設計に関する指摘の修正

[KiyoshiroKawanabe]

#4 で指摘された箇所を修正したが、以下の指摘に関しては未修正である。

• 板金とアルミフレームが完全に密着しない
• ハンドに関しての指摘
• 安全性の議論

[yasuohayashibara]

#4 で設計の基本的な注意点を述べていますが，前提条件として

１）可搬重量
２）強度
３）安全性
４）作業領域

をまず議論してから他のことに取りかかったほうが良いと思います．
これが確保されていないと結局全て作り直しになると思います．
上記を計算した結果があればお願いします．

あと，オフィスロボットに求められる要件という観点からの議論がもしあればお願いします．

[KiyoshiroKawanabe]

現状回答できるのは、1）可搬重量と4）作業領域です。

可搬重量

目標とする可搬重量は1kgと設定します。設定した理由は、調査したオフィスロボット作業の中で、比較的軽量なものを把持対象としていたためです。現在の設計でこの1kgが持ち上げられるかを計算しました。

肩ピッチ軸に必要なトルクは、以下のモーメントの合計となる

• 肩ピッチ軸から肘ピッチ軸までのリンクのモーメント
• 肘ピッチアクチュエータのモーメント
• 肘ピッチ軸からグリッパーまでのリンクのモーメント
• グリッパーのモーメント

肩ピッチ軸から肘ピッチ軸までのリンク長は0.275m。リンクの重量は0.22kg。リンクの重心は中心にあると仮定する(0.1375m)。
手首の3軸とハンドをまとめてグリッパーとする。肘ピッチ軸からグリッパーまでのリンク長は0.275ｍ。リンクの重量は0.21kg。グリッパーの重量は0.5kg。

• 肩ピッチ軸から肘ピッチ軸までのリンクのモーメント
  0.1375×0.22×9.81=0.296Nm
• 肘ピッチアクチュエータのモーメント
  0.275×0.275×9.81＝1.011Nm
• 肘ピッチ軸からグリッパーまでのリンクのモーメント
  0.4125×0.21×9.81＝0.849Nm
• グリッパーのモーメント（1.5=グリッパーの重量＋可搬重量）
  0.55×1.5×9.81＝8.093Nm

肩ピッチ軸にかかるトルク：10.249Nm
SteadywinのGIM8108-8の定格トルク(7.5Nm)を超えてしまっている。
以下のことを見直し軽量化を目指す。

• リンクの材料
• アクチュエータの配置

作業領域

行わせる作業から、ロボットアームの作業領域を決定する。

• ロボットが行う作業：机上の片づけ
  いくつかの物体が置いてある机を用意し、それらをすべて箱の中に収納していく
  作業にはマニピュレータを使用し、自律走行できることが求められる
• 把持対象物
  ペットボトル、四角柱の箱、タオル、ボール
• 作業領域
  マニピュレータを伸ばしたとき手先が箱の上に来るように設置
  設置した位置から下に40cm程度行く必要があり、それが作業領域となる。
  アームリーチは他のロボットを参考に、最大80cmと設定
  

[yasuohayashibara]

@KiyoshiroKawanabe

作業領域に関して

作業領域ですが，作業する領域に対して，ロボットアームのリンクの長さや関節配置が適切かということを議論することが必要です．作業領域が小さい場合は，リンクを短くすればトルクは十分となります．
安全性もおそらく高まります．

参考（あまり適切な図ではありませんが．．．）
https://fabcross.jp/news/2019/dmln5300000fdkd6-img/dmln5300000fdkh6.jpg

軽量化できるところは残っていますので，軽量化を行ったほうが良いと思いますが，モータのトルクに関しては，どのような作業を行うかに依存するかなと思います．
現在の計算は手先を水平に伸ばした状態を前提としていますが，そのような姿勢を取り続ける作業があるかを考えたほうが良いかもしれません．
人も1kgのダンベルを水平に伸ばした手で把持し続けるのは難しいかもしれません．

ただし，必要な強度と剛性が得られる場合は，安全面からも軽量化はできるだけ行ったほうが良いので，徹底して軽量化を行ったほうが良いとは思います．

[KiyoshiroKawanabe]

現在、design_241112ブランチの最新では以下の変更を加えています。

• 板金加工が必要ないくつかの部品において、図のような溶接加工を加えています
  
• アルミフレームを20×20に再度変更しました
• アルミフレームと板金部品を接続する際の穴のずれを許容するため、板金部品の穴を楕円形に変更しました
• 軸間距離を300㎜で設計しています

[yasuohayashibara]

反応が遅くなりましたが，上記の変更が何を意図しての変更かが明確ではありません．
設計は要求仕様があって，それに基づいてリソースをマッピングしていく作業ですので，要求仕様が無いと行った処置が適切であるかが分かりません．
その観点で，本来は作業領域などを決定してから上記の内容を議論したほうが良い気がします．
ただし，どこかで設計を終了しなければならないので，これで良いと思ったら発注します．
最後に，このロボットアームがオフィスロボットにふさわしいという議論をしなければならないことにご注意ください．

[KiyoshiroKawanabe]

作業内容

卓上の片づけ
机の上にちりばめられた対象物をすべて箱の中に入れる

作業領域

机の端から50cm以内の位置に対象物が置かれており、箱の高さは約30cm。下図に示す領域内での作業が行えればよい。

オフィスロボットのアームに求められるもの

オフィス環境で活動するロボットには、高いバックドライバビリティが求められる。バックドライバビリティとは、外力に対する関節の応答性や柔軟性を指し、具体的には人や物からの外力に対して滑らかに動作を許容する能力を意味する。この特性は、オフィス環境特有の人との近接した作業環境や、協調作業が求められる場面で特に重要である。例えば、人がロボットに意図せず外力を加えた場合、その力を強く反発することなく、自然に受け流すことができれば、怪我や物損のリスクを大幅に低減できる。
設計したアームには、バックドライバビリティが高いアクチュエータを使用している。そのため、このアームはオフィス環境で活動するオフィスロボットにふさわしいものといえる。

[KiyoshiroKawanabe]

部品強度の計算

動的荷重を想定するため、疲労強度を下回るように設計する。A5052の疲労強度は降伏強度(130MPa)の0.4~0.5とされるため、部品にかかる応力は52MPa以下となるように設計をする。最終的な可搬重量は、それぞれの部品がいくつの荷重まで耐えられるかを確認し求める。Inventorの応力解析を行い、フォン ミーゼス応力の最大値が52MPaを超えない値を求める。

[yasuohayashibara]

@KiyoshiroKawanabe
CADで不足している部品データがあるのと，角度が変えられるように拘束されていないため，姿勢を変更するのが難しくて図で示すことができませんが，今のメカニズムでは図の作業領域を満たすことができません．
上記の作業領域を満たすようにロボットアームを動かしてみると，問題に気づくと思います．