卓球トレーニングロボットアーム

概念実証を、最初から最後まで

セントラル・リヨン工科大学のLIRIS研究所の出資により、Romain Vuillemot氏の発案から 生まれたプロジェクトです。問いはひとつ——ロボットアームは人間の卓球の練習相手に なれるか。記事自体もロボット設計のひととおりの手引きになっていて、機構トポロジーの 選定、逆運動学、モータと減速比の選定、可動部の設計、ワイヤハーネス、3Dプリント部品、 そして制御までを扱っています。

SCARAからデルタへ

形を決めたのは数字でした。台をカバーし、相手の打球から次の打点まで約500msで到達する には、可動部は約7m/sで動く必要があります。ラケットは水平方向に−45°〜45°、垂直方向に 45°〜−20°振れなければなりません。最初に試したSCARA型は昇降アクチュエータを可動部に 載せていたため単純に重すぎ、その慣性を扱えるモータがありませんでした。デルタ型の パラレル機構に切り替えたことでモータを基台側に移せ、可動質量を最小限に抑えられました。 各アームはNEMA 23HS41-1804Sステッピングモータとサイクロイド減速機で駆動します。 1:3.33、続いて1:5のプーリ・ベルト段も試しましたが、テンショナーの破損が続いたためです。

ワイヤ駆動のラケットとフィードフォワード制御

面白いのはラケットそのものです。可動部を左右に旋回させるものと、ラケットを傾ける ものの2つのワイヤ駆動アクチュエータを使い、剛性を出すためにケブラー糸を採用、 より合わせた鉄線でテンションをかけ、原点出し用のエンドストップを備えています。 Arduino Megaが逆運動学とフェイルセーフをコントローラ上で直接処理します。 フィードバックセンサがないため、ロボットはCNCや3Dプリンタと同じくフィードフォワードで 駆動し、スイングはボールの音をトリガーにした事前決定の軌道です。試験では、精度は 高いもののオフセットがあり——ルックアップテーブルで補正可能——速度も十分でしたが、 単純な指令則のせいで振動が残り、整定に時間がかかりました。