12 07 29

RCA_IDE_Gizmo

 Gizmoプロジェクト。ここまでのプロジェクトでは多角的な視点で背景を語れるようなアウトプットが求められていましたが、このプロジェクトは非常に単純な要項しか求められません。機械的な構造を含んだものを作りなさいというお題です。が、設計時に必要となった数値を可能な限り明らかにすることだけは義務付けられています。3週間のソロプロジェクトです。
 何でも良いと言われると、逆に何を作るべきかで迷ってしまいがちです。僕も基本的な方向性は早めに決め打ちしたのですが、具体的なアイデアに落としこむのに悩みました。とりあえずストーリーから考えてみようと思い、身体に影響を与える空想の生物のような設定を考えました。体表に生息するロボットのようなイメージです。センサーやアクチュエータを積んでいれば、体温や皮膚の状況のログを取ったり、神経に刺激を与えながら体表を移動していくロボットになりそうだなと。とりあえず必要な機能は、ナメクジのように様々な面に張り付きながら移動できることとして設計を始めました。
Gizmo Project. The old projects so far in IDE required outputs has multi view points back ground. But this project only require pretty simple things. The subject is making something including mechanical factors. We were supposed to try to make numbers clear including calculation of mechanical design. This is 3 weeks solo project.
In case of you got the condition you can make whatever you wanna do, sometimes you tend to be wonder. I decided basic direction in early phase but I wondered to lead the direction to concrete idea. Finally started with considering the story, I set the assumption of imaginary creature relating to the human body. The image of the work is a robot living on the body surface like epizoon. If they have sensors and actuators they can collect the log of body temperature or skin condition, also they can stimulate the nerve with changing their position by themselves. The design started with fundamental factors of condition, it has to move on the curvy surfaces with adhere well like slug.

120722_1120722_2
120722_3120722_4

 必要な要件は「1:体表の曲面に沿うことが出来る程度の柔軟性」「2:粘着性のある部位が常に接地するような移動」の2点として考えました。1個のモーターで全体を駆動できて、位相の異なった角度の足が360度分あるゲジゲジのような機構を思いつきました。1個のウォームギアと位相が30度ずつズレている足の付いたウォームウィールという構造です。歯数12のウィールに対してギアが一条(細長いウォームギアが1回転する毎にウィールの歯が一枚送られる構造)なので、このモデルでの減速比は1/12ということになります。それぞれの足先に粘着性のあるシリコンのカバーのような物を被せれば、ナメクジのような移動が実現出来るのではないかと考えたわけです。
 ところで、話が逸れますがこうしたギアなどの機構で遅い回転を取り出すのにはいくつか理由があります。DCモーターは原理上、早い回転を生むのには適していますが力強い回転を作ることは苦手です。多くの用途で、そんなに早い回転は要らないけど、もっと力(トルク)の強い動力が欲しいということがあります。例えば今回のロボットを歩かせるのに15000rpmなんて回転は必要無いですが、ロボット自体の重さを引きずりながら歩くだけのトルクが必要です。電圧の変化で速度を変化させることもできますが、トルクが増すわけでは無いので有用ではありません。そこでメカニクスの出番です。先に書きましたが、減速比というものがあります。ギアなどの組み合わせによって回転数を減らしながらエネルギーを伝達していく際の「どの程度回転数が減ったか」の値です。回転数が減っても同じ量のエネルギーが伝達されているわけですから、それは力強さとして伝えられます。つまり高回転低トルクのモーターから低回転高トルクの力を取り出すことが出来るのです。エネルギーは伝達される際にロスが発生しますが、それを無いものとして考えると減速比1/12の場合トルクは12倍になります。
 まだ全体の重量や使用するモーターの仕様が決まっていないのでこの設計は検討用の暫定的なものです。
Requirement 1 is “Flexibility can be suitable for the curvature of body surface”, requirement 2 is “The moving way which always faces the surface with a sticky part”. And I got 1 idea one motor can drive whole body consists of the legs with different phase angles. One worm gear and different angle worm wheels, each wheels sets the angle for every 30 degrees. The each wheel has 12 teeth and single thread gear so the reduction ratio is 1/12. I thought if this mechanics get sticky covers on the edge of legs, it can move on the curvy vertical surfaces like slug.
By the way, there several reasons to make slower rotation by using mechanisms. Because of theoretical property, DC motor is suitable for making high speed rotation but not good at generating high power rotation. In many ways, we don’t need such a high speed rotation but need more high torque power. For instance, in case of this robot I don’t need 15000rpm rotation to make it movable but instead of high speed rotation I need more torque enough for moving the weight of robot itself. I can change the speed of rotation by changing the voltage but it doesn’t mean increasing torque so this way is useless. So I needed to make mechanics. There is reduction ratio which means how rotation speed is reduced by combination of the gears or other mechanical components for transmitting energy. Same amount energy transmitted even though the rotation is reduced, energy is transmitted as power. Using this theory we can generate low speed high torque power from high speed low torque motor. In generally there is energy loss in transmitting process but as a principle reduction ration 1/12 is equal to by 12 torque.
This design is still temporary edition for study because whole weight of the robot itself and specification of the motor is not fixed at this time.

120722_5

120722_6
120722_7
120722_8

 基本的な駆動方法はこの構造でいくとして、このままだと柔軟性がありません。どのような設計にしようか迷っていると、技術指導のチューターにシャフトカプラを使用することを勧められました。シャフトカプラとは、回転するシャフト同士を接続すると同時に、バネのように切り抜かれた構造を持っているために柔軟性を持たせることの出来る部品です。ナイロンSLSという方式の3Dプリンティングで出力すると良いというアドバイスもあり、ウォームとシャフトカプラを一体成形したパーツとして設計することにしました。また、使用するモーターもただのDCモーターよりもギアードモーターという遊星ギアが内蔵されたモーターの方が減速比が稼げるという点を踏まえて選択しました。モーターの回転数に基づいてギア比も変更してあります。モーターに内蔵されたギアの減速比は1/4、ウォームギアとウィールによる減速比は1/19で、モーターの回転数は最小駆動電圧3vの時に350rpm、最大電圧12vの時に1800rpmです。モーターの回転数はウォームによって減速されるので、脚は最小電圧時に3~4秒に一回転、最高電圧時に1秒で1.6回転ほどになります。また、今回はギアの設計に関してはインボリュート曲線を用いていません。が、このような小さなスケールの場合は伝達効率はある程度無視できると判断しました。
 ウォームギアとウィールを固定するブラケットも設計しました。各々のウィールがギアの回転につられてギア上を回転してしまわないように拘束をしなければいけなかったのですが、ここは色々と迷いどころの多いポイントでした。ぎっちり拘束してしまうと柔軟性が失われてしまうので、ブラケット同士をつなぐ部分にはある程度の遊びを持たせなければならないのですが、その分量を決める基準が無いので、とりあえず出力してみなければ分からないという状況でした。感覚的に遊びの分量を決めて、試作サーキット一回目の出力、組み上げをして実験をしました。
I decided to use this basic structure for final model but still it racks flexibility. When I was wondering, technical tutor gave me some advices. He recommended me to use shaft coupler. Shaft coupler is a connector for mechanical junction and it has spring like structure so it can give flexibility. Also I got advice using nylon SLS 3d printing for mechanical parts so I decided to make one composite part of worm gear and shaft coupler. I chose geared motor rather than using dc motor. Geared motor has planetary gear inside so it has advantage at reduction ratio. Based on rotation speed of the motor I changed gear ratio of the wheels. Motor has 1/4 reduction ratio and drive 350rpm at minimum voltage 3v, 1800rpm at maximum voltage 12v. This rotation speed is reduced by worm gear to 1/19 so each leg rotate 1 rotation per 3~4 seconds at minimum, 1.6 rotation per 1 second at maximum.
I also added bracket holding worm gear and wheels. I had to design this bracket to avoid each wheel rotate on center shaft so I designed it like connected. I really wondered at designing this section. If I made this part too much stiff, the robot gonna miss flexibility. I needed to design some rooms between the structure but I didn’t have guide information to design it so I tried to print out actual parts anyway. This is the first prototyping circuit.

120722_9

120722_10
120722_11
120722_12120722_13
120722_14
120722_15
120722_16
120722_17

 試作サーキット2週目。1回目の試作のロボットはメカニズム自体は動いたものの、自力で上手く歩行することが出来ませんでした。脚同士のピッチが短過ぎてボディが曲がったときに脚同士が干渉してしまう問題や、モーターを支持するブラケットの設計が悪いことなどがあったからです。全体のパーツの中でモーターが一番重い部品なので、これを上手く支えながら動かなければなりません。1回目で発見した問題点を修正したデザインで2回目の挑戦です。
 無事に歩けるようになりました。プロジェクト自体はここで時間切れ。可能であれば進行方向の転換や無線化などまでやってみたかったのですが、実際に体表を歩けるようになるまではちょっと大変そうですね… どこかで時間があれば改良してみたいです。
The second prototyping circuit. In the first prototype, mechanism itself works well but the robot cannot move. There were some problems, pitches between legs were too short, motor bracket was not designed well. The motor is heaviest part in all of the parts so it must be supported well. I tried second time prototyping circuit with modified design.
Finally it become to be able to move by itself. Project duration was running out at here. If I could I wanna improve some points to control the direction and wireless control. In my impression still there is a long way to achieve the robot can move on the body surface.

120722_18
120722_19
120722_20
120722_21
120722_22
120722_23
120722_24

comments:0

Comment Form
Remember personal info

 

---

SetaS

Blog

---

Category
  • arduino (4)
  • c.V. (9)
  • Card (1)
  • Clothing (1)
  • Conpe (2)
  • Drawing (2)
  • Exhibition (4)
  • fluidDial (7)
  • grass hopper (1)
  • Mac (1)
  • modeling (1)
  • MySQL (1)
  • Other Works (4)
  • Photo (2)
  • Rhino (1)
  • Royal Collage of Art (11)
  • SetaS.jp (5)
  • SONAR (12)
  • traktor (3)
  • web (1)
  • WP (6)
  • Archives
    Get Adobe Flash player