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相模鉄道のVVVFインバーター音比較(超入門編)

こんにちは。ロボット技術研究会に所属しながら、ロボット知識が一向に増えないhakoです。ブログを書く日を1月4日にしたつもりだったのですが、そもそも12月25日までの企画だったようで、遅れてですが今書かせていただきます。

さて、早速ですが私もプログラミングの記事などを書きたい所なのですが、あいにくそのような高スペックな知識は持ち合わせていないので、相模鉄道を走る電車のVVVFインバーターの比較をしたいと思います。何の役にも立たないのでここから先は読まないことを強くお勧めいたします。

目標

相鉄線のインバーター音を聞いただけで形式がわかるようになりましょう。

新7000系

まずは新7000系です。現在運行している相鉄電車の中で、VVVFインバーターを採用している最古の電車となります。起動加速度は、2.5 km/h/s 。採用VVVFインバーターは、日立製GTO‐VVVFインバータを採用。モーターの歯車比は1:4.90となっています。VVVFインバーターの音色は、特に2,3回目の変音が独特で、日本中から鉄道ファンが聞きにいらっしゃいます。インバーターとはあまり関係がないですが、この車輌は日立式電磁直通ブレーキも採用していて、独特なブレーキ動作音を聞くことができます。

8000系

相鉄のVVVFといえば8000系でしょう。新7000系と同じく日立製GTO‐VVVFインバーターを採用しています。ただし、更新工事後は後に紹介する9000系と同じような音色を奏でる日立製IGBT‐VVVFインバーターに変更されています。新7000系よりもモーター車の割合が大きくなり(モーター車と付随車の比は6:4)、またブレーキ設備を改善したことによって、また安心感のある走りとインバーター音です。インバーター音は詳しく分けると二種類ありますが、慣れるまでは同じような音にも聞こえますので、入門編である今回は割愛させていただきます。起動加速度3.0km/h/s、歯車比は49:10です。

↑更新前日立製GTO

↑更新前日立製IGBT

9000系

当初は東洋IGBT‐VVVFインバーターを採用していました。とても独特でしたが、京急600系と少し似ている音色にも聞こえました。現在は全編成が日立IGBT‐VVVFインバーターへ更新されています。8000系の更新工事後VVVFと同じような音色ですが、モーターの独特な歯車の音で簡単に見分けはつきます。停車時には日立のIGBT‐VVVFインバーターによく見られる「プーン⤵︎⤵︎⤵︎」という音がしますが、これも他車ではなかなか聞けなく、独特の音色です。起動加速度は3.0km/h/s(本気を出せば関東最強とも言われます)、モーターの歯車比は49:9のようです。

10000系

「E231系のパクリでしょ?」→違います。ほぼそのままです。つまり、VVVFインバーターも山手線E231-500と同じで、三菱製のIGBT‐VVVFインバーターが採用されています。ヒュードロドロ・・・のような、「お化けインバータ」とも言われるインバーターです。ただ、モーター車と付随車の比は1:1で、少し音色も変わるようです。(私にはさっぱりわかりません。) 流石、JR様の車両なだけあって、駆動音はとても静かです。起動加速度は3.0km/h/s、歯車比は7.07です。

11000系

「E233系のパクリでしょ?」→違います。ほぼそのままです。インバーター装置は三菱製IGBT‐VVVFインバーター、起動加速度は3.0km/h/s、歯車比は6.06と、走行機器系はE233系0番台と同様です。

 

ここまで読んで下さり、ありがとうございました。相鉄のVVVFインバーターはこのようにとても個性豊かです。もう少し聞き慣れれば、日本を走る車両のインバーター製造メーカーを、聞いただけでわかるようになれるかもしれません!VVVFインバーター沼へようこそ!

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電子工作でたのしいクリスマス

この記事は慶應義塾大学ロボット技術研究会Advent Calendar25日目です

時空管理局人事部所属の八神はやてです。今日はクリスマスですね。え?そろそろ2018年終わるって?ミッドチルダ時間では25日です。

クリスマスとは

キリスト教においてキリストの生誕を祝う日とされていますがこんな冬の日にベツレヘムなんて高地の馬小屋で生まれたら凍死するって宗教学の先生が言ってました。

クリスマス・イブとは

クリスマス・イブという祝日は『魔法少女リリカルなのはA’s』作中において最終決戦が12月24日に行われたこと、及び同作9話のサブタイトル『クリスマス・イブ』に由来しています。つまるところ自宅で魔法少女リリカルなのはA’sを見る日です。13話も見る時間ないよ~~~~という人もいるかもしれませんがもちろん劇場版の『魔法少女リリカルなのは The movie 2nd A’s』でも問題ありません。今年は昨年公開された『魔法少女リリカルなのはReflection』のディスクも発売されており、法王庁によって24日の午後9時から25日の3時にかけて『魔法少女リリカルなのは The movie 1st』から劇場版3作を一気に視聴することが奨励されています。

実態

しかしながら残念なことにこの時間帯は「性の6時間」などと俗世間では呼ばれていて凡俗の人々はなのはなど見ていません。嘆かわしいですね。いったい何をしてるのやら。それはそうと↓はかわいい動物の写真です。

(https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Korean_wolves_mating_2.jpg より引用)

(https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Borboleta_px_cp_Sta_crz_040206_D.JPGより引用)

近藤さん

彼らが何をしているのか調べてみたところ「近藤さん」「ゴム」などと呼ばれる謎のゴムでできた薄膜を使って遊んでいるようです。そしてこれに穴が開いていると彼らは非常に困ることがわかりました。ならば穴を開けて正義の鉄槌を下してやるとしましょう。

しかしながらぷすぷす手で1つ1つ穴を開けていると時間がかかってしまい大変です。そこで電子工作の時間です。この作業を自動化していきましょう!

先行研究

ニュートンが巨人の肩で例えたように先行研究を入念に調査するのは大事なことです。ちょっと調べてみたところ一件の先行研究が見つかりました。

【まだ間に合う!】勝ち組になるための最終兵器を作ってみた

かわいいくまちゃんですね。ぶっちゃけ絵面の面白さでは勝てる気がしません。ただしっかり針を刺せるかどうにも怪しく正直不便そうですね。僕は絵面を捨てて実用性をとっていくことにします。あとなんとなくマイコン抜きで電子工作したい気分だったのでそうしました。

回路

それでは早速回路図を見ていきましょう。

リレーはC接点になっており、普段はVddと電解コンデンサが繋がっておりコンデンサが充電されます。しかしこの装置にゴムを差し込むとフォトインタラプタの赤外線LEDとフォトトランジスタの間が遮断され、FETがターンオフしてリレーのスイッチが切り替わり、コンデンサがソレノイドと閉回路を形成します。これによってソレノイドに直結した針が作動しゴムに穴を開け、コンデンサが放電を終えると共に針も自然に抜けてくれます。そしてゴムを装置から抜けば再びコンデンサの充電が始まるというわけです。左の方のショットキーバリアダイオードとオペアンプはコンデンサの充電完了を知らせるためのコンパレータ回路です。コンデンサの電圧が満充電の約0.6V下に達するとLEDが点灯します。

↓が機械的な組み立てはまだですが実際に作った回路です。ソレノイドはタカハ機構さんの新型CBS0730です。なんと11月まで一つ500円で買えました。学割使えば3つで1000円です。

結果

実際に動いてるとこを見せたかったんですが・・・残念ながらうまく動いてません。色々弄ってみた感じリレーが逝ってるっぽいです。

いや「単純な回路やしどうせ動くやろwwwwww」とか言って半田付けだけして25日まで放置してたら見事にごらんのありさまです。許して。代わりにクリスマスプレゼントとして昨日書いたミスターホワイトとスズダルキャットを貼ります。なんのことかわからない人は少女☆歌劇レヴュースタァライトを見てください。ちょうど今youtubeで全話無料なんで(1月6日までなので急いでください)

P.S.これ完成した場合ソレコンに出したらウケますかね

MATLABで遊んでみた!!

 

MATLABで遊んでみた!!

 

先日はサークルの飲み会で、悪酔いを披露してしまった3年生です。今日は、2日酔いで頭が痛いです。(でも、まだまだ皆と飲みにいきたいです🍶)

そんなことはさておき、現在、マイクロマウス班に所属しており、マイクロマウスの製作を頑張っています。機体はできたので、今は回路を頑張ってます。(本当に回路分からんから、前代表のO嶺は凄いなと思ってます…)やはり、マイクロマウスが俊敏に動く姿を想像すると、ワクワクするので楽しいです。皆も回路とか制御やりたかったらマイクロマウスに来てね!!

 

去年はネタ系の話にしたので、今年はお酒の嗜み方について書こうかなって思ったんですが、みんな思いのほか(!?)学術的な内容だったので、去年のネタ枠とは違い、サークルに役立つかもしれない情報を書こうと思いました。そんなこんなでMATLABのSimlinkで遊んでみました。

Simlinkとは、MathWorks社によって開発された、モデリング、シミュレーション、解析のための便利なツールです。研究室でもよく使われているので、1年生から知っていたらとても強いです。

というわけで、モータの角度をPID制御しましょう。モータに関する運動方程式は次のようになります。

上の2式を変形し、ブロック線図と呼ばれる入出力関係を示すもので、まとめると以下のようになります。(簡単のために、B=0とし、tiの扱いはめんどくさいから0にします。また、入力、出力をωの指令値、応答値にします。

 

これから、MATLABの使い方を見てみましょう。まあ、keio.jpのソフトウェア・ライセンスからかなぁ、MATLABをインストールしたら起動してみましょう。下のような画面が出ます。

 

 

最初に、Simlinkボタンを押し、Simlinkを起動して、「空のモデル」を選択します。すると以下の画面が出ます。このウィンドウでブロック線図を作成します。(青丸から、ブロック線図の部品的なものを出します)

 

 そのボタンを押すと、下のようなライブラリが出ます。「sources」で入力波形、「Mathoperations」で加算器、「Continuous」で連続時間系のPIDのコントローラや積分器などを選択できます。下の、outって書かれている欄に、gainとか書くとgainに関する部品が得られます。

 

 

このようにして、ブロック線図を作成すると次のようになります。

 

plantはモータに関するシステムで、ブロック線図の書き方を簡略したサブシステムです。展開すると下のようになります。

 

ここまでがモデリングの準備です。これからは、こういう動きをして欲しいなという指令値になるべく近い動きに応答値がなってほしいのでPID制御を行います。P,I,Dって何だという人向けに次のリンクを用意しておきます。

https://www.hellocybernetics.tech/entry/2017/03/18/100530

 

まず、部品を選択し、ダブルクリックすると下のようにパラメータが調整できます。

 

「新規スクリプト」で変数を定義し、Kp=1、Ki=1、Kd=0にしてみます。

 

 

そして、ブロック線図のscopeをダブルクリックして「実行」を押してみると、応答値が全然追いついてくれません(T_T)

 

 

なので、応答がよくなるようにパラメータを調整してみましょう。先程の図の赤丸ボタンを押すと自動的に、ゲインを決めてくれます。とても便利です。(手打ちでやるのは大変なので、ありがたい)そして、「ブロックの更新」で自動的にパラメータの更新ができるように設定します。

 

すると、、、応答値がめっちゃ良くなりました!!

 

まあ、こんな風にして、MATLABを使うと便利なんじゃないかなと思いました。(長文失礼しました。)NHKではカルマンフィルタを実装して位置の誤差を少なくする試みをすると思うので、MATLABを知っとくといいと思います。そして、アドベントカレンダー遅れてごめんなさい笑

 

最後に、僕は3年生なのでこれからサークルになかなかいけなくなりますが、1,2年生がこのサークルを良くしてくれることを祈ってます!!

そして、感謝を述べたいです。楽しいサークル生活でした。本当にありがとう!!

 

 

 

 

 

はじめての4足歩行ロボット

慶應義塾大学ロボット技術研究会その1 Advent Calendar 2018の23日目です。

昨日の記事:競プロ始めました(感想文)

はじめに

こんにちは、3年のしゅんもです。今年もNHKロボコンをやっています。

昨年までは機構オンリーでプログラミングの知識がなく、先輩に迷惑をかけていたので、今年は制御もできるようにしようと思い、11月頃からプログラミングの勉強をしています。

プログラミングの対象は、タイトルの通り「4足歩行ロボット」です。来年のNHKロボコンのルールで4足歩行ロボットが必要なため、サーボモータ式の4足歩行ロボットを制作しました。この記事では、4足歩行を歩かせる簡単なアルゴリズムの紹介までしたいと思います。

目次

  • 歩容とは?
  • 4足歩行ロボットの機構ってどんなの?
  • 逆運動学でサーボの角度を求めよう!
  • 歩行アルゴリズムを考えよう
  • 実際に動かしてみた!

歩容とは?

4足歩行を扱う上で避けて通れないのが「歩容」の分類です。歩容とは、簡単に言えば「足の動かし方」の違いです。

ただ、歩容について調べれば調べるほど新しい名前が出てきて、正直私自身も完全には理解できていないので、なんとなくの紹介だけします。上から下に行くにつれて移動速度が早くなります。

クロール(Crawl)

最も移動速度が遅い歩容です。1足ずつ独立して足を出していくため、常に3本以上の足が地面に接地しており、安定しています。

ウォーク(Walk) [別名 : ペース(Pace) ]

右前と右後ろの足、左前ろ左後ろの足をそれぞれ同時に出して歩く歩容です。足を浮かしているとき、一時的に地面と接地する足が2本になるため、重心のバランスを取る必要があります。

トロット(Trot)

右前と左後ろの足、左前と右後ろの足をそれぞれ同時に出して歩く歩容です。ウォークとの違いは、出す足の組み合わせが対角線になっているという点です。

バウンド(Bound)

左前足、右前足、右後ろ足、左後ろ足の順に足を動かして移動する歩容です。この歩容はあるくというよりも走る状態です。ぎゃリップとの違いは、常に4本の足のうちのいずれかの足が設置している点です。

ギャロップ(Gallop)

足の動きはバウンドと同じですが、バウンドとの違いは、4本すべての足が地面から離れているタイミングがあるという点です。チーターみたいな走り方です。

以上のように多数の歩容が存在していますが、これらをロボットで実現することは容易ではありません。その理由はいくつかあるのですが、個人的に考える主な理由は以下の2点です。

  1. 生物の足の自由度をロボットで実現するのは難しい
  2. 生物の筋肉ほどの瞬発力が得られるアクチュエータがない

1つ目については、サーボモータをたくさん搭載することで一見解決できそうですが、サーボモータの物理的なサイズの関係上、生物の足ほどの自由度をもたせることは容易ではありません。

2つ目については、モーターの回りにバネを付けてバネの反発力を利用したものが研究されていますが、まだ実用化はされていません。また、小型な4足歩行ロボットの例に限れば、ワイヤーで予めバネを縮めておき、その反発力を使用したものなどがありましたが、機体のコントロールが相当難しそうということで採用しませんでした。

それでは、私がどんな機構のロボットを制作したのかご紹介します。

4足歩行ロボットの機構ってどんなの?

図1 足の簡易モデル

図1は、足一つのモデルです。1つの足につきサーボモータが3つあり、3自由度を有しています。

今の目標は、「足先の3次元座標とサーボs0の床からの高さを指定して、サーボの角度を求めること」です。このような計算を「逆運動学(Inverse Kinematics)」と呼びます。この考え方は、ロボットアームを始めとするマニピュレータの制御で使われています。

逆運動学でサーボの角度を求めよう!

足先の3次元座標は、足の付根を原点として(x,y,z)とし、サーボs0の床からの高さをhとします。ここで、サーボs0はロボットの胴体部の高さと同じなので、hは「ロボットの胴体の床からの高さ」でもあります。

それ以外の定数を以下のように定義します。

足の付根から、サーボs0、サーボs1、サーボs2( s0は水平方向に動き、s1とs2は鉛直方向に動くサーボモータです)

r0:ロボットの中心とs0の軸間距離(リンクの長さ)

r1:s0とs1の軸間距離

r2:s1とs2の軸間距離

この足のモデルの断面について考えます。

図2 断面モデル

図2において、hはサーボs0から地面までの距離、zは足先から地面までの距離です。また、θ1、θ2はそれぞれサーボs1、s2の目標角度です。したがって、図に示した文字を使ってθ1をθ2を表すことができれば、

考え方自体は中学数学レベルですので、みなさんも考えてみてください。(少しだけ逆三角関数は使います。)

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正解にたどり着きましたか?それでは答えを示します。

図3 断面モデル(補助線あり)

図3のように補助線を引くと、辺AEの長さは

と求められます。すると、⊿FAEにおいて余弦定理から、

となります。同様に、 ⊿FAEにおいて余弦定理から、

となります。以上より、変数hおよびzを指定することにより、θ1およびθ2を一意に定めることができます。ここで、dはどう求めるんだ?と思った方も多いと思います。dは、足先の3次元座標(x,y,z)を用いて表せます。この3次元座標の原点は足の付根としていたので、

と求められます。ただし、r0は足の付根からサーボs0、すなわち図3における点Aまでの距離です。

また、サーボs0の目標角度θ0は、機体を上から見他状態を考えると求められます。

図4 機体を上から見たときの足先の座標

図4中の(x,y)は、足先の2次元座標です。これより、

となります。ここで、4足の足についても考えてみましょう。断面モデルはどの足でも同じですが、θ0は少しだけ変わります。

図5 4足の足の座標のとり方(ロボットを上から見た図)

もし、図4の座標系を90度ずつ回転させて座標を取れば、全ての足のθ0は同様に考えることができます。しかし、次の章で説明する歩行アルゴリズムを考える際、図5のように座標を撮っておいたほうが考えやすいため、私はこうしました。

図5において、ロボットが大の字に足を広げている状態を考えます。すると、右前と左後ろは図4での座標系と全く同じです。しかし、右後ろと左前はθ0の正負が逆になることがわかります。したがって、プログラム中では、右後ろと左前のθ0は符号を反転させます。

長かったですが、これで 「足先の3次元座標とサーボs0の床からの高さを指定して、サーボの角度を求める」 という目標が達成できたので、次に「どのように歩かせるのか」について説明します。

歩行アルゴリズムを考えよう

普通のやり方なのかはわかりませんが、私は足先の座標を指定することで歩行させるようにしました。 このアルゴリズムは、参考サイト[2]に詳しく書かれていたので、参考にさせていただきました。

参考サイト[2]では、予め決められた値が入っていますが、私はパラメータを調整できるようにしたかったので、下記のように変数を置きました。

(x0,y0):足を大の字に広げたときのx,y座標

y1:3足立ちのときのy座標

step_length:一歩で進む距離(以下sl)

step_height:足を上げる高さ(以下sh)

これらの変数を使って歩行のステップを考えると、下記の図6のようになります。

図6 歩行時の足先座標

上の図6では、足先のx,y座標のみを考えていますが、実際に足を動かすときは足を床から離す必要があります。そのため以下の図7のように、足先を三角形や四角形のように動かす必要があります。

図7 z座標を考慮した足先の動かし方

以上より、どのように足先の座標を変えれば歩行するかおわかりいただけたと思います。実際にプログラムを書くときは、表などに、各ステップにおけるそれぞれの足のx,y,z座標をまとめておくと混乱しにくいと思います。

実際に動かしてみた!

実際に上記方法でプログラムを書いて動かしてみると、こうなります。

なんかカックカクしてますよね笑

これは、サーボモータの角度を0.1秒間隔など、細かく指定し、for文で回すことにより改善します。改善したものがこちらです。

なかなか生き物っぽい動きになりました!様々なパラメータに調節して見たんですが、現時点で一番気に入っている歩行はこれです。ペットみたいで可愛いでよね笑

ただ、かなり滑っているので、まだまだ改善の余地はありそうです。NHKロボコンの1次ビデオ審査までちょうど1ヶ月なので、どんどん改善していきます。

最後に

今回のロボットはロボコンのレギュレーションの関係上巨大なため、でかくて高いサーボを使っていますが、自分で試す際は秋月とかで売られている千円くらいのサーボでも行けると思うので、是非挑戦してみてはいかがでしょうか?

KRAに4足歩行の知見を残す意味も兼ねて、結構頑張って書いたのですが、とても長くなってしまい、読みづらくなってしまいました・・・

なにか分からない事があれば、コメントいただければ回答しますので、お気軽によろしくおねがいします。最後までご覧頂きありがとうございました!

参考サイト

[1]PICマイコンで制御する4足歩行ロボットの製作 “http://www.suwa-koubou.jp/micom/4LegsRobot/4legs_robot.html” (参照 2018-12-23)

[2]MAKE: Japan, Arduino搭載四足歩行ロボットのプログラミング”https://makezine.jp/blog/2016/12/robot-quadruped-arduino-program.html” (参照 2018-12-23)

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競プロ始めました(感想文)

ロ技研で制御を担当しているKです。

数か月前、僕はロ技研でプログラミングの勉強をしていた際に競技プログラミング(以下、競プロ)の存在を知りました。大学入学と同時にプログラミングを始め、知識が乏しかった僕は、プログラミングの勉強ができる一つのツールとして競プロに興味を持ち始めました。

普段はAtCoderを中心にして勉強していますが、そのサイトでのぼくの実力は以下の写真の通りです。知ってる人ならわかると思いますが、まだまだ低いですね(笑)。初めての人に向けて書くと、この図では実力のランクが色でわかるように表示されています。一回、コンテストに出て一つ上のランクの茶色になれる人やそれ以上の人もいます。他にも多く実力者がおり、その人たちに近付けるように日々精進しています。

競プロをやって良かったと思う点は主に二つです。                     一つは、やはり、プログラミングに触れる機会が格段に増えたことです。機械を扱うロ技研の活動に直接生かせているわけではありません。しかし、C言語などの理解は始める前より(まだまだですが)格段に深まったと感じています。                         二つ目は、その方面の人たちと関わる機会が増えたことです。運よく、競プロの実力者の方々と接したり、学校のコンテストなどに参加する機会が、競プロを始めてからいくつかありました。そうした人から直接刺激を受けられる機会があったのが個人的によかったです。

最後に、12月に入る前は、「年内には茶色に行けるだろう」とか甘く考えていましたが、結局できませんでした!今回このブログに現在の実力を晒すことで、これを戒めとし、これからさらに飛躍していく糧にします!(ちなみに今回大幅にratingが下がったのは、バイトでコンテストの参加が遅れたからです(言い訳))

wordpress用です

雑談

どうも。一年のrrrです!

何やら皆さん難しい内容の紹介が多くて、恐れ多いです笑。一年生なのでF3RCの反省などを書くと良いと思ったのですが、何月に何をやっていたのかなど全く覚えておらず、記録もしてなかったので自分からは、皆さんが軽く読み流せるような理系とかロボットに全く関係ない話をしようと思います。
題して、「早朝バイトのすすめ」
代表になったSさんもどうやら、早朝型の人間らしく、早朝を生かすメリットを熱く語っていますね。
そこで、朝早く、具体的には自分は週3回平日5時から8時20分ごろまで早朝バイトを入れてみました。内容は、某宅配便会社の宅配便などを住所毎に運んで仕分けたり、そのバーコードをひたすら読み取ったりする仕事です。そこで働いてみて分かってきた早朝バイトのメリットとデメリットを紹介していきたいと思います。
メリット1. 時給がいい!
基本的にそんな朝早くから進んで働きたいという人間は少ないので、普通よりかは時給が高いです!自分のところはなんと1500円です。そこそこ高いですよね笑

メリット2.優越感に浸れる
バイトが終わったら、家に帰って朝ごはんをたべ、速攻で2限にいきます。そこで、思うのです。あれ?まだ2限なのに、まだ一日が始まってそんなにたっていないのにもう俺は5000円ほど稼いでるではないか!?という優越感です笑。しかも、午後に結構自由な時間が生まれ、サークルなどにも被ることはありません。

メリット3.自然と無駄のない夜を過ごせるようになる
皆さん、夜中までゲームやったり、you tube見ちゃったりしてませんか?早朝バイトを入れることによって自然と早く寝るようになるため、その時間を減らすことができます。

メリット4.飲みに誘われても、断ることができる
「明日、早朝バイトなんで」は最強の断り文句です。

さて、メリットばかり紹介しましたが、もちろんデメリットもあります。

デメリット
起きるのが絶望的につらい
これにつきます。いかに強い意志をもって起きるか。これが早朝バイトをやる上での最難関といってもいいでしょう。4時半に起きるとはそういうことです。いくら早く寝ようと思っても限界はあります。よって相当きついです。
あとデメリットをあげるとしたら、朝絶望的に寒いことと、単純にいつもより少し眠いということですね。

以上、早朝バイトのすすめでした!字体を変えたり、見やすくする努力を怠って申し訳ないですが、最後までま読んでくれた方はありがとうございました!