600gのカメラが載る 3軸 DIY Gimbal の研究

数年前から、3D プリンターを買ったら作ってみたかったモノで、3軸の Gimbal があります。モーターはブラシレスを使っているので、BG(ブラシレスジンバル)という短縮ワードも良く目にします。 1428109567432

乗せたいカメラの候補は、すでに決定しててまだゲットしていませんが、Lumix DMC-FZ200 という型落ちのカメラです。このカメラ、レンズが良くて、さらに映像も 1280×720 の実用になるサイズで 120fps が可能です。こうして撮ると、以下のような映像が作れます。

 

対角V-Slot とも繋がるのですが、このカメラを円状に回して 120fps で物体を周辺から回して撮るとかっこいいんじゃないかと考えています。レビューするときに、モノをそうやって撮ると新鮮だと思うのでぜひ実現してみたいなと。そのときに3軸のジンバルもあるとなお良いと思うわけです。円状に回すときのフレームはまだ考えていませんが、自転車のリムとか使えないかなぁと。

 

ジンバルは、この1~2年で日本でもメジャーになってきています。たとえば、サンコーレアモノショップで扱っている以下の商品などです。

 3xstbl2r-joystick-top こういうタイプのものや、

3axsta8h-p03 こういう感じのものです。軽いアクションカメラはスマホは乗ります。

3万か、2.5万くらいでそれぞれ購入できますが、もう少し重いカメラを載せようと思うと、一気に高くなります。

dmth002-top約10万。うーん、買えないです。

 

まぁ、しかし、このサイズもアリエクでなら、5万未満で買えます。

H2-Handheld-3-Axis-Stabilizer-Brushless-Gimbal-for-A7S-GH4-Micro-DSLR-Camera-BMPCC まぁ、でもまだ買えません。(まぁ、買うつもりは毛頭ないのですが)モノは、モーターが3つとバッテリーと制御ボードと筐体で構成されているだけですから、もっと部品代は安いはず。

カメラ本体は、先に紹介した Lumix の FZ200 の中古(約2.5万)をいつか買いたいと思っています。それを買える日に備えて、ジンバルを自作するには、どのように作るのかを抑えていこうと思います。

 

乗せるカメラの重さは、約600gですが、このクラスになると、3万未満の3軸ジンバルでは無理で、ブラシレスモーターを大きめのトルクのあるものにしないと制御できません。

 

モーターは、Gimbal Brushless Motor と検索すればたくさん出てきます。3万未満クラスのジンバルに使われているのは、30mm 未満の直径のモーターで GoPro や SJ4000 などの200g未満の重さを制御できるようです。たとえば、以下のようなモーターです。

HTB1zh1fNFXXXXXHXFXXq6xXFXXXN

結構小さいですね。価格はだいたいこのクラスで、1こ1000円前後くらいです。1つ上のクラスのモーターだと、以下のようなのがあります。

Official-DYS-Brushless-Gimbal-Motor-BGM4108-130-for-Camera-Mount-FPV-PTZ

 

これが直径46mm ほどの大きさです。価格は、3500円前後というところですかね。3個で1万くらいします。ジンバルのブラシレスモーターは、シャフトの中にケーブルを通せるようになっているのが特徴で、組み付けたときにすっきりした概観を作れます。外の電極数は12スロットのタイプが多く、中心にあるプーリーの磁極は14極です。この数値は、12n14p というように表記されます。

この数が大きなものだと、たとえば、24N28P というのもあり、スロットと磁極の数が増えればトルクが増しコギングが少なくなるので、滑らかに回るはずです。

xmotor

 

どのくらいのモーターで600gのカメラが制御できるのかが、今まで良くわかりませんでした。こういう時は、あたりをつける為世界中のDIY 好きが作っている映像を見るのが手っ取り早いです。いろいろ見ていくうちに、ロシアの方が作ったジンバルのモーターは、Lumix FZ200 クラスの600g もいけそうなんじゃないかとアタリがつきました。

 

9:26あたりに、大きめのカメラが載って動いています。カメラの機種は特定できませんでしたが、Lumix FZ200 も動くんじゃないかと思います。ここで使われているモーターは、調べてみると以下です。

HTB1ngl2IFXXXXXgXFXXq6xXFXXXF

Emax GB4008 66KV 3S LIPO Gimbal Brushless Motor

¥ 1,922 x 3

 

Emax っていうメーカーはラジコン用のサーボやブラシレスモーターなどを作っているメーカーで前回、CNC のスピンドル作りのためにモーターを選定していたときに見たことがあります。

値段も手ごろだったので、これを3つポチっておきました。このモーターもシャフトの中にケーブルを通せるようです。24N22P ということで、24スロットの電極に、22極のプーリーでトルクもありそうです。値段とのバランスが取れている良さそうなモーターじゃなかろうかと思います。

 

あとは、ジンバル用の制御基板とソフトウェアです。Alexmos というものと、Storm32 というのが見つかりました。どちらも32bit があります。値段は、Storm32 が安く、オープンソースで回路図などもあります。Alexmos というのはなぜ高いのかは良くわかっていません。価格差が4,5倍あります。まずは、安いのから攻めて見ます。StorM32のは、Wiki に詳細があります。

Alexmos のSimpleBGC のソフトウェアマニュアルは和訳したものが以下にありましたので参考にさせていただきました。

桃日記

SimpleBGC 32bit Manual MEMO

本家のは以下です。

Basecam
Downloads for 32-bit boards

SimpleBGC_32bit_manual_2_6x_eng.pdf

参考にしているサイトの作者は、Storm32 を使っているし、こちらのボードが安いのでまずはこれを使ってみることにします。5cm四方のボードと、小さなMicro タイプのものとが見つかりました。ボードを見る限り、Micro のほうはボタン2つがないので、ファームウェアの書き込みは仮配線が必要のようです。組み込み用途という感じです。a

大きなサイズは、2000円ほど。小さなのは2500円ほどです。正確なサイズはボードが到着してから検討するとして、概略を抑えていくことにしましょう。

HTB1DY0YNVXXXXXXaXXXq6xXFXXXa

チップはどちらも、STM32F103RC が使われています。モータードライバーのチップは、Micro のほうは6個になっていますので違う型番ということのようですね。ジャイロは、どちらもオンボードと外付けと2つ、MPU6050 があります。

StorM32 の Wiki にボード紹介のところに詳細はあります。ポチッた後に気が付いたのですが、このボードはどうやら赤字で書いてあるように、2S より高い電圧だと熱くなって誤作動するよと。モータドライバは、TC4452 でロジック電圧の3.3V を作っている部分かタンタルコンデンサが載っていないのが悪いのか、PCBの面積が少ないのが問題なのかは不明ですが、問題を抱えているボードのようです。

大きなボードのほうは、TIのDRV8313が使われているようです。28pin の28HTSSOPは、おおよそ160円ほどです。この差が出ているのではと思われます。

こういう駄目な設計のボードは参考になるので、回路図もあることですし、自作PCB を設計するときの参考にします。このボードを構成する部品の内、CPU と ジャイロはそれぞれ250円なので、作ってもPCB を入れて1000円未満くらいだと思います。

HTB1CuepNVXXXXblXXXXq6xXFXXXa

このミニサイズのものは、他にも以下のようなものがあります。

http://www.olliw.eu/storm32bgc-wiki/STorM32_Boards

Sku_113113_1

このモータードライバは、STのL6230Qのようで、32pin の QFN パッケージです。

 

800px-Aliexpress-min-storm32

アリエクでは同じものは見つかりませんでしたが、以下のものはありました。

BGC-Micro-MINI-Brushless-Gimbal-Controller-board-Driver-Sensor-Russian-Firmware BGC-Micro-MINI-Brushless-Gimbal-Controller-board-Driver-Sensor-Russian-Firmware-1

これは2軸のようなので、パス。

 

そして、Alexmos のボードは以下のような感じです。一番最安値でも9000円、平均12000円というところでしょうか。主要なチップの構成は似た感じです。

Official-Alexmos-32Bit-Gimbal-Controller-BaseCam-SimpleBGC-32-bit-3-axis-stabilization-BGC3-0-SBGC-V3-1

外見からの差は、センサーがI2C で繋がるようです。ボードのサイズは50mm四方です。

Official-Alexmos-32Bit-Gimbal-Controller-BaseCam-SimpleBGC-32-bit-3-axis-stabilization-BGC3-0-SBGC-V3

部品代概略は、Storm32 のボードで作るとして約1万くらいです。バッテリーを入れると少し超える感じですかね。うまく筐体を作れれば、面白くなりそうな DIY ですので継続的にすこしづつやっていこうと思います。ボードも Storm32 の大きなものと小さなものを2つポチっておきました。

 

コントロールボードも、構成部品はほぼ同じなので、StorM32 と Alexmos との違いは制御ソフトウェアなのかなと理解しました。

 

3Dプリンターでジンバルの筐体作りも少しづつ初めていこうかなと。

edelkrone(エーデルクローン)の機器に感動した

パンして撮影する時に使う機器で忘れないようにメモ。

 

インパクトがある映像を撮りたくて、そういう機器をCNC と 3D プリンターで作ろうと思ってリサーチしていたのですが、edeldrone というメーカーの以下の機器にちょっと感動しました。

edelkrone_-_edelkrone

https://www.edelkrone.com/

 

オフィシャルにある映像を見てもらったほうがわかりやすいんですが、以下メモ。

映像にあるプロダクトはどれも工夫されていて、好きなんですが特に以下の車輪に乗せてあるアダプターはもっと工夫の余地があるのでメモしておきます。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube

これをは、昇降式の器具に載っています。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 5

手押し式なんですが、結構インパクトがある映像が取れますね。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 2

円弧を描くようにタイヤを向けておけば回る感じです。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 4

映像だとこういう感じに撮るといいなと。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 3

ピザもダイナミックに撮れています。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 6

まぁ、映像見るとイメージがもっとわかると思いますが、

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 7

こういうショットの取り方次第で映像はこうも変わるんだなぁと。

HOME_PAGE_VIDEO_08_-_YouTube 8

このタイヤに乗せるタイプは振動とかもあるので、以下のようなのものもいいですね。

https___www_edelkrone_com_img_inside_productpage_wing_plineloop_mp4

たぶん、ギヤが組み込んであって水平に動く仕組みなんだと思います。

https___www_edelkrone_com_img_inside_productpage_wing_plineloop_mp4 2

こういう、移動する撮影手法はドリー撮影って言うんですね。

ER11 Colletsのホルダーを作ったよ

先日、アリエクにて ER11 のコレット13個詰めを買いました。

かわいい黄色のケースに入っていたのですが、このケースをこのまま使おうとケースの中のホルダーを作りました。

ER11collet_adp_

プリントしてみました。

IMGP1186

こんな感じで、ケースの中で収まりがよくなっています。

IMGP1185

プラスティック製なので、さびる心配もありませんね。

IMGP1188

さらにこのケースを13個、格納する台のようなものを作っています。

ER11collet_box_

どんな感じか、一部をプリントして確認中です。段差にする必要があるのかどうか、手で触ってから決めるつもりです。

Cura_-_15_04_6

一番面倒だったのは、プリント対象じゃない小さいケースのモデリングでした。

 

で、テストプリント。IMGP1190

少しキツめですが、いい感じにはまっています。

IMGP1191

一時置き場の穴は、ちょっと修正しないといけないことがわかりました。中を中空にして、スプリット付きの穴にしようと思います。あと、背景に見えているパンチボードは、セリアの100円ショップのものです。CNC 作ったと時の下に敷こうと考えています。下まで突き抜ける囲うをしても、部分張替えで対応できそうですし。

 

で、せっせと、夜中寝ている間に成功したようです。反りもなく、良い感じにくっついています。起きると失敗していることもあるので、今日は調子がいいようです。ABSだとこうは行きません。PLAはプリントしやすいですね。

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プリント領域の最大まであと少しの幅です。こんな大物は初めてプリントしました。

Cura_-_15_04_6 2

横幅、184mm で、最大幅の200mm まであと 1.6mm です。

ER11collet_box_ 2残りのパーツもプリント。 IMGP1199

前面の焦げている部分は、はがれそうだったのでバーナーであぶって無理やり付けたところ。油つぼから、油が出すぎたようです。

IMGP1200

Enable retraction は、今回のように、隙間があるプリントの時、すこしフィラメントを戻して糸引きを防止する設定ですが、どういう値が適切なのかが今一良くわかりません。プリント速度か、空間移動速度とFlow とかとも関連しそうです。プリントされたものを見ると、糸引きはほとんど無いようです。この設定は結構、はまりどころでプリント速度が速いと、すかすかになるか、最悪プリントが失敗します。

今回の設定はこんな感じです。クリックで大きくなります。

Cura_-_15_04_6_と_Expert_config_と_Expert_config_と_Expert_config_と_Expert_config速度はかなり遅めです。第一層目の Bottom layer speed は 5 としました。10 だと剥がれて失敗しちゃったので。

Cura_-_15_04_6 3

スプリット付きの一時置き場に跡付けのパーツです。

IMGP1203

で、組み付け。どうでしょうか?

IMGP1206

なかなか、良い感じだと思います。蓋を閉じるとこんな感じ。これでバラバラにならず、紛失も防げます。サイズ穴の表記は、へこませてあるのでクレヨンで目立たせていいかもです。

IMGP1208

一時置き場を使うかどうかは、わかりませんがこんな感じで次に使うまで、ちょい置きできます。

IMGP1207

少し押すと、ぎゅっと締まって固定されて、外す時はちょっとネジると取れます。絶妙なしまり具合です。

プリントデータは、以下にあります。

ER11_collet_holder_by_junkhack_-_Thingiverse

いつものように、公開しておきました。

 

CNC 筐体作りの前に、気になっていたことを先にやっつけた感じで、まだ本体作りはこれからです。来週は、それをやっつけますかね。

ちなみに、この小さなケースもモデリングしたのでプリントアウトできるか試してみたいです。ABS でプリントすればケース自体も自作できるかもです。薄いので壊れるかもですが、時間が出来たときにやってみます。

ブラケット一体式のベルトテンショナー

ブラケット本体にベルトテンショナーを合体したデザインにしてみました。

stepmoter_

赤い部分が先日思い描いていたものです。すこし、本体にめり込ませる構造に。

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こうすることで、1つ付ける場合も、2つ付ける場合にも対応できるようにして、たぶんY 軸は6輪くらいにしてかなり大きなブラケットがその上から覆う感じになると思うのでどうかなと。

stepmoter_ 3

これだと、ベルトの両側から締め付けられるので構想では良さそうです。

 

あとは、X軸をどのようにつけるかですが、このブラケット自体を覆う案がただいま、有力候補。

CNC とかのトルクがかかる軸にも対応できて、3Dプリンターやレーザーカッター。プロッターのようなトルクが必要ないものにも対応できる感じにしようかと。

X軸の結合とモータ位置に悩む

Y軸と X 軸とをどうやって結合して、モーターの位置をどうするかでかなり悩んでいます。

xyz検討_ corexy の機構を取り入れて、Y軸から設計をやり直すか、それともこのバージョンはそのまま突き進むかです。

一応、モーターは中央に乗せて左右のベルト位置は固定という感じかなと、とりあえず1つ作りました。没になるかもですが。

0_ブラケット+ベルトテンション 2

ブラケットをM3 のボルトで張り合わせる感じ。

0_ブラケット+ベルトテンション

CNCフライスに使う用途では、Y軸に載るX軸を支えるブラケットはもっと大きなものにしないと強度がでなさそうです。あと、X軸がZ軸の高さに耐えられなさそうかなと。

 

2020 のアルミフレームが1本だと無理がありそうですね。

うーん、もう少し考えます。

X軸はモーターを中央に配置する構成で

現在、X軸のモーターは中央に配置する方向です。

まだ仮に配置しただけで作りこんではいませんが、おおよそこんな感じになりそう。X軸のブラケットは2枚でサンドイッチする構造です。

xyz検討

Z軸も載るので、ここはタイヤは4つ、使う予定。

corexy 構造の方が、ベルト駆動だといいかもしれません。Z軸から先に考えようかな。

この感じだと、0.1mm くらいの精度が限界かもしれませんね。とりあえず、精度は横に置いておいて、CNC ルータっぽいものが作れれば第一段階は良しとしましょう。コンセプトは、2020汎用フレームと 3D プリンターでなるべく安く作れる DIY CNC ルーターですからね。