ロボット

RaspberryPiと3Dプリンターで作るロボットアーム-フレーム作成-掴むとこ編

掴む所の案を考える

今回はロボットアームの中で一番構造が複雑になる物を掴む所を作っていきます。さすがに構造がすぐに思いつかないので、簡単な絵を書いて色々と考えていきます。

私の頭の中では2種類の案を思いついてます。それぞれの実現可能かなど書いていきます。ちなみに以下の条件を満たしている案を採用していきたいと思います。

  1. 3Dプリンターでプリント可能か
  2. サーボモータ一つで動かせるか
  3. サーボモータの稼働範囲(sg90=180度の稼働範囲)

案1 洗濯ばさみ編

案の一つ目は洗濯ばさみのような構造にすることです。図のような形をしています。

実現可能か考えていきます。まずは3Dプリンターでプリント可能かという点です。構造的に上下二つに分けて(①)、継ぎ目の部分(②)を作る感じにすればいけそうです。作る3Dモデルの数は最低3つになりそうです。

次にサーボモータ一つで動かせるか考えていきます。 上の洗濯バサミの構造の赤い矢印を見てみると、内側と外側に向ける2つの動きが必要です。なので、サーボモータを一つでは2つの動きに対応できないです。工夫すれば何とか出来るかもしれません。

最後に サーボモータの稼働範囲(sg90=180度の稼働範囲)で対応できるか可能か考えていきます。普段使っている洗濯ばさみを手に取って考えてみます。

……まあ、180度は超える動きはしていないです。

結果として、洗濯ばさみ方式は工夫次第でどうにかなりそうです。

  1. 3Dプリンターでプリント可能か
  2. サーボモータ一つで動かせるか
  3. サーボモータの稼働範囲(sg90=180度の稼働範囲)

案2 UFOキャッチャー方式

案の二つ目はUFOキャッチャーのような構造にすることです。絵が下手で分かりにくいですが、図のような形をしています。

実現可能か考えていきます。まずは3Dプリンターでプリント可能かという点です。実際に物を掴む部分が三つ(①)。物を掴む部品を動かす為の部品が三つ(②)。①の3本を合わせる部品(③)が一つ。②の
3本を合わせる部品(④)が一つ 。合計8つの3Dモデルを作る必要があります。

次にサーボモータ一つで動かせるか考えていきます。

一応、サーボモータ一つで動かせそうです。 以下のような順番でアームを閉じたり開いたり出来そうです。

  1. サーボモータが動いて部品④に動力が伝わる
  2. 部品④が上下に動く
  3. 部品④に繋がっている部品③が外側や内側の方向に動く(傘のように動く)
  4. 部品②③に繋がっている、部品⓵が閉じたり開いたりして物を掴む

最後に サーボモータの稼働範囲(sg90=180度の稼働範囲)で対応できるか可能か考えていきます。上下に動かすにはサーボモータ1つ単体では無理です。歯車などを使って回す動きを縦方向に動きに変える必要があります。

結果としてUFOキャッチャー方式も工夫次第でどうにかなりそうです。

  1. 3Dプリンターでプリント可能か
  2. サーボモータ一つで動かせるか
  3. サーボモータの稼働範囲(sg90=180度の稼働範囲)

洗濯ばさみ編 vs UFOキャッチャー方式

それぞれメリット、デメリットがあり悩みます...

どっちも実現できそうなので、作りた方を選びます。




UFOキャッチャー方式を採用します!!! ヾ(*´・ω・)从(・ω・`*)ノ゙

UFOキャッチャー方式で作っていく

初めに③の部品を作っていきます。③の部品は①の部品を取り付ける部分と④の部品を取り付ける部分で構成されています。まずは、土台の部分を作成していきます。

まず土台は3つの①の部品を取り付けるので三角形にしていきます。②を取り付ける部分は三角形の真ん中に円柱を作成して、そこに通す形にします。円柱の長さは試行錯誤の段階なので長めにしておきました。図では40mmにしています。

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土台が完成したので、①の部品を取り付ける部品を作っていきます。①の部品はハンガーのように取り付けることを想定しているので、物干し竿みたいな物を作ります。出っ張りの寸法は①の部品が動かした時に土台にぶつからない程度の長さにします。①を実際に取り付ける部分は円柱にします。図で寸法は直径5mmにします。

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三角形の辺それぞれに①を取り付ける部分を作成すると下に図のようになります。

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また、このままで3Dプリントがしにくいので三角形の角を無くします。

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3Dモデルが完成したら3Dプリンターでプリントしていきます。

あれ、これ無理じゃない......????

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重大な欠点に気づく

重要な欠点に気づきました。それも複数の欠点です。

一つ目の欠点は、①の部品を取り付ける部分が全体が縦方向に向いている必要があるということです。ロボットアームは横向きになることがあるので無理です。横向きにすると①の部品をが上手く固定できないからです。

二つ目の欠点は3Dプリンターでプリントするには無理がある構造だからです。不可能ではなく、作れることには作れます。しかし、試しに作ってみると無理でした。 最初の段階で躓いてしまいます。

代替案を考える

代替案は一応、思いついています。前回に提案した洗濯ばさみ方式を採用します。

洗濯ばさみ方式はサーボモータが一つでは足りないという結論になりましたが、工夫して一つで済みようにします。

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従来の洗濯ばさみ方式では①と②の部品を同時に動かすことを想定していましたが、今回の代替案では②を固定して①だけを動かしたいきます。これならサーボモータを①に取り付けて物を掴んでいきます。これならUFOキャッチャー方式と違い歯車で回転の力を縦方向に変えずに直接回転の力を伝えられます。

思ったよりUFOキャッチャー方式より、上手くいきそうです!!

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洗濯バサミ方式で作っていく

UFOキャッチャー方式の作成に失敗しました。 (´・ω・`)

なので洗濯ばさみ方式で試しに制作していきます。少し構造が複雑になるのでパーツごとに分解していきます。 パーツは下のように分解します。

  1. 手首からの動力をアーム全体に伝える為のパーツ
  2. サーボモータを固定する部分、上記①を繋げる部分、掴む所の片側で構成されているパーツ

まずは手首からの動力を伝えるパーツを作成します。これは第一関節や骨と一緒でサーボホーンの溝を作ります。下のように今までと同じような寸法でスケッチを作成します。スケッチが出来たら押し出します。後の流れも他のサーボホーンの溝を掘る作業と同じなので省きます。

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ここから独自の作業です。もう一つのパーツとネジで繋げる部分を作っていきます。先ほど作成した3Dモデルを横方向に伸ばして、ネジを通す用の穴を空けるスペースを作成します。

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伸ばし終えたら、ネジを通す用の穴を作成します。スケッチで横から6mm、縦から10mmの位置に直径3mmの穴を作成します。逆側にも同じように穴を作成します。穴は3Dモデルを貫通させます。このままでは厚みがあり過ぎるので少し薄くします。ネジの長さによって調整していきます。

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完成しました。次はパーツ②を作成していきます。

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パーツ②を作成する

パーツ②を作成していきます。まずはパーツ①とネジで繋げる部分を作成していきます。先程作成したパーツ①のネジ穴に合わせるようにスケッチを作成します。真ん中の33.2mmX10mmの部分はサーボモータを固定する部分になります。スケッチを作成したら押し出します。押し出したら少しネジ穴の部分が少し厚すぎるので薄くします。

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次にサーボモータを固定する部分を作成します。 33.2mmX10mmのスケッチを作成した上方向に押し出します。

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押し出した部分の表面にサーボモータを固定する部分を作成していきます。まずはサーボモーターを嵌め込む穴を作成します。寸法は図を参照してください。スケッチが終わったら、マイナス方向に押し出して埋め込む用の穴が出来上がります。

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ここで気づいたのですが、サーボモーター(sg90)を取り付けるには横幅が足りないので少し横に伸ばします(両端)。一応、5mm程伸ばします。適度に出っ張た部分を無くしていきます。

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サーボモーターを取り付ける部分をネジが取り付けやすい為に少し薄くします。寸法は持っていネジの長さに合わせます。

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次は掴む所の片側を作成していきます。 図のように側面から適当な長さ押し出します。高さはサーボモーターを固定する部分より下に作成します。

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次に図のようにサーボモーターを固定する面と垂直になるように押し出します。ここで押し出す寸法は27mmにしました。固定したサーボモータの寸法+サーボモータに取り付ける部品(掴む所の片側)の寸法を合わせて27mmになる予想です。

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次に上方向に伸ばしていきます。10mmX10mmのスケッチを作成して押し出し、四角柱を作成します。長さをサーボモータを取り付ける部分より上になるようにします。

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最後に物を掴み易くする為に先端を斜めにします。後は自由に3Dプリントし易い用に無駄な角や空中に浮いている部分を最大限無くしていきます。

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キャプションを入力…

片側も作っていく

先程作った片側と組み合わせで使う(物を掴む)ので、先程のモデルを基準にスケッチを書いて寸法を決めていきます。

下の図のようにサーボの中心を設定します。ここで言う中心はサーボモータのネジ穴の中心です。sg90では嵌める溝の右下から6x16mmが中心になります。ここから掴む所の片側と同じ高さまでスケッチを描きます。

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下の図のように物が掴みやすいように角を45度にします。また、ぴったりくっつけるとサーボモータが動いた時に引っ掛かってしまうので隙間をあけます。先端のフックのような箇所で物を掴んでいきます。これで寸法を求める作業が終わったので実際に3Dモデルを作成していきます。

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新規デザインに 先程作成したスケッチと同じ寸法のスケッチを描いていきます。今回はサーボモーターの中心を基準に寸法をもとめたので 、新規デザインの原点をサーボモーターの中心とします。下の図で説明すると(x=0,y=0)の地点になります。

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サーボモータの中心を基準にしてサーボホーンを嵌め込む為の溝のスケッチを作成していきます。寸法は下の図のようになります。注意点としてサーバーホーンの先端は必ず図のような向きにします。逆向きにすると、フレーム同士が嚙み合わないです。

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溝は外枠がないので意味がないので、外枠のスケッチを作成していきます。私は下の図のような寸法にしました。この時もあまり右側に伸ばし過ぎないようにします。フレーム同士が嚙み合わなくなってしましいます。

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先程描いたスケッチを押し出します。片側のモデルと同じ厚みにします。同じ厚みにしないと掴む時に上手く噛み合わないので、しっかり計測して寸法を決めます。

…自分は試作品を作って微調整していこうと思います(´・ω・`)

下の図では厚さ10mmにしています。

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このままではネジで固定する部分がないので、スケッチと押し出しで溝を少し埋めます。
この作業は今までのサーボホーンの溝を作る作業と同じです。私はサーボモータの中心にネジを通す為の穴(直径3mm)を作ります。その後にネジの頭を埋め込む為に直径6mm深さ2mmの穴を作りました。

完成しました。 ╭( ・ㅂ・)و ̑̑  これがサーボモータの動きと連動して物を掴みます。

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この画像には alt 属性が指定されておらず、ファイル名は robot-arm-arm52.png です

長かった作成を終えて

やっとロボットアームのフレーム作成が全部終わりました。まだ稼働テストをしていないので、実際にサーボモータを取り付けて動かしていこうと思います。

恐らくは上手くいかず作り直しになる可能性が高そうです。(´・ω・`)