【★ ★】歩行ロボットの動き:ビースト機構

このロボットは、ロボットの機体中央のDCモータから出力される回転運動を歩行動作に変換して動きます。 今回ロボットの脚に採用した機構はビースト機構です。

ビースト機構はオランダの物理学者で芸術家のテオ・ヤンセンという人が考案しました。 この機構は4節リンクと呼ばれる基本的なリンク3つで構成されています。 細かく分類すると、2つのてこ-クランク機構と1つの平行クランク機構から構成されています。 次は4節リンクについて詳しく見ていきましょう。

4節リンク機構

4節リンク機構とは、リンクと呼ばれる棒が4つ、環状につながる構造を持つ機構のことです。 見方を変えると、4節リンク機構は辺の長さだけが決まってそれぞれの頂点の角度が決まっていない 四角形だと考えることもできます。ロボットの機構を考えるうえで、この四角形のつくりが非常に大切です。 ではなぜ四角形のつくりが大切なのでしょうか。

上の3つの図形を見てください。赤色の辺を固定したうえで青色の辺を規則的に動かしてみます。 三角形はそもそもまったく動かせません。四角形は毎回必ず同じように動いていることがわかると思います。 五角形は毎回必ずしも同じように動くわけではないことが見てとれます。 このように、四角形は動き方が一通りなのでコントロールしやすく、機構の一部分によく使われています。

では、一般の機構について動き方が一通りかどうかはどのように考えるのでしょうか。 機構がどのくらい複雑に動けるのかを「自由度」と言います。数学の「次元」と似ています。 高校生以上の皆さんは「一次独立」という言葉を習っているかと思いますが、自由度とはいわば 系の中の一次独立なベクトルの数です。例えば普通の棒は上下方向、左右方向、回転方向の3自由度を持っています。 その棒の1点を固定すると、その点を中心とした回転運動しかできなくなるので、1自由度になります。
一般に平面運動の系の自由度Fの求め方は、
  F=3×([リンクの数]-1)-[ジョイントが減らす自由度の合計]
で求められます。回転を許容し1点で接合する方法をピン接合と呼び、ピン接合の各ジョイントは自由度を2ずつ 減らします。よってピン接合のみの系では四角形の時にF=1となり、確かに1自由度になっていることがわかります。 一般に自由度の数だけモータ等が必要になります。

てこ-クランク機構

てこ-クランク機構とは、振り子のような運動と回転運動を変換する機構です。 振り子のような運動をするリンク(図中の赤いリンク)のことを「てこ」、 回転運動をするリンクの外側に接合されているリンク(図中の青いリンク)を「クランク」と呼びます。 自転車を漕ぐときのペダルと人間のももの動きや自動車のワイパーの動きが該当します。

この機構の面白いところはてこの往復で速度が違うことです。 左側に戻っていく動きの方が速いため、早戻り機構のひとつに数えられます。

平行クランク機構

平行クランク機構とは、リンクの動きを平行移動させるための機構です。 平行四辺形は押しつぶしたり引きのばしたりしても平行四辺形を保つ性質を利用しています。

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