第2回 活動報告書 メカ・デザイン班

ご挨拶

こんにちは!DJ Roboticsメンバーの小島です。

 今年は春の訪れが早かったようで、先日行ったチューリップ畑は見頃を少し過ぎていました。そんな4月の活動は主に自前の3Dプリンターで部品製作を行いました。3Dプリンターは愛馬であるダヴィンチです。※印刷失敗しても蹴りません。

買っても使えないような3Dプリンターも多い中、ダヴィンチは安価でありながら実績もあるので個人用でも安心して購入できました。

肝心の設計部分はこのあとのメンバーに託します!

部品の製作,調達は80%ほど完了しており。いよいよ組み立ての段階に入っていきます。作業場所も確保し、良いものをお届けできるよう精力的に活動して参りますので今後も応援お願いします。

肘・肩の設計の統合

自己紹介

 初めまして,こんにちは!DJ Robotics機械班リーダーの佐藤優樹です.私が本活動報告書を記載するのは初めてですので軽く自己紹介いたします.私は都立高専OBで元HNKロボコンに出場する機体作成などを行っていました.高専卒業後は大学編入をいたしまして,現在は修士1年として大学院に在籍しております.大学,大学院と高専時代に当たり前のようにモノづくりをしていた環境から一転し寂しさを抱えていたところでDJ Roboticsに参加し現在に至ります.ここで一度自己紹介は終わりとしまして…

 改めまして,私から感謝の気持ちを述べさせていただきます.クラウドファンディングを支援してくださった皆様,そのほかにも協力してくださっている皆様,DJ Roboticsの応援,まことに感謝いたします,これからもよろしくお願いいたします_(._.)_

設計準備 

 それでは,お待たせいたしました4月の活動報告を行おうと思います.まず,現在のマシン設計の進捗といたしましては,腕部位にあたる肩,肘,手首,指機構の内,肩~手首までの設計,統合は完了しております.指機構につきましては,同機械班の渡辺,小山が担当しており現在設計中です.頭部の機構は調整が必要であるものの,6割程度の設計は完成しております.このうち,今回私が担当した設計部位は肩,肘機構の設計,及び肩~手首機構の統合です.統合というのは,本プロジェクトは数人の設計者がDJ robot LYNX の各部位を担当して設計しているため隣り合う機構(例えば,肘と手首)を接続するためには新たなアタッチメントなどを取り付ける必要があります.設計を分担するということは一人ひとりの設計量は少なくなるものの,こうした統合が必要になるのです.進捗の話に戻します.ではここでどのようにして機構が設計されたのかを報告します.

図1 AIST/HQL人体寸法・形状データベースの例

図2 骨格のスケッチ

まず,設計をする上でこのLynxは人をモチーフにしているため,骨格はヒトに近くなるように設計しました.ヒトの骨格モデルを作成する上ではAIST/HQL人体寸法・形状データベース2003(https://www.airc.aist.go.jp/dhrt/fbodydb/index.html)を参照しました(図1に示す).その結果の軸間距離を図2に示します.手書きのものですみません(m´・ω・`)m .赤文字で記すのが使用サーボ,青文字が減速比です.減速比は人間に求められる最低限の稼働角度と,最低限のトルクを得られるように調整して決定しました.減速比を決定するうえでは図3のようなモデルを考えました.サーボモータにかかるトルクはモーターの自重と手先に持つ錘を集中荷重,フレームなどの重さによる分布荷重として各関節に発生するトルク計算を行いました.その結果,約7kgの物体を持つことが可能でそれ以上の重量を付与すると関節番号1のモーターの許容トルクをオーバーします.

図3 関節簡略モデル

設計

 以上を考慮したうえで設計した肩,肘機構の報告をします.それぞれ図4,図5に示します.肩と肘を統合したCAD図を図6に示します.まず肩機構は3自由度を有しています.

図4 肩機構CAD図

実際の人間の動きを再現するには健康骨の動きを再現しなければならないのですが,機構が複雑化し制御が難しいということと,制作時間的な問題で今回は3自由度となっています.3自由度のみでもほとんどのひとの動きは再現できるのでよしとしました.肩機構を取り付けるボディは現在設計中です.機構に剛性を持たせるために肩,肘機構はモジュール化しています.また,当たり前ですが回転の摩擦を低減させるために滑り軸受(無給油ブッシュ)を使用しています.ロボコンの足回りのように高回転,持続回転させない場合はコスト敵にもコンパクトにするという意味でブッシュの方がいいと考えています.実はこの肩機構はロボコンで僕の先輩が設計した機構を一部変更したものです(先輩に感謝です).肘機構は2自由度を有しています.肘機構の設計思想は肩機構と同じようなモデルとなっています.これによってマシンの見た目に統一性が生まれる以外にも同じ部品を用いることが可能で生産性の向上,コスト削減にも繋がると考えています.

          図5 肘機構CAD図      図6 肩~手先統合CAD

使用している部品ですが,減速機には歯車を用いておりこれは3Dプリンターで作成する予定です.減速機を3Dプリンターで作成することに関しましては賛否両論かと思います.3Dプリンターで作成することで軸締結が簡単になったり自由度の高い部品,部品の一体化することによる部品点数の削減などメリットもありますが,金属部品と比較すると剛性不足などのデメリットもあります.歯車が破損するほどの荷重が発生するということはサーボモーターへの負荷も同レベルで発生していることを示します.つまり,予期せぬ荷重が発生した際,金属歯車ではアクチュエータその荷重によって発生したモーメントが伝達してしまいますが,3Dプリンターで歯車で作成することでアクチュエータが破損するのを代わりに3D歯車が受け持ってくれます.という考えの元3Dプリンターで現在部品を作成しています.これらの部品はメンバーの小島,小山が印刷してくれています(ありがとう!!).また,ヒトでいう骨にあたる部位にはアルミ丸パイプを用いています.理由はギアとの連結が簡単だから,ブレをなくす為に軸受けを使いたいからです.ですが,現在は3Dプリンターの部品以外を加工する場所がなくこれらの部品はとりあえず放置状態です.ですが朗報で,なんと,もうそろそろ作業部屋を使えるようになるので5月の上旬にはぼちぼち加工,組み立てが出来そうです(やったぜ)!

最後に今後の僕たちのtodoリストを示して終わりに使用と思います.

設計について

1.ボディの設計

2.頭部の設計

3.ボディ,頭,腕の統合

4.指機構の設計

加工について

1.腕部品加工(部屋が使えるようになり次第)

2.ハンド加工

3.ボディ部品加工

といった方針になるかと思います.

長くなりましたが,今回はこの辺で終わりにしようかと思います.

次回にまたお会いしましょう!

Thank you to all our supporters!

首・指設計

こんにちは!DJ Robotics機械班の渡辺です。

期待と不安を胸に大学院に進学しましたが、通学時間の長さに絶望する毎日です!

さて、私からは主に首機構の設計の改良および指機構の一部の設計について報告します。

まず、首機構についてですが、以前報告した設計仕様を改良し、小型化・軽量化を図りました。下図の左が旧設計、右が新設計となっております!

旧設計                   新設計

旧設計でも求められる動きは可能ですが、3Dプリンタの部品一つ一つが大きく、設計上の“むだ”が多くなってしまうという問題がありました。また、歯車部品を金属製にしていたために、重量が増大してしまったり、オーバースペックになってしまうという懸念もありました。

そこで新設計では、これらの問題を解決するため、主に以下の2点のように変更を加えました。

①歯車機構:金属製→3Dプリンタ製

②上部サーボの土台:3Dプリンタ部品→アルミの棒材

このように改良したことで、軽量化、省スペース化、部品点数の軽減などが見込まれ、大幅に設計を改善することができました。

次に、指機構のうち、比較的機構が簡易的である薬指、小指の設計について報告します。

実はこれらの指には新たな試みとして、板バネを用いた自動伸展機能を持たせようと考えました。薬指を例に説明します。

下図は、薬指を樹脂製、金属製の2パターンを想定して設計したものです。指の甲にあたる場所に板バネを這わせています。板バネとは、その名の通り板状のばねであり、曲げてもすぐに元に戻るという特性があります。薬指、小指はこの特性を利用し、指を曲げるときはワイヤで牽引し、指を伸ばすときはワイヤを脱力させるだけで済むような機構を想定しております!

薬指(3DプリンタVer.)       薬指(アルミフレームVer.)

また、今回2パターンの材質で設計している理由は、それぞれにメリット、デメリットがあるためです。3Dプリンタ(樹脂)製は部品点数が少なく製作も簡易ですが、剛性が低く、壊れやすいという難点があります。一方でアルミフレーム製は剛性が高く、ほかの指との見た目の統一感もありますが、その分部品点数が多く、指も太くなってしまうことが考えられます。現在はこれらをプロトタイプとして試作しており、より良い方を採用しようと考えております。

以上、首およびハンドの指の一部についての報告でした。

今後とも応援よろしくお願いいたします。

手首・手指設計

こんにちは!DJ ROBOTICS機械班の小山です。

僕からは主に手首機構と手の中指、人差し指の機構について紹介しようと思います。

まず手首の機構についてです。

黒の物がRS405CB,銀色のパーツはSPCC,平行リンク部分についている金色のものが軸受け、左の黄土色部分が手となっています。

写真右側のサーボはY軸(縦方向)可動用、左側のサーボはX軸(水平方向)可動用となっております。できるだけX,Y軸の回転軸が同軸上となるようにしています。

現在手を製作中のため手の完成後それに合わせて取り付けられるようにする予定です。

つい最近3Dプリンタにて製作したパーツを組み立て試作品を完成させました!

この様な感じです!

締結部品は手元にあったボルト、ナットを使用したためかなり出っ張ってしまっています。

3dプリンタでの試作品でしたが思いの外強度があり重量も鉄板(SPCC)よりも軽いのでこれを本番で使用することを検討中です。

次に手の指機構についてです。

以下の画像が中指と人差し指の現在の設計状況です。

この指同士の間隔はサーボモータ1つ分の約3cmとなっており、より人の見た目に近づけるためにもリンクの配置を改良しもう少しきわどいところまで指の間隔を詰めていこうと思っています!

最後に人差し指と中指の3dプリンタで製作した試作品を紹介します。

下の人差し指は試作品としてはほぼ完成で後は中指なのですがネジが足りないのでホームセンターで入手次第進めようと思います!!!

以上、小山。

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