クリエイターセットDX

機械の仕組み 機械・機構
1 章 代表的な機械要素

3 章 ギヤを使ったフォークリフト

2 章 リンク機構を使ったワイパー

4 章 フォークリフトの制御

年組番

名前

1章
代表的な機械要素

ロボットを動かす仕組みには色々なものが 存 在します。例えば、下の２つのロボ
ットはどちらも６足歩 行のロボットですが、その 仕組みは大きく異なります。左のロボットは５個 のサーボ モーターをコンピュータ−で 制 御することで 動 かしています。一方、右のロボットは１個 の D Cモーター のみでコンピュータ−も使わずに動きます。
コンピューターをつかった６足歩行ロボット

コンピューターをつかわない６足歩行ロボット

モーターの数：サーボモーター ５個モーターの数：DCモーター １個ロボットの 仕 組みを上手に考えることで、少ないパーツで 効 率 的に動くロボットをつくることが で きます。このようなロボットの 仕 組みを 考えるために重 要なのが 機 械 要 素です。たくさん の 機 械 要 素を 知ることで、より面 白いロボットや多機 能なロボットをつくることが できます。

1

1 機械要素の種類
機 械要 素はいくつかの種 類に分けることが できます。ここではその中でも代 表的なものを紹介します。
きこう

リンク機構

カム機構

ギヤ（歯車）

棒状のパーツを回転ジョイン

円 で な い 板 の 回 転 する動 き

周りが 歯 の 形 をした 歯 車 をトで組み合わせ、単純な動きを利用して、動きの向きを変ならべ、回転する動きを伝えから複雑な動きをつくります。

えます。

たり、動く速さを変えます。

回転ジョイント

スプロケット/ローラーチェーン

プーリー/ベルト

スプロケットプーリー

ローラーチェーン

ベルト

自転 車にもつかわれているように、スプロゴ ムなどの 素 材 でできた ベ ルトで プ ーリー

ケットの回転する動きをローラーチェーン

どうしをつなぎ、回転する動きを伝えます。に伝え、はなれたところにある他 のスプロケットを回転させます。

今回はこの中の「リンク機 構」と「ギヤ」について学びましょう。

22 リンク機構
リンク機構はいくつかの棒状のパーツを回転ジョイントでつなぎ合わせてつくります。この 棒 状 のパーツを「節(せ つ)」といい、リンク機 構 はふつう４つの節をもっています。１つの節を回すと、固定されていない他の２つの節が合わせて動きます。実 際にブロックで４つの節をもつリンク機 構をつくって、動き方を観 察しましょう。
回転ジョイント

合わせて動く節

動かす節

固定された節

1ブロックを組み立てます。

×2

2ブロックと 1 を組み立てます。

3

1 と 2 を組み立てます。

1完成
213

４つの節は「く動節」「固定節」「従動節」「連結節」の４つに役割が分かれます。
連結節

従動節

く動節

固定節

く動節・・・モーターなどで回したり、左右にゆれ動かす節
固定節・・・固定されて動かない節
従動節・・・く動節に合わせて動く節
連結節・・・く動節と従動節をつなぐ節● 一 番短い節をく動節として、図のように回してみましょう。
①12連結節

く動節

3従動節

固定節

451 へ戻る

4

② 一 番短い節を固定節として、図のように回してみましょう。
●
12連結節

従動節
く動節

固定節

3451 へ戻る

5

③ 一 番短い節を連結節として、図のように回してみましょう。
●
12連結節

く動節

3従動節

固定節

4

左にはこれ以上回転できないので右へ

55 ⇔ ２2 の間をくり返す
５

右にはこれ以上回転できないので左へ

ここまでで見てきたように、リンク機 構は同じ形でも、それぞれの節の役 割を入れ替えるとまったくちがう動きになります。また、その動き方から、４節リンク機構は大きく次の3つに分けることができます。
てこ/クランク機構

両クランク機構

両てこ機構

く動節を回転させると、従動く動節を回転させると、従動く動節を回転させることはで節が左右にゆれ動く。

節も回転する。

きないが、左右にゆれ動かす

きこうと従動節も左右にゆれ動く。

※回転できる節をクランク、回転できない（左右にゆれ動く）
節をてこと呼びます。

リンク機 構はそれぞれの節の長さによっても動き方がかわります。次は、両クランク機構の中の一種である「平行クランク機構」をつくりましょう。

63 平行クランク機構を組み立てよう両クランク機構の中でも、向かい合う節の長さをそろえたものを「平行クランク機 構」といいます。この機構には、動くときの形がかならず平 行四辺 形になるという特徴があります。

13ブロックを組み立てます。

1 と 2 を組み立てます。
221×224ブロックを組み立てます。

1 と 3 を組み立てます。
13×2組み上げた平行クランク機構の動き方を確認しましょう。
1連結節

2356従動節

く動節
固定節

41 へ戻る２章では、この平行クランク機構をつかったワイパーをつくります。

7

4 ギヤ
ギヤはサーボモーターやDCモーターの中にもつかわれている機械要素の１つです。ギヤを見ると、円のまわりがギザギザした歯の形をしています。ギヤはそれぞれの歯どうしがかみあうことで動きを伝えることができます。
サーボモーター

DCモーターギヤ
歯

一方のギヤが回転すると、歯がかみあったもう一方のギヤにも力がかかり、回転する動きを伝えます。
歯回転の中心回転の向き

歯がかみあっているところ

ギヤは歯の数と歯の大きさで全体の大きさが決まります。下の２つのギヤは歯の数はちがいますが、歯の大きさは同じです。ギヤは必ず歯の大きさが同じものどうしを組み合わせます。
ギヤ大

ギヤ小

歯の数：30枚

歯の数：20枚

きこう

8ギヤにはさまざ まな形 が あり、それぞ れにちがうはたらきが あります。そ のため、ロボットや機 械の仕組みを考えるときは、それぞれのはたらきをふまえて適切なギヤを選びます。ここでは、ベベルギヤとラック＆ピニオンを実際に組み立てて、動かしましょう。
スパーギヤ

マイタギヤ／ベベルギヤ

円のまわりに平らにならんだ歯をもつ最も回 転じくの向きをかえて動きを伝えるとき一般的なギヤです。につかいます。歯の数が 同じものの組み合わせをマイタギヤ 、歯の 数 が ちがうものの組み合わせをベベルギヤとよびます。

ラック＆ピニオン

ウォーム＆ウォームホイール

ウォームホイール

ピニオン

ウォーム

ラック

ラックはまっすぐに歯がならんだギヤです。

ねじのような形をしたウォームとそれに合ピニオンとよばれる小さなギヤと組み合わうギヤ（ウォームホイール）を組み合わせてせ、回転する動きをまっすぐな動きにかえるいます。スパーギヤにくらべ、回転する速さことができます。

を大きく変えることができます。

9

5 ベベルギヤを組み立てようベベルギヤには「回 転の中心となる軸の向きを変える」はたらきと「回 転する速さを変える」はたらきの両方があります。
スパーギヤ

ベベルギヤ

1 ブロックを組み立てます。

2 ブロックを組み立てます。

3 1 2 を組み立てます。
1完成

210

6 ラック＆ピニオンを組み立てようラック＆ピニ オンは「回 転 する動 きをまっすぐな 動 きに 変 える」はたらきが あります。
まっすぐな動き

回 転する動き

1 ブロックを組み立てます。

2 ラックを組み立てます。

43 ピニオンを組み立てます。

1 2 を3 を組み立てます。

3

ラックとピニオンの歯がかみ合うように置く

完成

2

1

３章 で は 、ベベ ル ギヤとラック＆ピ ニ オンを 組 み合 わせ て、フォークリフトをつくります。

11

2章
リンク機構をつかったワイパー

１章 では、いくつか のリンク機 構を学び ました。リンク機 構 は 様 々な 製 品でつかわれており、代 表的なものとして車のワイパーがあります。

ワイパー は 左 右のワイパーブレードを同 時に動かすことで、窓についた 汚 れや雨の水 滴を取り除きます。似 たような動きは「平 行クランク機 構」でつくることが できます。平 行クランク機構をつかったワイパーをつくりましょう。

実 際のワイパーは雨の強さによって動かす速さや頻 度を変 更することが できます。スタディーノのボタンで速さや頻度を変えられるプログラムをつくりましょう。

12

1 ワイパーをつくろう
つかうパーツスタディーノ ×1

USBケーブル ×1

電池ボックス ×1

サーボモーター ×1

ブロック
基本四角 白 ×2

ブロック ハーフC
薄水 ×6

回転軸 ×4

ステー ×3① スタディーノにブロックを図のように取り付けます。
●● ブロックを図のように組み立てます。
②

13

● ブロックに回転軸を図のように取り付けます。
③×2②に ●③を図のように取り付けます。
④●
●
②
●

③
●
③
●

●
⑤ サーボモーターにブロックを図のように取り付けます。

⑤ にブロックを図のように取り付けます。
⑥●
●
⑤●

14

①に ●④と ●⑤ を図のように取り付けます。
●●⑦①●⑤●④●● ステーに回転軸を図のように取り付けます。
⑧×2⑧ にステーを図のように取り付けます。
●●⑨⑧●⑧●⑦に ●⑨を図のように取り付けます。
⑩●
●
⑦●
⑨●

15

⑩に図のように取り付けます。
⑪● 電池ボックスを ●⑩●● 電池ボックスをスタディーノのPOWERのコネクターにつなぎます。
⑫●⑬ サーボモーターをD9のコネクターにつなぎます。

● 完成です。
⑭16

2 入出力設定をしよう
サーボモーターのD9と、ボタンのA0〜A3にチェックを入れましょう。

3 サーボモーターを動かせる角度の範囲を調べよう
サーボモーターを大きく動かすと、パーツどうしがぶつかり、こわれてしまう危険があります。ぶつからずにサーボモーターを動かせる角度の範囲をあらかじめ調べておきましょう。

ぶつかる● サーボモーターのブロックを一つ並べて、テストモードを開始しましょう。
①17

② ▲ ▼ をクリックして、90度から1度ずつ角度をかえながら、ワイパー（画像●の赤枠の部分）が他のパーツにぶつからずに左 端と右 端に動く角度を調べましょう。

左端に動いたときサーボモーターの角度：
0度
度

右端に動いたときサーボモーターの角度：
180度
度

プログラムをつくるときは、調べた角度の範囲でワイパーが動くようにしましょう。

18

4 ワイパーの動作を整理しよう
車のワイパーは一 般的に「MIST」
「INT」
「LO」
「HI」という名前の４つの動作パターンがあります。
MIST（霧のとき）一度だけ動く
INT（弱い雨のとき）
少し待つ
少し待つ間隔をあけながら動く
LO（普通の雨のとき）間隔をあけずに動くHI（ 強い雨のとき）間隔をあけずに速く動く19ワイパーの動作はハンドルの近くにあるレバーで切り替えます。

ここでは、レバー の 代わりにスタディーノの４つのボタンをつかってそれぞれの動 作を切り替えるプログラムをつくりましょう。それぞれの動 作パターンは以下のように割り当てます。

INTMIST

HILO

ボタン

ワイパーの動作A0MIST

A1INT

A2LO

A3HI

5 MISTのプログラムをつくろう
M I S T ではワイパーを 一 度 だけ 往 復させます。A0 のボタン が 押されたときにMISTの動作が始まるようにプログラムをつくりましょう。
はじめの状態

1往復

20

① ワイパーをはじめの状 態にするプログラムをつくります。サーボモーターに●18ページで調べた左端に動くときの角度を設定しましょう。

18ページで調べた左端に動くときの角度● ワイパーが一度だけ往復するようにプログラムをつくりましょう。
②
右端に動く
左端に動く

● 「MIST」という関数につくったプログラムをまとめます。また、A0のボタン③が押されたときに「MIST」関数が実行されるようにしましょう。

21

6 INTのプログラムをつくろう
INTでは１秒ごとに間 隔を開けてワイパーを往 復させます。A1のボタンが 押されたときにINTの動作が始まるようにプログラムをつくりましょう。
1秒待つ
ずっと繰り返す
1秒待つ①● INTのときの左右の動きはMISTと同じです。
「MIST」
関数を複製して、「INT」という名前にしましょう。

複製「INT」に変える②● ワイパーが１秒ごとに往復するようにプログラムを変えましょう。ずっと往復させるためにプログラムをで囲みましょう。

22

③ A1のボタンが押されたときに「INT」関数が実行されるようにしましょう。
●7 LOの動作をつくろう
LOでは間 隔をあけずにワイパーを往 復させます。A 2のボタンが 押されたときにLOの動作が始まるようにプログラムをつくりましょう。

ずっと繰り返す● L O のとき の 左 右 の 動 き は M I S Tと同じで す。「M I S T」関 数 を 複 製して、①「LO」という名前にしましょう。

「LO」にかえる

複製23

② ワイパーが間隔をあけずにずっと往復するように●で囲みましょう。

● A2のボタンが押されたときに「LO」関数が実行されるようにしましょう。
③8 HIの動作をつくろう
HIでは間 隔をあけずに速くワイパーを往復させます。A3のボタンが押されたときにHIの動作が始まるようにプログラムをつくりましょう。

ずっと繰り返す
速く動く

速く動く

24

① HIのときの左右の動きはLOと同●じです。「LO」関 数 を複 製して、「HI」という名前にしましょう。

「HI」にかえる

複製● LOのときよりワイパーが速く往復②するようにサーボモーターの動かす速さを「20」にしましょう。

●③ A 3 の ボ タン が 押 さ れ たとき に「 H I 」関 数 が 実 行されるようにしましょう。

25

9 ワイパーの動作を確認しよう
プログラムを転送して、目的通りにプログラムが動いているかを確認しましょう。
プログラム完成例

動作を切り替える場合
動かしている最 中に動 作を止めた いときは 、Resetボタンを押します。
これは 、IN T 、L O 、H I の 動 作 がで繰り返されるので、一 度 動 作 が 始まるとそ の動作をずっと続けてしまうからです。このため動作を切り替える場合はResetボタンでプログラムを始めから実行する必要があります。

ずっとループから抜け出せない26

3章
ギヤをつかったフォークリフト

１章では、ベベルギヤとラック＆ピニオンといったギヤをつかった機 構を学びました。３章では、これらを組み合わせてフォークリフトをつくりましょう。フォー
クリフトは工場や倉庫などで、荷物を持ち上げ て運ぶときに使われています。
リフト

フォーク

リフトを上下に直 線 的に移動させるため、ラック＆ピニオンをつかいます。サーボモーター の 横 回りの回 転を縦 周りの回 転に変えるため、ベベルギヤをつかって回転の軸の向きを変えます。

ラック&ピニオン

ベベルギヤ
サーボモーター27

実際のフォークリフトの仕組み
実際のフォークリフトでは、より大きな力を出すために「油圧シリンダ」という装置をつかってリフトの上下運動を行っています。

油圧シリンダとは？

手動で操作する油圧シリンダ

油 圧ポンプからオイルを送レバー

り、油 圧 シリン ダ を 上 下 に動 か す 装 置 で す 。小 さな 力

油圧シリンダを 大 きな 力にかえることがオイルで き る た め 、クレ ー ン な どの建設機械にもつかわれて油圧ポンプいます。

28

オイルタンク1 フォークリフトをつくろう
つかうパーツスタディーノ ×1

USBケーブル ×1

電池ボックス ×1 ＤＣモーター ×1 サーボモーター ×1

ブロック
基本四角 白 ×6

ブロック ハーフＡ
薄グレー ×5

ブロック ハーフＢ ブロック ハーフC ブロック ハーフD
青 ×6
薄水 ×14
水 ×6

回転軸 ×3ステー ×3

ギヤ大 ×１

ギヤ小 ×１

ＤＣモーター
接続パーツ ×2

タイヤ ×2

タイヤゴム ×2

目玉パーツ ×1●
① サーボモーターにブロックを図のように取り付けます。

● ギヤ小にブロックを図のように取り付けます。
②29

ラックギヤ ×2

①に●②を図のように取り付けます。
●●③②
●

①
●

③ にブロックを図のように取り付けます。
④●●③●● スタディーノにブロックを図のように取り付けます。
⑤⑤ にブロックを図のように取り付けます。
●
⑥●
⑤●

30

⑥に ●④を図のように取り付けます。
●●⑦④●

⑥●

● 回転軸にブロックを図のように取り付けます。
⑧● 回転軸にブロックを図のように取り付けます。
⑨⑨ にブロックを図のように取り付けます。
⑩●
●
⑨●

31

⑩ に●⑧を図のように取り付けます。
⑪●●
⑩●
⑧
●

● ステーにブロックを図のように取り付けます。
⑫● ステーにブロックを図のように取り付けます。
⑬●⑭ ギヤ大に回転軸を図のように取り付けます。

32

⑬に ●⑭を図のように取り付けます。
●●⑮
⑬
●
⑭
●⑮に ●⑫を図のように取り付けます。
⑯●
●
⑫●

⑮
●⑯に ●⑪を図のように取り付けます。
●●⑰⑯
●
⑪●

● ブロックを図のように組み立てます。
⑱33

⑰ に●⑱を図のように置きます。
⑲●●
⑰●

置く

⑱
●
⑲ にブロックを図のように取り付けます。
●●⑳⑲●

リフトがスムーズに動くように、ブロックのすき間を調整しましょう。

⑳ に●⑦を図のように取り付けます。
●●㉑⑳●ギヤをかみあわせましょう。

⑦●㉑ にブロックを図のように取り付けます。
●㉒●
㉑
●

34

● サーボモーターを左に動かします。
㉓● ブロックを図のように組み立てます。
㉔×2● ステーにラックギヤを取り付けます。
㉕㉕ にブロックを図のように組み立てます。
㉖●
●
㉕
●

35

㉖ にブロックを図のように取り付けます。
㉗
●●
㉖
●

㉓ に●㉗を図のように取り付けます。
●●
㉘
㉓
●

㉗
●

● タイヤにタイヤゴムとDCモーター接続パーツを取り付けます。
㉙×2㉙を図のように取り付けます。
●㉚ DCモーターに ●㉙●㉙●36● ブロックを組み立て、目玉パーツを取り付けます。
㉛㉚に ●㉛とブロックを図のように取り付けます。
㉜●
●㉚
●

㉛
●㉘に ●㉜を図のように取り付けます。
●●㉝
㉘
●

㉜
●
㉝ に電池ボックスを図のように取り付けます。
㉞●
●
㉝
●

37

㉟
● 電池ボックスをスタディーノのPOWERのコネクターにつなぎます。

● サーボモーターをD9に、DCモーターをM1のコネクターにつなぎます。
㊱● 完成です。
㊲38

2 入出力設定をしよう
DCモーターのM1、サーボモーターのD9、ボタンのA0〜A 3にチェックを入れましょう。

3 リフトの動かし方を確認しよう
リフトはサーボモーターの角度をかえることで上下に動きます。テストモードでサーボモーターの角度をかえたときに、リフトがどのように動くかを確認しましょう。

● サーボモーターのブロックを1つ並べて、テストモードを開始しましょう。
①● 角度を180度にしたときに、ギヤ②とラックが動いた方向にそれぞれチェックを入れましょう。

39

③ 角度を0度にしたときに、ギヤと●ラックが動いた方向にそれぞれチェックを入れましょう。

４章では、フォークリフトをボタンで操作するプログラムをつくって、荷物運びに挑戦しましょう。

リフトがうまく動かないときリフトが動かないときは、以下の点を確認しましょう。
・0度のときにリフトが1番下に来ているか・リフトに適当なすき間を空けているか・ギヤやラックがかみあっているかすき間を空ける

0度

かみあわせる

1番下

40

4章
フォークリフトの制御

３章では、フォークリフトをつくって、リフトの動作を確認しました。

４章では、リフトの上下移動やフォークリフトの前 後移動をボタンで制御するプログラムをつくって、荷物運びを行いましょう。

41

1 フォークリフトの動作を確認しよう
フォークリフトの制御はスタディーノのボタンをつかって行います。前後移動はA1とA2のボタンで制御します。ボタンが押されたとき、それぞれ0.1秒ずつ前後に動くようにしましょう。
Ａ1のボタンが押されているとき

Ａ2のボタンが押されているとき

0.1秒前進0.1秒後退

リフトの上下移動はA0とA3のボタンで制御します。好きな高さに動かせるように、A 0 のボタンが 押されているときは1度分ずつ上へ、A 3 のボタンが 押されているときは1度分ずつ下へ移動するようにしましょう。
Ａ0のボタンが押されているとき

Ａ3のボタンが押されているとき

42

2 リフトを上下に動かすプログラムをつくろう
ボタンを押すことでサーボモーターを1度ずつ動かしてリフトを上下に移動させます。サーボモーターの角度を指定するために、「 d9」という変数をつくって、A0とA3のボタンが押されたときにその値を変化させるプログラムをつくりましょう。
A0のボタンを押す

A3のボタンを押す

変数「d9」が1つずつ大きくなる

変数「d9」が1つずつ小さくなる

サーボモーターの角度が1度ずつ大きくなる

サーボモーターの角度が1度ずつ小さくなる

リフトが1度ずつ上がる

リフトが1度ずつ下がる

43

● D9のサーボモーターの角度を保存する変数「d9」をつくりましょう。
①● A0のボタンが押されているときのプログラムをつくりましょう。
②● A0のボタンが 押されているときの変 数の変 化に制 限を加えましょう。A0③のボタンが 押されると「d9」の値が大きくなるので、「d9」の値が180より小さいときだけ変化するようにしましょう。

44

変数の値の変化に制限を加える理由「 d 9 」の 値 は 0 〜 1 8 0 の 中 で 変 化 さ せ るようにします 。これは「 d 9 」の 値 がサーボモーターの動く範囲である0〜180度を超えてしまい、再びその範囲内の値になるまでリフトが動かなくなることを避けるためです。

「d9」の値が0より下になったとき「d9」の値が180より上になったとき動かなくなる

動かなくなる● つくったプログラムを「ue」関数にまとめ、繰り返し実行するようにしましょう。
④45

● A3のボタンが押されているときのプログラムをつくりましょう。A3のボタン⑤が押されると「d9」の値が小さくなるので、「d9」の値が0より大きいときだけ変化するように制限を加えましょう。

● つくったプログラムを「shita」関数にまとめ、繰り返し実 行するようにしま⑥しょう。

● プログラムの最初に⑦を入れて、リフトの始めの位置を1番下にしましょう。また、変数「d9」の値も「0」にします。

● プログラムを転 送して、目 的 通りにプログラムが 動 いているかを確 認しま
⑧しょう。

46

3 車体を前後に動かすプログラムをつくろう● プログラムの最初に①をつないで、DCモーターの速さを決めましょう。

●② A1のボタンが押されたときに、0.1秒前進するプログラムをつくりましょう。

③ つくったプログラムを「mae」関 数にまとめ、繰り返し実 行するようにしま
●しょう。

47

●
④ A2のボタンが押されたときに、0.1秒後退するプログラムをつくりましょう。

⑤ つくったプログラムを「ushiro」関数にまとめ、繰り返し実行するようにしま●しょう。

● プログラムを転 送して、目 的 通りにプログラムが 動 いているかを確 認しま⑥しょう。

48

4 荷物運びをしよう
２段の荷物台をつくって、ステーを運びましょう。

つかうパーツブロック
基本四角 白 ×8

ブロック ハーフC
薄水 ×2

ブロック ハーフD
水 ×2① ブロックを図のように組み立てます。
●① にブロックを図のように取り付けます。
●●
②①
●

49

ステー×1

上の段に置いたステーをフォークリフトで下の段に移しましょう。

ステーをうまく運べないときリフトの上下移動がうまくできないときは、リフトを動かす速さを遅くしましょう。

値を小さくする50

080504

K0620