IoT
「メカトロニクス」
機械と電気が一体となって構成されるメカトロニクスの基礎について、主に機械工学から見た電子回路という視点で講義する。メカトロニクスの構成要素として、アナログ電子回路、デジタル電子回路、モータなどのアクチュエータ、コンピュータの基礎を具体例とともに理解してもらう。将来、ロボットや電子機械を実現するときに不可欠である基礎知識の獲得をめざす。
(1) アナログ回路：受動素子、能動素子、オペアンプ
(2) デジタル回路：論理関数、論理回路、順序回路
(3) アクチュエータ：DCモータ、ACモータ、油圧などのアクチュエータ
(4) コンピュータの基礎
アナログ回路
デジタル回路
アクチュエーター
コンピュータ
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創造設計演習
Creative Design Practice
配線経路サンプル
LEDや抵抗の足を曲げれば接続できる箇所は配線を使わない
VCCやGNDは後々複数の用途で使うので分岐点を確保しておくこと
半田付け
どう部品を配置しどう配線するかを時間をかけて設計する
部品は背の低いものから実装する
抵抗やLEDの足をうまく利用する
メカトロ規定課題
自由課題
要求機能：面白さ
評価軸：コンセプトの面白さ＋技術力の高さ
制約条件：センサ、マイコン、アクチュエータを使いセンサからの信号に基づいてマイコンが判断し、アクチュエーションの方向・量・速度が決まる構成であること
センサ
・光センサ
フォトダイオード
フォトトランジスタ
距離センサ
・超音波センサ：距離
・圧力センサ：圧力
・加速度センサ：加速度
・可変抵抗、ポテンショメータ：角度、位置
・USBカメラ：画像内の位置
・力センサ
アクチュエータ
・ステッピングモータ：１パルス0.9度回転するモータ
・DCモータ：sy型で効率が良い
・ギヤどもーた：高トルク、高速度が求められるときに有効
・電磁石
電子回路の作成の基本
・ブレッドボード
素早く試せる、配線が煩わしく、デバッグ性が低い
・ユニバーサル基板
程々素早く試せる、基板の移動にロバスト、実装力によっては配線が汚くデバッグ性が低くなる
・感光基板
デバッグ性が高い、基板の移動にロバスト、感光マスクを作るのに時間がかかる
第1回 マイクロコントローラの基礎、デジタル入出力とセンサ周辺回路
マイコンとは、小型の計算装置と周辺回路とのインタフェースを備えた非常に簡素なICである
マイコンを使った制御の実装形態のことを組み込み系といい、ハードウェアを直接操作するため高度な知識が必要となってくる
英語のマニュアルを読みこなし、マイコンの機能を熟知して使いこなして欲しい
Arduino unoとはatmel社のマイコンATMega328Pをベースとして電気電子技術に未熟なデザイナー、アーティストでも簡単に利用できるよう、ハードウェアやソフトウェアをパッケージ化したものである
複数の機能を同時に用いた時のコンフリクトや、ライブラリの内部仕様による制限などに注意してプログラムをかかなければならない
マイコンの機能
RAM、Flush、EEPROM
A/D Converter
Digital I/O
Oscillator
Time/PWM
USART
Interrupt
CPU/Register
LEDは制限抵抗を介さずに直接電源をつなぐと電流が流れて素子を壊すことがあある
パソコンとマイコンの間で通信を行うためにはUSARTと呼ばれる仕組みを用いる
USARTでは１フレームにおけるデータ長を設定したりデータ送受信速度などを送受信側で取り決めておく必要がある
ラジコンサーボとはパルス信号を送ることで、自動的に角度や回転速度を調整してくれるサーボモータのことである
第2回
大電流が流れると電圧は低下する
ホースをイメージするとわかりやすい
信号をパワーを区別せよ
信号は電圧値だけが伝達されればよく、パワーとは電力である。
普通は論理・演算の最終段にパワー化回路がある。アクチュエータを動かす回路はほとんどがこの構成になる。
グランドは共通になっているか？
ある回路群Aと別の回路群Bの間に信号やパワーのやりとりがある場合はグランドを共通にしなければうまくいかない
アクチュエータは電流を食う
アクチュエータは電流を食うので入力端子間の抵抗は低い
論理回路で使われる抵抗の常識（kΩ）
論理回路はやく数Vが扱われて、数mA程度を流すのであるから抵抗は数kΩオーダを選択すれば良い
トランジスタは魔法の素子ではなく、出力電圧が電源電圧を超えることはない
コンピュータ上で取り扱いができるのはデジタル信号だけなのでパソコンを利用してセンサからの信号をニュル良くしたりアクチュエータへ信号を出力したりする場合にはアナログ信号とデジタル信号との橋渡しをするアナログ入出力インターフェースが必要である（分解能やサンプリング周波数）
第3回
オシロスコープ
時間レンジ、時間１、トリガー、電圧１、電圧レンジ、など
パルスの周期 T = T_on + T_off
デューティ比：T_on/T
割り込み
繰り返し行われるloop処理中に外部入力により動作を一時中断して指定した関数を割り込むことが可能
タイマー
loop動作中に入ってい感覚で指定した関数を正確に処理するためにはMsTimer2ライブラリが有用である
ステッピングモータ
第4回
機構の組み立てと材料の加工法
自由課題でよく用いる機構
車輪、クランク、ベルト
自由課題でよく用いる機械要素
ギヤボックス、アングル、軸継手、ギヤ、キャスタ、ガイドレール、ベアリング、ばね、タイヤ
自由課題で用いる主な材料
MDF、ベニヤ板、アクリル
自由課題で用いる主な加工法
木工用ノコ、金ノコ、糸のこ盤、レーザ買った、ボール盤、きり、手回し穴あけ
自由課題で用いる主な組み立て法
タッピングビス、ボルト、ナット、木工用ボンド、アクリル溶着材
回路の基礎
回路を読めるように！！！！
ともに増幅素子として用いられるが、オペアンプは信号回路の演算で、トランジスタは負荷を動かすパワー回路で用いられる
論理回路ようLSIもオペアンプも中身は数百万個のトランジスタからできているが、電流を流せるようにはできていない
それに対し、単体のトランジスタは電流を流せるようにできている
オペアンプの２つの法則
１、入力端子には電流は流れ込まない
２、２つの入力端子は同電位である
批判点増幅、反転増幅、電圧follower 、差動増幅、加算増幅、コンパレータ回路など
グランドは低電位側の電源である
ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ
ノイズは高周波数、ドリフトは低周波数
ローパスフィルタ（ノイズカット）
ハイパスフィルタ（ドリフトカット）
トランジスタの用途
１、電流、電圧、電力の増幅
２、スイッチ作用
接地方法を選ぶポイントは増幅するもの、入出力インピーダンス
トランジスタの選び方
１、主用途
２、最大教養損失
３、コレクタ・エミッタ間定格電圧
４、トランジション周波数
第５回
DCモータの制御
永久磁石でできた磁界中にコイルを配置し、コイルに直流電流を流すことえ発生する電磁力を回転トルクとして利用するモータをDCモータという。ステッピングモータと比較して以下の特徴がある
１、小型
２、回転速度が大きい
３、減速機と組み合わせることで大きな出力トルクが得られる
４、ステッピングモータの脱腸の危険性はない
回転速度をある目標値に制御するには別途回転角度を検出するセンサとその信号をフィードバックすることが必要になる
モータの回転速度を制御するには入力電圧を変化させれば良いのでpulse width modulation PWMがよく使われる
Hブリッジ、モータドライバ
回転角度の検出にはポテンショメータとロータリエンコーダがよく使われる
リレー
入力信号で電磁石で駆動し、その力で出力電源のスイッチをON/OFFするものをリレーという