# アクチュエータ・動力源編

この資料はサークル内で技術や知見を共有することを目的としています。記事は自由に編集可能です。長くなる場合はリンクを貼って他のページに分けてください。

目次は[**こちら**](https://hackmd.io/@moden3/Sy6EIUfBv)

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# 概要

この記事は動力源についての知見をまとめます。

# ブラシ付きモータ

モーター単体で売られる場合やギヤボックスとセットで売られることがあります。別々に買う場合はピニオンギヤが必要です。ピニオンギヤは通常圧入で締結します。締結方法は[駆動部まわり編](https://hackmd.io/@moden3/H1MOkUqrD#%E8%BB%B8%E3%81%AE%E7%B7%A0%E7%B5%90)を見て下さい


## 汎用的に使えるモータ

F^3^RCの足回りや、いろいろなロボコンのアームなどに使えるモータです。ギヤヘッドの減速比をよく選んで買いましょう。

- 380
タミヤのギヤードモータ(380シリーズ)を買うことが多いと思います
モータ部分(ピニオン付き)とギヤヘッド部分を別々に買うこともできます
$+$$=\quad$
- ギヤヘッドが不要な場合は、マブチモータにもRS-380があるので、そちらを買うのもいいでしょう
- 設計の際はギヤヘッドの取り付けネジの位置を要確認

- 540
380よりサイズが一回り大きいモータです
最大回転速度は変わらないですが、トルクが倍になります
タミヤギヤヘッド用540モータを買うと、380シリーズのギヤヘッドを540に付けることができます。
- 購入場所
Vstone Robot Shop、朱雀技研、モノタロウ、など

※ギヤヘッドの軸はDカットであることが多いので、止めネジで軸締結をしましょう。軸締結については[駆動部まわり編](https://hackmd.io/@moden3/H1MOkUqrD#%E8%BB%B8%E3%81%AE%E7%B7%A0%E7%B5%90)を見て下さい。

## 出力高めのモータ

この辺りはNHKロボコンの足回り等に使える、パワーが必要な部分に使えるモータです。

- 775
RS-775モータはNHKロボコンの足回りによく使われます
単体で買うよりも、朱雀技研の遊星ギヤヘッド付きのギヤードモータ(RS-775GM)として買うことが多いと思います。
{%pdf https://suzakugiken.jp/goods/30007/RS-775_geared_motor_20131129.pdf %}
※取り付けネジがM4であることに注意
※ピニオンギヤは樹脂製と金属製があるらしいので、ギヤヘッドだけ交換する場合は間違えないように

- maxon DC motor
性能がよく、強いチームがよく使います。
エンコーダ付きで制御性がいいらしいです。
いつか買えるようになりたいですね。
- 利点
エネルギー効率がいい、時定数が小さいので応答が早い、電圧と速度が線形に近いなど
- 欠点
値段が非常に高い

※ギヤヘッドの軸はDカットやキー溝など選べることがありますが、高負荷の場合はキー溝がお勧めです。注文の際に確認しておきましょう。軸締結については[駆動部まわり編](https://hackmd.io/@moden3/H1MOkUqrD#%E8%BB%B8%E3%81%AE%E7%B7%A0%E7%B5%90)を見て下さい。

# ブラシレスモータ

DCモータは電流の向きの切り替えをブラシという部品によって行いますが、これはスパークを発生させ、かつ摩耗します。
そこで、ブラシのないブラシレスモータを用います。ブラシレスモータは電子的に電流の向きを切り替えます。
ブラシレスモータにはセンサが内蔵されており、そこから出力される信号を元に速度のフィードバック制御を行えます。

[学ロボフェスティバルの東大robotechのロボット](https://www.youtube.com/watch?v=o1BS_mrCPhc&t=78s)の足回りはおそらくどちらもブラシレスモータです。

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# ステッピングモータ


詳しい人お願いします
↓以下 Mammoth Project ノートのほぼコピペ

## 特徴

- 利点
- エンコーダを用いなくても、回転数を制御できる
- 回転角度に制限がなく、両軸も可能
- 欠点
- DCモータに比べて低速
回転数を増やすとトルクの減少や脱調(入力に同期しなくなった状態)がおきる
- DCモータに比べてトルクは小さい(大きいのもあるかも)
- 値段は3000円から10000円くらい

以上の特性から、小型ロボットの足回りや、台形ねじやベルトのアクチュエータに用いられることが多い気がします

## 仕様

- バイポーラとユニポーラの違い
-　配線方法が異なる
-　バイポーラの場合、正転逆転用にモータドライバが必要
-　電装の人にどっちがいいか聞いてみて下さい
- 電源電圧：直流電源
- 保持トルク(N$\cdot$m)の詳細は[こちらのサイトから](https://www.orientalmotor.co.jp/tech/reference/stepping_motor03/)
通電状態（定格電流）で停止しているときに持っている最大の保持力(トルク)を表していることが多いです
最大ラジアル荷重の方が見やすいかもしれないです
- 許容速度：この速度を超えると、トルクが減少し 脱調もおきやすくなります
- ステップ数とステップ角の関係
- $360°＝ステップ数\timesステップ角$
- ステップ角が多いほど、ステップ数が小さいほど精度がいいです
- ステップ数200、300、400が一般的(個人的な感想)
- 組付け方
一般にモーターの軸のある面の4つの穴で固定します
側面で固定したい場合はL型ブラケットを用います
- 購入場所
misumi-vona、朱雀技研、モノタロウ、originalmind、ロボットショップなど
ブラケットも朱雀技研などで手に入ります

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# サーボモータ

## マイクロサーボ


小型のサーボモータです。角度範囲は($-90\sim90°$)です。
機構の小さいロックを解除するときなどに使っています。
※トルクは非常に小さいです。間違ってもこれで物を持ち上げようとは考えないでください。

## 2000円以内の小型サーボ

秋月電子通商に売っている2000円以内程度のサーボモータです。サイズがどれも大体同じなので使いやすいです。
回転角の範囲は様々で、無限回転できるものもあります。
プラスチック製で小トルクなので、負荷が大きいと壊れます。
サーボキャップがプラスチックなので角柱との取り付けが面倒です
F^3^RC等で小さいオブジェクトを挟むのに使えます。

## 高トルクサーボ

トルクが大きいので物を持ち上げたりできます。
この辺りは電圧が12V以上必要なので、マイコンとは別電源になります。
回転角度は物によって様々です。
一回転未満の可動域で動かしたい場合、モータ+エンコーダよりもこちらのサーボモータの方が機構的にも回路的にも楽です。

## その他

他にも、軸が長くDCモータに近い用途で使える無限回転サーボモータもありますが、個人的にあまり使ったことがないので分からないです。（エンコーダ付きモータと同じ）

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# 空気圧

## 特徴

- 利点
- モータに比べてシリンダは軽い
- シリンダのサイズは様々なため機構の邪魔になりにくい
- 瞬間的に大きな力が出せる
- 負荷を加えても壊れにくい
- 回路が単純かつ安全
- 欠点
- シリンダを制御するのに電磁弁を置く必要がある
- ペットボトルを置くスペースが必要

必要な部品と取り付け方はだいたいこんな感じです。下図は復動型シリンダの場合です。

## シリンダ


digraph sylinder {
  nodesep=0.5 // ノード間距離
  node [color=Red,fontname=Courier,fontcolor=black]
  シリンダ [color=black,shape=tab];
  シリンダ->{単動型 復動型}
  単動型->{押出型 引込型}
}

- 種類
- 単動型と復動型があります
- 単動型は押出型と引込型があります
押出型は押し出し方向は空気圧、引き込み方向はばねで行います。引込型はその逆です。
復動型は両方空気圧で動きます
- 復動型の方が値段が高いので単動型でよければ単動型にしましょう
- 選び方・買い方
- misumiに揃っています
1. 復動型の方が値段が高いので単動型でよければ単動型にしましょう
2. シリンダの内径を決めます。径が大きい方が力が出ますが、速度は遅くなります。
※シリンダの内径と力の関係を計算するには、[こちらのサイト](http://www.ishinotec.com/explain/calculation)がお勧めです。
3. ひたすら安いものを探します。数千円のものが見つかるといいですね。
4. 使う継手やチューブ径に合わせて接続口径を確認します。

※ ストロークが100mmを超えるあたりから値段が急激に高くなるので、長ストロークが必要な場合はラックギアにしましょう

## 電磁弁


digraph solenoid {
  nodesep=0.5 // ノード間距離
  node [color=Red,fontname=Courier,fontcolor=black, shape=box]
  電磁弁 [color=black,shape=tab];
  "3位置" [color=black,shape=tab];
  単動型 [color=black,shape=tab];
  復動型 [color=black,shape=tab];
  電磁弁->{単動型 復動型}
  単動型->{"2位置\nノーマルオープン" "2位置\nノーマルクローズ"}
  復動型->{"2位置\nエキゾースト" "3位置"}
  "3位置"->{"プレッシャ\nセンタ" "エキゾースト\nセンタ" "クローズド\nセンタ"}
}

電磁弁は内部にソレノイドが入っていて、弁を動かすことで空気の供給を行っています。

- ポート数
入力と出力の穴の数のことです。
シリンダが単動型か復動型かで種類が異なります。
- 単動型
- 3ポート (入力1つ+出力1つ)です
- シングルソレノイド
- 2位置ノーマルオープン
0Vの時にシリンダから排気されます
- 2位置ノーマルクローズ
0Vの時にシリンダに吸気されます
- 復動型
- 5ポート (入力1つ+出力2つ)です
- シングルソレノイド
電磁弁にソレノイドが1つ入っています。配線はVCCとGNDが一本ずつあります。
- 2位置エキゾースト
0Vの時に片方から吸気され、もう片方から排気されます。
そのためシリンダをストロークの途中で止められません。
- ダブルソレノイド
電磁弁にソレノイドが2つ入っています。配線はVCCとGNDが二本ずつあります。
- 3位置プレッシャセンタ
0Vの時に両方の出力チューブに吸気されます。
※ ロッド(押し出す棒)付きのシリンダの場合、段面積の違いのせいでストロークの途中で止まらないので注意が必要です。
- 3位置エキゾーストセンタ
0Vの時に両方から排気されるので、シリンダに力が入らなくなります
- 3位置クローズドセンタ
0Vの時に両方の出力が塞がれるので、シリンダをストロークの途中でしっかりと固定できます。

電磁弁の種類について、詳しくは[こちらのサイト](https://www.iwakipumps.jp/blog/naruhodo/27/)が分かりやすいと思います。

- 選び方・買い方
1. シリンダが単動型か復動型を見て、何ポートにするか決めます
2. 2位置か3位置かを選びます。
シリンダをストロークの途中で止めたい場合は3位置にします。
※ダブルソレノイドの方が値段が高く回路も手間なので、特に必要なければシングルにしましょう。
3. 3位置の場合はクローズドセンタが無難です。
4. 駆動電圧は**12V**のもので統一しましょう。
5. ひたすら安いものを探す。数千円のものが見つかるといいですね。一万円は超えたくないです。
何だかんだAirtac社製になると思います
6. 使う継手やチューブ径に合わせて接続口径を確認します。

## チューブ

空気を通すチューブです。
外径を統一しておくといいです。現在はφ6mmを使っています
柔らかい方が配線しやすいです。

また、値段は高いですが、スパイラルチューブというものもあります。距離が大きく変わる場所などに使うといいでしょう。

## 継手

チューブをシリンダや電磁弁に取り付けるための部品です。
チューブを付ける部分にはいろいろ種類がありますが、ここでは「ワンタッチ継手」を使いましょう。

次に、シリンダや電磁弁に付ける側の、ねじの規格について説明します。
ねじは普通のねじ(平行ねじ)と管用ねじがあります。一般に管用ねじの方が径が大きいです。

- 平行ねじ(普通のねじ)
M5やM6など
- 管用テーパねじ
- 先が若干細くなっているねじです
- 空気漏れがないように白いシールテープが巻いてあります
- ※旧JIS規格とISO規格が混在しているので混乱しないようにしましょう

規格は[こちらのサイト](https://www.monotaro.com/s/pages/productinfo/kanyoneji/)が参考になります。

- 選び方・買い方
- misumiやホームセンターなど
- 電磁弁やシリンダやチューブ径に合わせて規格を決めましょう
- 通常はM5で事足りますが、大きなシリンダで流量(スピード)が欲しい場合はRc(PT)1/8~1/4にするといいと思います

## スピードコントローラ


空気の流量をつまみで調節できる部品です。
- メータインとメータアウトの2種類あります
- メータイン：シリンダに入る方の流量を調整
- メータアウト：シリンダから出る方の流量を調整

- 選び方・買い方
※メータアウトの方が制御性がいいらしいので通常はメータアウトを買いましょう
規格は継手と同じです。

## 空気タンク

ペットボトルは必ず炭酸用を使いましょう。
また、安全のためペットボトルの周囲を必ずテープで巻いて覆いましょう

ペットボトルキャップとチューブのつなぎ方は以下の通りです。もっといい方法があるかもしれないです。

1. キャップに穴をあける
2. 継ぎ手(ワンタッチ継ぎ手+M6平行ねじ)のねじを差し込む
3. 反対側からM6ナットで強く締める
4. 接着材などで固定するとなおよいです。
5. 長時間置いて空気が漏れないか確かめましょう。

## 空気入れ

- 自転車用の空気入れ
2020現在はこれを使っています。型番は[こちら](https://item.rakuten.co.jp/bebike/panaracer-alloy-pump/)
バルブは自転車や車のタイヤに使う「米式バルブ」のものを使います。ロボットの側には、米式バルブと管用ねじを変換する、「**PT-91バルブ**」という部品を使います。
- コンプレッサー
今のところ使っていないです。重くてロボコンに持っていけないから…

## カプラ・エアカプラ


カプラはプラグ(オス側)とソケット(メス側)に分かれており、空気の逆流や漏れを防ぐ部品です。
カプラをつなぐと弁が開いて吸気が可能であり、外すと弁が閉まるため空気が漏れるのを防ぎます。

ペットボトルを入れ替える時など、圧力を保ったまま切り離したい場合にとても便利です。

## ロッド先端形状
左が1山ナックルジョイント、右が2山ナックルジョイントです。
<img src="https://i.imgur.com/oZ31jUz.png
" width="100">

## 全体形状
<img src="https://i.imgur.com/gknCn4A.png" width="300">

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# 直動アクチュエータ

モータ+ボールねじがセットになったアクチュエータです。


- 利点
- 直線運動ができる
- 力が強い
- 壊れにくい・負荷に強い
- 欠点
- 重い
- 動きが非常に遅い

※長距離にしたい時はボールねじ(or台形ねじ)とモータを用意して自作しましょう。
- 買い方・選び方
- 国産より中国の通販サイトAliexpressの方が圧倒的に安いです。

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# ばね

瞬発力が必要な部分や衝撃吸収によく使われます。

## 押しばね(圧縮ばね)

- 用途
- 衝撃吸収
- 取り付け方
- 中心に軸を通す、スプリングガイドピンを用いる

## 引きばね(引っ張りばね)

- 用途
- アクチュエータの補助・瞬発力
- 取り付け方
- フックを穴に通す、引張バネ用ポストを用いる

## ねじりばね

- 用途
- 扉の開閉、ばね付き蝶番など

## ショックアブソーバ

- 用途
- 衝撃吸収
- 取り付け方
- 切り穴やタップ穴に通す

## 定荷重ばね(コンストン)


一定の力で引っ張ることができます。
- 用途
- 直動機構、投射機構
- 取り付け方
- 軸に通す、専用ブラケットを用いる
- 取り付け時に力が必要なので注意

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# ソレノイド


電圧をかけると電磁石の力で棒が引かれ、やめるとばねの力で戻ります。
力は大してないですが、機構のロック解除などの用途でよく使われます。

# 電磁クラッチ

回転を伝達するかしないかを電磁気の力で制御できます。機構に負担を掛けずにロック・ロック解除を行うことができます。