Arduino を使ってヘビ型ロボットを作る 6 班林龍也１．はじめに３．再現方法と材料ヘビは足や車輪を使わずに移動することができる。ヘビは上記のような蛇行運動に必要なエネルギとその移動手段は種類によって様々だが、大きく分け自由度を、多量の関節と筋肉によって供給している。て蛇行運動、アコーディオン運動、横ばい運動、直蛇行運動の再現において、実物のヘビのように多進運動の四種類に分けることができる。量の関節を制御しきることは難易度が高い。よってこの中で、水中でも生かすことのできる動きは蛇ヘビの体をある程度簡略化する必要がある。今回は行運動である。この動きをロボットで再現すること再現においてどの程度簡略化できるかを、筋肉の代で歩行や車輪、キャタピラなどでは走破できない悪わりに使うモータの数を変えて関節一つ一つを作成路や水中などを進み、安全に調査することができるした。ようになる。実際にこのヘビ型ロボットは日本、ア関節にただ一つだけのモータを使う場合、体をメリカやヨーロッパなどで開発が進んでいる。浮かせるためにリンク機構を用い、体が曲がると同今回は前述した蛇行運動による前進を、Arduino 時に関節を傾けることで接地面を浮かせるという方を用いて再現しようと考えた。式を採用した。（図２参照）関節にモータを二つ採用する場合は体のうねり２．蛇行運動のメカニズムを作るためのモータ（左右への運動用）と体を浮か蛇行運動の仕組みは図１のように身体を正弦波状せるためのモータ（上下運動用）を用いた。（図３参に曲げて進むと近似できる。すると図１の体の各部照）でその部分の接線に平行な運動ベクトルが発生する。（進行方向を正とする）この時に図１の赤い部分（体の中で曲率が高い部位）を地面から浮かせることで体の運動ベクトルを二方向だけに制御をする。この二種のベクトルは進行方向に対して斜めの方向を向いているが進行方向を対称の軸として線対称であるためベクトルの分解を行うと進行方向に垂直な成分は異なるベクトル同士で打ち消しあい、進行方向に平行な正の成分だけが取り出される。このようにして蛇行運動は前進するための運動エネルギを得ている。図１．上から見た蛇行運動の略図とそのベクトル図２．関節に一つのモータを採用した場合の略図と側面から見たリンク機構の図二つの方法に共通して用いた方法は体のうねりの再現として先頭のモータの動きを時間差によって後方のモータへと伝えていく、というものである。（表１参照）また、一つの関節部にモータを三つ採用するという案はモータの最大制御数による制御できるモータの個数の限度と、それに伴う関節の個数の減少という点があり蛇行運動はある程度の関節数がなければベクトルの打ち消しが満足にできず成立しないため採用は見送った。図３．モータを二個用いた場合の本体材料としては本体部分には共通してユニバーサルプレートを使用しうねりの再現には遊星歯車を用いたギヤボックスを使用した。本体を浮かせるためにモータ一つの場合はユニバーサルアームを、モータ二つの場合はシングルギヤボックスを用いた。動力の伝達にはクラウンギヤを、モータの制御にはモータードライバとして TA7245BP を使用したその他の部分は基本的にユニバーサルプレートを切断・加工したものである。二種のギヤボックスのトルク比はそれぞれ順に 400：1、344.2：1 にした。表１．左右制御のモータ回転方向 T 1 関節部① 正転関節部② 停止関節部③ 正転 2 反転正転停止 3 停止反転正転 4 反転停止反転 5 正転反転停止 6 停止正転反転注）頭部に近い関節から①と番号を振った。４．結果と考察関節に一つだけのモータを使用した場合、体を浮かせるためのリンク機構が自身の傾きに耐えられずただうねるだけとなった。この原因としてリンク機構の支点において自由度が１であるために回転と傾きといった二方向への動作ができなかったためと思われる。しかし自由度の高いリンク機構を作成するには時間が足りなかったためにこの方式は断念した。モータを二つ使用した場合、動かしてみたところ前進せずしばらくすると横倒しになってしまった。この事柄はロボットのモデルの重心が高く、さらに一輪という不安定な支えを用いている事を原因と考えられる。実験を通してヘビ型ロボットが前進する事はなかった。この理由としてモータ一つの場合は体全体が接地してしまい、蛇行運動を再現できなかったこと。モータ二つの場合は関節部の不足からなるベクトル生成の不十分さによって進行方向へのベクトルを抽出できなかったことが原因だと思われる。ヘビの動きは一般的に腹部を下側に向け接地した状態で動く方法である。よってヘビの動きに必要な関節の自由度は上下左右の方向に動けるだけの分でよいと考えられる。そのため蛇行運動は今回の方法で実現できると予想していたが、モータ二つによる動きは蛇行運動ではなくスラローム状の動きに近い動きの方が、実現が容易であると考えられた。関節が少ない場合と多い場合での適切な動き方の違いを検討する必要があるだろう。実験を通してクラウンギアが空回りしたことが多々あった。このためモータの回転周期のずれが生じ体のラインが歪になってしまった事があった。この事から、より動力の伝達率の高い方式を採用する必要があると思われる。５．終わりにまとめとしてヘビ型ロボットに必要な事は、数多くの関節・安定した構造・ロスの少ない動力の伝達方法・間接支点の一点化であると思われる。理論上は上下運動を使うことで段差を、左右どちらかの体の曲率を緩くすることで右折左折が行えるため今回の方式でヘビの動きを再現できると思われた。結局、ヘビ型ロボットが動く事はなかったが、このテーマで物を作るときに、対処しなければならない課題にどう取り組むかを、今回の実験を通してわずかばかりでも見る事が出来た。ヘビ型ロボットの完成に対してプログラム作成よりも機構の構想、製作にかなりの時間を費やすこととなった。実際に物を作る際に構想を実現させる工程を多めに取らなければならないと感じた。参考文献 1)広瀬茂男ロボット創造学入門岩波ジュニア新書