【かわロボ】スライダヘッケンリンクスライダヘッケンリンク(うしとら脚)の設計方法

からロボの足リンクの書き方です。

久々すぎてからっ風の脚リンクの書き方を忘れていたので、整理のため記録します。
CADはFusion360を使っています。



手順としては、
1. 普通の疑似ヘッケンリンクのリンクのリンク比を検討
　（180度回転するヘッケンリンクはリンクが反転するリスクがありますが、これに対してリンク比を修正したものを、ここでは疑似ヘッケンと呼びます）
2. スライダで疑似ヘッケンリンクを作成
3. スライダを曲げて、120度区間で完全円軌道を作る
　（スライダ一本のうしとら脚）
おまけ：スライダ2本のうしとら脚を作る（オリジナルに近いもの）
の順で設計します


【1.　リンク比検討】

1.1 クランクとスライダの位置を決定
からっ風は
・クランク直径：20mm
・クランク中心からスライダの位置：31mm
としています。


1.2 4節リンクを書く
クランクから揺動節の距離：10.7mm
揺動節の長さ：約31.008mm　※作図で出しました
クランクから足裏までの距離：50mm

書き方はいろいろあると思いますが、からっ風はクランクが一番下になったときに足が最下点に来るよう揺動節の長さを決めています。

この場合の本来のヘッケン比は、クランクから揺動節の距離10mmです。
0.7mmクランクずらしていますが、クランク半径と比(0.7/10)をとって、ここでは7％上げと呼びます。
この値が小さいほど、脚を上げる角度が大きくなりますが、加工誤差などでロックする可能性が高くなります。スライダの場合も、スライダにかかる荷重が大きくなり、ロックしやすくなりますが、スライダのほうが比較的小さい補正にできるようです。
からっ風は7％上げで動かすために、スライダにΦ8のボールベアリングを入れて対策しています。




1.3 可動域の確認

脚の振り角が最大になるポイントを作図します。
今回はリンクを拘束した後、振り角を手入力して最大値を求めました。
振り角は72.9°＋66.0°＝138.9°です。
これが120°＋αを超えると、120度のうしとら脚が作れます。
揺動節の長さを調整すると、前後の動作角度が変わります。
うまく調整するといいことがあるかもしれません（未確認）

この時点で足裏を書けば、4節の疑似ヘッケンリンクです。

154.3°と18.2°は後ほど使います。



【2.　スライダ疑似ヘッケンを作成】

2.1　スライダ溝を書く
脚が最下点になる位置で固定する(書きやすい位置でOK)
先ほどの154.3°と18.2度と4節リンクの長さを使用し、脚リンクから見たスライダの位置を書きます。
追加した2点と、スライダ溝の点をつないだ円弧がスライダの軌跡です。
4節リンクの節と同じで、R31.008mmになります。


2.2　形状を書く
適当に肉をつけて、押し出せばスライダヘッケンです。
形状の注意は完成後に。

このままだと足裏軌跡が上下に動いてしまうので、ロボットが振動します。
疑似ヘッケンの足裏は知見がないので、別の方の資料を参考にしてください。
足裏の設計ソフトにはLINKSというものがありますので、参考までに。




【3.　うしとら(スライダ一本)】
3.1 スライダを修正する
今まで書いた疑似ヘッケンリンクでは足裏の形状を工夫しないと、振動してしまいます。
これに対して本来のヘッケンリンクでは、足裏がシンプルな円弧になりますが、リンクがロックしてしまいます。
これらの良い所を選べるのが、スライダリンクのいいところです。

下記の方針でスライダ溝を設計します。
・足が接地するタイミングは本来のヘッケンリンクを使う
・ヘッケンリンクの死点は疑似ヘッケンリンクで回避する

作図方法：
①設置させる120°の区間は、クランク中心から円弧を引く
②スライダ端は疑似ヘッケンリンクに合わせる
③間はいい感じにつなぐ
　直線でも動きましたが、円弧で接線を引いたほうが加減速が滑らかになるみたいです


※原理的には4節リンクのリンク比を可変にしているのと同じです。


3.2　形状を書く
スライダに合わせていろいろ書いた結果がこちら。

注意点は
(1)足裏とスライダのフレームに隙間を開けている。
　これは、脚にかかった衝撃でスライダが曲がるのを防ぐためです。
　足裏は折れても動けますが、スライダが曲がると行動不能になります。

(2)足裏の先端は剛性を低くしている
　脚が接地する衝撃を緩和するために、バネにしています。
　脚が完全に水平に設置すれば振動しない設計ですが、
　実際には斜めに接地したり、加工誤差で理想的な軌跡にならないため、衝撃吸収できる跳ねずに加速がよくなります。

(3)足裏を分割できるとメンテ性が良いが、根元に応力集中するので注意
　昔はよく折れました

足裏の凹凸はウレタンゴムの注型で作っています。


（今までと図が左右逆です）

この方法の良い所は、スライダ溝の設計自由度が高いことです。
例えば、両端で切り返しのリンク比を変えるのも可能です。
脚の加減速を緩やかにして振動を減らすなども可能なはずです。

からっ風ではそこまでできていませんが、応用の効く技術だと思います。
アームのスライダ溝も曲げて動作角度を調整しています。




おまけ：　スライダ2本のうしとら脚を作る
私はからっ風の脚をうしとら脚と呼んでいますが、これは20009年のかわロボに出場していたた「艮(うしとら)」というロボットの脚リンクを参考にしたためです。
オリジナルの艮はスライダが2本で、90°位相の4枚構成でした。

オリジナルの書き方とは違うかもしれませんが、スライダ一本版のうしとら脚を反転して反対側にもスライダをつけると、2本スライダになります。
（作ったことはないので、動作未確認です）

2本スライダのメリットとしては、
・リンクの切り返しで死点近くを通らないため、切り返しが滑らか
　（おそらくボールベアリングは不要）

デメリットとしては、
・120°の脚を書くとくびれが細くなりすぎる
・クランクが上に上がると足が拘束されなくなり、遊びが大きい

という特徴があります。


以上