Arduinoアリ型六脚ロボットの自作：ステップバイステップガイド

概要

このチュートリアルでは、アリを模した六脚ロボット（ヘキサポッド）の製作過程を詳しく解説します。6本の脚に加え、尾部（腹部）、頭部、触覚、大顎、そして機能的な「目」を備え、見た目も動きもアリそのものです。

制御には自作Androidアプリを使用。前進・後退、左右旋回の4方向ボタンに加え、頭部と尾部の動作、大顎での噛みつき・掴み・離し、攻撃モーションなど多彩なアクションを実行できます。

頭部には超音波センサー（HC-SR04）を「目」として搭載。手を近づけると攻撃態勢に入り、離れると解除、さらに近づくと実際に噛みついてきます。インタラクティブで楽しいロボットに仕上がっています。

3Dモデル設計

いつものように3Dモデリングソフトで設計から開始。各脚は3関節（3サーボ）構成で、計18個のMG996Rサーボを使用。尾部に1個、頭部はロールとチルトの2自由度で2個、大顎用に小型SG90サーボ1個。合計21個のサーボを搭載します。

全パーツは上下2枚のプレート間に組み込み、配線・Arduino・バッテリーを隠す曲面カバーを上部に装着。Thangsで3Dモデルを公開中（STLファイルダウンロード可能、ブラウザ上で閲覧も可）。

3Dプリント

Creality CR-10で全パーツを出力。最も難しかったのは一体造形のヘッドパーツで、サポートオーバーハング角60度とサポートブロッカーを駆使して造形しましたが、見事に成功しました。

機械組み立て

脚部から組み立て開始。M3ボルト・ナット・スプリングワッシャーでサーボを固定（ボルト長12mm以上、筆者は16mm使用）。全体で約200本のボルトが必要です。リンク接続には付属のラウンドホーンを使用（3mm穴を開けるか、M3ネジ付き金属ホーンを別途購入）。

サーボ上部の三角形サポートはカッターで除去し、プレートとフラットに接合。第3サーボ取り付け前に脚基部接続用M4ボルトを挿入しておきます。

同じ要領で6脚すべてを製作。上部プレートにラウンドホーンを固定し、サーボシャフトを中央位置に合わせてから脚を取り付けます（可動域最大化とキャリブレーション簡略化のため）。

尾部サーボ用ホーンもこの段階で固定。ロボットを裏返し、脚のM4ボルトを下部プレートに通してプレーンワッシャーとセルフロックナットで固定。ここが脚のピボット関節になるため、適度な締め付けで回転可能にしつつガタつきを抑えます。

ヘッド機構の組み立て

ヘッドのロール（横回転）用サーボをプレートに垂直に配置するため、小型プレート2枚でサーボを挟んで固定。U字ブラケットに2つのラウンドホーンを取り付け、ロールサーボの中央位置を確認してからブラケットを固定。

チルト（縦回転）用サーボブラケットにM4ボルトを挿入し、ヘッド固定用M3ボルト4本を予め取り付け。チルトサーボをブラケットに入れ、シャフトをラウンドホーンに嵌合（U字ブラケットがわずかにしなるので嵌めやすい）。M3ボルトで固定すればヘッド機構完成。ロール・チルト両方向に動作します。

ヘッドユニットの組み立て

ヘッド本体に大顎（SG90サーボ駆動）と超音波センサーを事前組み立て。M4ボルトで大顎を固定（目部分の小穴からドライバーアクセス可能）。SG90サーボを固定し、第2大顎にアームホーンを取り付けてギアを噛み合わせ、シャフトに固定。

超音波センサーは目穴にぴったり嵌まる設計で、瞬間接着剤で固定。触覚は3mm径ワイヤーを13cmにカット、少し曲げて形を整え、同様に接着。完成したヘッドをロール・チルト機構の4本ボルトで固定すれば、ロール・チルト・噛みつき全機能動作するヘッドユニットの完成です。

尾部パーツをブラケットにスライド装着、曲面カバーを上部プレートにかぶせれば機械的組み立て完了。青と白の配色が映える仕上がりです。

回路図

22個のサーボ接続で複雑に見えますが、基本はシンプル。HC-05 Bluetoothモジュールでスマホ通信、コンデンサーと抵抗を少々。脳はArduino Mega（サーボライブラリで12個以上制御可能なのはMegaのみ）。

電源は3S LiPo（約12V）。全サーボ同時フル負荷で約10A流れる可能性があるためLiPoが適しています。サーボ動作電圧は4.8-7.2Vなので、DC-DCバックコンバーターで12V→5Vに降圧。筆者使用のコンバーターは8A対応ですが、10-15A品を推奨（実測最大約6A）。2S LiPo（7.4-8.4V）でも降圧は必要です。

必要な部品

• MG996Rサーボモーター ×21
• SG90マイクロサーボ ×1
• HC-05 Bluetoothモジュール
• Arduino Megaボード
• 3S LiPoバッテリー
• DC-DCバックコンバーター（10-15A推奨）

PCB設計（Arduino Megaシールド）

配線の煩雑さを解消するため、EasyEDAでArduino Megaシールドとして機能するカスタムPCBを設計。サーボ接続をまとめ、大型コンデンサー2個で電圧安定化。将来の無線制御用にNRF24L01接続も用意。デジタル/アナログピン、5V/GND、LED×2、バッテリー電圧監視用分圧回路（R1, R2で12V→5V以下）も搭載。

プロジェクトファイルからガーバー生成、JLCPCBで発注（青色PCBでArduinoボード色に合わせ）。品質良好で届きました。

PCB組み立て

ピンヘッダーをPCB裏面にはんだ付け（プレートで挟んでひっくり返すと楽）。サーボ接続用ピンヘッダーも同様に。抵抗、コンデンサー、ターミナルブロックを実装してシールド完成。Arduino Megaに装着。

バックコンバーター出力を5Vに調整（ポテンショメーターで）。電源スイッチを入力側に追加、バッテリー12VをPCBの12Vピン（電圧監視用）に接続。メイン電源入力は5Vであることに注意。

プレート間に電子部品を収納（バッテリー→テープ固定、Arduino+シールド、NRF24L01またはBluetooth、低電圧警告LED、全サーボ接続）。サーボ接続時はピン番号をメモ必須。曲面カバーを被せればハードウェア完成。

Arduinoコード解説

コードが長いため、セクションごとに解説し、最後に完全版を掲載。

サーボ制御に標準Servoライブラリ、Bluetooth通信にSoftwareSerialライブラリを使用。全サーボオブジェクトと必要変数を定義。

#include <Servo.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#define trigPin 7
#define echoPin 6
#define ledB 10
SoftwareSerial Bluetooth(12, 9); // Arduino(RX, TX) - HC-05(TX, RX)

// サーボオブジェクト作成
Servo s24; Servo s23; Servo s22; // ... 全22個 ...

setup()でBluetooth初期化、超音波センサーピンモード、LED、全サーボのピン割り当て（600-2400μsパルス幅指定）。その後、write()で全サーボを初期位置に移動（ここでキャリブレーション実施：組み立て時のズレをソフトウェアで補正）。

// 初期位置設定（キャリブレーション）
// ヘッド
s15.write(72); s14.write(50); s13.write(90); // グリップ
s5.write(65); // 尾部
// 脚4
s10.write(65); s11.write(35); s12.write(40);
// 脚5
s7.write(80); s8.write(50); s9.write(25);
// 脚6
s1.write(90); s2.write(45); s3.write(60);
// 脚1
s18.write(60); s17.write(90); s16.write(100);
// 脚2
s21.write(50); s20.write(85); s19.write(75);
// 脚3
s24.write(50); s23.write(80); s22.write(80);

歩行アルゴリズム

順運動学/逆運動学を使わず、カウンターベースのシンプルな手法を採用（安価なMG996Rはトルク不足と位置決め精度の問題で高度な制御に不向きなため）。各脚ごとにカスタム関数を作成し、スイング相（脚を浮かせて移動）とスタンス相（接地して身体を押す）の2フェーズで構成。

メインループ内のカウンターで各サーボの目標角度を段階的に更新。例えば脚1の前進動作：

void moveLeg1() {
  // スイング相: 脚を浮かせて前方へ
  if (i1L1 <= 10) { s18.write(60 - i1L1*2); s17.write(90 - i1L1*3); i1L1++; } // 脚を上げる
  if (i2L1 <= 30) { s16.write(100 - i2L1); i2L1++; } // 回転
  if (i2L1 > 20 && i3L1 <= 10) { s18.write(40 + i3L1*2); s17.write(60 + i3L1*3); i3L1++; } // 接地
  // スタンス相: 接地したまま後方へ回転して身体を押す
  if (i2L1 >= 30) { s16.write(70 + i4L1); i4L1++; l1status = HIGH; }
  // カウンターリセット
  if (i4L1 >= 30) { i1L1=0; i2L1=0; i3L1=0; i4L1=0; i5L1=0; }
}

全脚同様の関数を用意し、後退・左右旋回用の逆方向関数も作成。メインループで遅延時間を調整して速度制御。

前進時は脚1,3,5をスイング相、脚2,4,6をスタンス相にオフセットして実行（トライポッド歩容）。

if (m == 2) { // 前進コマンド
  moveLeg1(); moveLeg3(); moveLeg5();
  if (l1status == HIGH) { moveLeg2(); moveLeg4(); moveLeg6(); }
}

Bluetoothコマンド受信

自作Androidアプリ（MIT App Inventor製）から数値コマンドを受信。

if (Bluetooth.available() > 0) {
  dataIn = Bluetooth.read();
  // dataInに応じて各動作関数を呼び出し
}

Androidアプリ

MIT App Inventorで作成。ボタンは画像ベース、スライダーで速度調整、上部にBluetooth接続ボタン。

ボタン押下で対応する数値を送信（前進=2、停止=0など）。再押下で停止コマンド送信とボタン画像復帰。App InventorプロジェクトファイルとAPKをダウンロード可能。

バッテリー電圧監視と超音波センサー処理

// バッテリー電圧監視（A3ピン、分圧比2.9）
int sensorValue = analogRead(A3);
float voltage = sensorValue * (5.00 / 1023.00) * 2.9;
if (voltage < 11) digitalWrite(ledB, HIGH); else digitalWrite(ledB, LOW);

// 超音波センサーで攻撃判定
if (getDistance() > 40) att = 0;
if (getDistance() <= 40) { att = 1; dataIn = 99; }

40cm以内で攻撃準備、30cm以内で攻撃実行、離れると攻撃解除のステートマシンで制御。

完全なコード

完全なArduinoコードはこちら

課題として、使用したサーボの性能不足（トルク不足、位置決め精度悪）が最大の問題でした。より良いサーボを使えば大幅に改善可能です。楽しんでいただけたら幸いです。質問はコメント欄へ。Arduinoプロジェクトコレクションもぜひ。