自作ルンバ!? 夏休みの工作にロボット掃除機(仮)

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 ロボット掃除機っぽい工作に挑戦しました。
(以下、市販のロボット掃除機を「ロボット掃除機」、今回製作した工作を「ロボット掃除機(仮)」と書きます)


≪関連項目≫
自作ルンバ!? 夏休みの工作にロボット掃除機(仮) ←今ここ
激安ロボット掃除機macaronで猫の毛対策!
小型サイクロン掃除機を自作する!
ルンバを超えろ! 自作サイクロン・ロボット掃除機(近日公開?)


 ネットでこういうものを作る記事を書くときには、普通はマイコンボード(たとえばこのあたり・・・



 ・・・を組み合わせて作らなければならない的な空気がありますが、今回のコンセプトはズバリ

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「マイコンを使わずタミヤの工作キットでどこまでできるか試してみた」

 ・・・というものです。

 小学生でも高学年くらいならたぶん作れますが、残念ながら夏休みの工作には間に合いそうにないので、世のお父様方は来年の夏休みに向けての制作をご検討ください。

《 ご 注 意 》

  • 実用性はお察しください

  • 無人での使用はお奨めしません(狭いところに潜り込んだり、床材(長毛じゅうたんなど)によっては、動けなくなります)。

  • 掃除機能は、現時点ではモップシートによるモップ掛けのみです。
 吸引機能が必要な場合は、小型サイクロン掃除機を自作する!にて自作サイクロン掃除機を作成しましたので、ぜひご覧ください。
 または、以下のもので対応できるかもしれません。

★ペットボトル掃除機

 ロボット掃除機(仮)本体の空きスペースに穴を開け、これらを縦に突っ込むといいかもしれません。

★卓上クリーナー

 これに紐をつけてロボット掃除機(仮)に引っ張らせるといいかもしれません。

 ロボット掃除機(仮)の自作に取り掛かった動機は、長かったので別の日記(激安ロボット掃除機macaronで猫の毛対策!)に分けました。

3行でまとめると、
  1. 床掃除してもすぐに猫の抜け毛だらけになるのでロボット掃除機が欲しい!

  2. ルンバとかの高級機は高くてマジ無理!

  3. 激安・少機能のmacaronを買ってみたら意外と仕事師でびっくり


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 その結果、「適当にうろうろしてほこりを吸うだけの工作を作ったら多少は役に立つかも」ということをmacaronに教えてもらったことにあります。

 なお、自作できるロボット掃除機といえば学研の大人の科学マガジン Vol.33 卓上ロボット掃除機があります。



 Gigazine(「手乗りサイズの「ルンバ」っぽいマシンが自作可能な「大人の科学」のふろく「卓上ロボット掃除機」レビューにも詳細が紹介されていますが、移動・方向転換・吸引を1つのモーターだけでこなすため、ギヤに凄まじい工夫が凝らされています(しかも段差検知機能すらあります。これはmacaronにはありません)。

 これの巨大版を作れたらよかったのですが、さすがに歯車の自作はできないので、代わりにモーターの複数搭載やマイクロスイッチを使用したのが今回のロボット掃除機(仮)なのです。

 ・・・などと言っていたら、ついにロボット掃除機が少女漫画雑誌のふろくになる日がやってきました。



 さすがに小学生がおこづかいで買う雑誌の付録の予算枠で実現しているだけあって、割と不良率が高いらしく、SNSなどでは
「中の配線が取れていた」
「せっかくだから高性能モーターに替えてみた」

 ・・・ふろくにお父さんの出番までつけてくれるとはうれしいじゃありませんか。





★仕様

 今回製作するロボット掃除機(仮)の機能は、以下のとおりとします。
  • 前へ進む

  • 障害物に当たったら、方向を変えて進む

  • 方向転換の制御は機械的な動作(物にぶつかる→スイッチが反応する→方向転換を行なう)のみで行い、マイコン等は使用しない

  • 掃除は本体下につけたモップシートで行なう





★材料

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 材料はタミヤのパーツ、100均グッズ、廃材などを使います。
(写真は使用せずじまいだったパーツも含んでいます)

《タミヤのパーツ》
  • モーター付きダブルギヤボックス

     モーターとタイヤの間に挟むギヤボックスは、タミヤ製品でも多数のラインナップが揃っています。
     ロボット掃除機の推進力として使うには、
    • 左右のタイヤを独立して動かせること(方向転換のために必要)

    • 多少の段差を乗り越え、障害物に当たった際にはスイッチを反応させるだけの充分なトルク

     が必要となります。
     タミヤ製品で左右それぞれにモーターがついているギヤボックスは2つありますが、こちらの方がギヤ比が高い(344.2:1)ため、トルクを重視してこちらを選びました。

  • 駆動用タイヤ

     ギヤボックスのトルクを生かすため、グリップ力の強そうなタイヤを選びました。

  • マイクロスイッチ ※4つ使います

     マウスのボタンに使われている類のスイッチです。
     スイッチが押されていない状態と、押されている状態とで、それぞれ別の回路をオンにできます。
     今回は、障害物検知用センサーとして使用します。

  • 電池ボックス

     単3・2本用です。
     この値段でスイッチがついていて、しかもプラス・マイナスの逆転もできるのがうれしいところです。

  • 導線

     電気配線に使用します。
     今回は、家の余りものを使いました。

《100均で入手したパーツ》
  • CD・DVDケース
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     ふたを本体に使います。
     ポリプロピレン製で薄いため、なんとかカッターで加工できます。
     頑丈さを求めるなら、同じ素材で近いサイズの台所用トレーなどの方が上なのですが、加工しやすさを優先してこちらを選びました。
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     使用するのはふただけで、ケース本体は使わないのですが、ロボット掃除機(仮)に被せるカバーとしても使えます(重心は高くなりますが)。
     ていうか手前の人、ちょっと動いてもらえたらありがたいのですが・・・!

  • キャスター
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     本体を支えるためのタイヤです。
     駆動用タイヤの動作をなるべく邪魔しないため、軽く方向転換できるものが望ましいです。
     100均でスチールラック用のものが2個百円で売られている他、板などに打ち付けて使うものも売られています。
     いずれの場合も、固定用のボルトやネジ等が別に必要です。
     今回は、家にスチールラック用のキャスターが余っていたのでそれを使いました。

  • タピオカ用ストロー 30本入り
     障害物検知用のアームとして使用します。
     安くて軽くて丈夫なうえ、ストローの中に折り曲げたストローを入れるだけで、さらなる補強ができます。

  • フック(大) 8個入り
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     障害物検知用アームの支持用に使用します。

  • フック(小)たぶん16個入り
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     各パーツの固定や支持など、地味ですが多方面に使用します。

  • ビニール絶縁テープ
     絶縁や固定に使います。
     今回は、家の余りものを使いました。

  • 両面テープ
     部品の固定や仮止めに便利です。
     今回は、家の余りものを使いました。

《ホムセンで入手したパーツ》
  • ネジ類
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     マイクロスイッチの固定に使用する2mmネジ・ナット・ワッシャ、キャスターの固定に使用する蝶ナット・ワッシャが、少なくとも必要となります。





★ロボット掃除機(仮)の構造と作り方

 いよいよ製作に入りますが、仕組みと作り方を同時に書いていきます。
 というのは、材料によって微調整が必要な部分があるので、作り方だけを真似してもたぶん動かないからです。
 ここからは、今回製作するロボット掃除機(仮)が障害物に接触した際の挙動、すなわち
  • 左に障害物が当たると右のタイヤが反転(または停止)し、右に舵を切る

  • 右に障害物が当たると左のタイヤが反転(または停止)し、左に舵を切る
 つまり、障害物と反対側の車輪を逆回転させることで行なう、ということを踏まえてご覧ください。

 こちらが表面です。
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 こちらが裏面です。
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 電気的な配線図は、以下のとおりです。
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 モーターは左右が反対側のスイッチと繋がっています。

 車輪を逆回転させるためには、モーターに流す電気のプラスマイナスを逆転させる必要がありますが、それを実現させるために、1モーターにつき2つのマイクロスイッチを使用します。
 原理は下の図のとおりです。
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 スイッチAとBがワンセットになっていて、1つのモーターに繋がっています。
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 スイッチAとBが両方とも押されると、モーターに流す電気のプラスマイナスが反転します。

「こんなことをしてショートしないのか?」と思ってしまいますが、片方が押されていて片方が押されていない状態だとこうなります。
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 すなわち、単に回路がつながらない(スイッチがオフの状態になる)だけですので、心配はいりません。
 電気のプラスマイナスが突然逆転したらモーターもびっくりするでしょうから、一瞬でもスイッチがオフの状態になるのはむしろ好ましいでしょう。

 実際には、狭い場所などでは障害物に当たる→少し角度が変わる→少し前進する→また当たる→さらに角度が変わる→少し前進する・・・を小刻みに繰り返して方向転換を行ないます(モーターに悪そうですが)。

 また、実際にはタイヤが反転するところまで行かず、単に止まるだけに終わる場合も多いようです。
「じゃあ、わざわざマイクロスイッチをたくさん使ってややこしい配線をしなくても、ぶつかったら片方のタイヤを止めるだけでいいんじゃないの?」と思ってしまいますが、実際に試したところ、壁にぶつかった際にアームが壁面に乗り上げる形で動くほうのタイヤが浮いてスタックしてしまうことがかなり頻繁に起きました。
 ここでは、実用性を少しでも高めるための挑戦として、ややこしい配線を採用します。

 夏休みの工作のアリバイだけで作るのなら、押すとマイクロスイッチがオフになるように作れば充分でしょう。




 タミヤのラインナップには、1つで同様の機能を持つスイッチ(DPDTスイッチと呼ばれます)が存在します。

 試しに輪ゴムで引っ張ったりなどいろいろ試行錯誤してみたのですが、スイッチがオフの範囲が広すぎて、今回の使用目的には合いませんでした。
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 スイッチ加工の実際の写真はこちらです。

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 2つのマイクロスイッチがなるべく同時に働くよう、フック(小)を貼り付けて一体化させています。

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 フックに切ったストローを挟み、マイクロスイッチを延長します。
 これにより、電源ONの状態・電源反転の状態・ニュートラルの状態にを持たせています。

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 マイクロスイッチの電池側の配線をクロスさせています。
 これによって、押されるとプラスとマイナスを反転させるマイクロスイッチとして働くようになります。

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 駆動用タイヤ等の穴を開ける場合は、カッターで何度か溝を掘り、溝に沿って切断します。
 本体を加工する前に、あらかじめ中心となる線を引くと、加工の際の基準となるでしょう。

 ギヤボックスなど部品の取り付けは、あらかじめセロテープなどで仮止めし、
  • 設置場所が被らないか

  • 配線はできるか

  • 固定してから配線するか、配線してから固定するか
 などをイメージしながら行なうといいでしょう。

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 アームを通す穴を開けます。

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 アーム用の穴に実際にストローを差してみて、アームを支持するためのフック(大)やマイクロスイッチの位置を決めます。
 フック(大)、マイクロスイッチを両面テープなどで仮止めし、ストローの動き(なるべく軽い力で動き、かつ、ぶれないことが望ましい)やマイクロスイッチの押し具合をしつこいくらい確認してから位置を固定します。
 ここの出来具合によって障害物検知時の反応、つまりロボット掃除機(仮)の性能が決まります。

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 マイクロスイッチの辺りはもっとも配線が難しい場所になりますので、固定してから配線するか、それとも配線してから固定するかを適宜考える必要があります。

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 マイクロスイッチをネジで固定したのち、端子側をテープを巻いて絶縁したフック(小)で押さえます(絶縁しないとマイクロスイッチの端子がショートします)。
 マイクロスイッチはアームでガンガン押されるため、少しでも頑丈に固定するためです。

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 アームが押し込まれすぎてタイヤと接触するのを防ぐため、フック(大)を設置します。
 フックのピンを根元から270度くらい曲げて、本体の裏に接着しています。こうしないとフックの土台がアームに当たってしまうからです。

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 タイヤを取り付けたギヤボックスを、本体の裏側に固定します。
 先にギヤボックスを取り付けてしまうと、タイヤの取り付けや微調整ができなくなります


 タミヤのギヤボックスは、通常は本体の上側に固定するのですが、そうすると
  • 床が低くなりすぎて、適合するキャスターがない

  • 床が低くなりすぎて、障害物検知用アームが床に当たる

  • 床が低くなりすぎて、障害物に乗り上げる

  • 将来、掃除機機能を載せるためのスペースが減る
 などのデメリットが発生するため、裏側に固定して使います。

 床に近くなることで、ギヤに糸くずなどを巻き込むリスクも生まれるため、対策が必要かもしれません。


 その後、マイクロスイッチの常時接続用の端子と、反対側のモーターを導線で繋ぎます(のマイクロスイッチとのモーターを、のマイクロスイッチとのモーターを繋げます)。
 配線が終わったら、動作確認をします。
  • 電源スイッチがオフの状態で電池を入れてもタイヤが動かないか

  • 電源スイッチをオンにすると、両方のタイヤが同じ方向に動くか(タミヤの電源スイッチはプラスマイナスを反転させる機能がついているので、バック方向に動いても電源スイッチを反転させて前進できれば問題ありません)

  • 右のマイクロスイッチを押すと、右のタイヤが前進したまま左のタイヤが反転するか

  • 左のマイクロスイッチを押すと、左のタイヤが前進したまま右のタイヤが反転するか

 正しく動かない場合は、配線ミスが考えられますので修正します。
 正しく動いた場合は、配線を固定します。写真でははんだ付けしていますが、夏休みの工作であればそこまでは不要でしょう。

 なお、走行させた際に、正確に直進してくれない場合が多々あると思います(ギヤボックスのネジ止め時に、ネジ穴が本来の位置より移動してしまったなど)が、多少は曲がって進んでくれたほうが障害物に囲まれて進退窮まった際に助かることがあるので、あまり厳密さを求めないほうがいいかもしれません。

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 アームを組み立てます。
 今回はやたらとストローが余っていた(100均で30本セット)ため、ストローを組み合わせて作りました。
 注意点は以下のとおりです。
  • 組み立て中に実際に本体に差してみて、動きやマイクロスイッチの押し具合の確認をしながら作る(しつこいですが、ここの動き具合が悪いとただの高いガラクタになります)

  • アームの先(障害物と当たる面)は滑りやすい材質とする(浅い角度で障害物に当たった際に受け流すため)
     今回は、1.5リットルペットボトルから切り出した板を付けました。これにより、低い障害物も検知できます。
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  • あえて左右非対称に作る
     左右対称に作ると、室内で壁沿いに進んで隅に到達しただけで詰んでしまいます。
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     今回は、左側のアームが優先的に障害物を検知するように作りました。
     結果的に、右折が多くなります。
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     右側のアームは左側のアームより短く、シンプルに作っています。


 アームをどう作るかは、試行錯誤の繰り返しでした。
  • 初号:シングルアーム
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  • 改:ダブルアーム+発泡スチロール球
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     アームの間に障害物が当たると止まってしまいました。

  • 改2:ダブル三角アーム・左右対称
     室内で壁沿いに進んで隅に到達すると止まってしまいました。

  • 改3:ダブル三角アーム・左右非対称
     現在のアームの、先端に板をつけていない状態です。低い障害物が検知できず、乗り上げて止まってしまいました。

  • 改4:ダブル三角アーム・左右非対称・シールドつき
     先端にペットボトルを切り出した板を付けました。
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     これまで絶対に引っかかっていた、猫脱走防止用ネットも軽くクリアできるようになりました。



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 アームを本体に設置したのち、脱落防止のため、端にフック(小)を固定します。
 ストローの切れ端を折ってアームのストローに押し込むことで、フック(小)を差し込む穴ができます。

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 最後に、裏面のスペースにモップシートを接着します。
 モップシートは、前輪の動きを邪魔せず、後輪やギヤに巻き付かない場所に取り付ける必要があります。

 以上で、手作りロボット掃除機(仮)の完成です。
 あとは実際に掃除させながら、微調整を繰り返しましょう。

 個人的には絨毯の上のほこりと猫の毛を吸って欲しいので、吸引機能を搭載したいのですが、ここまでの材料費(製造費)

品目金額
モーター付きダブルギヤボックス816円
ピンスパイクタイヤセット583円
マイクロスイッチ258円×4
電池ボックス460円
導線0円
CD・DVDケース108円
キャスター0円
タピオカ用ストロー108円
フック(大)108円
フック(小)108円
ビニール絶縁テープ0円
両面テープ0円
ねじ・ナット類113円
小計3,436円

 のほか、何かの役に立ちそうなので買ったはいいけど結局使わなかった材料費(研究開発費:おもに吸引機能の試作用)

品目金額
ユニバーサルプレートセット350円
オフロードタイヤセット350円
DPDTスイッチ292円
プーリー(L)セット454円
CD・DVDケース108円
結露取りノズル108円
清掃ノズル108円
じょうろノズル108円
じょうご108円
排水口ネット108円
排水口ネット108円
排水口ネット108円
ホース280円
発泡ボール108円
ねじ・ナット類63円
小計2,761円

研究開発費・取得費用 合計:6,197円

 というわけで、既にmacaronが買える額をオーバーしてしまったため、事業仕分けで凍結されてしまいました。復活折衝でサイクロン掃除機を自作しました(小型サイクロン掃除機を自作する!)。そのうち今回のロボット掃除機と合体させるつもりです。

 機能を追加するとすれば、段差落下防止機能(本体の前面下に走行に支障のないおもりをつけ、それがわずかに下に引っ張られたらプーリーの力で片側のマイクロスイッチをオンにする、という仕組みはどうでしょう)あたりだと思いますので、ご父兄の皆様にはぜひチャレンジしていただければと思います。
 来年の夏休みの課題の提出期限までは、まだ1年あります!

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