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回転を伝達する

ひさびさにレゴで凝った物を作っています。
仕事としてやっているので、完成品も詳細も記せないのが残念です。
案件が取れたらいいなあ。

というわけで、今日は折り畳み構造を作った場合いの動力の伝達について。

折りたたみと言ってもいろいろありますが、ここでは単純に上腕と前腕のような関節を考えます。
上腕の中に駆動軸があり、前腕の中にも軸があるとして、どうやって上腕部の軸の回転を前腕部に伝えるかというところですね。駆動軸は骨と同じ向きとします。
たとえばかんたんな解決法としては、クラウンギアを関節中心に挟んだり、ユニバーサルジョイントを使ったりすれば問題は解決できます。

ここで、ユニバーサルジョイントは関節を曲げすぎると回転がカクカクする(関節を曲げるほど、駆動軸と伝達軸の回転速度の差が大きくなる=非線形性)こと、90度まで曲げてしまうと回転がロックしてしまうことが問題となります。なので、折りたたみ中も展開中も同じように正確に駆動させることはできませんし、関節を90度以上曲げてしまうと動力が伝達できないばかりか駆動軸すら回らなくなります。




こういう状態になってしまったら、どちらの軸も回転しません。



また、クラウンギアをつかって、関節中心で動力伝達方向を関節の回転軸と同じ方向に変えてしまうという手もあります。これなら、関節を90度以上とじておりたたんでも、展開しても、駆動軸と伝達軸は同じように回転します。
しかし、関節が回転すると、駆動軸が回っていなくても伝達先は回転してしまいます。これを防ぐには、関節を動かすときに駆動軸も若干回して、回転を相殺してやる必要があります。ちょっとロボットとかだと計算が面倒くさいですね。




片方の軸を回らないようにして関節を曲げると、もう片方の軸が回転してしまうのがわかります。




と、いうわけで、駆動軸を関節部分で分割できるような構造を考えてみました。
これなら、折りたたみ中は駆動軸が関節より先に動力を伝達しないので、トルクを有効に利用できますし、また関節より先の部分が不用意に動くことはありません。関節角度は何度まででもOKですし、関節をぶっちぎっても大丈夫です。





この方法がなかなかうまくいきます。引っ掛かりの歯数が3しかないのと、ボールジョイント付きペグを利用することで、自然とかみ合います。

ひとつ問題になるのは、かみ合いの甘さによる伝達ロスです。
ボールジョイント部分と三又コネクタの間には隙間があるので、ボールジョイント部分(駆動軸)がほんの少し回転したところで、三又コネクタ(伝達軸)側は止まったままです。
駆動軸を正反転くりかえすと、伝達軸がすこしおくれて追従するのがわかります。
しかし、この部分の隙間がないと、折り畳みと展開のたびにひっかかってしまいます。

そこで、動力をなるべく正確に伝えるために、少し工夫してみました。


ブッシュを挟むと、挟まない時に比べて明らかにロスが少なくなりました。
また、隙間は適度にのことっているので、引っかかること無くスムーズに噛み合い始めます。


どう活用するかはまだ考え中ですが、変形ロボットをLEGO Technicで作っている人には便利な使い方かもしれませんね。
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