二足歩行ロボット製作の流れとポイント～“本当に作りたいもの“をカタチにするために～

2023/7/15 水野谷

自己紹介＋本日のテーマ

自己紹介
名前：水野谷 純平➢HN：カトジュン➢重工メーカー勤務➢立命館大学出身
ロボット活動歴➢10年くらい➢上位入賞経験はなし（最高成績ベスト8）➢在学時はNHK大学ロボコンとかわロボも少し得意分野➢メカ設計（リンク機構、軸受け、ギヤボックス）➢加工（アルミ切削）モーション作成（歩行モーション）

ロボット製作歴と活動方針➢ ROBO-ONE上位入賞
積極的に動き回って仕掛ける、頑丈な下半身＋移動モーションの作りこみ➢ バトル以外のこともできる

観客へアピール＋自分が動かして飽きない➢ 強いロボットを徹底的に真似する
オリジナリティより確実に動くものを（先駆者様：クロムキッド、HammerHead、YOGOROZA、レグホーン、OmniZero、他多数）

2012～2013年

2014年前半

2014後期～2015年

2018～2020年頃➢ KHR3ベースの改造機➢ ここから3kgクラス➢ １番強かった頃➢ サーボ改造等、実験要素多め➢ 4kg級として再開発➢ ROBO-ONE22th予選落ち➢ 24th ベスト8

➢ 26th ベスト8＋予選1位➢ 36th 初戦敗退

➢ 41th2022年～

初戦敗退＋MISUMI賞受賞

今日のテーマRaptor-COLZA を例とした
設計手順とポイント

Raptor-COLZA についてスペック

➢ 全長60cm 重量4kg➢ 自由度数：24 総モーター数：36（ROBO-ONE時は25自由度37モーター）➢ 使用サーボ : KRS-2552×2 KRS-4033×30 KRS-6003×4（ KRS-2552以外は自作のギヤボックスに改造）

コンセプト、特徴：

限られた重量の中でパワー／フレーム強度／自由度を最大限両立• 強度を確保しつつ徹底的な軽量化➢➢

サーボケース自作＋CFRPフレーム
シンプルかつコンパクトなフレーム構造（干渉を無くなり可動範囲も増える）• 浮いた重量をモーターにまわす➢腕、脚ともに6自由度確保➢全身ハイトルクサーボ＋モーター並列化でパワーアップ

コンセプト検討①“やりたいこと”をリストアップする
例：大会で入賞したい（仮想敵や戦い方まで考える）
××の技ができるロボット
好きな作品のキャラクターを再現
新しい技術（パーツ／機構／センサ／制御etc）のテスト
3DCAD、工作の練習②どうやって実現するかを考える➢ 先行事例の情報も集めて参考にする 大抵のことは既に誰かがやってる➢ 必要な費用や時間をざっくり見積もる③実現できそう＆最もやりたいことを１～２個選ぶ➢ 一度に全部やろうとすると大概迷走する➢ リソース（時間・お金、やる気）で実現可能なレベルに落とし込む

コンセプト検討： RAPTOR-COLZAの例
やりたいこと：➢バトルにも勝ちたい＋いろんな動きをさせたい➢パワーと自由度の両立
ロボットの仕様：➢自由度の実現：
腕／脚ともに６自由度＋各関節の可動域を広く➢パワーの実現：ハイトルクサーボを並列化➢サーボ数が多すぎて重量規定に収まらない：
自作ケース＋CFRPフレームで軽量化すれば解決

コンセプトの考え方のヒント
技術、モノづくり
機構／軸配置／構造の工夫

自動制御へチャレンジ

設計／加工／制御スキルの習得・向上
新しいアイデアを試す

新商品、パーツのテスト

他のロボットにない個性
ロボット性能向上の追求
外装、見た目のこだわり
観客を楽しませる一芸

大技を決める

自分なりのカッコよさ／可愛さ
好きなアニメ／ゲーム／漫画の再現

作品（自己表現、エンタメ）

動かしやすさ操縦スタイルとの合致

理想の戦い方

ルールへの最適化

開発、メンテナンス時間の最小化
練習時間の確保
メタゲーム、流行の取入れと対策

競技、ゲーム基本設計（箱レベル）➢ ラフなモデルを作って、中に主要部品（サーボ、制御ボード、バッテリー）を収める➢ 姿勢を動かして、一番キツイ場所の寸法や可動域を検討➢ プロポーションや重心位置が納得いくまで繰り返し検討➢ できれば外装、配線、減速リンク等も大まかに決めておく（後回しになることも多い）

CAD上で関節を動かしながら、プロポーションや干渉をチェック

基本設計（サーボの選定
主にサーボのトルクと重量から選定するトルク：➢ デカくて重いロボットほどトルクが必要➢ ロボットの重量・サイズから、必要なトルクを見積もる➢ または先に使うサーボを決めてから重量・サイズを合わせる
重量：サーボの合計重量がロボット総重量の45～50%くらいになる
他の選定要素：耐久性：➢ メカ（ギヤ、ケース）と回路（モーター／FET）の壊れにくさ➢ 使ってみないと分からない。他ユーザーとの情報共有も重要。
スピード：➢ 他の関節と連動するため、一か所だけ速くしても無意味なことも➢ 軸配置や想定するモーションに応じて選ぶ
電力：駆動電圧・電流はバッテリー選定と兼ね合い

消費電力大だと発熱も大きい

サイズ：ドール系など、見た目・デザイン重視の場合は重要

トルク計算➢最もしんどい姿勢で計算➢必要トルク[kg-cm]=ロボット重量[kg]×リンク長[cm] ×マージン（安全率）
マージンの目安：➢バトル用： 1.4～1.6➢ギリ歩ける： 1.1～1.2➢重いロボットは大きめにとったほうが安全
トルクが足りない場合…
➢ ロボットを軽く＆小さく➢ 同じサーボを並列化⇒ n倍➢ 減速してトルクを上げる⇒ 2～3倍
➢ バネで補強 ⇒～1.3倍

例：重量4kg、リンク長130mm、バトル機体
4[kg]×13[cm]×1.5 = 78[kg-cm]

設計（モジュールレベル）• 浮いていた部品同士をフレームで繋いでモジュールをつくる• 材質と厚み、固定方法を決める

t3.0mm アルミ（側面にタップ立て）• モジュール同士の繋ぎ目（軸受け）の構造もここで検討
t1.5mm アルミ（コの字曲げ）

メインのプレート（t2.0mm CFRP）

フレーム構造の基本
箱型フレーム➢ ２枚の板（プレート）を梁（ビーム）で繋ぐ➢ 梁はコの字板金、厚板ブロック、サーボケースなどを使う➢ 梁は全周まんべんなく通すのがベスト➢ 梁と梁の隙間をなくすと剛性高くできる➢ 分厚いプレート単体でも箱とする場合も（足裏など）

コの字フレーム➢ 回転軸に取り付ける➢ 出力側、反対側のプレートを梁で繋ぐ➢ 梁の幅はできるだけ長く➢ 回転軸と梁の距離を短くすると剛性UP

フレーム構造（応用編）➢複雑な形状も、“箱型”と“コの字型”の組み合わせで作れる

コの字
箱①
箱

繋ぎブロック箱
コの字箱②

コの字詳細設計（パーツレベル）➢外形や穴の位置等、パーツの最終形状をつくる➢肉抜きもここで行う➢加工や組み立ても考慮した形状

穴径公差

位置決めのガイド

直角のエンドミル逃がし

肉抜き（切り抜きorポケット）ザグリ

開発全体の流れ（ウォーターフォール型）
コン
セプ
ト
検討

基本設計

詳細設計

パーツ加工

組立、配線

ウォーターフォール型：設計⇒製作⇒モーションと１工程ずつ進めていくメリット：➢ 残り作業時間が見積もりやすい➢ まとめて作業するので効率がいい➢ 何を作るか最初からハッキリ決まっている人向け
初めてのロボット作りにはオススメしない➢ 設計が終わるまで後工程（加工やモーション作成）に進めない➢ 設計ミスや仕様変更で後戻りが発生しやすい➢ 手を動かしながら考える人には不向き

モー
シ
ョ
ン
作成

アジャイル型（反復型）
プロセスの例
コン
セプ
ト
検討
＋
基
本設
計（全身）

➢ ユニット毎に設計、製作、テストを繰り返す➢ 早い段階で加工やモーション作成に入れる➢ 実際に動かしながら開発するので失敗しにくい➢ 設計ミスや仕様変更に対応しやすい

詳細設計
（片脚）

詳細設計（腰）

詳細設計
（胴体）

詳細設計
（腕）

サイクル１（片脚のみ）

サイクル２（下半身）

サイクル３（胴体）

サイクル３（腕）動作テスト（片脚屈伸）

加工＋組立
（片脚）

動作テスト
（歩行）

加工＋組立（腰）

動作テスト
（自立）

加工＋組立
（胴体）

動作テスト
（起上がり）

加工＋組立（腕）

複合型の設計プロセス
反復サイクル

コン
セプ
ト
検討

詳細設計基
本設
計

評価
モジュールor部品毎サイクル回す

パーツ加工

詳
細設
計
（残り）

パ
ー
ツ
加工（残り）

組
立・
配線

一部の工程でサイクルを回す、複合型プロセスで作ることが多い

モー
シ
ョ
ン
作成

作ったロボットの評価（Ｖ＆V）
設計の検証（Verification）➢仕様、設計意図の通りに作れているか？

要件（やりたいこと）の定義- 部品レベル（加工性、強度、組立性）
仕様検討- モジュールレベル（剛性、関節がきれいに動くか）- 全体レベル（重量、重心、メンテナンス性、故障率）

妥当性の検証（Validation）➢商品開発の顧客満足度評価に近い➢コンセプトや要求仕様は正しかったか検証➢最初に挙げた“やりたいこと“は達成できたか？
➢不足機能or不要な機能はなかったか？

Validation

運用レベル評価
Verification
全体レベル評価

基本設計

詳細設計

モジュールレベル評価
部品レベルの評価

製作・組立・モーション➢良かった点、改善すべき点をはっきりさせて次に活かす➢０点 or 100点はありえない、失敗作でもどこかに成功した要素があるはず➢せっかく苦労して作ったのだから、作りっぱなしはもったいない！

おまけ、小ネタ色々

減速機構
メリット： トルクアップ、減速した分サーボ本体へのダメージが減る
位置決め精度を邪魔しないサーボセイバーとしても使える

デメリット： スピードと可動域が減る

揺動
節

従動節

𝝉𝟐

𝑳𝟐

固定節

𝑳𝟏

𝝉𝟏

（可動範囲は90°程度で十分な場合も多く、デメリットになりにくい）

原動節

ギヤ

➢ メリット：機構がシンプル、減速比が常に一定、無限回転できる➢ デメリット：ギヤ歯の加工難しい、バックラッシュが増える

𝝉𝟏 : 𝝉𝟐 = 𝑳𝟏 : 𝑳𝟐
従動節と揺動節が一直線に並ぶのはNG（特異点）

4節リンク（台形リンク）

𝑳が短いほどガタ増加➢ メリット：機構がコンパクト、ガタ小さい、加工が楽➢ デメリット：速度比の変動大、設計時のパラメータが多い（4つ）
長穴減速（スライダークランク）➢ メリット：一定の減速比（2：１）が可能、壊れにくい➢ デメリット：摺動部の摩耗によるガタ、スライダーが邪魔➢ 上２つと比べて大きなデメリットがなく使いやすい

𝝉𝟏

原動節

固定節𝒍

𝝉𝟐

𝑳

スライダー

𝝉𝟏 : 𝝉𝟐 = 𝒍: 𝑳

原動節＝固定節で𝑳: 𝒍 = 𝟐: 𝟏

ギヤ／４節リンクの活用法（一例）➢複数の関節をサーボ１個で動かす➢複数サーボのトルクを１関節に集約➢サーボと関節軸の位置を離す➢回転以外の動きに変換
⚫楕円軌道
⚫平行移動
⚫直線軌道など

片持ち軸受けコンセプト➢ラジアル、スラスト（引張、押込）の３方向を受ける➢外径サイズをコンパクトに引張荷重によるケース破損

シャフト（裏にIカット）

ベアリングホルダ
アウタ／インナ押え

配線のコツ➢胴体内部の配線経路が重要 可能なら胴体設計時に経路も検討➢ケーブル多い（手足、バッテリー、センサ）ため煩雑になりやすい➢起点が汚いと全体が汚くなりがち
制御ボード

この先は割と楽（後で修正が効く）

バッテリ、センサ

配線のコツ（可動部）➢可動部は回転軸の近くを通す➢できれば回転軸上を通過させるか➢片持ち部は軸内配線（サーボが邪魔なのでひと工夫必要）

CNCフライス加工のコツ➢ 材料固定ははがせるタイプ（またはカーペット用）の両面テープで➢ 加工エリア全体を養生テープ（部品が飛ばない＋汚れにくい）➢ 長時間加工はスピンドルモーターを冷却➢ 切粉は詰まらないようファン（CNC nut fan）で飛ばす➢ 小径穴はドリルで加工➢ エンドミルはねじれ角が大きいもの（40°以上）を使う➢ 切れ味の落ちた工具はさっさと捨てる（折れるまで使わない）
モーター冷却ファン（PCファン）

CNC Nut Fan

加工パラメータ、便利ツール紹介

エンドミル

加工パラメータ（右図）➢ オリジナルマインドmini-CNC HAKU 2042でアルミ加工する用➢ 機械剛性や工具に応じてチューニング要。
➢ エンドミルはZ切り込み量＆Z送り速度をなるべく小さく加工に便利なフリーソフト（個人サイトにつき使用は自己責任で！）➢ NCVC：CAMソフト。加工時間の確認が可能
https://k-magara.github.io/➢ safe z point ：ポケット加工の加工時間短縮できる
http://sliverqueen.qee.jp/contents/presentation/aoi/how_to_safe_z_point/how_to_safe_z_point.html➢ GCSW：歯車計算ツール。歯形のdxfファイルが簡単に作れる
https://www.khkgears.co.jp/gear_technology/gcswforweb.html

ドリル

自作サーボケースについて➢ケースのみ自作➢モーター、基板、ギヤは市販品を使用➢軽量化、省スペースが目的

製作手順➢レイアウト検討（2Dスケッチしつつ、3Dモックで干渉確認）➢各層の分割位置検討、パーツ同士の固定方法、穴位置を検討⇒ここから各パーツの詳細設計

設計のポイント➢ギヤ同士の距離（近すぎ＝回らない／遠すぎ＝バックラッシュ）➢シャフト⇔ケースの穴径公差（強すぎると組立時に変形）➢モーター固定方法（圧着は破損のおそれ、耐熱性のある接着剤がオススメ）➢ケース分割方法（加工しやすさ、材料コスト、組立・分解のやりやすさ）➢ケース同士の固定方法（全体剛性に影響、ネジに頼らない固定方法）

固定用ボス（凹側）
固定用ボス（凸側）

固定用ボス

参考：上位勢の活動スタイル（独断と偏見）
技術、モノづくり

自己表現、エンタメ

競技、ゲーム試合で勝てるロボットのセオリー※あくまで“手っ取り早く勝率を上げる”ためのセオリー。バトルロボット以外はこの通りでない

アクチュエータ（サーボ）性能➢ ロボットの性能・パフォーマンスに直結➢ 上位陣は全身ハイトルクサーボが普通 自分も同じものを使ってスタートライン➢ 重量制限で機体に搭載できる限界はある あくまで不利にならないための要素
機体設計➢ 製作期間の短さ、故障のしにくさ、メンテナンス性が重要
モーション調整と練習時間をできるだけ確保➢ 各要素の必要機能を絞り、開発時間と重量のムダを省く
下半身は移動、腕は攻撃に特化 胴体は頑丈な“箱”であることが重要➢ 自由度は全身で20軸程度が基本
多すぎ：過度な軽量化で故障しやすい＆設計が長引く 少なすぎ：重量が余りがち➢ 下半身はトルク＞スピード 素早く動くことより素早く止まれることが重要
モーションの作りこみ➢ 移動モーションは小刻みに素早いほうが有利
移動速度より“素早くニュートラル姿勢に戻る”ことが重要➢ “当たれば確実に倒せる”攻撃モーションは最低一つ準備する
ダウンになりやすい当て方（角度や距離感）を練習で掴んでおく当ててもダウン取れない攻撃は封印 使うほど隙が増えるだけ