東京工業大学 ロボット技術研究会

東京工業大学の公認サークル「ロボット技術研究会」のブログです。 当サークルの日々の活動の様子を皆さんにお伝えしていきます。たくさんの人に気軽に読んでもらえると嬉しいです。
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たのしいロボット帝国

「ロボット技術研究会」通称「ロ技研」は、その名前の通りロボットの制作や研究はもとより、電子工作や機械工作、プログラミングなどの幅広い分野にわたるものつくり活動を行っています。

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Matlabで非円形歯車作ってみた その2

これはrogy その2 Advent Calendar 14日目の記事です.
全然登録してる人いないけど,その2もよろしく. 

前記事に引き続きおにぎりです.
設計手法は前記事にあります.本記事では製作編です.


4. 実際に作ってみた

さぁいよいよお待ちかね!実際に作ってみましょう!いや~~楽しみですね~~~!!!

せっかくなんで色んな種類のものを出力してみました.
・四角っぽいの


・おにぎりっぽいの


・楕円


・偏心円



これらをCADで読み込ませて~

設計?

 これを適当にデザインしていきます.

あとはレーザー加工機でアクリルをバーッと切ってやりまして,完成~♪
 実物
いや~かわいいですね.
実際に回してみると……


ちょっと軸のつくりが雑ですが,きれいに回りましたね.うまくいきました.




5. まとめ

今回はMatlabを用いて,目的の角速度比で伝達する非円形歯車を作成するプログラムを作りました.需要があればプログラムも公開しようかな.とは言っても適当な理論のプログラムなので,あるとは思えんが…….次はちゃんと接触理論を学んでから歯の設計がしたいですね~. 

話を持ち掛けて少し手伝ってくれた天文部のK君ありがとう.みなさんもぜひ来年の工大祭にて天文部の出し物のどこに非円形歯車が使われているか観察してみてください.

僕も将来就職をしたら,社会の非円形歯車の1つになって,しっかりと世の中にかみ合っていけるよう頑張りたいと思います.



6. おまけ

適当に設計した非円形歯車を個人的期待度単調増加中のFusion 360というフリーのCAD/CAMソフトを使ってレンダリングしてみました.
非円形歯車2

かっこいい!!!
あまりにかっこよかったのでデスクトップ画面にしてしまいました.
このデスクトップ画像を見ながら研究頑張るぞい


さぁて明日の記事は,ロ技研の姫ことふぁいたんの「Procedural programming」です.なんかすでにブログの下書きの記事があるのでチラ見したんですけど,機械屋の僕にはちんぷんかんぷんっすね…….プログラミングガチ勢に前後で挟まれててブルブルしながらバトンタッチ.



Matlabで非円形歯車作ってみた その1

これはrogy Advent Calendar 14日目の記事です.

機械系の記事が少ないので機構系の話を書いていきますぞ.

 

どーも.今年NHKロボコンチームMaquinistaを定年退職しましたおにぎりです,

現在は卒論研究をしながらきままに卒論研究する毎日を送っています.

 

1. 前置き

僕は2年前,工大祭やMakerFaireTokyoなどで非円形歯車を展示していました.非円形歯車とは,名前の通り「丸くない歯車」です.丸くなくても設計次第では回るんです.不思議ですよね.現在,少しデザインを変えてものつくりセンターの入り口にて展示させて頂いてます.

S__30670852


 こいつらはどうデータを製作していたかといいますと,Gearotic Motionという怪しい海外ソフトのデモ版で怪しい使い方をして無理矢理出力していました.最初は自力でデータを作ろうと思っていたのですが,理論を考える途中で挫折してしまったのでした.

 

そこで先日,この展示を見て頂いた東工大天文部の後輩K君という子が僕を訪ねてきました.話によると,どうやら来年の工大祭に向けてある出し物を製作中だそうで,その一部に非円形歯車を用いたいとのこと.それも,「仕様通りの角速度比で伝達」したい,という相談でして,僕の以前使っていたソフトを使う場合は有料版(高い)を買わねばできません,さて困った.うーん,手軽なソフトだけでなんとかできないかな……ん?そうだこれだ!

 

Matlabさんがいるじゃないか!!!!

※東工大生にとっては無料でインストールできる手軽なソフトです


 
さて,ここからが本編です,
そんなこんなで,Matlabを用いて,一度は挫折した完全自作の非円形歯車製作をしましょう,という風になりました.(全くもってMatlabである必要はない.ほんとにただそこにあったから.)
23項ではこの設計手法を簡単にかいていきます. 


注意事項
~読むのが面倒な方へ~

 2,3項はできるだけ分かりやすくかつ必要最低限のことを書いているつもりですが,やや専門的で長い説明になってしまっているので,作った結果だけ知りたいという人は飛ばして次の記事の結果編だけ見てくださっても構わないです.


~しっかり読んでくださる方へ~

一部怪しいこと書いてるので,正しい表現とは限りません.また,そういった表現をもし見つけたらこっそりコメントで教えてください.


~専門の方へ~

 許してください.

 


2. 非円形摩擦車の作成

まずは歯のついていない,非円形摩擦車を考えていきます.つまり,つねに転がり接触をする2つの曲線を作ろうというわけです.転がり接触点の定義(怪しい)を簡単に表すと,

①運動中,その点で物体同士が接触している

②運動中,それぞれの物体上でのその点の速度が一致している

の2つです.

2つの曲線がそれぞれ$\phi_1$,$\phi_2$だけ回転中心$O_1$,$O_2$(すなわち回転軸)で回った時の,接触点における転がり半径を$r_1$,$r_2$とします.また,その回転中心間の距離(軸間距離)を$a$とします.このとき,条件②を満たすように,接触点の速度方向を一致させるには図1のように接触点は2つの回転中心を通る直線上になければなりません.今後,図の左にある歯車を駆動側,右にある歯車を従動側とします.すなわち,左から右に動力を伝達しているという風にします.

NCG図1
図1  非円形摩擦車の転がり接触点

すると,条件①より,
$r_1+r_2=a \tag1$
となります.また,条件②より,それぞれの点での速さ$\upsilon_1$,$\upsilon_2$も一致するので

$\upsilon_1=\upsilon_2 \tag2$

となります.ここで,$\upsilon_1$,$\upsilon_2$はそれぞれ,

$\upsilon_1=\frac{d\phi_1}{dt}r_1 \tag3$
$\upsilon_2=\frac{d\phi_2}{dt}r_1 \tag4$
で表されるので,式(2)~(4)より,
$\frac{d\phi_2}{d\phi_1}=\frac{r_1}{r_2} \tag5$

であると分かります.すなわち,2つの物体の転がり運動の角速度比はその時のころがり半径比である,ということになります.(言われりゃ当たり前だよね)

 あとは設計関数である$d\phi_2/d\phi_1$(以下$f(\phi_1)$)と軸間距離$a$を決めてあげることで式(1)(4)より極座標として摩擦車の外形形状が次のように決まります.

$r_1=\frac{f(\phi_1)}{1+f(\phi_1)}a \tag6$
$r_2=\frac{1}{1+f(\phi_1)}a \tag7$
ただし,$f(\phi_1)$は以下の式を満たさないと周長が一致しないので注意です.

$\int_{0}^{2\pi}f(\phi_1)d\phi_1=2\pi \tag8$

これは,例えば設計関数を式(8)を満たすように定数倍してあげることで解決しますね.

てなわけでこれをMatlabで実装してみました.プログラミングなんてほとんどしない僕はこれだけでも少々手こずりました.

例えば軸間距離を50mm,設計関数を
$f(\phi_1)=1+\frac{\sin 4\phi_1}{4} \tag9$ 

とします.すると,角速度比曲線と計算された非円形摩擦車は図2,3のようになります.
角速度比曲線
図2 与えた角速度比曲線


摩擦車
図3 出力された非円形摩擦車

それっぽいですね.よりそれっぽさを確かめるために,回してみましょう.

 
うん.それっぽい.

しかし,このままでは摩擦による動力伝達なので,途中ですべってしまうとうまく接触しなくなる可能性がありますね.というわけでここに歯をつけていきましょう.



3. 摩擦車に歯をつける

 はい,ここからが僕の知っている限りオリジナリティのある方法です.2年前はここで挫折しました.

注意事項2
 ここまではほぼただの転がり接触理論の話で,解析的に正しい方法でしたが,ここから下は僕が考えた「怪しい方法」です.レーザー加工機での加工を前提としているので,「この加工精度ならバックラッシは多少あっても引っかかりはなしに動くっしょww」というノリです.接触理論をまじめに考えているわけではないです.ご了承ください.


3.1. 歯の位置と向き
 先ほど作った摩擦車の外形を製作する非円形歯車のピッチ曲線とします.ピッチ曲線とは,歯車同士のかみ合い点をつないだ曲線で,円形歯車ではピッチ円と呼ばれるものです.まずはこのピッチ曲線を,決められた歯数zだけ等分割する点を求めます.ここに歯を置いていくわけです.まずは左の駆動側の歯車において,この等分割する反時計周りで$k$番目の点の座標を$\boldsymbol{P_{z1}} [k]$  $(k=1,2,⋯z)$とします.この点に歯を生やすわけですが,生やす向きが重要です.かみ合い点において,2つの歯車のピッチ曲線は常に接線が共通であるため,ここではピッチ曲線の法線方向に歯を生やすことにします.てなわけで数値微分を行って歯の向きの座標変換用に接線単位ベクトル$\boldsymbol{t_1} [k]$と法線単位ベクトル$\boldsymbol{n_1} [k]$を数値計算で求めます.従動歯車においても同様です.これで,歯を置く位置と向きが決まります(図4参照).

NCG図4
図4 歯を配置する位置と向き

で,実際に先ほどの例に当てはめてみると図5のような感じ.歯車っぽくなってきた.
歯の位置
 図5 出力されたピッチ曲線上に配置する歯の位置と向き


3.2. 歯の形

次は歯の形です.これがやっかいです.ここでは簡単に,そこでのピッチ曲線の曲率にあったインボリュート歯形を採用することにしましょう.まずは歯の大きさであるモジュール$m$をどうするか.これは,円形歯車でのモジュールの定義を拡張し,
$m=\frac{L}{\pi z} \tag{10}$
とします.なお,$L$はピッチ曲線長を指します.当然この$m$は,2つの歯車の全ての歯において共通とします.モジュールの次にインボリュート歯形を決定するのに重要なパラメータが,ピッチ円直径です.しかし,当然非円形歯車にピッチ円直径という概念はありません.そこで,ピッチ円直径の代わりにそこでのピッチ曲線の曲率半径×2の値を用いるわけです.曲率半径は,$\boldsymbol{P_{z1}} [k-1]$,$\boldsymbol{P_{z1}} [k]$,$\boldsymbol{P_{z1}} [k+1]$の3点を通る円の半径$R$とします(図6).この$R$は正弦定理とかで簡単に求まります.この円の中心が$\boldsymbol{P_{z1}} [k]$について$O_1$と反対側にある場合,$R<0$とします.要するに,凹んでる部分は曲率半径が負だよってことです.
NCG図6
図6 曲率半径$R$

曲率半径によって変わる歯形の様子を図7に示します.$1/R\to 0$の時はラックのような,$R<0$の時は内歯車のような歯形になります.なお,インボリュート歯形の基礎円以下のところは適当に直線でつないでます.
歯の形
図7 曲率半径によって変わる歯形の様子

3.3. 歯のあてはめ
これらを当てはめてつなぐとようやく外形の完成です.お疲れ様です.
先ほどの例における元のピッチ曲線と歯を当てはめて作った非円形歯車の外形を図8に示します.
歯が生えた
図8 元のピッチ曲線(一点鎖線)と出力された非円形歯車(実線)

いやー,かっちょいいですね.まわしてちゃんとかみ合うか確かめてみましょう.

おぉ!良い!良いぞぉ!


あとはこれらをDXFLibを用いてdxfにて出力して,CADで適当に設計して作るだけですね.次の記事へGO!

参考文献:大学課程 機構学 改訂2版 (稲田重男・森田鈞・長瀬亮・原田孝共著)



スパッタリングをやってみた                         かった

こんにちはっ! たくあん(@matiouke)です.約一年ぶりの記事です(一年前の記事はこちら).こちらはrogy Advend Calendar2016 9日目の記事となります.

今年一年はアレやコレで失敗続きで,なかなかブログにまでこぎつけませんでした.でも大丈夫!  今回はブログ記事のために1カ月準備して,しかも確実にできる内容ですから! がっはっは

注意

 この後失敗した話が続きます.

注意2

 技術記事じゃないです.当初は技術記事の予定だったんだけど,ねえ? それとこの記事に書いてある内容を参考にする場合は当然すべて自己責任でお願いします.

スパッタリングって?

 スパッタリングをご存知でしょうか? 理系の中では知っている方も多いでしょう.簡単に言うと,「電気の力で原子を加速,ターゲット(だいたい金属)にぶつけてはじき出し,基板(目標物)に蒸着させる(くっつける)」という加工技術です.この技術はmemsnems(マイクロメートルやナノメートルの大きさの電気機械)に用いられます.回路とか機械要素とかね.微細な金属の蒸着の中で,スパッタリングの特徴は,
・付着力が強い
・合金の蒸着も可能
・成膜が緻密
あたりが挙げられます.って授業で習った.
授業中,うつらうつらしながらふと思ったのです.この技術を使えば,年賀状を金ぴかにできるかも!? ロボットの塗装代わりに使えるかも!?(明らかにオーバースペックだけどね.ロマンロマン)

ならば

  やってみよう! 今回はそういう記事.

なんと! 我らが東工大にはスパッタリング装置があるのです!

スクリーンショット (257)
ばーん

 てな訳で講習会に予約.ターゲット用にアルミニウムとか真鍮を用意して,基板にMDFやアクリルやステンレスを用意して,ワクワクドキドキ…….えっ1時間500円? 講習会5時間? うう……仕方が無い…….まあ今回はスタッフの方と一緒にやるわけだから,絶対にうまく行くし.

そんなわけで 

講習当日

「研究室に所属していないと使用は認められない」 










~完~








使用が認められない理由

 作業者がケガをしたり,工作機械を壊してしまったときに,責任を取れる人がいないといけない,という至極まっとうな理由でした.ものつくりセンターにはお世話になっていますし,尊敬しています.この判断が間違っているとはまったく思えません.ただ,ガッカリ.

以上が前置きで 

出来る男は第二第三の手段(逃げ道ともいう)を持っておくものです.今回やりたかったのは年賀状とロボットを金ぴかに! でした.よって以下記事タイトルを変えます.

どうやったら紙やアルミニウムに金ぴかな表面皮膜を作れるか?


答え
IMG_20161203_231345[1]
東急ハンズでポイポイ買ってきました

 こちらは吉田金糸店スタンピングリーフというもので,上からアイロンをかけると下に金ぴかが移るよ! というものです.金膜を移せる場所はレーザープリンタで印刷したところ,あるいは糊付けされたところだけです(簡易版シルクスクリーンみたいなもの).糊(普段は乾燥している)層,金膜層,フィルムのような構造になっています.詳しいやり方は公式にお願いするとして,指示に従って進めていきます.レーザープリンタは安心と信頼,セブンイレブン・マルチコピー機で行いました. とりあえず紙に転写してみましょう.

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 ひとりぼっちの地球侵略を個人的に応援しています

なかなか綺麗に印刷できました.じゃあ今度は年賀状でやってみましょう.まあ失敗する余地はありませんがね.セブンイレブン・マルチコピー機を用いて,
IMG_20161204_183441[1]
こちらの住所は大学の住所であり,部室まで届く保証はありません

この文字を金ぴかにしてやりますぞい……ほいっ!
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 転写失敗? 文字がボケている?

失敗しました .原因は今のところ謎です.実はハガキ印刷だけはインクジェットだったとか? 加熱時間が長すぎたとか? ハガキの紙質が悪いとか?(吉田金糸店ではサンプル例にハガキがあるので,多分自分のミス)

 まあ,まあ…….別に年賀状が金ぴかでも,送る相手がいませんから.年末の忙しい時期,あまり考察している時間はありません.次に進みましょう.

スタンピングリーフを紙以外に転写する

 スタンピングリーフをこうやって利用すると,転写しなかった部分はシートが残ります.こちらを使えばプリンターを使えないところにも印刷ができます.これでアルミニウムの板に金膜を貼ってみましょう.
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ちょっとしわくちゃになっちゃっているけど

これの裏に金膜接着用のスプレーを付着させ,アイロンで温め,フィルムをはがせばいいんです.ただ手元の密着スプレー(SOMAY-Qのミッチャクロンマルチクリヤー)では全然くっつかない(そもそもそういう用途ではない)ので,今回は普通のスティックのりを使いました.目標となるロボットの前に,紙に刷ってみると
IMG_20161204_190906[1]
割と綺麗っぽい.が,スティックのりが焦げるので対策が必要かな

本命のアルミに刷ってみましょう(表面は磨いたりは一切していません).
 IMG_20161205_021231[1]
おおおん……

失敗

 

ではあるものの

 いくらかこれには対応があります.一つは糊層,金膜層,フィルムとある内,フィルムをはがす工程を省く,ということです.
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まあ綺麗

 あるいは透明なレーザープリンタ対応のシールに印刷して貼り付ける,トナー・アイロン法でトナーをアルミ板に張り付ける(こちらより.スチームパンク大百科Sは小物作りのDIYで非常に参考にしています.)等が行えます.それともスタンピングリーフをやめて,カッティングマシン(手前味噌な記事ですが)を使うとか,アルマイトとか.アルマイトはマスキングが難しいですが.

 ただ,いずれの方法にせよ,密着力はあまり強くありません.金属の表面にがっちり皮膜をつけることの難しさを実感しました.

なんだそのオチ

 長々とした記事になりましたが,いい感じの結論はまだでていません.自分はロボワン(1~5kgの二足歩行ロボットの格闘技)をやっていて,その装飾に使える技術を手に入れたいのですが…….

とは言え,せっかくここまで読んでくれた方にはせめて有益な情報をお伝えしたい……! 今回のアレコレで得られた知見が一つあります.では皆さん,まずはファミマに行きましょう! そしてファミマのマルチコピー機,famimaPRINTから~
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おたくコンテンツが印刷できる!

当方AdC記事,これを楽しみに,年末のお祭り に備えましょう!

明日のAdCはisskさんの,vulkanについてです. 

以上,たくあんからでした~.
※12月9日 タイトル修正しました

第23回かわさきロボット競技大会

こんにちはたのしいロボット帝国の髙田です.
 
 明日,明後日,「
かわさきロボット競技大会」略して「かわロボ」に12の藤岡さんと参加してきます.
公式HP

かわロボとは,リング上で2機のロボットが,互いに相手をリング外に押し出すか,ひっくり返してダウンを取るかで勝負するものです.全てのロボットはリンク機構の足,腕機構を有していなければなりません. 

 今回,出場する機体はこちら
all
 「TITAN - XIV」
 TITANシリーズは東工大広瀬研で創られてきた歩行ロボットです.
「TITAN-XIII」が最後のシリーズだと思っていたのに,まだ続くんですね

設計,製作は主に藤岡さんです. 足機構はヘッケンリンクで腕機構はショートロッドタイプです.
この
メカな感じがイイですね

 僕のほうの仕事は,ほぼ機械工作です.いいメカにはいい加工です.
旋盤,フライス盤で軸やギアを加工しました.
pinion
gear
 
NHKロボコンでは主にアルミを削っていましたが,S45Cは硬くて大変でした.切粉が熱いとか,油の湯気がでるとか,
旋盤の中ぐり加工もやってみました.なかなか良い経験になったと思います.
機械工作では加工の手順やだんどりが大事と再認識しました.
経験の差で仕上がりに大きな差が出ます.
機械工作をやったことがない人も挑戦してはどうでしょうか.

製作物の紹介


こんにちは。15の有賀です。たのしいロボット帝国に所属しています。
今回は、最近製作したものの紹介をします。

7セグLED回路
7seg_picture17seg_sch

こちらは、回路設計の練習として製作したものです。
7セグLEDはアノードコモンのLB-303VAを使用し、
ATmega168PとPNPトランジスタによりダイナミック点灯を行います。



車輪型倒立振子

倒立振子_arg

こちらは、ジャイロセンサを用いた車輪型倒立振子です。
速度と角速度により姿勢制御を行います。
マイコンはATmega168P、
モータードライバはTA7291P、
ジャイロセンサはENC-03Rを使用しました。
まだ姿勢制御が不安定なので、今後とも改良を重ねていきます。
ギャラリー
  • 自作キーボードを作ろうver1.0
  • 自作キーボードを作ろうver1.0
  • 自作キーボードを作ろうver1.0
  • 自作キーボードを作ろうver1.0
  • 第14回ROBO-ONE Light 結果報告
  • ロボット技術研究会紹介
  • ロボット技術研究会紹介
  • rogy2016冬合宿 in 戸狩
  • rogyサバゲ:†革命†をもっと
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