RoboCup2017 Rescue Rapidly Manufactured Robot Competition
(ラピッドリーマニュファクチャ-ドロボット競技)
に出場したロボットのプレゼンテーションです。
チーム“TUPAC”は,今年初めてRMRCに参加しました。
私はチームの外部アシスタントとして,ロボットの機械設計や組み立てに関わりました。
※外部からのロボットへの関与はOK

ロボットに関わったメンバーです。
全員が元RoboCupJuniorの参加者であり,KpとはGcraudNanoで一緒に活動していました。
Kpは当ブログでたまーに記事を書いてくれています(僕がお願いしてるんですが)。
RMRCと略して表記されることが多いです。
Rapidly:素早く
Manufactured:製作された
2016年6月時点でのルールブックです。
名古屋世界大会では,このルールが適用され競技が行われました。

時間内にフィールドを往復した回数を競う競技
操縦者はフィールドに背中を向けて,ロボットから送られてくる映像だけで操縦を行う。
自分たちで決めたルートを周回する競技
<以下きーくち解説>
大会は5日間行われ、調整日と競技日がありました。
上が三日目(予選),下が五日目(決勝)で使われたフィールドです。
見て分かる通り,予選フィールドを立体的に組み合わせることで,決勝フィールドが構成されています。予選ではないコースもあったり、決勝フィールドも四日目にみんなで作ったり...まさに.Rapidly Manufactured!
<以上きーくち>

世界中から全10チームが集まりました。
Equipe Nhão (ブラジル)
GÊNESIS (ブラジル)
Siegel (ブラジル)
King's Legacy (オーストラリア)
S.A.R.T (オーストラリア)
Blue Storm (アメリカ合衆国)
LabCombo (中国)
Magistry (メキシコ)
Team AIT (日本)
TUPAC (日本)
大会の詳細はこちら
Welcome to the RoboCupRescue RMRC!

RMRCはRoboCupRescueの小型版(簡易版)の位置付けであるため,メジャーのロボットをそのまま縮小したようなデザインで設計しました。
今回全てのパーツは自分達で設計し,オープンプラットフォームとして全てのリソースをオンラインで公開しています。
RMRCとしては,今後標準プラットフォームを使って多くのチームが参戦してくることを期待しているようです。
標準プラットフォームの写真
・Emu Mini 2 (Picture)
今回製作したロボットは,2017年RMRC出場チームの中で一番メジャーのロボットに近い機構をしていました。そのためか,メジャーリーグから多くの注目を集めたそうです。

AutoCADの設計図面です。
向かって左半分が,ロボットの全体的なデザインで,向かって右半分がパーツ・デザインとアームの設計になります。ハードウェアのおおまかなデザイン(大きさや必要な機構など)は,きーくちが設計を担当しました。またロボットアームはTADAが新規で設計をして,最終的に1台のロボットに組み上げています。

開発自体は非常にスケジュールの厳しいものでした。
高専4年になり,学業が忙しくなる中でのロボット製作は大変です。
私がきーくちから図面を受け取り,設計の不備を修正しながら切削を続け,実際に動くところまで約1ヶ月でした。この間は本当に死ぬかと思いましたが,なんとか動くところまでは仕上げ,無事大会で動かすことができました。
大会の名前の通り,非常にRapidlyにManufactureringできたと思います。
しかし,アームの設計にかなりボロが出てしまいました。
分かりきった事ではありますが,トルクが約30[kg*cm]程度のサーボモータでは,このサイズのアームのモーメントを支えきれません。大会中に1個サーボを故障した挙句アームのサーボをDisableして競技に参加していたそうです(申し訳ない…)。

Kpの回路製作の様子です。
回路設計は,システムの構成が決まった段階で完全に分業し,ハードウェア担当から基板外形の連絡があるのみで,回路担当は完全に独立で動いていました。
ロボットのシステムは,全系統がGR-PEACH1台で動いてます。PEACHの役割は完全にペリフェラルの中継機能のみで,LANコネクタからインターネットを経由して,MacBook上の専用プログラム(自作)からパケットを受信しロボットが動きます。
詳細はKpに説明お願いしたい

全てのパーツの切削には,ORIGINALMINDさんのKitMill RD300を使しました。
写真は厚さ5[mm]のA7075板から,イモネジ締結用ハブを削り出している様子。
今回のロボットは,製作期間短縮のために殆どのパーツに樹脂(ポリカーボネイト)を使っています。
直径3mmのエンドミルで一気に荒削りする事で,アルミの10倍以上のスピードで加工を進めました。
正直,切り込み2[mm]とかいう荒業に走ったのは初めてだったのでドキドキしましたが,断面が多少荒れる程度で加工ができました。というか一部界隈は常にこれくらいの条件で削っているらしい(?)

1.5[mm]厚 A2017パーツ切削の様子
3[mm]未満の薄板を加工する時は,ブルーシートをパーツ固定に使っています。
真似する場合は自己責任で

中央クローラーのアセンブリ
アクチュエータはマブチ380モータとIG32の組み合わせを使っています。
今回のロボットにはクローラーのアジャスト機能が搭載されていないので,今後改善しなくてはいけません。実際,大会では何度もクローラーが外れてしまったようです。製作期間を理由に設計をサボッたツケですね…。

クローラーユニットの組立状態です。
ギアで前後のフリッパーに伝達しつつ,フレームをサーボモータで駆動する構造です。
シニアのロボットをきちんと見る機会を設けられなかったのですが,およそこういう構造に落ち着くんじゃないかと思っています。フリッパーと中央クローラーが同軸になると多少複雑になるかもしれません。早いうちにいろんなロボットを偵察に行かねば…。

クローラーはベルトを付けた状態で独立に分解できます。
本当はもう少し頭のいい分割を考えたかったのですが,悩んでいる時間が無いためヤッツケでこうなりました。この状態で全てのクローラーは同期して動きます。中央クローラーのスプロケットについている2つのギアが,中央のギアボックスと噛み合うことで全体が連動します。
クローラー中央クローラーからフリッパーへの伝達機構です。
ロボットの側面に位置した,僅か6[mm]の厚さのフレームに伝達機構を組み込んであります。
このギアボックスをスリムに,かつ抵抗を少なく設計するのが非常に大変でした。クローラーを直列に並べてしまうと,内側か外側に伝達機構を設ける必要がありますが,サーボとの干渉を考えると外側に配置する事になります。

ロボットアームのYaw軸の軸受機構です。
独自設計のスラストニードルベアリングを組み込みました。
2枚のスラストベアリングでアキシャル負荷を抑制する構造,ROBO-ONEで培った技術です。
ただ,サーボのトルク不足によりアームが使われる機会はほとんど無かったそうです…。
残念過ぎる(´;ω;`)

フリッパー駆動のサーボモータには,RoboStar SBRS-5314HTGを採用しました。
Hobby King:RoboStar SBRS-5314HTG
何より価格が安価でトルクが高いため,多少制御が雑でも問題が無い用途には適しています。
ただ非常に厄介な部分も多く,特に反対軸側のサーボケースは煎餅よりも柔らかい貧弱ぶりで非常に驚きました。余りにも柔らかすぎて,メンバーと一緒に指でペキペキ砕いて捨ててました。
ボトムケースは,3Dプリンタを使って新しいものを作ることにしました。
幸いなことに,すぐに使えるデータがオンラインで公開されていたので,今回はそれを使用しました。
感謝感激です。
Thingiverse:RoboStar Servo Modified Bottom Panel

ロボットアームを実際に使用している様子
筒の中にあるマーカーを読んで,操縦者に送信します。
あらゆる方向から映像を取得する必要があるため,アームの自由度は5軸で設計しました。
アームの設計は,今後の課題です。
サーボモーターを直結した構造のアームでは,モーメントが増加する一方なので,リンク機構等用いてアクチュエータの位置を下げる必要があるかなと思います。
今後サーボモータの選定も兼ねて,設計を進めていきます。

カメラの映像のみで走行
4本のフリッパーと,ロボットアームを上手く使ってロボットを操縦する必要があります。
現状のユーザーインターフェースでは,全ての管理をXbox360コントローラ1つで行いますが,正直限界があると思われるので,今後アームの操作にマスタースレーブを採用するなどして,操作性を向上させないといけません。
本当に難しそう…特に4本のフリッパーのうち前だけ(しかも片側ずつ)しか見れないのは…。
設計者は一度操縦してみないと,こういうの分からないので,機会を設けて操縦させてもらう必要がありそうです。操縦者から要望を聞くのも大事ですね。


ロボットの操縦練習中

最後にツーショット(東京にて)

チーム“TUPAC”は,今年初めてRMRCに参加しました。
私はチームの外部アシスタントとして,ロボットの機械設計や組み立てに関わりました。
※外部からのロボットへの関与はOK

ロボットに関わったメンバーです。
全員が元RoboCupJuniorの参加者であり,KpとはGcraudNanoで一緒に活動していました。
Kpは当ブログでたまーに記事を書いてくれています(僕がお願いしてるんですが)。
大会の簡単な紹介
その名の通りロボカップレスキューの,RapidlyにManufactuardされたロボットの大会です。RMRCと略して表記されることが多いです。
Rapidly:素早く
Manufactured:製作された
2016年6月時点でのルールブックです。
名古屋世界大会では,このルールが適用され競技が行われました。
RoboCup Rescue Rulebook
Rapidly Manufactured Robot League/Mini Arena Edition

時間内にフィールドを往復した回数を競う競技
操縦者はフィールドに背中を向けて,ロボットから送られてくる映像だけで操縦を行う。

自分たちで決めたルートを周回する競技
<以下きーくち解説>
大会は5日間行われ、調整日と競技日がありました。
上が三日目(予選),下が五日目(決勝)で使われたフィールドです。
見て分かる通り,予選フィールドを立体的に組み合わせることで,決勝フィールドが構成されています。予選ではないコースもあったり、決勝フィールドも四日目にみんなで作ったり...まさに.Rapidly Manufactured!
<以上きーくち>

世界中から全10チームが集まりました。
Equipe Nhão (ブラジル)
GÊNESIS (ブラジル)
Siegel (ブラジル)
King's Legacy (オーストラリア)
S.A.R.T (オーストラリア)
Blue Storm (アメリカ合衆国)
LabCombo (中国)
Magistry (メキシコ)
Team AIT (日本)
TUPAC (日本)
大会の詳細はこちら
Welcome to the RoboCupRescue RMRC!
ロボットの概要

RMRCはRoboCupRescueの小型版(簡易版)の位置付けであるため,メジャーのロボットをそのまま縮小したようなデザインで設計しました。
今回全てのパーツは自分達で設計し,オープンプラットフォームとして全てのリソースをオンラインで公開しています。
RMRCとしては,今後標準プラットフォームを使って多くのチームが参戦してくることを期待しているようです。
標準プラットフォームの写真
・Emu Mini 2 (Picture)
今回製作したロボットは,2017年RMRC出場チームの中で一番メジャーのロボットに近い機構をしていました。そのためか,メジャーリーグから多くの注目を集めたそうです。
ロボットの製作過程

AutoCADの設計図面です。
向かって左半分が,ロボットの全体的なデザインで,向かって右半分がパーツ・デザインとアームの設計になります。ハードウェアのおおまかなデザイン(大きさや必要な機構など)は,きーくちが設計を担当しました。またロボットアームはTADAが新規で設計をして,最終的に1台のロボットに組み上げています。

開発自体は非常にスケジュールの厳しいものでした。
高専4年になり,学業が忙しくなる中でのロボット製作は大変です。
私がきーくちから図面を受け取り,設計の不備を修正しながら切削を続け,実際に動くところまで約1ヶ月でした。この間は本当に死ぬかと思いましたが,なんとか動くところまでは仕上げ,無事大会で動かすことができました。
しかし,アームの設計にかなりボロが出てしまいました。
分かりきった事ではありますが,トルクが約30[kg*cm]程度のサーボモータでは,このサイズのアームのモーメントを支えきれません。大会中に1個サーボを故障した挙句アームのサーボをDisableして競技に参加していたそうです(申し訳ない…)。

Kpの回路製作の様子です。
回路設計は,システムの構成が決まった段階で完全に分業し,ハードウェア担当から基板外形の連絡があるのみで,回路担当は完全に独立で動いていました。
ロボットのシステムは,全系統がGR-PEACH1台で動いてます。PEACHの役割は完全にペリフェラルの中継機能のみで,LANコネクタからインターネットを経由して,MacBook上の専用プログラム(自作)からパケットを受信しロボットが動きます。
詳細はKpに説明お願いしたい

全てのパーツの切削には,ORIGINALMINDさんのKitMill RD300を使しました。
写真は厚さ5[mm]のA7075板から,イモネジ締結用ハブを削り出している様子。
今回のロボットは,製作期間短縮のために殆どのパーツに樹脂(ポリカーボネイト)を使っています。
直径3mmのエンドミルで一気に荒削りする事で,アルミの10倍以上のスピードで加工を進めました。
正直,切り込み2[mm]とかいう荒業に走ったのは初めてだったのでドキドキしましたが,断面が多少荒れる程度で加工ができました。というか一部界隈は常にこれくらいの条件で削っているらしい(?)

1.5[mm]厚 A2017パーツ切削の様子
3[mm]未満の薄板を加工する時は,ブルーシートをパーツ固定に使っています。
真似する場合は自己責任で

中央クローラーのアセンブリ
アクチュエータはマブチ380モータとIG32の組み合わせを使っています。
今回のロボットにはクローラーのアジャスト機能が搭載されていないので,今後改善しなくてはいけません。実際,大会では何度もクローラーが外れてしまったようです。製作期間を理由に設計をサボッたツケですね…。

クローラーユニットの組立状態です。
ギアで前後のフリッパーに伝達しつつ,フレームをサーボモータで駆動する構造です。
シニアのロボットをきちんと見る機会を設けられなかったのですが,およそこういう構造に落ち着くんじゃないかと思っています。フリッパーと中央クローラーが同軸になると多少複雑になるかもしれません。早いうちにいろんなロボットを偵察に行かねば…。

クローラーはベルトを付けた状態で独立に分解できます。
本当はもう少し頭のいい分割を考えたかったのですが,悩んでいる時間が無いためヤッツケでこうなりました。この状態で全てのクローラーは同期して動きます。中央クローラーのスプロケットについている2つのギアが,中央のギアボックスと噛み合うことで全体が連動します。
クローラー中央クローラーからフリッパーへの伝達機構です。
ロボットの側面に位置した,僅か6[mm]の厚さのフレームに伝達機構を組み込んであります。
このギアボックスをスリムに,かつ抵抗を少なく設計するのが非常に大変でした。クローラーを直列に並べてしまうと,内側か外側に伝達機構を設ける必要がありますが,サーボとの干渉を考えると外側に配置する事になります。

ロボットアームのYaw軸の軸受機構です。
独自設計のスラストニードルベアリングを組み込みました。
2枚のスラストベアリングでアキシャル負荷を抑制する構造,ROBO-ONEで培った技術です。
ただ,サーボのトルク不足によりアームが使われる機会はほとんど無かったそうです…。
残念過ぎる(´;ω;`)

フリッパー駆動のサーボモータには,RoboStar SBRS-5314HTGを採用しました。
Hobby King:RoboStar SBRS-5314HTG
何より価格が安価でトルクが高いため,多少制御が雑でも問題が無い用途には適しています。
ただ非常に厄介な部分も多く,特に反対軸側のサーボケースは煎餅よりも柔らかい貧弱ぶりで非常に驚きました。余りにも柔らかすぎて,メンバーと一緒に指でペキペキ砕いて捨ててました。
ボトムケースは,3Dプリンタを使って新しいものを作ることにしました。
幸いなことに,すぐに使えるデータがオンラインで公開されていたので,今回はそれを使用しました。
感謝感激です。
Thingiverse:RoboStar Servo Modified Bottom Panel

ロボットアームを実際に使用している様子
筒の中にあるマーカーを読んで,操縦者に送信します。
あらゆる方向から映像を取得する必要があるため,アームの自由度は5軸で設計しました。
アームの設計は,今後の課題です。
サーボモーターを直結した構造のアームでは,モーメントが増加する一方なので,リンク機構等用いてアクチュエータの位置を下げる必要があるかなと思います。
今後サーボモータの選定も兼ねて,設計を進めていきます。

カメラの映像のみで走行
4本のフリッパーと,ロボットアームを上手く使ってロボットを操縦する必要があります。
現状のユーザーインターフェースでは,全ての管理をXbox360コントローラ1つで行いますが,正直限界があると思われるので,今後アームの操作にマスタースレーブを採用するなどして,操作性を向上させないといけません。
その他
操縦の様子本当に難しそう…特に4本のフリッパーのうち前だけ(しかも片側ずつ)しか見れないのは…。
設計者は一度操縦してみないと,こういうの分からないので,機会を設けて操縦させてもらう必要がありそうです。操縦者から要望を聞くのも大事ですね。


ロボットの操縦練習中

最後にツーショット(東京にて)
コメント
コメント一覧 (6)
以下の画像でベアリングらしきものを部品が埋め込まれているのを見て疑問を持ちました.
https://livedoor.blogimg.jp/yunit/imgs/c/b/cb331298.jpg
私は部品同士を締結するときはネジ止めが基本だと考えています.
しかし,このベアリングの例のように部品の固定が単なる圧入(?)によって済まされているのを見ると「本当に大丈夫なんだろうか?」と考えてしまいます.
というのも,私は圧入は部品を非常に精度よく加工しないとうまく行かないと考えているからです.
大きければ入らないし,小さければ摩擦力不足で取れてしまう,と思っています.
なので,精度の出しにくい個人がどうやって圧入しているのだろうと,疑問を持ってしまいます.
今回のような「圧入」の他にも
https://yunit.techblog.jp/archives/51233402.html
のような記事でも,ネジ止めとはまた違った固定方法をしていると思います.
どうにも,このような機構がスッと頭に入ってこないのです.
随分と長くなってしまいましたが,TADAさんはどう考えていますでしょうか?
(妙にかしこまった日本語書こうとしたせいで,変な日本語になっちゃったかも・・・(´·ω·`)ショボーン.読みにくかったらすみません.)
こちらも返信遅れてしまいすみません。
コメントで参照して頂いている写真はいずれも、CNCの削りのフレームに対してベアリングを圧入しているものですが、いずれの場合もベアリングがその位置から軸方向に移動しないような形状が施されています。
まず圧入についての話をすると、これは設計の話と、加工の話に分けられます。
設計については、まず機械部品同士を圧入する場合には「嵌め合い」がJISのような規格で定められていて、市販されている工業用のベアリングはそれ自体が定められた寸法に仕上げられています。これを部品に圧入するときには、どれくらいの硬さで部品に対して固定したいかによって「すきまばめ」「中間ばめ」「しまりばめ」を選び、ベアリングのサイズとの組み合わせによって、加工するべきサイズが自ずと決まります。ですから、どのような穴の直径にすればいいかは、調べたら求めることができます。
次に加工の問題ですが、書いて頂いているようにベアリングの入る穴はミクロン単位で細かい指定があるので、普通にCNCで削るだけでは満足するのが難しいです。ただ、これはどんなCNCでもエンドミルだけで加工するのは難しいので、リーマーという別の工具を使って仕上げます。リーマーは卓上ボール盤にも取り付けられるので、例えば2枚めの画像のMaxon motorの軸を固定する部品などは、CNCで大雑把に小さめな寸法で仕上げた上で、ボール盤とリーマーで加工して「すきまばめ」に仕上げています。
文字数制限があるので次に続きます。
次にロボットに実際に使う場合の設計についてですが、これは最初に書いたように、例えばベアリングが抜ける方向に対して必ず止める部品が来るように設計するなどして、そもそも圧入が外れたとしても機械としての機能が失われないように設計します。例えば「フランジ付きベアリング」を使うと、ベアリングが軸の反対側に抜け落ちることを防げますし、フランジがないベアリングでも、ベアリングの外輪だけを保持するような段付きの形状を作れば抜け止めの機能を付与できます。基本的には、自分が設計するロボットは、設計の段階からフランジ付きベアリングやCNCでの段付き形状などを付与することでベアリングが抜け落ちない設計にした上で、加工するときにはCNCでの粗削りとリーマーでの仕上げの組み合わせで満足な交差に仕上げる方法で作っています。
もういくつかお聞きしたいのですが,すきまばめのメリットはなんでしょうか?
軽く調べただけなのですが,要するにベアリングの内輪と軽く触れる程度(ただしベアリングが回転するときの摩擦よりは,大きくなる程度に強く?)の寸法にしておく.そうすることで,扱いやすくなり組み立てなどが楽になる,ということでしょうか?
しまりばめは「そりゃあ硬ければ取れないし安全でしょ」ということで理解できるのですが,すきまばめは「ちょっと取れやすかもだけどまあ設計的に大丈夫」みたいな感覚なのでしょうか?
あと,ベアリングに挿入するような「軸」はどうしているのでしょうか?
TADAさんは旋盤をお持ちのようなので,それで加工しているのでしょうか?
それともベアリングに合うようなアルミの丸棒(?)を市販品から探しているのでしょうか?
またまた長くなってしまいましたが,よろしければお願いします.
ベアリングの嵌め合い公差の設計がいろいろと複雑なのは、例えばエンジンやモータなどの温度変化が激しいものや、製品として保証しなければならない時間が長い場合に、いろいろと問題が起こるからです。これをすべて無視してしまえば、基本的には外輪も内輪もすきまばめにしておけば手で簡単に組み立てできる上に、軸受としては最低限機能するので、RoboCupのロボット程度であればこうした「使用条件を考慮した嵌め合い」は考える必要は無いと思います。もちろん、学習のために知っておくと良いとは思います。
https://www.nsk.com/jp/services/basicknowledge/manual/abc/07.html
> 要するにベアリングの内輪と軽く触れる程度(ただしベアリングが回転するときの摩擦よりは,大きくなる程度に強く?)
すき間があまりにも大きすぎると問題になりますが、ある程度はこの考え方で機能すると思っています。CNCで削っただけの部品でも、回転摩擦を減らしつつ軸間距離を保つ程度の最低限の実装は、できると思います。
ただ「ベアリングが回転するときの摩擦」よりも強い摩擦でベアリングの内輪/外輪が固定されているべきか、というとそうではないと思っていて、なぜならベアリング自体が回ってしまうような場合というのは軸にラジアル負荷が全くかかっていない状態なので、そういう状態であるならばそもそもベアリング自体が必要ないからです。例えばロボットを空中に浮かせた状態ではベアリングが軸と一緒に回ってしまったとして、ロボットを地面に置けば必然的に外輪とフレームの摩擦がボールの転がり摩擦よりも大きくなりますから、負荷が与えられた状態ではベアリングは機能すると考えられるからです。
ベアリングに挿入するような「軸」はどうしているのでしょうか?
軸の外径加工は、僕が持っていたような簡易的な旋盤ではベアリングの要求公差を満たせるほど精密には加工できません。ミニ旋盤でできるのは、軸をある長さにカットする事だけです。
シャフト自体は、市販の精密シャフトを使ってベアリングに直接通しています。
Hirosugiの精密シャフトはマイナス公差なので、これは市販のベアリングに通せばだいたい「すきまばめ」になるかと思います。
https://www.hirosugi-net.co.jp/shop/c/c1710/
2018年のTUPACのロボットでは、軸の締結を強くするためにCNCでシャフトに対して追加工したりしましたが、これは特殊なケースです。
https://twitter.com/yxtada/status/995320269731319808