設計の手順

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↑今年中は更新時に毎回書きます。
多分、ここは極稀にしか自分でも見ないので。
特に、内定決まった後とか。

今回は設計についての技術情報を公開します。
高専生といえどあくまでも素人のやり方ですので、まあ参考程度ですね。
それに、あくまでも私個人のやり方ですので、人によっては何かしら突っ込み所があるかもしれません。

ただ、やはり最近はKONDOの4000番サーボ等が出回っていまして、「お金をかければいい物が作れる」といった感じになっていると思うんですよね。
初心者が少ない予算で始めるには厳しい環境。
なので、やはり低予算での作成をしている以上は情報を公開し、共有するのが当たり前だと思います。

毎度の事ながら、長いので「つづきはこちら」よりどうぞ。

設計時、私が一番気にしている事は「機動性」です。
私のロボットのデザインがかなり装甲が薄いのも、同じ理由です。

まず、機動性を確保するにはサーボトルクに余裕が必要です。
ところが、私に買えるサーボはトルクの低いものばかり。
そうなると、自然と以下の点が重要になってきます。

・小型
・軽量

軽くする理由は、言うまでも無いでしょう。
小型化する理由ですが、これも結論からすると軽くするのと同じです。

ロボットに必要なサーボトルクは、確か重量と軸間距離に比例します。
なので、脚部の軸間距離が短ければ、同じ重量でもよりサーボトルクに余裕が出来る訳です。
単純に脚部を長くすれば、歩幅は広がりますがそれだけトルクに余裕がなくなります。
さらに、振り子の原理で機体の揺れが遅くなり、それに依存した私の歩行パターンではかなり影響が出ます。
実際に脚部の長さが25cmの機体でテストしましたが、揺れの周期が遅くなりますと、かなり歩行に影響が出ます。

もう一つ、小型になりますと、脚部のピッチ軸間などが短くなります。
パーツが短いと、それだけかかる負荷も小さくなるので、必要な強度が低くなります。
そうなると、それだけで必要な重量が減り、軽量化につながります。

さて、そこまで決まると、さらに機体全体を「削る」作業に入ります。

まず、軽量化の為に必要の無いサーボを削減。
この時点で目的の動作に合わせ、軸配置などを検討しておきます。

次に、小型化の為にサーボの向きなどを検討。
出来る限り狭いスペースに押し込む事により、同じ軸配置でもかなり小さくなります。
サーボケースの加工も考慮し、さらに、コントロールボードやバッテリーの搭載位置も検討します。

今度はフレームの構成。
出来るだけ少ないパーツ数、及び故障時に交換しやすい構成にします。
場合によっては材料を変更し、可能な限り軽量化します。


参考までに過去の機体（Whil）のサーボ重量と全体重量を書いておきましょう。

第3回わんだほー仕様
サーボ：210g
全体：600g

第4回わんだほー仕様
サーボ：360g
全体：650g

ROBO-ONE 1kg以下級仕様
サーボ：480g(?)
全体：780g

この時点で明らかですが、かなりフレームでの軽量化が可能です。
現時点では、1kg以下級大会の参加機体を修正し、さらに60gの軽量化に成功しています。
これはバッテリー重量がわんだほー参加時の半分程度なので50gは差がありますが、無線の受信機の重量もかなり違うため、ほとんど差は無いと思っても良さそうです。
なので、バッテリー重量なども計算しますと、以下の通りになります。

230g
↓
170g
↓
180g
↓
120g

まあ、途中で機体の大型化（身長で言うと1.5倍）があるので、それも考えると設計を重ねるごとに軽量化が進んでいるとわかります。

さて、軽量化のコツですが、一番重要なのは余計なものを乗せない事。
それと、板材を使う場合は出来る限り薄いものを使用。
場合によっては加工済みで販売されているFRP、つまりミニ四駆用のFRPバンパーの使用も検討していいかもしれません。
これはリンクに利用しやすいので、リンクの多い機体ではかなり軽量化できます。

また、パーツ構成変更では極端な軽量化も可能なので、しっかり検討する事をオススメします。
1kg以下級大会参加時の機体を改良する時、構造上胴体が重くなったにも関わらず、最終的には軽量化に成功しています。
これは、脚部の構造変更により、両脚で100gの軽量化に成功したためです。
（以前は「80g近い軽量化」と書きましたが、その後の調整でさらに20g軽くなっています。）
比重0.7の素材でこの軽量化なので、アルミで行った場合はもっと軽くなるでしょう。
まあ、その場合は最終的な重量も少し重くなりますが。

さて、フレーム構成まで考えたところで、もう一度機体全体を見直しましょう。
場合によってはサーボの追加又は削減、及び配置の変更なども検討します。
更には必要なネジの本数、ワッシャーやナットの有無、機構の廃止なども考えましょう。
ただ、あくまでもメンテナンス性は確保しておきましょう。
私はいつも、バッテリーはネジ1本外せば交換できるようにしていますし、コントローラの配線もすぐに弄れるように調整しています。
また、M3のネジはポリカーボネートのものが出回っていますので、それに変更してもいいかもしれません。


現状、設計に関して私が提供できる情報はこの程度です。
私の「軽く」「小さく」のコンセプトはここから来ている訳ではありませんが、1年前に考えた方向性と一致しているので良いとしましょう。
ちなみに、上記のなけなしの技術情報は、その1年前に考えたものです。

それにしても、数字にしてみるとまだ重く感じます。
特に、これから20軸程度の機体を作りたいと思い始めていますので、もう少し軽量化を意識したいところ。
何より、かなり外装の多い機体ですので、より重量が関係してきますから。
以上、いつも通り長文失礼しました。