みなさん，こんにちは
おかしょです．
当ブログでは電子工作を始め，制御工学やプログラミングなどの情報を公開してきました．
そんな中で，倒立振子を作成して自律させることが一つの目標でした．
これまで，モーターの制御の仕方やセンサーを使って姿勢角を求める方法などの解説を行ってきましたが倒立振子の作成に関する記事は公開していませんでした．
実は3月くらいから設計を行っていて，倒立振子の機体を4月に入る前に完成させていました．
ただ，細かい修正などが必要だったため記事にはしていませんでした．
まだ，自律させてはいませんが動作確認までは済んだので，設計の仕方をこの記事では公開しようと思います．
倒立振子を作ってみたい方は参考にしてみてください．
この記事を読むと以下のようなことがわかる・できるようになります．
- 倒立振子の設計図
- 倒立振子に必要な部品
この記事を読む前に
この記事では倒立振子ロボットを作成するために必要な設計図を公開しています．
これから倒立振子を作っていきたい方は，以下の記事でロボットを作る大まかな流れを説明しているのでそちらを先に読んでおくことをおすすめします．
倒立振子の設計を行うときに最初にすべきこと
物作りをするときは，まず最初に設計を行います．
設計をしないでいきなり作り始める人もいますが，そのような方はかなり工作の経験があって知識も豊富な方だと思います．それか無鉄砲な方だと思います．
経験の少ない人がいきなり作り始めても，失敗する可能性が高いです．
形にはなったとしても，あとで修正が必要になることが多いです．（私は設計をしたにもかかわらず，少しだけ修正を加えました）
しっかりと設計をすれば材料を無駄にしないですむため，時間的・費用的に節約になります．
なので，設計はしっかりするようにしましょう．
さて，設計をする前に決めなければならないことがあります．
それは，何をロボットに搭載するのかです．
今回のように自立するロボットが作りたい場合は，センサーやマイコンが必要になります．
それらをまず決めないと，機体の大きさなどを決定することができません．
私が製作した倒立振子には以下のものを搭載しました．
- モーター2個
- ギヤボックス（タミヤのツインモーター）
- タイヤ（タミヤのスポーツタイヤ）
- Arduino Uno
- タクトスイッチ（電源用）
- ユニバーサル基板（センサーなどを搭載）
- 電池（9vを1本と1.5vを4本）
ねじやナットなども使用していますが，設計時に考えるべき大きな部品は上記のものになります．
作成の際に必要になったものは別の記事で紹介します．
搭載するものが決定したら，その寸法を測定します．
ユニバーサル基板はセンサーなどを搭載した時に，どのくらいのサイズになるのかを考えて，寸法を決定します．
部品をどう配置するのかを考える
次に考えるのは，搭載する部品をどのように配置するのかです．
特に電池のような重いものを高い場所に搭載すると，振子が安定しにくくなってしまいます．
他にも，配線の問題や寸法の問題などから配置を決定します．
配線の問題などは初めて作る方には少々難しいかもしれません．
そもそもどのような配線が必要なのかもわからないという方がいるかもしれません．
そのような方は当ブログの電子工作カテゴリーでセンサーやモーターの使い方を解説記事があります．
その中で電子回路もかかれているので，そこから必要な配線を考えてみてください．
私は以下のように部品を配置しています．
電池は切れた時のために交換しやすいようにしています．
機体の設計
部品をどのように配置するのかが決まったら，機体の全長などを決めながら設計をしていきます．
機体の設計は紙にペンで書いても良いのですが，3D CADが使えると非常に便利です．
3D CADが使えれば，部品同士が干渉していないかなどのチャックが設計の時点で行えるので，失敗を防ぐことができます．
設計を行うときに私が気を付けたのは，実際に使用した時に不便がないようにすることです．
私が倒立振子を作ろうと思ったのは，制御器の性能を実機を用いて検証したかったからです．
そのためにはさまざまな制御器を実装したり，パラメータの調整が必要になります．
また，電池が切れた時に電池の取り換えがしやすいようにした方が便利です．
このようなことを考えると，プログラムの書き込みがしやすいように設計をしたり，バッテリーが簡単に取り外せるように設計をしていきます．
設計をする際にはこのようなコンセプトを持って行っていくと，寸法などが決めやすくなります．
私の作成した機体は高さがだいたい220mm，横幅が120mm，奥行きが70mmとなりました．
倒立振子の設計図
ほとんどの部品は市販のものを使用しているため，ここでは外側のダンボールで作成したものの寸法を公開します．
まず，ギヤボックスやArduinoが装着される側の図面は以下のようになります．
次に電池が装着される側の図面は以下になります．
まとめ
この記事ではロボットを設計する際に注意することなどを解説してきました．
この記事の最後にあった図面はあくまで一例ですので，参考程度にとどめておいてください．
ちなみに私は上部の図面通りに2mmのダンボールを作って機体の作成を行いました．
ぜひ，実際に作る際にこの図面を参考にしてみてください．
続けて読む
今回作成した二輪型倒立振子の写真にははんだ付けした基板なども写っていました．
以下の記事では，その電子回路の設計図を説明しています．
興味のある方は参考にしてください．
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それでは最後まで読んでいただきありがとうございました．
コメント
[…] 以前，倒立振子の設計方法と設計図を公開しました．（読んでいない方はこちらをチェックしてください．） […]
[…] このブログでは現在，倒立振子の製作を行っています．倒立振子の設計方法や電子回路などを公開しました． […]