モーション
目次：
スクエアブーツアセンブリ
理解すべき概念
サブシステムインターフェース
モーションサブシステムインベントリ
スクエアブーツアセンブリ
Squarebotの設計では、Motion SubsystemはStructure Subsystemと緊密に統合されています。これら2つのシステムは一体となってSquarebotの「シャーシ」を形成します。
モーション サブシステムと構造サブシステムがどのように連携して構築されるかについては、「構造」の章の「Squarebot シャーシ パーツとアセンブリ」セクションを参照してください。
理解すべき概念
モーターとサーボモーター
モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換できる装置です。つまり、電力を受けて物理的な動きを生み出す装置です。VEXシステムでは、モーターはさらに標準モーターとサーボモーターの2つの主要なタイプに分類されます。
主な違いは非常に明確で分かりやすいものです。標準的なモーターは取り付けられた車軸をぐるぐる回転させますが、サーボモーターは可動範囲内（Vexサーボモジュールの場合は120度）で車軸を特定の方向に向けます。
また、VexモーターモジュールとVexサーボモジュールは、同じ送信機コマンドを与えてもシャフトを逆方向に回転させることにもご留意ください。このわずかな違いは、2つの異なるモジュールの内部モーター設計によるものです。無線操縦操作の詳細については、Inventor's Guideの「制御サブシステム」セクションを参照してください。
モーターとサーボの使用
モーターとサーボモーターは見た目は似ていますが、適しているタスクの種類はまったく異なります。
ロボットのメイン駆動システムなど、連続回転が必要な場合は、通常のモーターを使用する必要があります。
サーボモーターは、動作の境界が明確に定義されている場合にのみ使用できますが、その境界内で特定の位置を維持するために自己修正するという貴重な機能を備えています。
速度とトルク
モーターは一定量の電力を生成できます。つまり、毎秒一定量のエネルギーを供給できるということです。このエネルギーは、一般的に車輪を回転させるために使われます。しかし、供給できるエネルギーには限りがあるため、トルク（モーターが車輪を回転させる力）と速度（モーターが車輪を回転させる速度）の間には、本質的にトレードオフの関係があります。
トルクと速度の正確な設定は通常、ギアによって行われます。モーターとホイールの間に異なる組み合わせのギアを配置することで、速度とトルクのバランスが変化します。
ギア
ギア比
ギア比は、トルクの「乗数」と速度の「除算」と考えることができます。ギア比が2:1の場合、トルクはギア比1:1の2倍になりますが、速度は半分になります。
ギアペア間のギア比の計算は簡単です。まず、どちらのギアが「駆動」ギアで、どちらのギアが「従動」ギアであるかを特定します。「駆動」ギアは、もう一方のギアを回転させる力を与えるギアです。多くの場合、このギアはモーターの車軸に直接取り付けられています。駆動ギアが回転させるもう一方のギアは、「従動」ギアと呼ばれます。
ギア比を求めるには、「従動」ギアの歯の数を数え、それを「駆動」ギアの歯の数で割るだけです。
ギア、続き
アイドラーギア
駆動ギアと従動ギアの間にギアを挿入することができます。これらはアイドラーギアと呼ばれ、そのギア比への影響は常に相殺されるため、ロボットのギア比には影響しません（アイドラーギアは最初のギアに対しては従動ギアであり、最後のギアに対しては駆動ギアであるため、まずアイドラーギアの歯数を掛け、次に同じ数で割ることで、常に相殺されます）。
しかし、アイドラーギアは回転方向を反転させます。通常、駆動ギアと従動ギアは逆方向に回転します。アイドラーギアを追加すると、駆動ギアと従動ギアは同じ方向に回転します。さらにアイドラーギアを追加すると、駆動ギアと従動ギアは再び逆方向に回転します。
アイドラー ギアは通常、2 つのギア間の回転方向を反転するため、または 1 つのギアから遠く離れた別のギアに力を伝達する (複数のアイドラー ギアを使用して物理的にギャップを埋める) ために使用されます。
複合ギア比
複合ギアは、同じ車軸に複数のギアがある場合に形成されます。複合ギアはシステム全体のギア比に影響を与える可能性があるため、アイドラーギアと混同しないでください。
複合ギア システムには、複数のギア ペアがあります。各ペアには独自のギア比がありますが、ペアは共有の車軸によって互いに接続されています。結果として得られる複合ギア システムには、駆動ギアと従動ギアがあり、ギア比も存在します (ここでは「複合ギア比」と呼ばれます)。従動ギアと駆動ギア間の複合ギア比は、個々のギア ペアのギア比を掛け合わせることで計算されます。複合ギアを使用すると、利用可能なコンポーネントでは通常実現できないギア比の構成が可能になります。上記の例では、12 歯と 60 歯のギアのみを使用して、1:25 の複合ギア比を実現しました。これにより、ロボットは車軸を通常の 25 倍の速度で回転させることができます (ただし、回転する力は 1/25 になります)。
非ギアシステムのギア比
ギア比の本質は、単に歯車の歯数を数えるよりも少し複雑です。ギア比は実際には、従動軸を1回転させるために必要な駆動軸の回転数として定義されます。歯付き歯車の場合、既に上で説明したように、歯数を数えることで必要な回転数を計算できます（「ギア比」を参照）。
他のタイプのシステムでも、駆動軸と従動軸の回転数を測定することで「ギア比」を求めることができます。このような駆動方式には、ベルトとプーリーによる駆動やチェーンとスプロケットによる駆動などがあります。
ロボット上でモーターと車輪が離れている場合、ギアよりもベルトまたはチェーン駆動が好まれることが多いです。しかし、ベルトとチェーンはどちらも、システムに独自のメンテナンス要件と性能要件をもたらします（例えば、チェーンは潤滑と張力が必要です）。そのため、他の設計上の考慮事項とそれぞれの利点を慎重に比較検討する必要があります。
ホイール
ホイールサイズ
ロボットのモーションサブシステムの役割は、多くの場合、ロボットを地面に沿って移動させることです。駆動系において、モーターとギアに続く最後のステップは車輪です。
モーターやギアと同様に、車輪の特性もロボットの性能に影響を与えます。車輪のサイズは重要な要素であり、ロボットの加速と最高速度という2つの異なる特性に影響を与えます。
ホイールサイズと加速
ホイールのサイズと加速の関係は単純です。タイヤが大きいほど加速は遅くなり、タイヤが小さいほど加速は速くなります。
この関係は、モーターの回転運動を車両の前進運動に変換する物理学の産物です。
モーターは「回転」する力（トルク）を発生させ、車輪はこれを地面に接する点で「押す」力に変換します。この「押す」力が大きければ大きいほど、ロボットはより速く加速します。トルクと力の関係は以下のとおりです。
力 = _ トルク _ 中心からの距離
ホイールの端まで
車輪の中心と地面の間の距離が長いほど、同じ量のトルクに対して生成される力が小さくなります。したがって、距離が長い大きい車輪の力は小さくなり、加速は遅くなります。
ホイールサイズと最高速度
最高速度では、同じモーターとギア比を持つロボットは通常、モーターが回転できる最高速度で走行します。特にギア比が高い場合（高ギア比 = 低トルク）、ロボットはこの速度に達するまでに多少の時間がかかりますが、最終的には目標速度に達するか、少なくともそれに近い速度に達する傾向があります。
車輪が地面を転がる際、車輪は一周するごとに、その円周を走行路面に「広げる」ことになります。大きな車輪は円周が長いため、一回転ごとに「広げる」距離も長くなります。
これら2つの観察結果を合わせると、車輪が大きいロボットの方が最高速度が高いことがわかります。車輪が大きいロボットは、車輪が1回転するごとにより遠くまで移動します。最高速度では、同じモーターとギアを搭載したロボットであれば、車輪の回転数は1秒間に同じ回数です。同じ回転数×1回転の距離が長いということは、より長い移動距離につながるため、車輪が大きいロボットの方が速く移動できるのです。
車輪、続き
摩擦
摩擦は、2つの表面が接触するあらゆる場所で発生します。ロボットの車輪を検討する際には、摩擦が最も重要になります。なぜなら、ロボットの性能を最大限に引き出すには、どの程度の摩擦が必要かを判断する必要があるからです。
車輪の摩擦はロボットにとって良い影響と悪い影響の両方をもたらします。まず、車輪と地面の間の摩擦は、ロボットを加速させるために不可欠です。摩擦がなければ、ロボットは氷の上に閉じ込められた車のように、車輪が空転したままどこにも進めなくなってしまいます。車輪と地面の間の摩擦は、ロボットが加速、減速、または旋回する際に、何かを「押し出す」力を与えてくれます。
一方、車輪の摩擦は、ロボットが動き出した後に速度を落とす原因にもなります。摩擦によってロボットのエネルギーの一部が消費されるため、粘着性のある表面を走行するロボットは、滑らかな表面を走行するロボットよりも速度が遅くなります。
地形
より難易度の高いチャレンジコースでは、物理的な障害物を乗り越えなければならないことがよくあります。タイヤのサイズと摩擦力は、それらをうまく乗り越えるために非常に重要です。これらの障害物は数多く複雑であるため、事前に計画を立て、解決策をテストして確実に機能することを確認する必要があります。
クラッチ
クラッチ
Vexスターターキットのすべてのモーターには、クラッチモジュールがあらかじめ取り付けられています。クラッチモジュールの目的は、モーターとホイールまたはギア間の接続を一時的に切断することで、モーター内部のギアの損傷を防ぐことです。これにより、モーターがストール（モーターが回転しない状態）やバックドライブ（モーターが強制的に逆回転する状態）に陥り、損傷につながる可能性を防ぎます。
モーターのクラッチはメンテナンスのために取り外し可能ですが、使用後は必ずすぐに交換してください。クラッチを取り付けない状態でモーターを運転しないでください。
モーションパーツの特徴
ハブタイヤ
キットに含まれる小さな緑色のタイヤは、実は2つのタイヤが1つになったものです。ゴムのような緑色のタイヤ表面を外すと、灰色のハブがロボット用の非常に小さく低摩擦のタイヤとして直接使用できます。
非軸方向取り付けポイント
（60歯ギア）
60歯ギア（および84歯ギア（別売））には、ギアシャフト用の中央穴に加えて、中心からずれた位置に複数の取り付け穴があります。これらの取り付け穴は様々な用途に利用できます。例えば、ギアの上に大きな構造物を構築し、ギアの回転に合わせて回転させることができます。また、非軸マウントの「周回」運動を利用して、回転運動から直線運動を生み出すこともできます。
ギアの摩耗と損傷
ギアは単純なプラスチック部品ですが、可動システムではしばしば非常に大きな応力を受けます。特にモーター内部のギアは、ロボット工学用途での使用中に、頻繁に急激な方向転換（例えばロボットを反対方向に動かすなど）が求められるため、大きな摩耗や損傷を受けます。
これらのギアは必然的に摩耗し、交換が必要になります。Vexスターターキットにはモーター内部のギアの交換用ギアが付属しており（追加購入も可能）、必要に応じて修理を行うことができます。
モーターまたはサーボモーターのギアを交換するには、次の手順に従ってください。
1. (ページ上部) クラッチとクラッチ ポストを取り外します。
2. モーターケース前面の四隅にある4本のネジを外します。
3. 上部カバーをゆっくりと持ち上げます。内部のギアを動かさないように注意しながら取り外してください。そうすれば、後で正しい構成を確認できます。
4. 中間ギアと大軸ギアを一緒に取り外します。
※ギアにはスムーズに回転するための潤滑剤が塗布されているため、取り扱いにはご注意ください。ギアを扱った後は、必ず手を洗ってください。
5.サイドギアを取り外します。
6. 薄い底ギアを取り外します。
7. 交換用ギアのパッケージを開けます。交換用ギアは非常に小さく、滑りやすいため、取り扱いには十分ご注意ください（グリースが塗布されています）。
注: 大きな黒いサーボモーターギアには、ギアの金属ブッシングの下に黒いプラスチック製のキーが付いています。(図示なし)
8. 交換用の薄い底部ギアを取り付けます。
9. 交換用のサイドギアを取り付けます。
10. 取り外したのと同じ方法で、交換用の中間ギアと交換用の大型ギアを一緒に取り付けます。
11. 上部カバーを慎重に元に戻します。ギアを動かさないでください。モーターが正常に回転しなくなる可能性があります。
12. 四隅のネジを元に戻します。
13.クラッチとクラッチシャフトを交換します。
サブシステムの相互作用
モーションサブシステムはどのように相互作用しますか？
「構造サブシステム?」
多くのロボット設計において、動作サブシステムと構造サブシステムは密接に統合されており、スクエアボットも例外ではありません。動作サブシステムは、支持と位置基準を提供する特定の構造部品（シャーシレールなど）がなければ構築できません。同様に、構造サブシステムは、動作コンポーネントをほぼすべて収容できるように設計する必要があります。
Squarebotでは、構造サブシステムと動作サブシステムは相互に連携しているため、別々に構築することはできません。そのため、シャーシの組み立て手順（構造サブシステムの章に記載）では、これらをまとめて構築します。
「電源サブシステム?」
モーションサブシステムのモーターとサーボモーターは電気エネルギーを物理エネルギーに変換するため、当然ながら動作には電気エネルギーが必要です。このエネルギーは最終的にパワーサブシステムのバッテリーから供給されますが、モーターはバッテリーに直接接続されるわけではありません。電力の流れはマイクロコントローラーによって制御され、パワーサブシステムからモーションコンポーネントにどれだけの電力を流すかを決定します。
「センサーサブシステム」とは何ですか?
ロボットには、センサーによって制御されるモーターやその他のモーションコンポーネントが搭載されていることがよくあります（例えば、緊急停止機能は、バンパースイッチセンサーが押されるとモーターを停止します）。しかし、センサーサブシステムはモーションサブシステムを直接制御するわけではありません。代わりに、センサーはマイクロコントローラに情報を提供し、マイクロコントローラはその情報を考慮して、モーションサブシステムに送信するコマンドを決定します。
「制御サブシステム?」
ラジコンカーとは異なり、Vexロボットは制御サブシステムと動作サブシステムを直接結び付けません。オペレーターが送信機を使って生成したコマンドはロボットのRF受信機に送信されますが、そこからマイクロコントローラーに送られ、マイクロコントローラーはこれとその他の情報を考慮して、動作コンポーネントにどのコマンドを送るかを決定します。
†ロジックサブシステム?
モーションサブシステムは、ロジックサブシステムの主要コンポーネントであるマイクロコントローラに接続されます。モーションコンポーネントは、ユーザー入力（制御サブシステム）とセンサーフィードバック（センサーサブシステム）によって様々なレベルで「制御」されますが、発行されるコマンドの最終決定や、実際の電力の流れ（電源サブシステムから）はすべてロジックサブシステムによって制御されます。ロジックサブシステムは、モーションコンポーネントのあらゆる動作を制御します。
ギアキット
ギアキットこのキットには追加のギアが含まれており、常に最適な組み合わせでトルク、速度、方向のバランスを実現できます。このキットに含まれるすべてのパーツはスターターキットにも含まれていますが、84歯ギアは他のギアとほぼ同じですが、歯数が多いため、より高い（またはより低い）ギア比を実現できます。
発明の可能性を広げるため、60歯と84歯のギアには追加の取り付け穴があります。これらの取り付け穴は、ターンテーブルシステムなど、類似の設計に使用する際に、金属棒や部品を取り付けるために使用できます。ギアを使ってロボットのドライブトレインの回転速度／トルクバランスや方向を変える方法については、Vex Inventor's Guide（Vex発明ガイド）で組み立てのヒントや例をご覧ください。
モーターキット
モーターと四輪駆動（4WD）キット
発明者ガイドのモーション サブシステムのセクションで説明されているように、標準モーターは、制御された速度で前方または後方に回転することで、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。
モーターが4つになったので、ロボットの同じ側の前輪と後輪の両方を1つのモーターで回す必要がなくなりました。車輪ごとに1つのモーターを使用できるため、ロボットがますます困難な地形を走破する際に、2倍のトルクを利用できるようになります。
Vex Robotマイクロコントローラーは、既にこの四輪駆動モードをサポートする機能を備えています。適切なアナログ/デジタルポートにジャンパークリップを接続するだけで、ロボットは4つのモーターすべてで動作します。詳細は、オリジナルのVexスターターキットInventor's Guideの付録Fをご覧ください。
サーボモーターキット
『Inventor's Guide』の「Motion Subsystem」セクションで説明されているように、サーボモーターは、単に前方または後方に回転するのではなく、特定の方向を向くように回転するように指示できるタイプのモーターです。
ホイールキット
このキットには、ロボットがどんな状況でもしっかりとグリップできるようにするための追加の車輪が含まれています。このキットに含まれるすべてのパーツは、Vexスターターキットにも含まれています。組み立てのヒントや使用例については、Vex発明家ガイドをご覧ください。
モーションサブシステムインベントリ
モーションサブシステムインベントリ
