この記事は2024年のWMMC Advent Calendarの2日目の記事です。
こんにちは。今年の新入生はあまり交流ができなかったので、はじめましての方は初めまして。総合機械工学科B4の田中です。最近のWMMCは1年生の活動が活発で嬉しい限りです。
今回から、WMMCアドベントカレンダーの埋まり具合に応じて東日本での機体の完成（出走はしないかも）を目指した標準機体の改造記事を載せていこうと思います。このシリーズが何回あるかは未知数です（鬼滅になぞってタイトルを決めているので、少なくとも3,4回は続けるつもりです）。最後が無限に記事が出ない編にならないように頑張ります。
方針
ズバリ、やりたいのはQDDモータ（低減速比のBLDCモータ）でマウスを作ろう！ということです。
QDDモータとは何ぞやという方が多いと思うので簡単に紹介します。QDDとは「Quasi Direct Drive」の略で、日本語で言うと「準ダイレクトドライブ」といいます。そもそもダイレクトドライブモータと呼ばれる減速ギアなしで使うモータが存在していて、そのモータに減速比の比較的小さいギアが一体でついたモータがQDDです。明確な定義はないものの、~50くらいまでの減速比なことが多く、ほとんどがプラネタリギアです。
ギア比が小さい分、大きなトルクを出力するために大電流を流しており、モータはかなりの熱を持ちます。ギア比が小さいため、モータの軸は人の手で簡単に回せるくらい軽く（これを高バックドライバビリティとか言ったりします）応答性が良いです。また、ギアでのエネルギー損失が小さいため、モータの入力電流と出力軸のトルクの関係はより線形に近い理想的な関係になります。これらの理由から最近流行りの2脚、4脚ロボットやテレオペレーション用アームの動力として多く使用されています。
最近話題のディズニーランドパリと香港に登場するらしいオラフの中にも当然QDDが入っています。
QDDの多くはドライバ内蔵なことが魅力的です。多くはXT30やXT60のコネクタ口とCANやRS-485、EtherCATといった通信用のコネクタ口が出ているのみで、配線が簡単に済みます。ドライバが優秀なことが多く、位置や速度、トルク司令でサーボモータとして簡単に使用できます。
さて、本題に戻ります。今回使うモータはRobstride Dynamics社のEDULITE 05というモータです。
こんなやつ。
モータの入手先はアリエクスプレスです。（リンクはこちら。購入時点では12606円でした。）QDDモータの中では性能の割に破格の値段です。このモータは電源にXT-30、通信にCAN通信用の2pinを使用しており、XT30(2+2)という中華モータによくあるコネクタを使用しています。Nucleo F303はCANが使えるので標準機からマイコンはそのまま使えます。
仕様は以下の通りです。
| 項目 | |
| 重量 | 242 g |
| ギア比 | 1:9 |
| 定格電圧 | 48 V |
| 入力電圧範囲 | 15～60 V |
| 定格トルク | 1.8 Nm |
| ピークトルク | 6.0 Nm |
| 無負荷時回転速度 | 430 RPM |
| 定格負荷時速度 | 100 RPM |
ここで比較用に標準マウスに搭載されているすてっぱの仕様も載せておきます。
記憶の範囲ではパルス速度2.5KHzあたりから標準マウスの脱調現象は発生していて、動輪を50mmとすると約1m/sが最大速度です。
一方で今回のQDDモータはというと、動輪50mmで無負荷時の回転速度だと2m/sを超えてきます。ステッピングモータに比べればトルクは十分なので、加減速も問題なく行えます（あくまで無負荷時回転速度なので、実際に走らせたらもっと遅いでしょうね）
課題
QDDの定格電圧の欄をみて、なにかお察しの方も居たでしょう。動かすには最低15V、LiPo4セルを搭載する必要があります。スペック通りの性能を出力するためにもなるべく高電圧を印加するべきなので、昇圧をしたいと思います。
LiPoはおなじみのZeeeの4Sを使います。使うLiPoはこちら。しかし昇圧はどうしよ～という感じです。というのも、QDDは前述の通りトルク密度が小さい分を電流で補う子なのでとてもエネルギー食い虫なのです。つまり、許容電流が大きく放熱ちゃんとができる昇圧モジュールが必要なのです。これは次回までに検討を進めようと思います
最後に
適当な計画を載せただけでしたね。次回はものとしての進捗を見せられたら良いなと思います。
次回、無限設計編お楽しみに！
明日はJames君の「なんか書く(たぶんマウス関係ないこと）」です。なんか書いてくれることを期待します。
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