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CARA – ロープを使用した高精度ロボット犬

306日前原文(aaedmusa.com)

概要

CARAは、ロープ駆動キャプスタン機構を採用した最新の四足歩行ロボット。 正確な8:1減速比実現のための設計・計算過程を詳細解説。 5バーリンク機構による独自レッグデザインと材料選定の工夫。 歩行・姿勢制御・安定化アルゴリズムの実装。 今後の課題と改善ポイントも明示。

CARA: ロープ駆動キャプスタン四足歩行ロボットの開発

  • CARA （Capstans Are Really Awesome）は、 ZEUS、ARES、TOPS に続く最新の四足歩行ロボット

    • 1年かけて開発、最も動的かつ洗練された設計
    • ギアやプーリー不使用、すべての関節をロープ駆動キャプスタンで制御
    • キャプスタン駆動を採用した四足歩行ロボットはStanleyに次いで2例目

  • キャプスタン駆動のメリット

    • バックラッシュゼロ、高トルク透過性、低慣性、低コスト、静音性
    • ロボット用減速機として理想的な特性

正確な8:1ギア比の実現

  • 課題 ：外径だけで設計すると理論値と実測値に誤差発生

    • ロープ径を考慮した 有効径 で設計する必要
    • ロープは巻き付け・張力で直径が変動し、正確な測定が困難

  • 解決方法

    • 推定ロープ径で2種類のキャプスタンを作成（ギア比7.912:1と8.213:1）
    • 線形補間 で正確な8:1ギア比となる外径を算出
    • 実測ギア比8.000619:1を達成し、手法の有効性を確認

  • CADファイル はPatreon ShopおよびBuilder Tierで公開

レッグデザインと材料選定

  • 5バーリンク機構 を選択

    • 荷重分散・コンパクト化・独自性を重視
    • a, b, ab/adの3関節構成

  • 駆動系

    • 各関節は 8:1キャプスタン＋2mm Dyneema DM20 Rope （伸びゼロ仕様）
    • モータは Eaglepower 90KV BLDC、 ODrive S1 FOC Controller で制御
    • エンコーダマグネットと3Dプリントカップラーで高精度計測

  • 材料

    • 小ドラム： PET-CF （高ストレス部用）
    • 他構造部： Polycarbonate（PC）
    • 足・ハンドル： TPU 95A
    • カーボンファイバーチューブでフレーム剛性確保

ロボット本体設計

  • 四肢コア固定＋カーボンファイバー構造

    • 前後プレートで補強および剛性向上
    • 電子部品ボックスを前後に配置

  • 制御・電源

    • Teensy 4.1 Microcontroller が頭脳
    • CAN Bus 経由でODrive制御
    • 8ch RC送信機・受信機 で遠隔操作
    • 電源は 24V 3000mAh Kobaltバッテリー
    • 40Aヒューズ、5Vレギュレータ、BNO086 IMU で安全性・姿勢計測

  • サイズ・重量・コスト

    • 14.25kg、630×457×428mm
    • 総コスト約 3,300ドル

プログラミングと歩行制御

  • 原点復帰（ホーミング）

    • 各関節を物理リミットまで回し、電流上昇でリミット検知
    • 起動時ごとに実施

  • 運動学（逆運動学・順運動学・回転運動学）

    • IK：足先XYZ位置→関節角度
    • FK：関節角度→足先位置
    • RK：ロボットのロール・ピッチ・ヨー姿勢制御
    • Arduino RAMPライブラリ によるスムーズな軌道補間

  • 歩容（ゲイト）設計

    • サイクロイド軌道 で自然な歩行
    • 対角線上の脚が同時に動く トロット歩行
    • スイング・スタンスフェーズの明確な切替
    • 斜め・旋回時もゲイトパターンを柔軟に変更

  • 安定化制御

    • 静的安定化：IMUで傾斜角測定→本体を逆方向に補正
    • 動的安定化：4脚接地時のみIMUで姿勢更新、歩行中の頻繁な補正は不安定化を招くため抑制

今後の課題と改善ポイント

  • ハードウェア

    • バッテリー容量増加（容量2倍・電圧UPを希望）
    • 足部材質の耐久性向上（ TPU→シリコン への変更を検討）

  • ソフトウェア

    • ゲイトシーケンスの最適化（障害物乗り越え時の脚上げ高さと安定性の両立）

関連動画 ：High Precision Speed Reducer Using Rope

Hackerたちの意見

Aaedのキャプスタンドライブに関する動画を何度も見てるけど、ほんとに素晴らしいよ。高速、高トルク、柔軟性、実質的にバックラッシュがない。こういう本物のエンジニアリングの頭脳が働いているのを見るのは面白いね。

└

彼は間違いなくお気に入りのコンテンツクリエイターの一人だよ。もちろん、もっと優れたエンジニアや専門家、面白い人たちがYouTubeにはたくさんいるけど、彼はすごく楽しいバランスを保ってる。もっと好きなテクノロジー関連やポップサイエンス、工業デザインのYouTuberのリストを作り始めようと思ったんだけど、どれだけチャンネルに登録してるか気づいちゃった…興味があればリストをシェアするから、教えてね。それまでにフィルタリングとソートをしなきゃ。

└

最近、彼の動画を見つけたんだ。自分が作りたいもののアイデアがどんどん浮かんできて、でも全部やる時間が足りないんだよね（隣にあるブレッドボードも無視できないし）。アルゴリズムについても考えちゃうな。YouTubeで見つけたものが、HNに1、2週間後に出てくることが結構あるし。これがアルゴリズムの効果を示しているのか、失敗を示しているのかは分からないけど。確かに、特定の人に人気のある動画を見つけて、興味を持ちそうな人にもっと見せるのには成功してるよね。でも、私（そして同じような興味を持つ多くの人）が見るものが、そこにある最高のものなのか、それともたまたま目に留まった素晴らしい動画の一部なのか、疑問に思うことがある。何年も前からあるチャンネルで、良い情報がたくさん詰まってるのを見つけることもあるし、それは私が見ている以上に良いものがあるってことを示唆してるよね。単に運が悪くて前に見なかっただけなのかな？今見れてラッキーなのかな？運だけじゃなくて、アルゴリズムがその動画に特別な要素があると判断してプロモーションすることにしたのか、それとも私が何かの基準を超えて、そういうことに興味を持つようになったのかもしれないね。

└

犬のやつは見てないけど、カプスタンドライブの初めの説明の動画はめっちゃ良かったよ。[0] それについては、去年からずっと夢見てる。特に、同じ頃に別の人がケーブルを使って精密な動きを生み出すダ・ヴィンチロボットのアクチュエーターに取り組み始めたから。 0. ロープを使った高精度減速機: https://www.youtube.com/watch?v=MwIBTbumd1Q

  1. DIY手術ロボットの製作: https://www.youtube.com/watch?v=d_8rHKrwr-Q

この動画を見てると、希望と恐怖が入り混じった気持ちになる。最近まで、すごく難しい問題を乗り越えないと手が出せなかったものを、同じような人間がいじれるなんて、めちゃくちゃワクワクするよ。今はやっとピーター・スコットのロボティクスを少しずつ理解し始めてるところだけど、それに比べたら、ロボティクスの数学やエンジニアリングを超えた側面を探るのはずっと簡単なはず。

└

なんでそんなに怖がるの？

なんでそんなに努力して「正確な」ギア比を達成しようとするの？ ゼロが多いからって、必ずしも「精密」になるわけじゃないよね。それに、このメカニズムがどれだけ摩耗や疲労に耐えられるのかも気になる。

└

ゼロが多いからって、必ずしも「精密」になるわけじゃない もっと小数点以下の桁数が多いことが精密さの正確な定義じゃないの？（精度 vs 正確さ）

└

この動画の部分はちょっと混乱したな。彼が調整に使っているツールには何か制限があるのかもしれない。

└

まあ、そんなに大変な努力じゃなかったと思うよ。3Dプリントしてると、結局2〜3回は印刷することになるから、そのついでに比率を調整すればいいじゃん？それに、ギア比を8に設定して「7.9から8.2のどこかに達した」って言ってるなら、自分のデザインが「高精度」だとは言えないし、他の人にトランスミッションデザインのアドバイスをする立場にはなれないよね。

└

これは運動学についてだと思う。ギアが精密であればあるほど、モデルが現実世界にフィットするんだ。だからプロのチームはギアやロープを使わないんだよね。高いインパルスでは変形や弾性が運動学を狂わせちゃうから。変形や弾性をモデリングするのは計算上無理なんだ。だから、見えるのは関節に直接モーターがついてるってことだよ。少なくとも、私がロボティクスを見たときはそうだった。

プレゼンテーションが素晴らしい！この子、すぐにでも雇われるべきだよ。 https://www.aaedmusa.com/

└

12歳の息子に、教育を終えたらこんな感じのことを個人のウェブサイトに載せたいって言おうと思ってるんだ。「CARA（キャプスタンは本当に素晴らしい）は、ZEUS、ARES、TOPSに続く最新の四足ロボットです。1年かけて作ったCARAは、今までで最もダイナミックでデザインも優れています。」

└

彼はプロジェクトやYouTubeで楽しんでるかもしれないね。

これをシェアしてくれてありがとう！すごく楽しい動画だね。面白いプロジェクトで、プレゼンもとても良い。彼はコミュニケーションの才能があるね。動画はすごくわかりやすくて、説明も上手だった。そういう能力を本当に尊敬するし、私ももっと上手くなりたいな。

彼がロボティクスの分野で成し遂げたこと、そしてそれを視聴者に見せるプレゼンテーションが素晴らしい。最近のインターネットの映像のクオリティには驚かされるよ。今私たちが自分のワークショップで使えるツールの可能性は、まだまだ発見されている途中で、これからもずっとそうだろうね。

隣の上の教授。 https://youtu.be/8s9TjRz01fo?t=1128

面白い！こういうことに興味があるんだけど、どこから始めればいいのか全然わからない。コンピュータサイエンスの学位と3年の開発経験しかないんだ。

└

アルディーノとホビーサーボだね。どっちも「産業用グレード」じゃないし、すぐに限界に達しちゃうけど、物理的なものを作るのは（私の経験上）すごくモチベーションになるよ。もし基本をすでにマスターしてるなら、何を作りたいか考えて、それを作ってみるといいよ！ :)

└

ブラキオグラフの製作をおすすめするよ。PWMや逆運動学の基本を学べるし、よくドキュメントもされてるけど、型にはまったものじゃないよ。ラズベリーパイを使うと、マイコンよりもサーボを直接操作しやすくなるし、後で使わなくなったら部品は無限に再利用できるからね。 サンプル供給リスト（$80予算）:

  • ヘッダー付きPi Zero: $20
  • 電源: $9
  • SDカード: $10
  • ホビーサーボ3つ: $18
  • ブレッドボード用ワイヤー: $5
  • ブレッドボード: $5
  • 接着剤、アイスクリームの棒、ペンと紙: $10

先週末にOpen Sauceでこれを見たばかり！すごくクールなプロジェクトで、ギアの仕組みを見るのが面白かった。

「Cara」はアイルランド語で「友達」って意味だよね。意図してたのか、ただの偶然なのかは分からないけど。