[論文レビュー] Designing, 3D Printing of a Quadruped Robot and Choice of Materials for Fabrication

Akash Maity, Koustav Roy+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2019

Robotic Locomotion and Control参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、CADモデリングとFused Deposition Modeling (FDM) 3D プリントを用いた3Dプリント四足歩行ロボットの設計および additive manufacturing アプローチを提示する。材料の性能を評価した結果、3003アルミニウム合金の脚は、強度対重量比、構造的安定性、高トルクサーボの互換性に優れ、電源供給の制限がある中でも歩行の安定性が向上した。

ABSTRACT

Purpose-This paper is based on design of a quadruped robot and manufacturing it with 3-D printer followed by its detailed analysis. It focuses on the advantages of additive manufacturing rather than conventional manufacturing techniques and also highlights its limitations. The consequences of choice of different materials for 3-D printing are evaluated in this report. Design/methodology/Approach- The parts were designed in CAD software and made into Stereo lithography files, which were fed into the 3-D printing software. They were printed with the selection of ABS material. Low torque servos were employed in the beginning of the assembly and were controlled with the Arduino Uno micro controller. Findings- The versatility of legged robots require materials with high strength to weight ratio, where 3003 aluminium alloy sheets proved to be a better choice than conventional ABS. The ABS legs buckled under load and proved to be an inferior material choice for fabrication. The aluminium sheet fabricated legs not only imparted structural stability to the robot but also allowed in selection of more powerful servos for added strength.The bot could now achieve significant level of stability. Research Limitations/Implications- The power supply used for powering the bot was of SMPS type of power supply which made it less mobile. Due to the huge demand of current by the high torque servos used later, the power supply became a huge limitation which can be overcome by applying Lithium ion batteries. Practical Implications- The bot can be used for SLAM and autonomous navigation in areas where it is almost impossible for humans to access into. Originality/Value- This paper shows a concrete study on efficacy of quick CAD designing and rapid fabrication.

研究の動機と目的

• 迅速なプロトタイピングのための増加製造を用いた低コストでカスタマイズ可能な四足歩行ロボットの開発を目的とする。
• 3DプリントされたABSと機械加工された3003アルミニウム合金のロボット脚構造における機械的性能を比較する。
• 材料選定が構造的安定性、サーボ性能、および総合的なロボットの移動性に与える影響を評価する。
• 高トルクサーボ駆動ロボットにおける現在の電源供給システムの制限を特定する。
• ロボティクス研究分野において、機能的な脚付きロボットを迅速に製造するための3Dプリントの実現可能性を示す。

提案手法

• すべてのロボット部品、特に脚と構造フレームをCADソフトウェアで設計し、その後STLファイルを出力して3Dプリントに使用した。
• 初期プロトタイピングに、ABSプラスチックを用いたFused Deposition Modeling (FDM) 3Dプリントを採用した。
• 比較試験のため、3DプリントされたABSとは対照的に、3003アルミニウム合金のシートを機械加工して脚部品を製作した。
• 最初は低トルクサーボを、その後高トルクサーボをロボットの関節に統合して駆動を実現した。
• サーボの動きを制御し、歩行パターンを調整するために、Arduino Unoマイコンを用いた。
• 電源はSMPSユニットから供給されたが、高トルクサーボの高電流消費により、移動性の制約要因であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボット脚の荷重下における構造的整合性という観点から、3DプリントされたABSと機械加工されたアルミニウム合金の選定に差は何か？
• RQ2 材料選定が四足歩行ロボットの歩行中の安定性と性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 動的サーボ駆動下での負荷部品としてのABS使用に起因する機械的制限は何か？
• RQ4 高トルクサーボの使用が電源供給要件およびシステムの移動性に与える影響は？
• RQ5 増加製造と軽量で高強度の材料の統合により、従来の3Dプリントプラスチックに比べ、ロボットの機能性が向上するか？

主な発見

• 3003アルミニウム合金の脚は、3DプリントされたABSの脚が荷重に耐えられずたわんでいたのに対し、著しく高い構造的安定性を示した。
• アルミニウム合金の脚により、より強力なサーボを搭載可能となり、結果として歩行の安定性と性能が向上した。
• ABS素材は降伏強度が低いため、負荷部品として不適切であり、運用中に機械的破壊が発生した。
• 高トルクサーボからの高電流消費のため、SMPS電源ユニットが主な制限要因であることが特定された。
• 本研究では、材料選定が3Dプリントロボットシステムの機械的性能と信頼性を決定づける重要な要因であることを確認した。
• 迅速なCAD設計と3Dプリントの統合により、迅速なプロトタイピングが可能であるが、機能的展開のためには材料特性を慎重に評価する必要がある。