IoTで遠隔操作する自作ロボットアーム：Arduino MKR1000とSimulink、ThingSpeak活用

プロジェクト概要

既存のオープンソース設計に頼らず、完全にゼロからロボットアームを設計・製作・プログラミングするプロジェクトです。ハードウェア設計とプログラミングの両面をカバーしますが、特にサーボ角度制御だけでなく、IoTを通じた遠隔精密制御に焦点を当てています。完成品の動作動画はこちらで確認できます。

Arduino MKR1000をSimulinkでプログラミングし、ThingSpeak（MATLAB解析機能付きオープンIoTプラットフォーム）を介して、事実上どこからでもロボットアームを操作できるようにしました。

必要なハードウェア

• 15" × 20" 1/8インチ合板
• Arduino MKR1000
• GS9025MGサーボ ×5
• 2.1mmブレッドボード対応DCバレルジャック
• 6V DCバレルジャック電源
• ジャンパーワイヤー
• 2N2222Aトランジスタ ×3
• M2ナット ×10、M2×10ネジ ×10
• M3ナット ×40、M3×25ネジ ×40

使用ソフトウェア

• MATLAB
• Simulink
• MATLAB Support Package for Arduino Hardware
• Simulink Support Package for Arduino Hardware
• MATLAB Support Package for ThingSpeak

設計

コストを抑えるため、ホビーサーボ（GS-9025MG）向けに設計しました。マイクロサーボのトルクが限られるため、最終的な重量とサイズに制約があります。最初1/4インチ合板で試作しましたが重すぎたため、アーム長を短くし1/8インチ合板に変更して解決しました。設計はFusion 360で行い、DXFファイルとして出力してレーザーカットしました。

電源は壁面コンセントからの継続的なDC供給が必要です。バッテリーパックでは電流消費が大きく、すぐに消耗してしまうためです。

モーター制御では、Arduino MKR1000のPWMピンは4つしかありませんが、5つのサーボを制御する必要がありました。そこで1つのPWMピンで2つのサーボを制御し、デジタルピンで切り替えて片方ずつ動作させる工夫をしました。回路図と配線図を参照してください。

プログラミング

プログラミングは2段階で行いました：

1. プロトタイピング段階：組み立て後、スライダーと定数ブロックでサーボを特定角度に動かし、指令角度と実角度のバイアス、各サーボの可動範囲を把握しました。2D平面運動の逆運動学を用いて、XY座標から必要なサーボ角度を算出します。運動学の解説はこちらが参考になります。
2. 精密制御段階：ThingSpeakチャネルからX、Y座標を読み取り、MATLAB Functionブロックでサーボ角度に変換して指令します。順運動学で現在位置を監視するブロックも追加しました。SimulinkのExternal Modeを使用すると、Arduino上で実行中のシステムをリアルタイム監視できます。灰色の雲アイコンのブロックがThingSpeak読み取りブロックで、チャネルID、データフィールド番号、API読み取りキーを指定してデータを取得します。

ThingSpeakチャネルの作成と使用

1. ThingSpeakにアクセス
2. 右上の「Sign in」からMathWorksアカウントでログイン
3. ダッシュボードで「New Channel」をクリック
4. 必要なフィールドを設定（X、Y座標など）
5. 「Save Channel」で保存
6. MATLABコマンドウィンドウまたはMATLAB Mobileアプリからデータ書き込み：thingSpeakWrite(chID, [x y ...], 'WriteKey', APIKEY, 'Fields', [1 2 ...])

モデルの実行

Simulinkで「Model Configuration Parameters」→「Hardware Implementation」→「Hardware Board」をArduino MKR1000に設定。「Target Hardware Resources」→「WiFi Properties」でWi-Fi認証情報を入力。緑の実行ボタンでExternal Mode、青のデプロイボタンでハードウェアへ書き込み。実行後、MATLABまたはMATLAB MobileからThingSpeakに新しいデータを書き込むと、ロボットアームが動きます。

コードリポジトリ

MATLAB Central File Exchangeで公開されています。