【レゴ】4足歩行ロボット試作2号機

思い付きで作り始めた4足歩行ロボットですが、最初の試作機が失敗に終わったことから根本的な構造を見直した試作2号機をつくりました。
ロボットアームを連結した試作1号機とは異なり、まずは4足で立ち上がることを目指した作品になります。

本機の特徴は、ロボットアームつくりで培ったノウハウをもとに構築したベベルギア8個で駆動する関節機構です。
ロボットアームでは、最大4個のベベルギアで駆動する関節を多用していましたが、それをさらに強化した関節となります。

速度は犠牲にするものの、代わりにモータのトルクを最大限発揮するギア構成となっています。
この関節を採用したことで、試作1号機では不可能だった立ち上がり動作を行うことに成功し、一応4足歩行ロボットらしい動きをしました。
また、試作1号機ではロボットアームの構造をそのまま合体させたため、不要なパーツも多数含まれており、本体重量が増し、自立することすら不可能な状態でした。
そこで、試作2号機では、必要最小限のパーツのみで構成し、重量軽減を図ることを目指しています。

しかし、良くなった点もあれば改良点もいくつかみえてきます。
まず、脚部については新規に構築した関節の構造から本体を支える支点が脚部付け根から直線になっておらず、回転部分を中心にモーメントが生じてしまっています。
これでは、安定して立たせることが難しく、関節に不要な応力が生じてしまいます。

また、試作2号機では立ち上がり動作は実現できたものの、脚部を前後動させる動作はできないままです。
次作の試作3号機では、よりブラッシュアップして4足歩行ロボットの構成について考察を深めたいと思います。

【レゴ】4足歩行ロボットの試作

ロボットアーム製作に勤しみ改良を重ねてきた結果、ロボットアームがかなりの力を発揮できるようになりました。
先日、ロボットアームのプログラミング時に入力値を誤り、アームが床を押す動作をした際、アーム自身を持ち上げる動作をしたのを見て、「もしかしたらロボットアームを連結すれば歩くのでは?」と思いつきました。
そこで、早速余っていたロボットアーム7号機型2台と、追加で製作した廉価版の7号機型アーム2台の合計4台を連結し、4足歩行ロボットぽいものをつくってみました。
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作ってみた感想としてロボットアーム4台を連結しただけあり、あまりにも大きく、そして重いです。
アームの連結用に、胴体部分のフレームを新造しましたが、これも極めて重い。
あまりの重さにアームの関節では支持することができないため、やむなくプラケースを土台にして無理やり立たせてみました。
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立った姿としては、アニメに出てきそうな多脚戦車のフォルムに近いです。
思い付きで作った割に、意外とよいフォルムに落ち着いたので私自身驚いています。
立たせることもままならないため、当然のことながら歩行もできませんが、ロボットアームづくりを基礎に、応用編ということで新たな発展形をつくることができた点は満足です。
とはいえ、4足歩行ロボット製作にあたって、いくつか反省点と知見が得られましたので、忘れないように列記しておきます。
① 股部分(脚の付け根)の固定は強固にしておかないと、挙動時の反動で簡単に壊れる。
② ロボットの重量は最小限に抑えること。
③ ロボットアームと違い、搬送/作業という括りの動作ではなく、自重の保持が重要となる。
④ 関節機構は、静止時に姿勢を保持するための機構が必要である。
現状、とりあえず作ってみただけの試作機ですが、4足歩行ロボットをとおしてまた新たな技術や経験が蓄積できそうですので、しばらくほかの作品作りと並行して取り組んでみたいと思います。
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【レゴ】レゴでつくるロボットアームの関節学

レゴでロボットアームを作り続けてもうすぐ1年。
これまでに何体ものロボットアームを試作し、いくつかの教訓が得られました。
そのなかで、非常に重要な要素として挙げられるのが各関節をどのように構築するかです。
関節のこと含め、自分自身が忘れないための覚書として、ロボットアームつくりにおいて大事なことを列記しておきます。
 

<レゴでのロボットアームつくりで大切なこと>

① レゴでのロボットアームつくりはトルクとの戦い。必要最低限の剛性を保ちつつパーツを減らし、軽量化を心がけること。
② ロボットアームつくりのイメージは、全体をどう構築するかという全体設計の視点よりは、各関節をどのように結んでいくかという発想の方が結果的に上手くいく。
③ EV3のモータの固定は必要最小限。モータは外出しの方がメンテナンス性がよい。
④ 関節含め、各主要機構はブロックごとに分けて製作し、最終的に組み合わせた方が後々の整備がしやすい。(レゴブロックゆえにブロック製法が吉)
⑤ とにもかくにも、ベースとなる第一軸を強固に設計すること。
⑥ 各軸の関節は、ターンテーブルを主要軸に、複数個のギアで駆動させる形式であれば、アームを存分に駆動させるだけのトルクを発揮しうる。
以下、写真添付。
 

<アーム根本第2軸用の関節>

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<アーム中腹第3軸用の関節>

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<アーム中腹第3軸用の関節改良型>

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<旧アーム第2軸関節(ベベルギア2個駆動型)>

※美しい薄型機構ながら、十分に駆動せず。改良の余地あり。
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<4足歩行用の股関節>

※構造的な強度不足によりアーム脱落の可能性あり。改良の余地あり。
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テクニックのギアボックスは、様々な種類のものが考案されていますが、レゴ製ロボットアーム用の関節は、速度よりもトルク重視になります。
現状、ターンテーブルを4個のギアで駆動させる方式を採用していますが、もう1段ターンテーブルを増やして多段減速させれば、より大型のモデルがつくれそうな気もします。
また、内輪側にも歯が切られたターンテーブルを2つ利用すれば、簡易的な遊星歯車機構がつくれそうです。(ハーモニックドライブも、再現できそうな気はしている)
レゴでロボットアームをつくるよりも、市販のロボットアームを買った方がはるかに安上がりですが、それはそれ、レゴはレゴ。
勉強と研究の意味で言えば、これだけ継続的かつ意欲的にレゴで関節のことを考えているのは、自分が気付いていないだけで何か意味があるのだろう、という気もします。(中二病をこじらせた大人の言い訳ですが)
私の関節の考え方が、どなたかの役に立てればよいのかなと思います。
 
 
 
 
 
 
 
 

【レゴ】垂直6軸多関節型ロボットアーム試作8号機

うちのロボットアームのなかで(いまのところ)傑作機の呼び名がふさわしい試作7号機をもとに、垂直6軸多関節型の試作8号機を開発しました。
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試作8号機では、次の2点について大幅な設計変更を行いました。

<① 第1軸の再設計>

7号機までのロボットアームは、極めてシンプルな構成の第1軸を採用していました。
写真は、試作2号機の第1軸です。
ターンテーブルを中心に据え、アーム全体を回転させるシンプルな構造でしたが、アームの挙動時にぐらつくことが問題でした。DSC_0035
これを解消するために、8号機では強固な第1軸を再設計し、採用しました。
第1軸のぐらつきを防ぐために、上部にギアガイドを設け、ベース部分も強固に補強を施しています。
家と同じで、ロボットアームも基礎がしっかりしていないと正常に稼働しません。
頑丈につくるがゆえに第1軸全体が大型化しましたが、全体のバランスでみれば問題ない範囲で改良できたと思います。
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<② アーム部分の片持ち構造化>

前作、試作7号機型は、元々簡易的な第3軸をもっており、アーム部分も軽量化が図られていました。
しかし、トルクを増すために、第3軸を換装したため、やや重量が増し、使用パーツ数も増えていたことが気がかりでした。
そこで、試作8号機は、かつての試作2号機で培った片持ち構造を参考に、アームをターンテーブル部のみで支持する片持ち構造に変更しました。
片持ち構造に変更したことで、第3軸以降の軸の中心が第1軸の軸線上にのったため、プログラミングしやすいという副次的利点もあります。
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また、私の作品にはいま一つレゴっぽさがなかったので、試作8号機はミニフィグが搭乗できるように、操縦席を設けています。
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こうしてみると、うちのロボットアームはかなり大きいなと改めて実感します。
こんなサイズのレゴ製品が売っていたら、2~3万円ぐらいしそうです。
ロボットアームとしては、また新たな境地を開拓した試作8号機ですが、やはり動かしてみるとさらなる改良点がみつかります。
試作8号機の反省点は次の3点です。
① アームの第4軸(手首)の構造がやや貧弱であり、回転したときの姿勢を保持しきれない。ギアによる減速が足りないようなので、次作では多段変速させる必要がある。
② 第1軸のガイドギアの固定が不十分であり、若干のビビりが生じる。ギアの固定を強固にしなければならない。
③ 性能とは関係ないが、色合いの統一が不十分。黒なら黒で統一したかった。
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とはいえ、少しずつブラッシュアップさせてきた甲斐があり、ロボットアームしかり、レゴテクニックしかり、非常に多くの知見を得ることができています。
先日、ひょんなことからうちのロボットアームが自身を持ち上げるほどの力を有することを発見しましたので、次はロボットアームを利用した派生機の開発をしたいと思います。
出来上がるまでの間、この試作8号機を使って、アーム制御の技術を勉強することにします。

【レゴ】だだんだん最終ねじ締め工程を構築して得られた知見

息子が大好きなだだんだんを組み立てる生産ライン風な作品を構築しました。
使用したのは、おむつコンベアの改良機とロボットアーム3基です。
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おもちゃのだだんだんのねじを締める工程を構築しましたが、ロボットアームを使ってねじ穴にドライバーヘッドを挿し込むのは至難の業でした。
うちのロボットアームは各軸制御で動いているため、ねじにドライバーヘッドを近づける動作が苦手です。
今回の作品をとおして、今後の作品つくりに活かせる以下の教訓と知見が得られたので、忘れないように書き記しておきます。
<① ツール座標動作プログラミング必須> 
ロボットアームの運動性、可搬能力は十分ながら、制御面が貧弱。ツール座標で動作するプログラムの作成が必要である。
<② 第1軸再設計が必要> 
ロボットアーム試作7号機は、垂直5軸多関節型として完成形に近いものの、各軸動作時の繰り返し位置精度が悪い。全軸の基準となる第1軸のたわみが問題であるため、構造の再設計が必須。(ほかの軸は割ときれいに動く)
<③ 任意位置でのティーチング能力>
複雑な動作をプログラミングする際のティーチングが非常に面倒である。実機のロボットアーム同様に、任意の位置で各軸値を記録できるプログラムが必要。
<④ 第2軸、第3軸は現状でも十分な仕上がりである> 
人間でいう肩と肘にあたる第2軸、第3軸はきわめて頑丈かつ高トルクであることが分かった。マテハンにも応用できる十分な可搬能力を有するものと思われる。
<⑤ プログラムスタート時点での位置補正> 
EV3のサーボモータは、(確認していないので不明だが)おそらくインクリメンタル型。プログラム動作時に普通に動かすと「0」に各軸がリセットされる。これでは繰り返し動作時に誤差が蓄積してしまう。荒業だが、プログラム終了時の各軸値を記憶し、次回動作時に補正値として加算されるように、位置補正が必要。
 
これまで、かなり適当なプログラム動作しかしていませんでしたが、今回の作品をとおして制御面を充実させればレゴロボットアームのさらなる可能性を探求できそうな気がしてきました。
次は、既存のロボットアームのハード面とソフト面の両軸で改良を図りたいと思います。
最近、レゴミシンつくりが後回しになっているのが残念ですが、技術とノウハウの蓄積がそのうち結びつくでしょう。(たぶん。。。)
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