いわゆる Useless Box / Useless Machine の Arduino 実装です。 押されたら押し返す、ただそれだけの動作を 5種類の性格 で演じ分けます。
押す → 📦 フタが開く → 🦾 腕が出る → 👆 押し返す → 📦 閉じる → ↺
さらにこの箱は クローラー（無限軌道）を履いて R/C で走ります。 押しに行かないと押し返してもらえない箱、という無駄の上積みです。
本機は2つの独立したシステムで構成されています。
| 🎁 本体（Useless Box） | 🕹️ R/C クローラー | |
|---|---|---|
| マイコン | Arduino UNO 3 | Freenove ESP32 × 2 |
| 役割 | 押し返す動作・表示 | 無線操縦での走行 |
| 電源 | 単三×3（4.5V）＋ 単三×4（6.0V） | 独立（ESP32・モーターで別系統） |
| ドキュメント | このページ | rc/README.md |
Important
2つは電気的に完全に分離されています。 ブラシ付きDCモーターは強いノイズ源で、 電源やGNDを共有するとサーボの誤動作やスピーカーノイズの原因になります。 統合せず切り離すことで、本体は2電源構成のまま維持でき、制御ピンも一切消費しません。
| マイコン | Arduino UNO 3 |
| アクチュエータ | SG90（フタ）／ MG996R（腕） |
| 表示 | 7セグLED 2桁（74HC595 ×2 カスケード） |
| 電源 | 単三×3（4.5V）＋ 単三×4（6.0V）の2系統 |
| 実装 | はんだ付け＋ホットボンドのクイックリリース空中配線 |
作りながら踏んだ問題と、その解決の記録です。このプロジェクトの本体はここかもしれません。
| # | 起きた問題 | 原因 | 採った対策 |
|---|---|---|---|
| 1 | 動作の途中で Arduino がリセットする | MG996R の突入電流（最大 2.5A）で電源電圧が降下 | 電源系統を 2系統に分離＋ 470µF×2 を MG996R 根本に並列 |
| 2 | 電源を入れ直すと毎回同じ順序で動く | randomSeed() 未設定で疑似乱数列が固定 |
未接続ピン A0 の浮遊ノイズをシードに使用 |
| 3 | 同じ演出が2回続いて興ざめする | 単純な random() は連続を許す |
直前の値を保持して 一致したら再抽選 |
| 4 | 待機中にサーボが発熱し、うなり音が出る | 保持トルクが常時かかっている | アイドル時に detach() で脱力（フタは縁掛かり構造で位置を維持） |
| 5 | 7セグ2桁を直結するとピンが足りない | 2桁分で最大 14本のセグメント線が必要 | 74HC595 ×2 カスケードで Arduino 側は 3ピンに圧縮 |
| 6 | ダイナミック点灯だと表示が破綻する | 本体が delay() ブロッキング設計でリフレッシュを回せない |
スタティック点灯（桁ごとに595を専有）へ切り替え |
| パーツ | 型番 | 電源系統 | 役割 | ピン |
|---|---|---|---|---|
| マイコン | Arduino UNO 3 | 🔴 A | 制御 | — |
| サーボ（フタ） | SG90 | 🔴 A | フタの開閉 | D5 |
| サーボ（腕） | MG996R | 🟢 B | スイッチを押す腕 | D6 |
| スイッチ | — | — | トリガー入力 | D12 |
| 7セグLED | PARA LIGHT A-552SRD | 🔴 A | case番号・押下回数の表示 | — |
| シフトレジスタ | UTC U74HC595A × 2 | 🔴 A | 7セグ駆動（カスケード） | D2 D3 D4 |
| 電源A | 単三電池 × 3本（4.5V） | — | Arduino・SG90・表示部 | — |
| 電源B | 単三電池 × 4本（6.0V） | — | MG996R 専用 | — |
| コンデンサ | 470µF × 2（並列） | 🟢 B | 起動スパイク吸収 | MG996R 根本 |
既存の駆動系を最優先で固定し、後付けの表示部を空きピンへ寄せています。
| ピン | 用途 | 区分 |
|---|---|---|
D2 D3 D4 |
74HC595（DS / SH_CP / ST_CP） | 表示 |
D5 |
SG90（フタ） | 駆動 |
D6 |
MG996R（腕） | 駆動 |
D7 D8 D9 D13 |
空き | — |
D10 D11 |
DFPlayer Mini 用に予約 | 予約 |
D12 |
トリガースイッチ | 駆動 |
A0 |
randomSeed 用（未接続を維持） | 制御 |
🔋 なぜ2電源に分離したのか
MG996R は起動時に 最大 2.5A を引き込みます。単一電源だとこの瞬間に電圧が降下し、 Arduino がブラウンアウトリセットしてしまい、動作が途中で最初からやり直しになりました。
| 系統 | 電池 | 電圧 | 給電対象 |
|---|---|---|---|
| 🔴 A | 単三 × 3 | 4.5V | Arduino UNO 3・SG90・表示部 |
| 🟢 B | 単三 × 4 | 6.0V | MG996R のみ |
電源を分けることで、MG996R の突入電流が制御系の電圧に影響しなくなります。 6.0V は MG996R の定格範囲（4.8〜7.2V）に収まっており、4.8V 時より動作も速くなります。
コンデンサ（470µF × 2 並列 = 940µF）は MG996R の VCC・GND 根本に直接付け、 突入電流のピークを吸収させています。
[!WARNING] 電池A・BのGNDは必ず共通接続すること。
D6の信号は Arduino 側の GND を基準にした電圧なので、 MG996R 側の GND が繋がっていないと基準電位が定まらず誤動作します。
🔧 実装メモ（クイックリリース構成）
- 配線はすべてはんだ付け＋ホットボンド固定。基板は使っていません
- 構成変更（2電源化・7セグ追加など）が頻繁に入る試作段階では、 基板を引き直すより空中配線＋コネクタのほうが手戻りが少ないという判断です
- ブレッドボードを使わないのは、サーボの振動で接触不良を起こしやすいため
A0ピンは何も接続しないこと（浮遊ノイズをランダムシードに使うため）
動作中は実行中の case 番号、待機中は通算の 押下回数（00〜99）を表示します。
Important
両ICの固定配線を忘れないこと。 コードに現れないため見落としがちです。
OE(13) → GND ／ SRCLR(10) → 5V ／ VCC(16) → 5V ／ GND(8) → GND
さらに IC1 の QH'(9) → IC2 の DS(14) がカスケード線になります。
💡 スタティック点灯を選んだ理由
本スケッチは delay() によるブロッキング設計です。
ダイナミック点灯（1個の595で両桁を高速に切り替える方式）は動作中もリフレッシュを
回し続ける必要があるため、delay(650) などで停止している間に表示が破綻します。
そこで 595 を1個ずつ各桁に専有させるスタティック点灯を採用しました。 ラッチした表示は次に書き換えるまで保持されるので、ブロッキング中も表示が消えません。
非同期化して millis() ベースに書き直せばダイナミック点灯も可能ですが、
本用途では並行処理が不要なため、複雑さに見合いません。
🔀 ビット順とカスケードの送出順
74HC595 は「最初に送ったビットが QH まで押し出される」構造です。
したがって MSBFIRST では bit0 が最後に出て QA に残り、次のように対応します。
bit0=a, bit1=b, bit2=c, bit3=d, bit4=e, bit5=f, bit6=g, bit7=dp
const byte digits[10] = {
0b00111111, // 0
0b00000110, // 1
// …
};カスケードでも同じ理屈が働きます。
void writeDigits(byte segLeft, byte segRight) {
digitalWrite(latchPin, LOW);
shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, ~segLeft); // 先に送る → 奥のIC2（十の位）
shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, ~segRight); // 後に送る → 手前のIC1（一の位）
digitalWrite(latchPin, HIGH);
}先に送ったバイトが奥のICへ押し出され、後に送ったバイトが手前のICに留まります。 直感と逆なので注意。左右が入れ替わって表示された場合はこの2行を交換してください。
~ によるビット反転は A-552SRD が アノードコモンだからです。
コモン側が＋なので、595 の出力が LOW のときに点灯します。
⚡ 電流設計
74HC595 は 1ピン ±35mA・チップ合計 ±70mA が上限です。 桁ごとに595を分けているため、1チップが受け持つのは最大7セグメントに収まります。
| 抵抗 | 1セグメント電流 | 8 表示時の1チップ合計 |
判定 |
|---|---|---|---|
| 470Ω | 約 5mA | 約 35mA | ✅ 余裕あり |
| 330Ω | 約 7mA | 約 50mA | ✅ 明るくしたい場合 |
| 220Ω | 約 11mA | 約 77mA | ❌ 合計上限を超える |
| Case | 性格 | 演出 |
|---|---|---|
| 1️⃣ | ノーマル | 迷わずスパッと処理する仕事人 |
| 2️⃣ | ためらいがち | 半開き → 引き戻し → 諦めて全開 |
| 3️⃣ | 即ブチ切れ | 全力最速で反応 |
| 4️⃣ | フェイント2連 | 2回チラ見せしてから本番 |
| 5️⃣ | 連続ノック | 腕を2回叩きつける激おこ |
電源投入ごとに randomSeed(analogRead(A0)) でシードが変わるため毎回異なる順序になり、
さらに直前と同じ case を引いた場合は再抽選して同一演出の連続を避けています。
const int lidClosed = 90; // フタが閉まる角度
const int lidOpen = 3; // フタが開く角度
const int armRetracted = 3; // 腕が格納された角度
const int armExtended = 110; // 腕が伸びた角度
const int LID_MOVE_MS = 200; // SG90 : 90° 動ききる余裕時間
const int ARM_MOVE_MS = 420; // MG996R : 110° 動ききる余裕時間待機時間はカタログ値から逆算して決めています。ここを削ると、 サーボが動ききる前に次の指示が飛んで動作が破綻します。
| サーボ | カタログ速度 | 実必要時間 | 設定値 |
|---|---|---|---|
| SG90（フタ 90°） | 0.1s/60° | ≈150ms | 200ms |
| MG996R（腕 110°） | 0.17s/60° @4.8V | ≈311ms | 420ms |
Tip
6V 給電では MG996R は約 0.13s/60° に速くなるため、ARM_MOVE_MS は
実機確認のうえ 300ms 前後まで詰められる可能性があります。
🎬 sweep() — 演技のコア
void sweep(Servo &s, int from, int to, int stepDelay) {
int step = (from < to) ? 1 : -1;
for (int pos = from; pos != to + step; pos += step) {
s.write(pos);
delay(stepDelay);
}
}SG90 を 1° ずつ動かすことで「ためらい」「フェイント」を表現します。
stepDelay が演技の速度そのものになります。
| stepDelay | 90°あたり | 印象 |
|---|---|---|
| 6 ms/度 | 約 540ms | 素早いフェイント |
| 10 ms/度 | 約 900ms | 標準 |
| 15 ms/度 | 約 1350ms | ためらい・逡巡 |
MG996R はトルクが強く途中停止が不安定なため、write() 直接制御のみを使用しています。
😴 アイドル時のサーボ切り離し
#define IDLE_DETACH 1待機中はサーボを detach() して脱力させ、無駄な発熱と電力消費を抑えています。
これが成立するのは、フタが縁に引っかかる構造で脱力しても位置がずれないためです。
また Servo ライブラリは attach() 時に前回の write() 値でパルスを再開するので、
復帰時に勝手に動く（ジャンプする）こともありません。
自重でずれる構造に変更した場合は 0 にして常時保持へ切り替えてください。
🔘 スイッチデバウンス
物理スイッチは押した瞬間に接点がバウンドし、数ミリ秒間 ON/OFF を高速に繰り返します
（チャタリング）。loop() は毎秒数万回まわるので、対策しないと1回の押下が
複数回の起動として検出されます。
理想: ____/￣￣￣￣￣￣
現実: ____/\/\/\/￣￣￣￣
↑ ここを無視したい
本機では二段構えで抑止しています。
- 検出時に 20ms 待って再確認（振動などによる誤検出を除去）
- 動作シーケンス末尾に
delay(100)（押し戻し時のバウンドを吸収）
箱を走らせる走行機構は、本体とは独立したプロジェクトとして rc/ にあります。
[送信機] ESP32 + ジョイスティック
│
│ ESP-NOW（ルーター不要・低遅延）
▼
[車体] ESP32 + TA7291P ×2 + クローラー
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| マイコン | Freenove ESP32 開発ボード × 2 |
| 通信 | ESP-NOW — ルーターを介さず直接通信 |
| 操作部 | ジョイスティックを配線した自作コントローラ |
| モータードライバ | TOSHIBA TA7291P × 2 |
| 状態 | 設計中（実装未着手） |
構成・配線・実装時の注意点（16項目）は rc/README.md にまとめてあります。
-
🔊 サウンド再生 — DFPlayer Mini
- DFPlayer Mini（互換品）＋ 8Ω 2〜3W スピーカーを追加
- バリエーション別のボイスを再生（SDカードの
0001.mp3〜0005.mp3を case 番号で呼び出す） - 接続予定:
D10(TX→) /D11(→RX ※1kΩ直列) / 電源A - パスコン追加: DFPlayer VCC-GND 直近に 100µF電解 + 0.1µFセラミック、SG90 根本に 100µF電解
- ノイズ評価 → パスコン有無の比較（研究レポート題材）
-
🦾 腕の自作パーツ — FreeCAD でパラメトリック設計中
-
プリント基板化の検討 — 構成が固まってから。現状はクイックリリース空中配線のまま
useless-box/
├── useless_box.ino # メインスケッチ
├── test/
│ └── count.ino # 7セグ単体テスト（00〜99 カウントアップ）
├── rc/ # R/C クローラー（独立系統・ESP32）
│ ├── README.md
│ └── crawler_rc.ino # 送信機・受信機 兼用（未実装）
├── docs/
│ ├── circuit.svg # 回路図（全体）
│ ├── display.svg # 7セグ表示部の詳細結線
│ └── variations.svg # バリエーション タイムライン
└── README.md
Note
test/count.ino は表示部の単体検証用で、ピン割り当てが本体と異なります
（D8=ST_CP / D12=SH_CP / D11=DS）。本体へ移行する際は信号線3本を
D2/D3/D4 へ挿し替えてください。595側の固定配線は変更不要です。
| MG996R の動作電圧 | 4.8〜7.2V（電源Bの 6.0V は範囲内） |
| MG996R の突入電流 | 最大 2.5A — 電源系統の分離が必須 |
| 74HC595 の出力上限 | チップ合計 ±70mA — セグメント抵抗を 330Ω より小さくしないこと |
| GND 共通 | 電池A・B の GND は必ず繋ぐこと |
A0 ピン |
何も接続しない（ランダムシード用） |