11月26日発売 書籍『わかる!電子工作』にArduinoで動かす4足歩行ロボットを掲載して頂きました!

【電子工作/Arduino】3Dプリントパーツで作るロボットアームに挑戦!その①

電子工作に3Dプリンタってほんと最強のコンビですよね!
昨年末あたりから電子工作という趣味を始めましたが、3Dプリンタという道具を導入し非常に役立っています。
どんな趣味にでも便利に使えるのが3Dプリンタですよね。

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特に電子工作という趣味で言えば、ArduinoやRaspberryなどを使いハードを組みそれを動かすためのプログラムを作れても、最終的にはそれを活かすためのボディーやアームなどがなければ動かすことができません。

モデリングなどの知識も必要となってきますが3Dプリンタがあればそれらパーツをサクッと作って動かし、構造を理解する上でも非常に役立ちます。

そんな事で今回は電子工作をやられている方なら一度は作ってみたいと思われる事があるロボットアーム作りに挑戦してみました。
とは言っても簡単に作れるものではなく、現在非常に苦戦して製作している段階なので数回に分けてご紹介していこうと思います。(忘れてしまうので)

現時点では試作段階となり自分への備忘録的な内容となりますが、電子工作好きの方でこれからロボットアーム作りに挑戦してみたいと思われている方の参考になればと思います。

3Dプリントパーツで作るロボットアームに挑戦!

ロボットアームと一言で言っても形状はいろいろとあるかと思います。
以前、4足歩行ロボットを作ったことがありますが、単純に関節部分を2つ使い回転の動きを付ければ簡単な3軸タイプのアームを作ることができそうですが・・・

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今回は関節の形状を変えこのようなイメージで広い可動域を取れるタイプのものを考えてみました。
よく工事現場などで動いているショベルカーみたいな構造のものですね。(何という機構なのかな?)
三角関数の計算なんてすっかり忘れてしまいましたが、イメージ的にはこんな感じのアームを想定してモデリングしCAD上で動かしてみました。

アームの長さや可動域等の計算は合っていると思います。
ベースが出来ればここからモデリングで肉付けして形状を作っていくわけですが・・・

今回は同様な構造のもので非常に良いモデルがThingiverseにあったのでこれをテストモデルとして作ってみたいと思います。
関節を可動させる構造はほぼ同じでSG90などのミニサイズのサーボモーターを想定して作られたモデルなので動作や構造を理解しやすく、3Dプリンタでパーツを簡単に作れそうという事で選んでみました。

参考 EEZYbotARMThingiverse

ミニサイズのアームなので半日あれば3Dプリントパーツは作れるかと思います。(そこそこパーツ数はありますが!)

そして実際に作って動かしてみましたが、現在苦戦しています。
Arduinoで簡単なプログラムを組み一応はこのように動いてくれていますが、SG90サーボモーターではアーム部分の駆動にはパワー(トルク)が少し足りないようです。

製作者の方はアーム部分のサーボにはMG90を使われているようですね。
SG90と同型ですが内部のギアがメタル仕様になっているのがMG90となります。

プラスチックギアが使われているSG90よりも滑らかに動くようですが、私が作ってみた感覚だと90系のサーボでは初動のパワーが足りず指定角度までサーボが動かない時があるためカクカク動き、サーボ本体が結構アツアツ状態となりました。

トルクが足りず指定角度まで動かない場合があるので、その状態ではサーボのモーターは常に動こうとして高負荷状態となり1A前後の電流が流れた状態となります。
この状態が続くとおそらくサーボのモーターが焼ききれそうです。

そこでサーボの構成を変えようと考えています。
SG90と同型のSG92Rという高トルクタイプのサーボモーターなどを考えています。
3Dプリントパーツを使いビス固定しているアーム形状なのでどうしてもパーツ同士の摩擦が生じるため動き出しにはトルクがあるサーボの方が良さそうということです。

SG90のストール・トルク1.8kg/cm(4.8V)に対しSG92Rでは2.5kg/cm(4.8V)と1.5倍ほど高いため、こちらのサーボを使えばスムーズに動かすことができそうですが・・・どうだろうか?

上記動画のようにSG90サーボモーターでも動かすことは可能ですが、ロボットアームなのでスムーズにヌルヌルと動いてくれた方が気持ちいいですからね!

現状、サーボモーターの構成を変えて再度動かしてみようと考えています。
スムーズに動いてくれればいろいろと面白いことができそうなんですが・・・。

動かしてみた感じではアームの操縦は非常に難しいですね。
自分で主要部分のモデリングをしてCAD上で動かし構造は理解できているつもりでしたが、上手く動かすのはなかなか難しいものとなります。
重機オペレーターさんとかなら上手く操縦出来るのでしょうかね!

回転とアームをリフトする動き、そしてアームを伸ばす3方向の操作となるため電子工作的には2つのジョイスティックを使い操作させ、ハンド部分はジョイスティックの押し込みなどで操作する形が良さそうです。

そして、アームの操作が難しかったためこのようなリーダーアームも作ってみました。

各関節部分にポテンショメータを使いアーム角のアナログ値を取得して同様の動きをメインのアームにさせる予定ですが・・・

綺麗に連動して動いてくれると気持ちよさそうなんですけどね。
ベースとなるアーム本体が完成すれば、電子工作的にはいろいろと試すことができるいいモデルとなりそうです。

ステッピングモーターを使い正確に関節部分を動かすなど今後やってみたいと考えていますが、このような1つベースとなるモデルを作っておくと今後の製作に活かせそうです。

最後に!

現在製作途中なので今回はこのあたりにとどめておきます。

ベーシックなロボットアームの構造を理解するには非常に良いモデルだと思います。
実際に作ってみて動かしてみると理解も深まりますからね。

アーム本体の製作や構成パーツ、そしてアームを動かすための小アームの製作など次回あらためて詳しくご紹介出来ればと思います。

【電子工作/Arduino】3Dプリントパーツで作るロボットアームに挑戦!その②

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