完全3Dプリント戦車：多用途履帯ロボットプラットフォームの製作

概要

このチュートリアルでは、無線操縦履帯車両、ロボットプラットフォーム、または戦車と呼べる超クールなマシンをスクラッチから設計・製作し、完全3Dプリント可能にした過程を紹介します。全てプリントして自分で組み立てられます。

目標は、多様な地形を走破し、様々な用途に対応できる汎用プラットフォームを作ること。連続履帯システムが最適解：車体重量を広い面積に分散させ、優れたグリップ力を発揮し、軟地/泥/雪でのスタックリスクを低減します。

泥上での走行性能は良好（雪上テストは未実施、将来動画でロボットアームやタレット搭載時に期待）。ロボットアーム搭載なら把持/移動作業、カメラ搭載で視覚検査、Nerfダーツ発射タレット＋既存LED照明で遊び用途など多彩な展開が可能。

サスペンション：クリスティ方式

各ロードホイールに個別のサスペンション（スプリング＋ショックアブソーバー）を持つクリスティサスペンションを採用。不整地でも滑らかに走行し、障害物を乗り越えながら履帯と地面の接地面を維持。

制御システム

安価な市販RC送信機で操作。プラットフォーム側のRC受信機がコマンドを受信しマイクロコントローラーへ。頭脳はATmega2560ベース基板、カスタムPCBを基板上にマウントして全接続を整理。

設計プロセス

SOLIDWORKSで設計（本動画のスポンサー）。

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最初の入力パラメータは手持ちのRCショックアブソーバー（8個、伸長41mm、ストローク11mm）。片側4ロードホイール。ロードホイール垂直ストロークを16mmに拡大する機構を考案。ショックアブソーバー/ロードホイールリンクの接合点をピボット点に近づければストローク拡大可能だが、スプリング力が低下しより強力なスプリングが必要になる。SOLIDWORKSでシンプルなシミュレーションを行い、反力を確認しつつコンパクトさも両立するこの機構を採用。

フロントロードホイールはアイドラーホイールと連結し動的履帯張力を実現。ロードホイール上昇で履帯周長縮小→張力緩和時にアイドラーが前進して張力維持。ボルトと距離ナットで静的張力調整も可能。

リアスプロケットは3パーツ構成（シャフトカプラー、左右スプロケット、M3ボルト3本）。キー寸法はピッチ：履帯リンクと一致させる必要あり。ピッチ11mm、歯数12でピッチ直径約42mm。

履帯リンク設計

可能な限りコンパクトに、追加部品（ピン）1個で次リンク接続、3Dプリントで十分な強度、サポート材不要を目標に設計達成。ピン径2mmに対し片側2mm（タイト）、反対側2.3mm（ルーズ）で自由回転。スプロケット歯はリンクピン形成部（直径8.8mm）に噛み合い、スプロケット側9.1mmでルーズフィット。

スプロケット、アイドラー、ロードホイールを囲む閉ループスケッチをアセンブリ環境で作成し、SOLIDWORKS「チェーンコンポーネントパターン」機能で全履帯リンクを自動生成。

プラットフォーム残り部分（ベース、LED収容サイド、トップカバー）をモダンでクールなスタイルで設計。全長約400×300mmで一般的な3Dプリンターを超えるため、全パーツを2分割（ブラケットとM3ボルトで連結）。

3DモデルとSTLダウンロード

RC戦車/ロボットプラットフォームの3DモデルとSTLファイルはCults3Dからダウンロード。

3Dプリント設定

スライサーの「水平展開」と「穴水平展開」で寸法精度確保。デフォルトでは外形/穴ともに小さくなる傾向。水平展開+0.02mm、穴水平展開+0.04mmを使用（テストプリントで最適値決定）。ベアリング/ボルトとの組み立てには正確な寸法が必須。履帯リンクはベッド接地面小さいためラフト推奨（特に大量プリント時）。

組み立て

プリント時間：ベース各セクション約22時間、全156履帯リンク約96時間、総計約200時間。2台のプリンターで約100時間。

機械部品表

RCショックアブソーバー 8個 ……………………… Amazon / AliExpress
スプリング 8個 ……………………………………… Amazon / AliExpress
ボールベアリング 624 (4×13×5mm) 40個 …… Amazon / AliExpress
M3ネジインサート ………………………………… Amazon / AliExpress
M3/M4ボルト・ナット …………………………… Amazon / AliExpress
ボルト: M4×40mm - 8; M4×35mm - 2; M4×30mm - 8; M4×25mm - 2; M3×25mm - 16; M3×20mm - 8; M3×16mm - 10; M3×12/14mm - 32; M3×10mm - 8; M3×8mm - 14
ナット: M4 - 25; M3 - 30
ワッシャー: M4 - 30

注: アフィリエイトリンクを含みます。

組み立て手順

ベース組み立て： 2分割ベースをブラケットとM3ボルト/ナットで連結。サイドブラケットはM3×5mmスレッドインサート（ベース側壁に埋め込み）で固定し、外壁をフラットに（履帯が近接通過するため）。ショックアブソーバーブラケットをM3ボルトで固定。
ロードホイールピボット： ベアリング（外径13mm、内径4mm）を各ロードホイールに2個使用。ピンはM4×30mmボルト。ベアリングとアームの間にワッシャー、内側からナイロンナットで固定。締め付けは適度に（きつすぎ/緩すぎ注意）。
ショックアブソーバー取り付け： 付属M1.4ボルトで固定（小型ドライバーがない場合ペンチで代用）。機構は完璧に動作。
ロードホイール取り付け： ロードホイールはサポート材回避で2分割。2mmスチールロッド（履帯リンクピンと共用、真鍮溶接ロッドで柔らかくニッパーで切断容易）3本（約23mm）で連結。同ベアリングを両側に、M4ボルト/ワッシャー/ナイロンナットで固定。ホイールは自由回転かつシャフトガタなしが理想。
他ロードホイールも同様。フロントのみ動的張力用レバー付きアームだが取り付け同一。
アイドラー機構： 3Dプリント3パーツ、ボルト、距離ナットで構成。第1リンク固定前に背面にM4ナイロンナット設置（後でアイドラーホイール取り付け用）。2mm銅ロッドでピン接続。第2リンク（アイドラー側）にM3×15mm距離ナットをM3ボルトで固定。反対側にM3×20mmボルト+ナットで距離ナットへ挿入。この構成でアイドラーとロードホイールアーム距離を調整し、静的/動的履帯張力を両立。M4ボルトでアイドラーホイール固定。
スプロケット組み立て： モーター取り付け先行。ベースは37mm径モーター（センター/オフセット軸両対応）受け入れ可能。12V DCモーター（20-1000RPM、用途により選択）をM3ボルト6本で固定。シャフトカプラーにスレッドインサート設置、挿入しM3グリブネジ固定。スプロケット左右2セクションをM3ボルト3本で連結。駆動系完成。
履帯組み立て（意外と楽しい）： サポート材なしで即使用可能な履帯リンク。2mmピン（真鍮溶接ロッド）で連結。外側穴はタイトフィット（力要するが脱落防止）、内側穴はルーズフィット（自由回転）。コーヒーでも飲みながら数時間かけて連結（片側78リンク、ロッド約3.5m/ピン長約43mm）。スプロケット、ロードホイール、アイドラーに巻き付け、最後のピンでループ閉合。78リンクで張力は適切（最後のロードホイールがわずかに上昇）。スプリング弱いためショックアブソーバーナットで調整試みるも不十分→全ショックアブソーバーのスプリングを強化版に交換（分解→強力スプリング挿入→再組み立て。スプリングが純正より太いためM4ワッシャー併用）。全ロードホイールが位置保持可能に。駆動系完成。
距離ナットで履帯張力微調整可能。トップ緩み部分はショックアブソーバーブラケットで支持。モーター通電テスト：完璧な動作。多数の3Dプリントパーツが一体となって動く感動。
反対側も同様に組み立て。プラットフォーム80%完成。サイドパネル（主に見た目用）をブラケット/M3ボルトで取り付け。トップカバーで覆う（今回は見た目優先設計。将来ロボットアーム/タレット搭載時にトップ再設計予定）。

電子回路図

電子部品表

12V DCモーター 50-500RPM ×2 …………… Amazon / AliExpress
DRV8871 DCモータードライバー …………… Amazon / AliExpress
Arduino MEGA ………………………………… Amazon / AliExpress
3S LiPoバッテリー …………………………… Amazon / AliExpress
XT60コネクター ……………………………… Amazon / AliExpress
FLYSKY RC送信機 …………………………… Amazon / AliExpress

注: アフィリエイトリンクを含みます。

2モーター駆動にDRV8871×2（PWM制御、ピーク3.6A対応）。モーター12V駆動、3S LiPo（約12V）で全系給電。LM350 5Vレギュレーター搭載（将来サーボ接続用等、今回はRC受信機と一部LED給電に使用）。LED：5mm白色/赤色。後部：片側赤色2個（テールライト）、前部：片側白色3個（ヘッドライト）、トップカバー前部：白色6個（ハイビーム）。直列/並列組み合わせで配線、順方向電圧/電流から抵抗値計算（ヘッドライト：左右各3直列×2並列、各ライン150Ω）。汎用NPNトランジスター（200mA定格）でLED点灯制御。バッテリー電圧監視用簡易分圧回路（12V→5V未満→マイコンアナログ入力）。プログラムで実電圧換算し、受信機経由で送信機ディスプレイ表示。

カスタムPCB設計

配線量多いためカスタムPCB設計。ATmega2560基板に直接マウント可能。3.3VレギュレーターとNRF24L01接続用ランド（将来用）、12V/5V/6Vレール、サーボ接続用デジタルピン配置（6Vレールは外部バックコンバーター給電想定）。PCBWay発注（色ホワイトのみ変更）。ガーバーファイルはPCBWayプロジェクト共有から。到着品質良好、設計通り。組み立てはラベル通りで簡単。底面ピンヘッダー（ATmega2560接続）から開始、上面へ。小型部品（抵抗、トランジスター）→大型部品（LED、電源コネクター）順。全接続ピンヘッダー化で変更柔軟に対応。外部バックコンバーター/3.3Vレギュレーター接続は未実装（今回不使用）。白基板で美しくクリーンな仕上がり。

最終組み立て

マイコン基板をM3ボルトで固定、カスタムPCBを上面にマウント。
LED設置：サイドパネルに5mm LEDホルダーで固定。回路図通り各ライン直列ハンダ付け（カソード黒線、アノード赤線）。サイドパネル小穴からPCBへ配線。ホルダーはタイトフィットでクリーンな外観。
ハイビームLEDはトップフロントカバー直付け。
PCBにXH2.54mmデュポンメスコネクター実装（圧着ペンチ必要だが未所持でラジオペンチで代用、問題なし）。各LEDラインをラベル通りコネクター接続。
モーターはコネクター不備で直ハンダ。DRV8871ドライバーボード経由でPCB接続。
無線通信：FLYSKY RC送受信機（安価・高性能）。受信機-マイコンはジャンパーワイヤー3本（VCC、GND、Signal、I-BUSシリアル通信）。バッテリー電圧送信用にセンサーI-BUSを別シリアルポートへ接続。
LiPoバッテリー接続（適切なコネクターで12V端子へ。隣のON/OFF端子にスイッチ接続）。
重要： 電源投入前、RC受信機を外し、LM350トリマーで5Vに調整してから接続。
トップバックカバー装着で完成。

プログラミング

/* 3D Printed Tracked Robot Platform - Arduino Code by Dejan, www.HowToMechatronics.com
Libraries: IBusBM: https://github.com/bmellink/IBusBM */
#include 
#define motorLeft_IN1 4
#define motorLeft_IN2 5
#define motorRight_IN1 6
#define motorRight_IN2 7
IBusBM IBus;
IBusBM IBusSensor;
int ch0, ch1, ch6, ch8 = 0;
int motorSpeed, steeringValue, leftMotorSpeed, rightMotorSpeed = 0;
int ledBlinkPeriod = 50;
int isOn = LOW;
unsigned long time_now = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  IBus.begin(Serial1, IBUSBM_NOTIMER); // サーボI-BUS
  IBusSensor.begin(Serial2, IBUSBM_NOTIMER); // センサーI-BUS
  IBusSensor.addSensor(IBUSS_INTV); // 電圧センサー追加
  // DCモーター制御 - 初期停止
  digitalWrite(motorLeft_IN1, LOW);  // PWM
  digitalWrite(motorLeft_IN2, LOW);  // 前進
  digitalWrite(motorRight_IN1, LOW); // PWM
  digitalWrite(motorRight_IN2, LOW); // 前進
  digitalWrite(46, LOW);
  digitalWrite(47, LOW);
  digitalWrite(48, LOW);
}

void loop() {
  IBus.loop(); // RC送信機データ読み取り
  ch0 = IBus.readChannel(0); // ch0 - 左右
  ch1 = IBus.readChannel(1); // ch1 - 前進/後進
  ch6 = IBus.readChannel(6); // ch6 - ヘッドライト
  ch8 = IBus.readChannel(8); // ch8 - ハイビーム
  // PWM値変換
  steeringValue = map(ch0, 1000, 2000, -185, 185); // 0-185範囲（+70でモーター始動PWM確保）
  motorSpeed = map(ch1, 1000, 2000, -185, 185);
  motorSpeed = abs(motorSpeed);
  leftMotorSpeed = 70 + motorSpeed + steeringValue; // 70-255範囲
  rightMotorSpeed = 70 + motorSpeed - steeringValue;
  leftMotorSpeed = constrain(leftMotorSpeed, 0, 255);
  rightMotorSpeed = constrain(rightMotorSpeed, 0, 255);
  if (leftMotorSpeed < 72) leftMotorSpeed = 0;
  if (rightMotorSpeed < 72) rightMotorSpeed = 0;
  // 前進
  if (ch1 > 1510 && ch1 < 2000) {
    analogWrite(motorLeft_IN1, leftMotorSpeed);
    digitalWrite(motorLeft_IN2, LOW);
    analogWrite(motorRight_IN1, rightMotorSpeed);
    digitalWrite(motorRight_IN2, LOW);
  }
  // 後進
  if (ch1 > 1000 && ch1 < 1420) {
    digitalWrite(motorLeft_IN1, LOW);
    analogWrite(motorLeft_IN2, leftMotorSpeed);
    digitalWrite(motorRight_IN1, LOW);
    analogWrite(motorRight_IN2, rightMotorSpeed);
  }
  // 中立
  if (ch1 > 1420 && ch1 < 1520) {
    if (leftMotorSpeed < 75 && rightMotorSpeed < 75) {
      digitalWrite(motorLeft_IN1, LOW);
      digitalWrite(motorLeft_IN2, LOW);
      digitalWrite(motorRight_IN1, LOW);
      digitalWrite(motorRight_IN2, LOW);
    } else {
      // その場旋回
      analogWrite(motorLeft_IN1, leftMotorSpeed);
      digitalWrite(motorLeft_IN2, LOW);
      analogWrite(motorRight_IN1, rightMotorSpeed);
      digitalWrite(motorRight_IN2, LOW);
    }
  }
  // LED制御
  if (ch6 > 1500) { digitalWrite(47, HIGH); digitalWrite(48, HIGH); }
  else { digitalWrite(47, LOW); digitalWrite(48, LOW); }
  if (ch8 == 1500) { digitalWrite(46, HIGH); }
  else if (ch8 == 2000) {
    if (millis() >= time_now + ledBlinkPeriod) {
      time_now += ledBlinkPeriod;
      isOn = (isOn == HIGH) ? LOW : HIGH;
      digitalWrite(46, isOn);
    }
  } else { digitalWrite(46, LOW); }
  // バッテリー電圧監視・送信
  int sensorValue = analogRead(A0);
  float voltage = sensorValue * (5.00 / 1023.00) * 3.02; // 5V読み取り値を12V換算
  IBusSensor.loop();
  IBusSensor.setSensorMeasurement(1, voltage * 100);
}

コード概要

IBusBMライブラリでRC送信機データ読み取り。右ジョイスティック（ch0, ch1）で移動、ロッカースイッチch6, ch8でLED制御。入力を0-255 PWM値へ変換。analogWrite()でドライバー/モーターへ出力。コードはプラットフォーム機能がシンプルなため複雑ではありません。

テスト走行

コード書き込み後、電源投入テスト。送信機ディスプレイにLiPo電圧、受信機/送信機電圧表示。右ジョイスティックで移動制御。左ロッカースイッチでヘッド/テールライト、右3wayロッカースイッチでハイビーム（常時点灯/点滅の2モード）。

課題と改善点：

搭載モーター（888RPM、500mA未満定格）がアンダーパワー。ジョイスティックほぼ全開でやっと動き出し、手で簡単に履帯を止められる。サスペンションと履帯のテンション/抵抗が大きい。
より大型モーター（1280RPM）に交換も試したが、減速比が小さく同等結果。決して悪くはなく、走行自体は良好。LED点滅しながらバーンアウト/ドーナツは最高に楽しい。
屋外走行で即座に故障。原因：アンダーパワーモーター＋履帯リンク設計不良（スプロケット歯噛み合い部に泥詰まり）。リンク反対側に開口部追加で泥排出、スプロケットを0.2mmオフセットでルーズフィット化して再組み立て。屋外走行可能になったが、モーター非力でスタック/登坂不能。
推奨：500RPM以下、定格1-2A以上のモーター。20RPMモーターでは実戦車並みの登坂力だが遅すぎ。楽しむなら50RPM（低速用途）、500RPM（高速用途）が適切。

お楽しみいただけたら幸いです。質問はコメント欄へ。購読とArduinoプロジェクトコレクションもチェックしてください。

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