このロボット犬はギアではなくロープ駆動関節で高精度を追求する

# このロボット犬はギアではなくロープ駆動関節で高精度を追求する

四足歩行ロボット「CARA」は、キャプスタン駆動、特注のプリント部品、コンパクトな制御系を組み合わせ、静音性、低バックラッシュ、高精度を目指して設計されている。

NeoTechNews編集部

アーイド・ムサが手掛けた最新の四足歩行ロボット「CARA」は、ギアやプーリーの代わりにロープ駆動のキャプスタン関節を採用するという、珍しい機械的選択を軸に構築されたロボット工学プロジェクトだ。その結果、制作者がこれまでで最も動的で、最も優れた設計だと評する四足歩行ロボット犬が誕生した。この設計が重要なのは、特に大量生産ではなく精度を目標とする場合、脚式ロボット工学には機械的な実験の余地がまだ大きく残されていることを示しているからだ。

中核となるアイデアはキャプスタン駆動方式だ。CARAはロープとドラムを使い、ギアのバックラッシュを伴わない動力伝達を実現している。制作者は、この駆動機構について静かで慣性が小さく、トルク透過性が非常に高いと説明する。そのため、ロボット工学用途に魅力的だという。このプロジェクトはまた、キャプスタン駆動を採用した四足歩行ロボットとして、Stanleyに次ぐ史上2例目にすぎないとも主張している。これによりCARAは、洗練された製作物としてだけでなく、ごく小さな設計系譜の一部としても注目に値する。

報告では、一見ささいに聞こえるものの、実際には機体全体の中核となる課題、つまりギア比を正確に合わせることに多くの時間が割かれている。ムサは、ドラムの外径は、ロープの太さを含めたときに重要となる有効径とは同じではないと説明する。彼は8対1の比率をわずかに下回る駆動機構と、わずかに上回る駆動機構の2つを試験し、測定結果を使って3つ目の製作値を補間した。その3つ目の駆動機構は8.000619対1となり、手法の妥当性を確認するには十分な近さだった。言い換えれば、このロボットの精度は単なるうたい文句ではない。実測されている。

脚の設計も同様に綿密だ。CARAは、より一般的な四足歩行ロボットの脚構造ではなく、同軸5節リンク機構を使用している。制作者によると、この選択は荷重の分散に役立ち、省スペースになり、ロボットに独自性を与える。各脚には3つの関節があり、それぞれの関節は2mmのダイニーマロープを使用する8対1のキャプスタン駆動機構で動かされる。モーターはEaglepower製90KVブラシレスユニットで、制御はODrive S1 FOCコントローラーとTeensy 4.1マイクロコントローラーが担う。これらの選択は、力任せの強さではなく、精密な動作制御に最適化された設計であることを示している。

材料一覧からも同じ方針がうかがえる。小型のドラムは最も大きな応力を受けるためPET-CFでプリントされ、残りの構造部品はジャイロイド充填構造を用いてポリカーボネートでプリントされている。足先はTPU製の半球で、ロボットのフレームはカーボンファイバー製チューブを中心に構築されている。機体全体の重量は31.41ポンド、寸法はおよそ24.8×18×16.8インチで、費用は約3,300ドルだ。これらの数字から、CARAは消費者向け製品ではなく、本格的なホビイストおよび上級メイカー向けのカテゴリーに位置付けられる。

制御系も同様に実用的だ。CARAは24VのKobalt製バッテリー、40Aのヒューズ、Teensy用の電圧レギュレーター、姿勢フィードバック用のBNO086 IMUを使用している。報告によると、ロボットは8チャンネルのRC送信機と受信機で制御される。かなり野心的な機械システムを支える、比較的シンプルな電子機器構成だ。

ここでのより大きな物語は、単に誰かがロボット犬を作ったということではない。脚式ロボットにおける精度がどこから生まれるのかを探るために、設計プロセスそのものが活用されているということだ。制作者はすでに、単純な測定の一つが誤っていたことを突き止め、実証的な手法で修正している。測定と再設計を通じて反復を重ねようとする姿勢こそ、このプロジェクトを興味深いものにしている。CARAは製品デモというより、ロープ駆動アクチュエーションが大半の人の予想をはるかに超えるところまで発展可能であることを示す証明だ。