注目キーワード
  1. Photoshop
  2. Python
  3. Raspberry Pi
  4. Arduino

二足歩行ロボットを個人で自作する~腕の設計

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:腕の設計例

を知ることができます。

 

まずは「腕の設計」ということで二足歩行ロボットの片腕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腕の機構

では早速、二足歩行ロボットの腕の機構を考えていきます。

 

KHR-3HV ロボットの機構

まずは有名な二足歩行-人型ロボットの「KHR-3HV Ver2」の機構を見ていきます。

robot-arm-create_01

(図は近藤科学HPから引用)

KHR-3HV Ver.2 リフェバッテリー付きセット

 

KHR-3HV Ver2は近藤科学社製:KRS2000系のサーボモータを使用しているため、コンパクトな二足歩行ロボットとなっています。

特にKHR-3HV Ver2の腕の機構は「3軸(pitch:2軸、roll:1軸)+ 1軸(yaw:ダミーサーボ)」となっており、Youtubeなどに上がっているKHR-3HVの動画を見ると、3軸で十分動作できていることが分かります。

 

したがって、腕の機構は「3軸、4軸」あれば良いことが分かりました。

 

ROBO ONE公認ロボットの機構

続いて、ROBO ONE公認ロボットの機構を見てみましょう。

robot-arm-create_02

(図はROBO ONE公認ロボットのページより引用)

ROBO ONE 公認ロボット

 

こちらは、先ほどのKHR-3HV Ver2と比較すると手先のyaw軸がありませんが、「3軸(pitch:2軸、roll:1軸)」という点で共通しています。

またROBO ONE公認ロボットということもあり、肘から手先までのリーチが長いのが特徴だと感じました。

ROBO ONEには重量制限等があるため、必要最低限の動作ができれば良いという理由から軸数を減らしているのかもしれません。

 

以上のことから、腕の機構は

腕の機構・軸

肩の付け根:pitch軸

肩関節:roll軸

肘関節:pitch軸

手首関節:yaw軸

とすれば上手く動作させることができると分かります。

 

また重量を気にする場合は、手首関節のyaw軸を無くしてもOKということも分かりますね。

 

やはり、製品化しているロボットの機構から学ぶのが一番の近道になると思います。

 

二足歩行ロボットの腕をCADで自作する

参考とする機構や、軸数を調べ終わったら、実際にCADで二足歩行ロボットの腕を作成していきます。

 

ロボットの腕をパーツごとに設計する

ではサーボの連結などを行うためのパーツを、各関節ごとに作成していきます。

このとき、使用するサーボモータ、サーボホーンの寸法に誤りがないように設計をしましょう!

また、使用するサーボモータの配線が通る隙間もしっかりと作ってあげましょうね。

 

ロボットの肩関節

まずはロボットの肩関節にあたる接続部分です。

pitch軸とroll軸に回るよう、かつ可動域が制限されないような形状にします。

robot-arm-create_04

 

曲部は3Dプリンターではなくアルミで作成したいのですが、時間・手間などを考え3Dプリンターで印刷をします。

肩関節の先端が円形になっている理由は、roll軸が回転したときの干渉を防ぐためです。

 

ロボットの肘関節

続いて、肘関節にあたる部分になります。

roll軸と肘のpitch軸のサーボモータを接続するためのパーツになります。

robot-arm-create_05

このパーツ2つでサーボを挟むことで、肩と肘の接続を行います。

 

こちらも肩関節同様、サーボのホーン周りを円形にして可動域が制限されないように気を付けます。

さらにこのパーツは肩関節の回転時に支えとなるので、ねじ頭がパーツに収まるように設計しました。

ねじ頭などの規格は下記サイトから寸法をチェックします。

 

よくわかる規格ねじ

 

ねじ頭の隠し方などは「タミヤ」のプログラムロボット、工作シリーズを参考にするとより設計の幅が広がると思います。

 

ロボットの手首関節

続いて、手首関節にあたる部分になります。

肩関節のパーツと同様に設計し、pitch軸とyaw軸に回転できるようにします。

robot-arm-create_06

yaw軸については無くてもOKなので、このような形状で作る必要はありません。

ですが、あとあとサーボを買い足したときに使えるようにしたいので、このような形状にしました。

 

ロボットの手本体

最後にロボットの手本体を設計していきます。

手に関してはワイヤー駆動にして把持できる機構にしたいのですが、取り敢えず「球体ジョイント」で手本体を作成することにしました。

 

プラモデルなどでよくみる「回転できるジョイント」にすることで手本体を動かせるようになります。

 

●手のジョイント

robot-arm-create_07

手のジョイントはサーボモータの上下のどちらかにねじ止めするため、このような機構になっています。

 

●ジョイントの対となる、手本体

robot-arm-create_08

手本体についてはジョイント側と寸法を合わせて回転できる大きさにします。

また手の形をそのまま実物にすると、かなりの時間がかかってしまうので、肉抜き(シェル機能など)を忘れないようにしておきます。

 

ロボットの腕をアセンブリする

各関節部分の設計が終わったら、アセンブリして寸法誤差・見た目を確認します。

robot-arm-create_09

アセンブリ時に

taku
ここの寸法が合ってないな~

ということが多々あるので、実物にするまえに入念に確認をしておきます。

表示モードを変えることで、可動域の干渉が見やすくなりますよ。

 

ロボットの腕のシミュレーションする

アセンブリが終わったら、実際に動かしてシミュレーションを行います。

ここで各パーツがぶつかってしまったら、再設計をして可動域を確保しましょう。

robot-arm-create_10

 

始めから可動域のことを考えるのは難しいと思うので、

パーツの設計➡アセンブリ➡パーツの修正➡アセンブリ

を繰り返して、設計していくと良いと思います。

 

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腕の設計でした。

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。

robot-arm-create-top_CHAROT
学びに関する情報をチェック!