DIY ハンドジェスチャー制御 Arduino ロボットアーム - ステップバイステップ構築ガイド

必要な部品と材料

部品名	数量
Arduino UNO	1
JLCPCB カスタムPCB	1
サーボモーター MG996R	6
5Vバッテリーパック	1
PCA9685 8チャネル I2C サーボドライバー	1
HC-05 Bluetoothモジュール	2
A4988 ステッピングモータードライバー	1
NEMA-17 ステッピングモーター	1
ブレッドボード（汎用）	1
IMU (6自由度)	1
Arduino Nano R3	1
フレックスセンサー	5

必要な工具

• 3Dプリンター

プロジェクト概要

人間のジェスチャーで制御するDIYロボットアームを紹介します。

『パシフィック・リム』や『アバター』などのSF映画では、人間の動きがロボットで拡張される様子が描かれています。これを小規模で実現してみようという試みです。

このロボットアームは、プログラミング制御に加え、ハンドジェスチャーで直感的に操作できます。
アイアンマンのスーツのように、各イテレーションを「Mark」と呼称します。このプロトタイプはMARK 1です。

概要

このチュートリアルでは、ロボットグローブを用いたハンドジェスチャー制御の6軸ロボットを構築します。ピンチ（つまむ動作）や手首の回転など、自然な人間のジェスチャーを模倣することで、ロボットアームの開閉や左右回転を直感的に操作できます。

MARK 1 の特徴:

• 6軸回転
• ポータブル
• 人間のジェスチャーでロボットを制御
• 基本機能をプリプログラム可能
• 無線制御（Bluetooth通信範囲内）
• 最大積載重量 600g（最大1kg）

パーツリスト

ロボットアームは完全カスタマイズ可能。購入も3Dプリントも可能です。3Dプリントの場合、Thingiverseの「Wonder Tiger」氏設計の6軸アームがおすすめ（グリッパー、ベース/ターンテーブル、コアアームの3パート）。プリント時間は最大40時間ですが、購入コストを大幅削減できます。

ロボットグローブ: Thingiverseの「Roman 13」氏設計STLファイルを使用。
※ 大きな手の場合は105%スケールでプリント推奨。作業用手袋でも代用可能です。

動作原理

全体として、ロボットグローブからBluetoothで信号を送信し、サーボドライバーが受信して特定のサーボモーターを駆動します。複数のサーボとセンサーを追加することで、各モーターを個別制御可能です。

ロボットアームを「複数のサーボモーターが協調して機能を実行するシステム」と捉え、ロボットグローブで制御します。グローブ側のArduinoがセンサーでジェスチャーを検知し、対応するサーボ角度値をBluetoothでアーム側Arduinoへ送信します。

使用センサー:

• フレックスセンサー - 指の曲がり度合いで抵抗値が変化し、電流変化として手の動きを検出
• 加速度計 (MPU6050) - 手首/腕の回転をX,Y,Z平面で検出し、より自然なジェスチャーを実現

これらのセンサーでジェスチャー変化を検知し、特定の値をマッピングしてBluetooth経由でロボットアームのサーボモーターを制御します。十分なジェスチャーを割り当てれば、ロボットアームが「生きる」のです。

ロボットアーム マッピングテーブル

グローブからアームへ送信される値のマッピング表（元記事参照）。各キーで機能を特徴付け（P=小指、L=右等）。大文字「F」はサーボモーターの逆回転方向を表します。

パーツ組み立て

ロボットアーム組み立て

市販ロボットアームは高価なため、予算内で3Dプリントを選択。Thingiverseの「Wonder Tiger」設計をベースに、カスタマイズ（LED追加、カメラスタンドクランプ等）も容易です。プリントには最低40時間かかりますが、代替設計も多数存在します。

サーボモーターとドライバー

理論上、複数のモーターをArduinoで協調制御可能。本プロジェクトではPCA9685サーボドライバーでMG996Rサーボを駆動します。
注意: 各モーターには外部電源を使用してください。Arduinoだけでは全モーター駆動不可。本プロジェクトでは5V 2200mAh RCバッテリーを使用。

Arduino配線図:

ベース回転用 NEMA-17

アーム重量増加でMG996Rではベース回転トルク不足のため、高トルク・高精度のNEMA-17ステッピングモーターを採用。A4988ドライバーで制御。
完全な配線図は元記事参照。

回路実装

Bluetoothモジュールを含む全電子パーツの最終配線図:
ペアリング手順は後述。

ヒューマンフレックスセンサー（グローブ側）

3Dプリントのエクソスケルトンガントレットをグローブとして使用可能ですが、プロトタイピングには作業用手袋で十分です。

ロボットグローブ構成:

• フレックスセンサー - 指の曲がりで電流変化、モーター制御信号を生成
• 加速度計 (MPU6050) - X,Y,Z平面のジェスチャーをマッピングしてモーター制御
• LED - ジェスチャー送信時に点灯
• Bluetooth (HC-05) モジュール - ロボットアーム側HC-05へデータ送信
• Arduino Nano - グローブ側のマイクロコントローラー

フレックスセンサーと加速度計のテスト用図:
重要: ロボットアームの精度はグローブ制御精度に依存します。ここをしっかり調整してください。

Bluetooth設定（マスター/スレーブ）

HC-05モジュールで通信。ボーレートは4800に設定。
ロボットグローブ側: HC-05 マスターモード
ロボットアーム側: HC-05 スレーブモード

Arduinoプログラミング

全コードはGitHubで公開: Arduino Robot Arm Repo

ロボットアーム側プログラミング

HCPCA9685ライブラリ（サーボドライバー用）を使用し、複数サーボを1つのArduinoで制御。主要変数:

#include "HCPCA9685.h"
#define I2CAdd 0x40
HCPCA9685 HCPCA9685(I2CAdd);

const int servo_joint_L_parking_pos = 60;
int servo_joint_L_pos_increment = 20;
int servo_joint_L_parking_pos_i = servo_joint_L_parking_pos;
int servo_joint_L_min_pos = 10;
int servo_joint_L_max_pos = 180;

Bluetooth通信開始（ボーレート4800）:

Serial.begin(4800);

loop()で常時シリアル受信チェック。データがあれば'state'変数に格納し、文字に応じてモーター駆動:

if (Serial.available() > 0) {
  state = Serial.read();
  Serial.print(state);
  // モーター機能コードブロック
}

例: 'S'受信でベース回転左、'f'でクロー下降等。ハードストップで最大角度超過を防止（ギア破損防止）。

フレックスセンサー側プログラミング

5センサー定義（小指A1、人差し指A2、親指A3、MPU6050×2はI2Cアドレス0x68/0x69）。送信間隔response_time=1000ms。センサー値読み取り、キャリブレーション（起動時1秒で上下限自動設定）、閾値超過で対応文字送信。

成果

物体把持・移動が可能な精度。複雑な物体操作や人間の器用さには及ばないが、MARK 1として意図通り動作。コード改良で精度向上可能。

GitHubリポジトリへの貢献歓迎: Arduino Robotic Arm Repo でオープンに発展させましょう！

次のステップ

MARK 1はここまで。興味があればPatreonで支援を。今後さらに改良版を公開予定。

3Dプリントファイル (Thingiverse)

• ロボットアーム Part 1
• ロボットアーム Part 2
• ロボットアーム Part 3
• ロボットグローブ

回路図・リポジトリ

Robot Arm Git Repo