からくり技術研究所では、「ロボット製作に使える機械工学のメカニズムを実際に動かしてみよう！」ということで、地道に短めの記事でやっていくコーナーです。
主に、ロボット製作で使うための機械的な仕組みを実際に作って、動かして、測定してみます。
この連載記事では、タミヤ模型さんの「楽しい工作キット」と３Dプリンターを使って、仕組みを組み立てています。
今回からは、３Dプリンターとして新しく追加した「ORIGINAL PRUSA MK4S」を使っていますよ！
「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」も部分的に使って効率化しています！
今回は「ステアリング」を使った「くるま」の曲がる仕組みの製作記事です。
いろんなタイプがあるよな。
沢山の種類があるな。
車みたいな4輪車が曲がる仕組みって
当たり前のようであまり詳細を知らないかも。
「ハンドルを切ると曲がる。」
当たり前に思っていたことの仕組みを知ることはいいかもしれんな。
よし、簡単なステアリング構造を製作して動かしてみるか！
- シンプルなラック＆ピニオンを使った構造とする
- 模型サイズでの実現を考慮する
- ３Dプリンターを使って造形できる部品で構成する
動作を単純化して考える
毎度のことながら、いきなりCADソフトなどで３Dモデル化！ってできればいいですが、そこまで優秀な頭は持っていないので、
まずは、「前輪を同時に一定方向に向けるための構造」を単純化して考えます。
まずは基本的な構造から
「前輪を同時に一定方向に向けるための構造」の基本は、
「アッカーマン・ジャントー方式」というものを考えます。
現在の車のステアリング構造を実現するためには、ステアリング（ハンドル）を回した際に
左右の車輪の操舵角を連携して動かす必要があります。
この左右の車輪を連動して動かす仕組みに「台形リンク」を使用したのが、「アッカーマン・ジャントー方式」です。
具体的には、次のような図で示されます。
前輪の間にABCDの点を結ぶ線で表される「台形リンク」が用いられています。
この「台形リンク」が次のように左右に動くことで、左右の車輪を連動して動かすことができます。
この方式を見ると「台形リンク」の線DCが左に移動していることがわかります。
今回は、この左右への移動を「ラック＆ピニオン」を使って実現します。
「ラック＆ピニオン」は、次のような構造です。
ギアの歯がついた長い棒「ラック」があり、「ギア（ピニオン）」が回転することで「ラック」が左右に動きます。
「ギア（ピニオン）」の回転運動を「ラック」を使って直線運動に変えています。
しかし、よく見ると「台形リンク」構造では、線DCを構成する点（D、C）は左右だけでなく上下にも動きます。
「ラック＆ピニオン」では、直線的な動きになり、左右には対応できますが、上下には対応できません。
そこで、次のような構造を入れて、車輪の向きを変えるような動きに変えます。
右折時には、ラックが右に移動することにより、左右の車輪が曲がる仕組みです。
車輪を繋ぐL字型の構造は、折れている点を中心に回転します。
基本的な構造は見えてきましたので、次に３DCADデータを作成します。
３Dモデルを作ってみる
３Dモデルを作成しました。
「ラック＆ピニオン」のギア（ピニオン）を回すことで左右のタイヤ取り付け穴の向きが変わります。
動きとして左右の車輪が連動して動きます。
試作用のデータを作る
今回の構造は、少し複雑になっているので、３Dプリンターを使って各パーツを作っていきます。
３Dプリンター「ORIGINAL PRUSA MK4S」を使いました！
造形データの作成は、「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」の時と同じ「PrusaSlicer」を使います。
３Dプリントデータは以下のパーツ毎に生成しました。
- ギア（ピニオン）
- ラック
- ステアリング構造パーツ
- タイヤ
- ホイール
印刷データ生成時には、次の条件に注意して配置すると失敗が少なく作業がはかどります。
- 印刷面席が大きいパーツは単体で生成する
- 小さいパーツは複数並べて配置してもいいが、プリンターのノズルの移動量を抑える
- ウォームなどのネジ山は縦方向に印刷する
ORIGINAL PRUSA MK4Sで印刷する
今回は、「PETG」フィラメントを使用して「ORIGINAL PRUSA MK4S」で印刷しました。
各パーツとも、精度バッチリで、スムーズに動きます。
最終的には、「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」でも印刷してみようと思っています。
今回使った３Dプリンターとフィラメントはこちら！
「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」
「ORIGINAL PRUSA MK4」※
販売されたらリンクをご紹介予定です！
「PETGフィラメント」
今回はこちらのフィラメントを使っています。安価ですが安定していますので参考にしてください。
組み立て
部品は揃いましたので、組み立てててみました。
「ラック＆ピニオン機構」のピニオンに固定したシャフトにハンドルをつけてみました。
なんか、雰囲気が出ましたね～。
３つのローラーの軸には、次のステンレス製のシャフト（3㎜）を使いました。
強度もよく安心感があります。
回転するローラー部品をシャフトに固定するのに、次の「イモネジ」を使いました。
動かしてみよう
それでは、実際に動かしてみましょう。
うまくステアリング（ハンドル）を回すと、左右の車輪が同時に動きますね！
完成しました！
編集後記
いかがだったでしょうか。
原理と、機構がわかると、自作も意外とできちゃうんです！
３Dプリンターで作ったパーツも、強度はあるので、試作にはピッタリです。
今回の「ラックピニオン機構」を使えば、車輪の向きをモーターなどを使って正確に制御できそうです。
皆さんも、挑戦してみては、いかがでしょうか！
今回の記事は以上となります。
最後までご覧いただきありがとうございました。
記事内でご紹介した商品はこちら！
「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」
「ORIGINAL PRUSA MK4」※
販売されたらリンクをご紹介予定です！
「PETGフィラメント」
今回はこちらのフィラメントを使っています。安価ですが安定していますので参考にしてください。
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