カテゴリー: レゴ

レゴミシンのアシストメカとして作り続けてきたロボットアームシリーズ。

これまでの試作機の反省点と蓄積されたノウハウを駆使し、ついにこれまでの試作機を凌駕する試作7号機が完成しました。

この試作７号機では、次の３点について改良を図っています。

【①　アームの片持ち支持】

これまでのロボットアームでは、第2軸の構造はターンテーブル２個を使用した門型構造でした。

これはこれで安定していましたが、一方で構造物が増えることで重量が増してしまい、第2軸のアームを伸ばすと、トルク不足で自力では戻らなくなる問題の一因になっていました。

試作７号機では、第2軸を片持ち支持に変更し、一般的な産業用ロボットと同じ構成に変更しました。これにより、第２軸周りがスリムになり、パーツ数を減らすことができました。

②　第２軸駆動ギアの４WD化

写真では分かりづらいですが、うちのロボットアームの第2軸の駆動機構は、ターンテーブルを４つの小ギアで支持する構成をとっています。

６号機までは、この小ギアの一つが回転し、ターンテーブルに駆動力を伝動することで第2軸を動かしていました。

しかし、小ギア一つだけではトルク不足でしたので、なんとか小ギア４個を同期させて伝動できないかと思案していました。

従来のターンテーブル２個方式では、スペースの都合上で実現が難しかったのですが、ターンテーブルを１つにしたことでスペースにゆとりができたため、７号機では、小ギアの４WD化を実現することができました。

これにより、従来問題となっていた伸ばした腕が戻らなくなる現象も解消されたほか、機構上の可動域も増えたため、非常に複雑な作業姿勢をとることも可能になりました。

③　全体的なスリム化

前々からの課題であった小型のロボットアーム開発。

試作7号機では、パーツ数を減らすことを心がけ、6号機までで培った必要最低限の機構のみを残して、補強部材もギリギリまで減らしました。

これにより、７台目にしてやっとコンパクトなロボットアームにすることができました。

また、第2軸のスリム化とトルク不足解消も幸いし、パーツ数削減による各軸の負荷が軽減し、これまで不可能だった直立に近い作業姿勢もとれるようになりました。

改良を重ね、進化してきたロボットアームシリーズ。

本作で当工房の作品としては一つの完成形に到達したと感じています。

残念だったのは、コンパクトにしすぎた第１軸の回転機構がロボットアームの重量に耐えられず、若干曲がってしまうことでしょうか。

第１軸は６号機までの構成で問題なさそうです。

ロボットアームは、よだれかけ生産ラインのアシストメカとして考えていますが、今のとこと５軸の多関節型であれば、用途としては十分かなと思っています。

とはいえ、産業用ロボットであれば６軸多関節型が一般的ですので、もう１軸増設することにも興味があります。

まずは、この７号機の構造を元にした＃２をつくろうと思います。

 

初の５軸多関節型、ロボットアーム試作５号機の反省点を踏まえて、改良型のロボットアーム試作６号機をつくりました。

ベースとなったのは、ロングアーム搭載型だった試作２号機です。

この試作６号機は、５号機よりもスリム化するために、全体的に構造を見直しています。

一方で、ギア比等は５号機と同等ですので、パーツが軽くなった分、モータに掛かる負荷が若干軽減され、動きがスムーズになっています。

 

 

 

また、５号機の時から全面的にモータを外付け方式にしましたが、６号機も第一軸以外は、すべてモータを外付け固定にしました。

このおかげで、貴重なEV3のモータを他のモデルに容易に付け替えられます。

（ロボットアームの難点は、１台で５個も６個もモータを使いますので、何台も同時にロボットアームはつくっていると、すぐにモータ不足になってしまうことです）

 

 

 

第二軸も、スリムアップの一環でターンテーブルを１つのみで構成しましたが、これが意外と大当たりの改良だったようで、構成部品が減ったことで第二軸以降のアームの重量が減り、動きがスピーディになりました。

だいぶ装置としての完成度を増してきたロボットアームですが、まだアームを伸ばしすぎると自力で元に戻れなくなる現象が発生しています。

第二軸の負荷軽減が今一つなほか、毎度のことながら私のつくるロボットアームはつくっているうちに大型化していく傾向にあります。

次は、この６号機をもとに小型化した５軸多関節ロボットアームをつくりたいと思います。

 

 

 

 

わが家には、いたるところにレゴブロックが収納されています。

うちの息子も、レゴは大好きですが、先日ごそごそと箱を漁ってなにかをつくろうとしていました。

聞いてみると、「ロボット、つくるんだよー」とややぷんすこしながらガチャガチャやっていたので、少し手伝ってあげました。

「これ、あんよ（足）」「ここ、うでだよー」と、手渡されるパーツを言われるがままくっつけつつ、所々最低限の補強だけはしてあげたところ、息子がはじめて考案したロボットが出来上がりました。

その名も「ばいきんつみきロボ！」

息子が言うには、「こえ（これ）、ばいきんつみきロボ！　ばいきんまんが、つくったんだよ」と、どうやらばいきんまんが、ガラクタを集めてつくったという設定のようです。

後から分かりましたが、ずいぶん昔のアンパンマンの映画に、本当にばいきんつみきロボが登場するらしいです。（なんで、そんな昔の映画知ってるのよ！？）

ちなみに、このつみきロボの腕の部分は、だいぶ前に試作したロボットアームのジャンク品です。

物の形状をみて、「これは腕みたいだな」と見極めたあたり、うちの息子もだいぶ成長したなと感心します。

レゴブロックは知育玩具ですが、その優れたところは「完成」と「再設計」を短期間で繰り返すことが出来る点だと思っています。

実際の機械では、一度作った製品の反省点を次の製品で改善しようと思うと、かなり期間が空くことがあります。

物によっては、次に同じ製品をつくるのは数年後という事態もありえます。

前作の反省点を踏まえて次の作品に活かす過程で、ものづくりの技術と感性がより一段磨かれますが、その過程を繰り返す機会というものは、じつはそれほど多くありません。

その点、レゴは完成後に分解し、再度組み立てることが容易なため、一つの作品を何度もリビルドすることができます。

繰り返して作品を磨き上げることが出来るという点に、レゴはじめブロック製品の利点があるように思います。

息子も、今回のつみきロボつくりを皮切りに、いろいろな試行錯誤を繰り返してもらえると、彼のものづくり力が向上するかなと期待している今日この頃です。

レゴミシンの研究と共に、アシストメカとしてロボットアームの改良も続けています。

前作４号機の反省を踏まえ、アームの長さを短縮しつつ、関節を増やしたロボットアーム５号機が完成しました。

 

 

5軸多関節型となったロボットアーム5号機では、複雑な作業姿勢をとることが可能となり、レゴミシンのアシストメカとして、もう一段進化できたように思います。

5号機で改良した点としては大きく分けて3点です。

 

【① 第3軸に作用する回転モーメント軽減】

ロボットアーム2号機をつくった際に分かりましたが、EV3のモータは簡単にトルク負けします。プラスチック製のレゴのパーツとはいえ、長尺物になればなるほど回転モーメントを意識して装置を組む必要があるとよく分かりました。

5号機では、第3軸に作用する回転モーメントが大きくなりましたので、モータの負荷を減らすために、第4、5軸のモータを回転中心より離して配置し、重心の釣り合いがとれるように若干のマイナーチェンジを行っています。

結果、第3軸はスムーズに動きますので、狙い通りの効果が得られました。

 

【② モータの外出し固定】

レゴでロボットアームをつくるなかで悩んでいたのが、モータをどこに配置するかです。アームの中に格納して、外から見えないようにするのがスリムなのか。それとも外出しにした方が良いのか。

どちらも一長一短かなと思っていましたが、メンテナンスと配線の取り回しを考えると、モータは外出しがベストかなと心変わりしてきました。

モータをアームの中に格納しようとすると、どうしても装置自体が大型化してしまうため、そのためにギアを多段変速してトルクを稼ぐことになり、ギア周りがさらに大型化するという悪循環に陥ります。

実際のロボットアームをみると、小型のものはモータをアーム内に格納してスリムなフォルムが多いです。

しかし、やはりそこは実機は実機、レゴはレゴですので、レゴの良さであるパーツ組み替えの容易さ、改良のしやすさを考慮し、思い切ってモータは外出しにし、装置全体としてみたときのパーツ数削減と、構造のシンプルさを追求することにしました。

つくってみれば、少なくとも第4、5軸については、非常にシンプルかつスマートなモータ配置となったように思います。

 

【③ 全体的にフレームを補強】

私のつくるロボットアームの永遠の課題は、フレームの脆弱さです。

あまりゴテゴテとパーツを使いたくないので、極力パーツを削減することを意識していますが、その分どうしても強度は落ちます。

5号機も相変わらずフレームの脆弱さは課題ですが、4号機に比べると第2軸のアームを中心に最低限のパーツ補強を行っています。

とはいえ、つくるたびに次の課題がみえてきます。

5号機を作ってみて分かったのは大きく次の3点の課題です。

 

1点目は、第4軸を動かすと、同時に第5軸も同期して僅かに動いてしまう現象です。

これは、第5軸の回転軸が第4軸先端に接続されているため、機構的に起こる必然の課題です。第5軸の回転軸を分離する必要があります。

2点目は、腕を伸ばしたら戻らなくなる現象です。

4号機からの課題ですが、５号機でも、アームを伸ばしすぎると第２軸の負荷が大きくなり、自力で原点へ復帰できません。トルク不足を解消するために、何らかのダンパのような機構が必要かなと思っています。

もしくは、思い切って2号機の時のように第2軸にメカシリンダを搭載するかですが。。。

最後に３点目は、全体的なフォルムが洗練されていないことです。

４号機をベースに改造した５号機ですので、所々に後付け感が否めません。

元にするモデルがある場合は、それに継ぎ足して次のモデルに進化させていますが、どうしても元の構造、骨格が残りますので、無駄なパーツが混在しています。

次は、５号機を参考に、新規建造の６号機をつくる必要がありそうです。

反省点はまだまだ盛り沢山ですが、レゴミシンとの連携を念頭に置いた我が工房のロボットアームのなかで、一つの方向性を確立したモデルだと思います。

産業用ロボットと同等の構造ながら、レゴ独特の無骨さも兼ね備えた誇るべきモデルです。

今後も本機をもとに、よりブラッシュアップしていきます。

 

 

そろそろレゴミシンに縫い付け機構を実装するために、ここ最近は縫い付け機構の試作を続けています。

そもそもミシンってどうやって縫っているのか。分かっているようでよく分からなかったため、本やミシンの専門サイトを渡り歩いて調べました。

結論として、「糸をどうやって絡めるか」というのがミシンの原理の根源かなと感じました。

手縫いにおいても、糸を布に通して、絡めていくイメージで捉えていますが、ミシンも同じでした。

ただし、問題なのはその絡める作業を機械で行わなければならないこと。糸のような細く自由度の高い物体を機械で制御する。これをレゴで再現するのは思いのほか困難です。

いろいろと考える中で、工業用の垂直全回転式釜の機構が最適かなと思い、レゴのパーツで試作してみました。

これは、爪が上糸を引っ掛け、そのまま全回転することで下糸を絡めてループさせるという思想の機構です。

動きは単純ですが、問題は引っ掛けた上糸をループさせる時に、駆動軸と干渉してループできないこと。レゴのパーツでこの垂直全回転式釜を再現するのは、あまりにもハードルが高いです。

薄板の曲板部品などがあれば、もしかすると再現できるかもしれませんが、現状の私の能力では打開策が思い浮かびません。あとちょっとのひらめき不足なような気がしてなりませんが。。。

ミシンの動きはレゴで模倣できるものの、糸を操るとなると途端に困難度合いを増してしまいました。

さらに思案をつづけるなかで、いまは上糸だけで縫う「単環縫い」という方式を試しています。

よくよく思えば、昔の人はよくこんな複雑な機械を発明したなと感心します。参考となるモデルもない状態で、一からこんな複雑怪奇な機械に辿り着いたのですから、相当な天才です。

しかし、ミシンの動きを知れば知るほど、その機構のシンプルさと美しさには、感心を通り越し、感動を覚えざるをえません。

ミシンのことを調べすぎて、気づけばブラウザのブックマークがミシンだらけになりました。

レゴミシンが布を縫うその日まで、研究は続きます。