以降このステッピングモータをGモータと呼ぶ。
  - タイミングベルト
    ステッピングモータのギアに嚙み合わせ、ノズル押し付け機構を移動させる。
  - ガントリーレール
    ノズル押し付け機構を走らせるレール。20×20アルミフレーム(500mm)を用いる。
  - ガントリーレールマウント(図21 図22)
    ガントリー機構を図1で示した赤枠のアルミフレームにマウントする。
- ノズル押し付け機構(図23)
  
  図23 ノズル押し付け機構
  
  ノズルを風船ストックに押し付け、ヘリウム供給中にノズルが抜けないようにする機構。以下の要素で構成される。
  - ノズル(図24)
    先端に電磁石がつけられたヘリウムが噴き出す部分、一部がラックギアになっている。
  - ステッピングモータ
    ピニオンギアを回転させて、ノズルを動かす。以下Nモータとする。
  - Nモータマウント(図25)
    Nモータをマウントする。ベアリングが付いた四つのタイヤ(図26)でガントリーレールを移動する。
- ボンベ制御機構(図27)
  
  図27 ボンベ制御機構
  
  ヘリウムボンベの弁を開閉する機構。以下の要素で構成される。
  - ボンベ制御用モータ
    ボンベ制御用パーツを回転させるDCモータ。
  - ボンベ制御用パーツ(図28)
    ボンベの弁を開閉する部品
  - ボンベ制御用モータマウント(図29)
    ボンベ制御用モータをマウントする。
- 一連の動き
  ストック機構についたボタンで風船の色(レーン)が選ばれると、ガントリー機構により対象のレーンの風船ストックの前にノズルの位置が調整される。
  ノズル押し付け機構を用いて風船ストックにつけられた風船にノズルを刺す。
  ノズルの先には電磁石がつけられている、風船ストックには電磁石が付く用の鉄板が備えられており、ヘリウムの供給が始まった後風船ストックからノズルが抜けないよう電磁石が制御される。

シャボン玉吹き出しモジュール(図30)

図30 シャボン玉吹き出しモジュール

シャボン玉吹き出し機構(図31)が左右に取り付けられている、シャボン玉吹き出し機構に接続したDCモータを回転させシャボン玉を吹き出す。

図31 シャボン玉吹き出し機構

風船ストック回収ボックスに風船ストックが入れられることによりシャボン玉が噴き出す。
DCモータはシャボンモータマウント(図32 図33)
※諸部品としてアルミフレーム(405mm2本)、アルミフレーム(120mm3本)、アルミフレーム(140mm3本)

赤枠について
20×20アルミフレーム(長さ400mm4本　長さ500mm2本)　10×10アルミフレーム(500mm3本)で構成される。

5. 回路構成図

本機体の回路構成を以下に示す。

回路全体(図34)

ガントリー(図35)

弁開閉用モータ(図36)

冷却ファン(図37)

シャボン用モータ(図38)

走行用モータ(図39)

電磁石(図40)

サーボモータ(図41)

マイコンボード(図42)

5. モジュール分担

ハード設計：クローラモジュール、MIRSコンテナモジュール、ストックモジュール、ヘリウム供給モジュール、シャボン玉吹き出しモジュール (担当：内野、木村、酒井、谷口、仲下)
ソフト設計：認識処理、自律走行、音声 (担当：阿部、窪田、テテー、細江)
回路全般

6. システム構成図

全体のシステム構成を図43に示す。青色は標準機からの流用を、白色は新規設置を示す。

7. ソフトモジュール構成

本システムには3台のArduino UNOがある。

master : 各モードにおける動作フローの実行と走行用モータを扱う。
slave : ストックモジュール・ヘリウム供給モジュールの各種アクチュエータを扱う。
シャボン玉用 : ストック回収ボックスとシャボン玉吹き出しモジュールを扱う。

Arduino UNO master用ソフトウェアのモジュール構成を表1に示す

表1 Arduino UNO masterモジュール一覧
ファイル名	説明
mg5_arduino_ver200_master.ino	メインプログラム。`setup()`, `loop()` を含み、スタンバイ・巡回・風船モードなどのステートマシン（状態遷移）管理を行う中枢ファイル。
define.h	設定定義ファイル。ピン番号の割り当て、制御パラメータ、定数、構造体の定義を集約している。
io.ino	基本入出力制御。操作ボタン、内蔵LED、バッテリー電圧監視などの基本I/O操作を担当。
motor.ino	走行モータ出力。左右のDCモータへPWMと回転方向信号を出力するドライバ制御関数群。
encorder.ino	エンコーダ読み取り。左右のロータリーエンコーダのパルスをカウントする割り込み処理。
vel_ctrl.ino	速度制御 (PID)。エンコーダ値から速度を計算し、目標速度になるようPID制御を行う。
run_ctrl.ino	走行制御 (位置・軌道)。「8m進む」「180度回る」といった目標距離・角度に対する指令値を生成し、直進補正を行う。
sonar.ino	超音波センサ制御。HC-SR04を用いて障害物までの距離(cm)を計測する関数。
master_i2c.ino	I2C通信 (送信)。Slave機に対してコマンドや、状態確認リクエストを送る処理。
raspi.ino	シリアル通信。PCやRaspberry PiとのUART通信処理。デバッグメッセージの送信やコマンド受信に使用。
test.ino	デバッグ・テスト。PIDゲイン調整用のステップ応答データ取得や、単体動作テスト用の関数群。
slave.ino	外部指令受信。PC/RasPiからの直接指令で動くためのモジュール（今回は自律動作メインのため補助的な役割）。

Arduino UNO slave用ソフトウェアのモジュール構成を表2に示す

表2 Arduino UNO slaveモジュール一覧
ファイル名	説明
mg5_slave_arm_ver100.ino	メインプログラム。I2Cコマンドを受信し、ステッピングモータ・サーボ・電磁石を連携させた一連のシーケンス動作（風船処理）を実行する。モード選択ボタンの監視も行う。
actuator.ino	バルブ制御。バルブ開閉用のDCモータ（エンコーダ付き）を制御するモジュール。ピン変化割り込み(PCINT)を使用。
AngleController.h	角度制御クラス (Header)。バルブ開閉用モーターの角度PID制御を行うためのC++クラス定義。`actuator.ino` から利用される。

シャボン玉用Arduinoのソフトウェアは単一のソースファイルによりコードを記述している。シャボン玉用のArduinoではストック回収の検知とモーターの回収を行っている。

8. 使用物品一覧

BABLOONに使用する物品のリンクを示す。 BABLOON使用物品一覧

9. UIと操作フロー

以下に実際に動作する際の操作フローを示す。

起動・巡回開始は本体スイッチで操作。
ロボットに使用者が近付くとロボットが停止。
ボタンを押して風船作成モードに移行
好みの色の風船のボタンを選択
膨らませる機構を見学
完成した風船をとる
風船ストック受け皿に乗った風船ストックを返却
シャボン玉が吹き出る
巡回再開

状態遷移図を示す。(図44)

各モードのフローチャートを示す。(図45,46)

10. テスト計画とKPI評価

BABLOONの主な機能は風船を膨らませる、人が来たら止まる、区間巡回の3つであるため実用性を保証する必要がある。評価方法はそれぞれの機能が基準値以上の成功率になること。実際行うテストは以下のとおりである。

①巡回テスト
より多くの人の目に留まるようにBABLOONは巡回を行う。よってその性能テストが必要である。
テスト計画：12/6に伊豆ゲートウェイ函南にてテストする。
KPI評価：指定区間内を一定時間巡回できる。

②認識テスト
巡回を行う上で人、あるいは物との衝突を避けるため、停止する必要がある。
テスト計画：12月21日に学内で行う。
KPI評価：超音波センサーによって人、もしくは物体を認識し判別し、停止する。→100％

③風船作成テスト
BABLOONのメイン機能である風船作成機能。これが正常に作動しなければ完成とは言えないため、テストを行う。
テスト計画：12/6に伊豆ゲートウェイ函南にて行う、場所を選ばないため学内でも実施可能
KPI評価：作成の一連の流れ(15秒以内9インチ)を規定時間内で90％で行う。

11. スケジュール / マイルストーン

12/1~12/7:部品購入、メイン機構動作確認、現地調査
12/8~12/14:車体、配線構築
12/15~12/21:車体、配線構築、メイン機構との組み合わせ
12/22~12/28:評価及びその振り返り
12/29~1/4:資料作成（冬休み）
1/5~1/11:校内発表、それに向けた調整と準備
1/12~1/18:完成、現地での実証実験、KPI試験

12. 想定される課題と対策

クローラが動作しているときに、人や物にぶつかる。止まるタイミングを早めに設定する。音声で呼びかける。
風船が外せないまま放置される。一定時間が経過すると下にストックごと落とす
膨らませている際に風船が割れる。あまり膨らませすぎない。音声で1m程離れるように呼びかける。
ストックがなくなる風船がなくなったことを係員に知らせる機構。その色のボタンを光らせない。
子供が集まり過ぎて渋滞するきれいに並ぶよう呼びかける音声を用意する。
子供だけの利用の許容危険な機構に手を触れさせないように覆う
過剰なコスト安価な足回りを使う

13. 今後の展望

仕組みの詳細説明や開発秘話を、QR コードから読める形で提示するアイデア
回を追って進化していく「ワクワクボックス」
レーザー加工で写真を印刷し、お土産として持ち帰れる

MIRSデータベース