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2011.02.08 *Tue

設計のセンス? 第一弾、強度って何?

たまには技術的な話をします。
シリーズ物でいきます。センスって何だよ?です。

長いので、何回かに分けて書きます。工業高校の先生方に言わせれば当たり前だろ、そんな事。と、笑われてしまいそうな内容ですが、これからロボットを造ろうと思っています。ロボット始めたばかりです。といった方々の参考になれば幸いです。

俺は高校時代からかれこれ8年間、殆ど毎日ロボット製作に没頭しています。
そんな中で感じたことです。

お前、センス悪いな~~
どうしてこんな形状になったの?
センス無ぇな~~

こんな会話をたまに聞きます。さり気なく使うこの言葉。
センスって何だろう?

確かに、ずっとロボットをやっていると何となく分からなくもない。
これは流石に、センス悪いよね・・・。
そう思ってしまうデザイン。
例えば、
・明らかな強度不足。
・ものすごく酷い加工精度。
・極端なアスペクト比。(これは反って美しい場合も・・・)

ぱっと見でアスペクト比が異常な構造を見ると、ここからポキっといくよね?っと想像してゾっとしてしまいますね。
材料力学や構造力学を全く知らない人が設計すると大抵すぐ壊れる。あるいは異常な強度・重量のモノが出来上がったりします。
じゃあ、構造の勉強をした人は、いちいち強度計算しているのか?
多少はするでしょうが、正直な所、あまり計算はしません。
と、いうか出来ません。じゃあ材料力学なんか勉強する意味無いじゃんか!
そんなことはありません。それはなぜか?

まず、なぜ計算できないのかというお話。
もちろん、全く出来ないというわけではありません。
私たちの身の周りの”モノ”は、確かに強度計算されています。
橋、家、机。それぞれ強度は計算されています。
さて、強度って何だろう?
もちろん、どれくらい強いのか?耐久性があるのか?という指標ですが、具体的には?

”強度”と、一口に言っても様々な意味があります。
突然、君の家の強度はどれくらい?と聞かれても答えられる人はまず居ないでしょう。
そんな質問をされたら、まず、こう答えます。
「何の強度だよ?」

そう、強度は様々あります。
例えば家の場合、こんな強度が考えられます。
・耐久性(何年間くらい、使えるか?)
・耐震性(どれくらいの地震に耐えられるか?)
・耐候性(どれくらいの気象変化に耐えられるか?)
他にも色々あるんでしょうが。このように、強度には様々な種類があります。
でも、ロボットに耐震性は要りませんね(笑)

”モノ”は、用途に応じて求められる強度が違います。
では、ロボットの強度について考えましょう。

まず、一番大切な事は壊れるのか、壊れないのか?という事です。
イスを造った!座ったら壊れた!!
それじゃあ、悲しいですね。座って壊れるなら、イス失格です。

ここで重要なことは”材料””形状”です。
先ずは、材料について。
”材料選び”というのは非常に重要です。
何となく、段ボールより鉄の方が丈夫だよねーーっていう事は分かると思いますが、
大切な事はどれくらい強いのか?という指標です。
鉄はアルミの何倍強い~~といった相対的なものではなく、絶対的な指標が重要です。
大抵、物を造るときに重要となってくるパラメータは降伏点か弾性限度です。
物体に力を加えると、”変形”という現象が起こります。
下敷きに力を加えると曲がりますね。”当たり前”な現象です。
この”変形”は、大きく分けて2種類に分けられます。
それは、弾性変形と塑性変形です。

バネをイメージして下さい。
引っ張ります。伸びます。
手を離します。戻ります。
これが弾性変形です。力を加えると変形が生じます。その後、力を除くと元の形状に戻る変形の事を指します。
しかし、調子に乗って引っ張りすぎると、バネはビヨーーンと伸びて元に戻らなくなります。
あーあ、引っ張りすぎるから。こういった、変形を生じた後、力を除いても元の形状に戻らない変形を塑性変形と呼びます。
(材料によっては塑性変形しない物もあります。それは後ほど)
一般的に強度設計を行う際には、塑性変形しない範囲(弾性範囲)で使われるように設計します。
では、弾性範囲内で使えば壊れないのか?そうとは限りません。

それはなぜか?
弾性範囲の限界を弾性限度と呼びますが、この”弾性限度”とは、平均的な値であり、同じ材料でも多少の個体差があります。
従って、弾性限度ギリギリで設計するという事は非常に危険です。
ここで出てくるのが、安全率です。
細かい話は長くなるので簡単に。
50kgの物を載せる机を設計しました。計算上では、100kgまで耐えられるようにしました。
この場合、机の”安全率”は2です。何となく、分かりますよね?

建築基準法で、エレベータ等のワイヤーの安全率は10以上にしなければならないとされています。
つまり、最大積載量600kg(10人乗り)のエレベータは、本当は6000kg(100人)乗っても大丈夫なハズなのです。従って、映画なんかでタマにある、エレベータのワイヤーが切れるなんて事は絶対にあり得ないわけですね。

この、安全率。という考えは、設計において最も基本的な事であります。
しかし、私たちの身の周りの”物”特に”人の命に関わる物”というのは、安全率の他にも様々な設計思考の元で造られています。

例えば飛行機。なかなか”壊れる”という事はありませんね。
では、飛行機の安全率は、ものすごく大きいのでしょうか?そんな事はありません。
安全率の高い飛行機は、恐らく飛べないでしょう。
”安全率を高く見積もる”という事は、”重くなる”という事です。
では、飛行機はどうやって”安全”を保証しているのでしょうか?
それは、”物は壊れる”という前提で設計を行っているのです。どういう事か?
飛行機は、どこか1カ所が壊れてもシステム全体に致命的損傷を与えないようになっています。
だから万が一、どこかが壊れてもすぐには墜落しません。

また、自動車はもっと面白い設計思想を持っています。
安全率の高い車。ぶつかっても壊れない車。というのは造れます。(燃費悪そーー)
しかし、車が衝突した際、車が無事でも意味がありません。
丈夫な車を造っても、乗っている人は無事では済みません。
そこで、自動車は衝突した際、あえて”壊れる”ように設計されています。
どういう事か?これは、極限設計(塑性設計法)と呼ばれる設計思想で、車がくしゃっと塑性変形する事で、衝突のエネルギーを吸収させ、人への衝撃を軽減するという設計手法です。
自動車の衝突試験なんかで、よく見るやつですね。くしゃっと。素晴らしい。

では、ロボットの設計はどうするのか?
安全率くらいは、見積もりたいですね。
しかし、ロボットにはどれくらいの力が作用するでしょうか?
・・・分かりません。
なぜなら、制御によって作用する力が変わるからです。
では、どうやってロボットの強度を見積もるのか?

--続きます!--
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COMMENT

本でも出す予定なんですかw
あ、因みに俺センス超いいのでv-10
2011/02/09(水) 22:59:02 | URL | 渉哉 #- [Edit
Re: タイトルなし
需要の少なそうな本だね(笑)
タマには真面目なネタも書かないと~~♪

8モータ、超センス良いっす(笑)
2011/02/10(木) 01:30:56 | URL | ザビエル #- [Edit
続編わくわく
変人とセンスある人は紙一重ですね。わかります。
2011/02/10(木) 15:55:21 | URL | kanon700 #- [Edit
Re: タイトルなし
>kanon700さん。
お久しぶりです(^^)
ロボット関係、変人ばかりですよね(笑)
2011/02/11(金) 04:11:02 | URL | ザビエル #- [Edit

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