ゲストブログ: Charles GuanがMarkforged 3Dプリントで3ポンドフライホイールフリッパーを構築

このゲスト投稿は、MIT機械工学卒で同大学工作機械&設計プログラムの元インストラクター、Charles Guan氏によるものです。彼はABCのBattleBotsで今夏出場するロボットOverhaulのクリエイターで、木曜日午後8時(東部)/午後7時(中部)放送。ロボティクスと輸送工学コンサルタントとして働き、Markforgedの誇り高きスポンサーを受けています。詳細な洞察は彼のウェブサイトとEquals Zero Roboticsで。

戦闘ロボット背景

ロボット格闘のアリーナでは、ウェッジ、フリッパー、ハンマー、スピニングローターなど特定の武器概念が繰り返されます。その中で、非常に稀で強力なため「聖杯」とされるデザインがいくつかあります。フライホイールフリッパーはその一つ。従来の高速フリッパーは空気圧システムを使用。印象的なパワーを出せますが、エネルギー密度は低く、トップティアフリッパーでも通常1ダース未満のショットでガスが尽きます。電動フライホイールフリッパーは、バッテリーの高エネルギー密度とフライホイール運動エネルギーのピークパワーを融合しますが、そのエネルギーを素早い放出・制御可能な形で活用するのは困難です。設計課題には、信頼性のあるエンゲージメント機構、精密なタイミング、緩やかな加速、打撃アームへの頑丈なリンクが含まれます。一歩間違えれば、機構が運動エネルギー手榴弾と化します。

歴史的に、成功したフライホイールフリッパーはわずかしかありません。3-30lbクラスでは、Zac O'Donell氏(Magneato)とDale Heatherington氏が実験。ヘビー級ではWarriorがベンチマークを設定しました。

各例が異なる機械的アプローチを用いており、コミュニティでの実験の幅を示しています。ビルダーが局所的最適解に収束する中、複数構成に適応できる真に汎用的な武器設計は、依然としてほぼ未開拓です。

コンパクト同軸フライホイールフリッパーの設計

過去数年、「尖った」フライホイール(歯付きスピニングドラム/ディスク)とインラインでマウント可能で、ロボット反対側の機構とカップリングできるコンパクト同軸フライホイールソリューションを探してきました。この二重武器アーキテクチャは、単一アームでは達成困難な戦略的可能性を開きます。このアイデアをBattleBotsオフシーズンに3lbロボットで追求することにしました。3Dプリントに効率的なサイズながら、高性能武器を要求するクラスです。

3Dプリントギア機構の開発

核心要件は、20:1以上のギア比を同軸パッケージに収め、必要時のみ減速をエンゲージすること。複合遊星(プラネタリ)ギアトレインを研究し、「Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook」等の古典文献や多数の技術論文を参照。このアプローチでは、2つのリングギアのわずかなサイズ差を利用して、標準遊星ギアボックスと同等体積で極めて高い比を単一ギアセットで実現できます。

最初はカスタムスライドドッグクラッチと摩擦バンドを実験し、実質的に独自オートマチックトランスミッションを作成。戦闘ロボティクスでは複雑さがしばしば失敗に直結するため、方向転換。ブレークスルーは、ギアセットがトルク分割デバイスとして機能できることに気づいたとき。Toyotaの「ハイブリッドシナジードライブ」や他の可変比トランスミッションに類似。一方のリングギアを固定すると、他方は静止したまま一方が回り続け、この「相対速度」原理でリング間のトルクシフトが可能になりました。

概念検証のため、Mark TwoでOnyx製トイリングギアアセンブリをプリント。Onyxの剛性と強度が不可欠でした。ロボットの小ささゆえ、通常なら過度に柔軟なナイロン歯が必要になるためです。テストモデルで、一方ギアを停止(ブレーキ、クランプ、シンプルなメカニカルストップ)すると、他方ギアが回転しフライホイールがエンゲージすることを確認。

プロトタイプからバトルレディロボットへ

概念実証フェーズ後、フルスケール設計へ移行。過去プロジェクトのスケッチを基に、初回CADモデルを構築し、特定機械的ニーズでイテレーション。結果のロボットは、三角形反転可能シャーシ、ソケットヘッドボルトを歯として機能させる8オンスアルミニウムローター(3lbクラスの常套手段)、Onyxプリント遊星ギアシステム、サーボモーター駆動スライド歯で一方リングギアをロックし他方を強制回転。回転リングがオフセットカムを駆動し、連結ロッド経由でバタフライリンクを作動。カム回転で2枚の金属ウィングが開き、一方が相手を上向きに押し、他方が地面に留まります。

コンセプトは堅実ですが、微調整が残っています。スライド歯のスタックで機構が永久ロックする可能性、ドライファイアでロボット自体が上方に飛ぶ可能性など。これら課題を受け入れるのもロボティクスの醍醐味。設計が競技でどう進化するか楽しみです。

以下はフライホイールフリッパーの短いデモです。

設計の追加写真:

写真提供: Charles Guan氏。