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二足歩行ロボットを個人で自作する~胴体の設計

ここでは「二足歩行ロボット」を個人で自作するまでの道のりを記していきます。

 

この記事を読むことで

個人でロボットを作るまでの方法

二足歩行ロボット:胴体の設計例

を知ることができます。

 

前回までで二足歩行ロボットの腕、足の設計を行ったので、ここではマイコンや電池を入れるための胴体を設計していきます。

各パーツごとに紹介していくので、是非ロボット作りに挑戦してみましょう!

それでは始めていきますね。

 

二足歩行ロボットの胴体の機構

では早速、二足歩行ロボットの胴体の機構を考えていきます。

 

胴体のサイズを決める

まず胴体のサイズを決める上で最重要となってくるのが

どのようなマイコン、バッテリを搭載するか

です。

小型のマイコンにすればするほど、胴体のサイズを小さくできますし、バッテリも既製品を使用すればその分サイズは小さくできます。

なので、二足歩行ロボットを使って何がしたいのかで設計が大きく変わってきます。

 

使用するマイコンと理由

では今回はどんなマイコンを使うのかというと、非常に便利なラズパイ:Raspberry Pi 4です。

自分が二足歩行ロボットを作成する上でやってみたかったことは

ラズパイカメラを使った画像処理

なので、ラズパイを搭載することに決めていました。

 

robot-body-create-camera1

使用するラズパイ・カメラは上図です。秋月電子通商などで購入することが可能です。

 

カメラ使って画像処理を行うことは二足歩行ロボットなしでも可能ですが

taku
どうせ画像処理を学習するなら機体に搭載して二足歩行させてみたい

という興味関心が強かったので仕方がありません(-ω-)/

 

もちろんArduino Nanoや、Arduinoのような機能を持つ様々なマイコンを使用した方が、サイズ的に小さくできます。

ですが、自分が楽しければOKなので、胴体のサイズは妥協しました。

ということで、使用するラズパイ(Raspberry Pi 4)を収納できるサイズで胴体を設計することになります。

 

使用するバッテリと理由

続いて、使用するバッテリを決めていきます。

基本的にロボットに搭載するバッテリは充電ができるタイプを選びますが、ROBOSPOTなどで買うとどうしてもコストがかかってしまいます。

robot-body-create-battery

図はROBOSPOT WEB SHOP バッテリー・充電器より引用

 

とは言ってもROBOSPOTなどのバッテリは、ロボットに搭載するために販売されているのでサイズ感や充電の便利さは市販のバッテリを使用するよりも格段に使いやすくなっています。

 

反対に、ロボット専用のバッテリを買わずに市販のバッテリを使用する場合は「パナソニック製:エネループ」などの充電式電池を用意しましょう。

robot-body-create-battery-2

エネループ ファミリーセットなどを購入すれば充電器も付属しており、簡単に使いまわすことができます。

ただ電池式の場合、充電の際に

電池を一つ一つ電池ボックスから取り外して充電をする

必要があります。

 

手軽に購入&機体への搭載ができる分、上記のような手間がかかることを覚えておきましょう。

 

ということで、今回は手軽に入手できる「エネループ」をバッテリとして使用することしました。

もちろん設計時には電池ボックスも入るサイズを考えます。

 

腕・足の取り付け方法を決める

胴体のサイズをイメージできたら、腕・足を取り付ける位置や機構を考えていきます。

 

腕の取り付け方

二足歩行ロボットの腕はKHR-3HV Ver2や、HAJIME ROBOTの機構をよく観察すると

pitch軸のサーボを胴体内部で固定している

ことが分かります。

 

robot-body-create-06

↑こんな感じにサーボモータを横から固定する

 

したがって

マイコン・電池の収納スペース

pitch軸のサーボの収納スペース

を確保しつつ設計しなければなりません。

こう考えると、胴体の横幅がかなり必要になると分かりますね。

 

足の取り付け方

足の取り付けは、股関節のroll軸の可動域が制限されないように取り付けることができれば問題ありません。

robot-body-create-07

 

ここでは、足首のroll軸取り付け時に使用しているパーツをそのまま使用して、胴体と両足を接続します。

そのため、胴体の真下にroll軸取り付け用のパーツをねじ止めするためのねじ穴を開けておく必要があります。

 

またroll軸取り付け用のパーツを胴体へ接続するため、その分の奥行(横幅)も確保して設計をすることにします。

 

二足歩行ロボットの胴体をCADで自作する

二足歩行ロボットの胴体の機構、サイズ、腕・足の取り付け方法がおおよそ決まったので、胴体となるパーツをCADで作成していきます。

 

ロボットの胴体をパーツごとに設計する

胴体のパーツはラズパイ、バッテリなどを搭載することから、そこそこの大きさになることが予測されます。

したがって、一度胴体全体をCADで作成してから、前面と後面に分けてアセンブリをすることにします。

 

ロボットの胴体-前面

まずは二足歩行ロボットの胴体-前面になります。

胴体上部には胴体用のフタを取り付けるため、立方体の穴を空けてあります。

胴体下部には両足を取り付けるため、ナット埋め込み用の凹みとネジ穴の直径分穴が空いています。

robot-body-create-01

 

胴体側部は両腕のpitch軸を固定するためにネジ穴分の穴が空いています。

その他の穴は

重量軽減のための肉抜き

配線類を通すための隙間

の役割をします。

 

特にモーターの信号線を胴体内部に集めるためには、どこから配線を通すかがすごく大切だと実機を作成して痛感しました。(-ω-)/

配線やねじ止め箇所を綺麗に隠すことができるように、日々研究が必要ですね~(>_<)

 

ロボットの胴体-後面

続いて、二足歩行ロボットの胴体-後面になります。

こちらも全面同様のパターンで肉抜きやネジ穴を空けています。

 

robot-body-create-02

 

ただ、一点異なるは

後面にバッテリ、マイコン交換用のスペース

を確保している点です。

 

なぜこのようなスペースが必要かというと、機体を完成&組み立てた後に、バッテリ・マイコンを取り出せるようにするためです。

特に、充電式の電池を電池ボックスで使用する場合は、充電切れのたびに電池ボックスを取り出す必要があります。

このようなときに、バッテリ・マイコンを取り出せるスペースがあると簡単にメンテナンスが可能になるわけです。

 

こういった理由から以下のようなフタも作成しました。

robot-body-create-03

フタをアクリル等で作成しておくと、胴体内部の様子≒マイコンの動作を確認・チェックすることができるのでオススメです。

 

ロボットの胴体-上部

最後に、二足歩行ロボットの胴体上部のフタを作成します。

 

二足歩行ロボットの胴体上部には

頭部回転用のサーボモータ設置スペース

信号線の通り道

を確保したいので、フタの上部はこれらを実現するための設計になっています。

 

robot-body-create-04

 

胴体前面と後面と接続するための凹凸を作成して完成です。

 

ロボットの胴体・腕・足をアセンブリする

二足歩行ロボットの胴体となるパーツの設計ができたら、実際にアセンブリして確認してみます。

胴体は

両腕・両足を固定し、バッテリ・マイコンを収納するための非常に大切なパーツ

になるため、入念にアセンブリを確認します。

 

robot-body-create-05

 

両腕・両足をアセンブリし、バッテリ・マイコンに必要なスペースの確保や配線の通り道が十分空いていれば、問題ありません。

 

ここまで完成して、問題がなければ3Dプリンターなどで実物を作成しましょう。

 

以上、二足歩行ロボットの胴体の設計でした。

個人でロボットを自作したい方のお役に立てれば幸いです。

お疲れ様でした。

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