「機械の手」を作りたい[1] アイデア

「機械の手」を作りたい[1] アイデア

kazusiba
kazusiba (ID1085) 2015/04/28
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「手」作りのはじまり

はじまりは私が小さいころ。
映画などに登場する人型ロボットはどれも本物の人間のようにヌルヌルと動く。
では将来、ロボットは人間と同じくらいの動作ができるようになるのか?
自分だったらどのように作るだろうか?

制御方法についてはそんなに詳しくないので、とりあえずハードの方だけ作ってしまいます。

そう考えた時、まず目についたのが、人間の動く部分で最も複雑そうに見える「手」です。
これを機械で作れたらきっと面白い。
そこから長い悩みがはじまりました。

目標として、なるべく人間と同じ動作ができる手を作ること。
これは将来、ロボットの手になった時、人間と同じ環境で生活できるようにする為です。

人間の手は開いたり閉じたりして、物を動かし、持ち上げることができます。
開く&閉じるを再現すればいいのだから簡単。。。ともいかない事情があるのです。

まず、親指以外の指について、第1関節・第2関節・第3関節はそれぞれ開閉方向に動きます。
さらに、第3関節に至っては左右の傾き方向(上右図)にも動きます。

これら一つ一つにモータを取り付けてやると、全部で8個必要となります。
仮に開閉(左右)を一つのモータで動かしてやるとしても、4つ必要です。

幸いなことに、腕の中のスペースは自由に使えますから、モータを小さくすれば作れないこともありません。しかし、小さくするということは力が弱くなるということ。
ただ動くだけで使い物にならないようでは意味がありません。

今、世の中に出回っているロボットハンド(義手)は主に動力として、ラジコンなどで使われるサーボモータが用いられています。小さく、力が比較的大きく、制御が簡単という素晴らしい動力です。

しかし、これを用いても全ての指を動かそうとすると腕が動力で溢れてしまいます。
将来的に中に制御基板、センサなどを入れ、義手として使う場合は更にバッテリーも入れなければいけません。動力だけでいっぱいになるのはダメですね。

とりあえず、必要な動力数をまとめてみました。
親指以外の指は第1関節と第2関節を一緒に動かすと考え、手首の前後左右の動作も含めると、
合計18個の動力が必要になります。

問題は、
1.スペースがない
2.力がない
3. 軽量化

ひとまずこれを解決しようと思います。

いかに動力をまとめるか

解決案として思いついたのは、
一つの動力をソースとして、必要な関節部分だけ動力を得るという方法です。
この構造を使えば、ソースとなる動力だけ大きな力を出せる物とすればいいので、力問題もスペース問題も解決できそうです。

次の問題は、どうやってこの構造を作るかです。
様々な方法を検討し、結果的には下の図(概念図)のようになりました。

中心にモータによって回転する軸とギアがあり、周囲の螺旋状に配置されたギア(赤色)一つ一つが中心のギアに噛み合います。
そのギアが指の関節一つ一つに対応している訳です。
緑の箱は赤色のギアを上下させるための動力です。(下で説明)

上の構造を一つの関節用動力についてだけ見た時、
構造を一言で表すと、「ボルトとナットそしてクラッチ」です。

ボルトとナットそしてクラッチ

ナット(上図中心)を左右に動かないよう押さえたまま回転させると、ボルト部分が左右に動きます。

このナットをお互いに反対方向に回転するクラッチのような部品で挟み、
どちらかを中心のナット部品へ接触させるとその部品の回転方向にボルトが動きます。

これを現実的な構造にした結果、上図のようになりました。

上図の左側真ん中の白い部分がナットを中に含んだ部品です。
実際に製作する時は、接触部にゴムなどを貼り付けることを想定しています。

右の青と緑がそれぞれ反対方向に回転する中心のギアで、右側の赤と橙のギアに伝達します。
そして、赤と橙のギアが上下に動作し、ナットを含む部品に連結します。

この上下の動作にはあまり力を使わない制御用の動力なので、この手の握力に関わる動力は実質1つとなります。

この機構の利点はいくつかありますが、特徴とも言える点が一つあります。

例えば、この手が鞄を持ち上げた状態を保持するとします。
従来の機構であれば、握った状態を保持するには常にエネルギーを消費します。
しかし、このアイデアではねじり方向と動作方向が異なるので、任意の点まで指を動かすとその点から動くことはありません。
これはバッテリーの節約になります。

図だけではとても分かりにくいですね。。。
3Dプリンターが修理中なので、構造がプリントでき次第更新します。

次回は指の構造について・・・

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