昨年投稿した食事介助ロボット「マイアーム」の課題点を踏まえ、改良してみました。
正直、前作より性能が落ちたかもしれません。が、今後に繋がる新たな発見も多かったです。
マイ アーム２
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Owner & Collaborators
License
マイ アーム２ by ICTRehabilitationResearchLab is licensed under the Creative Commons - Attribution-ShareAlike license.
Summary
3Dプリント自助具コンテスト2025応募作品
手の不自由な方のための食事介助ロボットです
６年間続くAさんとの自助具作成の最新作です
デジタル嫌いの私が何故かロボットアームを作成しています
手の不自由な方のための食事介助ロボットです
６年間続くAさんとの自助具作成の最新作です
デジタル嫌いの私が何故かロボットアームを作成しています
Materials
Tools
Blueprints
Making
- ・サイズが大きく、置く位置を決めるのに時間がかかる（押す、引くの２動作を行うには、身体の正面に置きたいが、ロボットアームがあるため調整が必要）・Aさんの車椅子の座り姿勢の崩れによって、力が出しづらくなる
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- ・お皿を回して食べ物をすくうので、自分自身でキャッチしているという実感が薄いように感じる
- ・麺類がすくいにくく、ラーメンを食べることができたら嬉しい
目標
0１．コントローラーの小型化２．コントローラーがどの位置であっても操作できる３．操作感の向上のため、自らキャッチしにいく動作を作る４．ラーメンを食べるため、箸への変更試作品①
0- Aさんの反応 「箸先が顔に向かってくる恐怖感が強い」箸だけではつかめない物があるので、スプーンも必要
試作品②
0箸とスプーン２つのアームを持つロボットアームを制作問題点箸とスプーンのアームが動作中ぶつかることがある口を開ける時に反射的にどうしても手に力が入ってしまう。その際にボタンを押してしまい、箸が開いて口にあたってしまうやはり箸に対する恐怖感が取れないスプーンを動かしている間に箸が突然動くのではないかという恐怖感があるロボットアーム自体が大きくなりすぎたため、コントローラーを置く位置がよりテーブルの端になり、押す動作ができなくなった結論箸をやめてみることにコントローラーの改善が必要結果
0良い点自分からつかみに行く動作が可能になったため、より操作している実感があるフォークが口から滑り出るようになったので、口元の違和感が少なくなった問題点肩の部分のモーターに負担がかかり、たまにアームが落ちてしまう。（関節の傾斜面の角度に改善が必要かも）皿の中の全ての位置の食べ物をつかむことができず、更にプログラムの改善が必要皿の回転をサーボモーターにしたため、独立した動きができず、ボタンを押すたびに初期位置に戻ってしまう。皿の回転の意味がなくなってしまった。（モーターをマイアーム１で使用したモーターに戻すか、プログラムの変更で改善できるかも）- より操作感が出て、楽しめる物になった。食べる分には以前のロボットアーム１の方が食べやすいかも。（スプーンが一番口当たりが良いため）ボタンを押してからアームが動くまでの少しのタイムラグが気になる。（複雑なプログラムを入れたための影響）
まとめ
0操作感が出たことは良かった。２つのボタンを押すという手の動きで操作する方法（空間的側面）から、１つのボタンでタイミングによって操作する方法（時間的側面）に変えても操作感が落ちることはなかった。BB弾を使用することによって、３Dプリンターで作れる物の幅が広がった。Aさんの辛口の感想にショックは受けたが、「タイムラグを感じる」という、私自身は気にならなかった部分を指摘され、Aさんの感覚の鋭さを知り、新たな気づきになった。今後はモールス信号のように、よりタイミングによって制御できる幅を広げてみたい。- スプーンを口元に持っていく際に関節に電圧がかかる。マイアーム１は振り子の原理で負担を軽減できていたが、今回はそれができず口元に持っていく際に肩部分のモーターに過度な負担がかかっている。人の身体は口に物を入れる際、肩甲骨自体が下がる（下制）事で肩の負担を減らしているが、マイアーム２の肩甲骨部の動きは軸回転であるため、その動きが再現できていないための考える。
- ELEGOO 高速PLAプラス RAPID PLA＋フィラメント 黒色1.75mm使用
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手
0①ベアリング制作 （４つ）ベアリング内とベアリング外のへこみ部分を合わせ、そこからBB弾を挿入（動画参照）②モーターとサーボホーンをつける前に、ベアリング部分を各パーツ（肩×２、前腕×１、手部×１）にねじでとりつける③MG996Rを取り付けねじで固定する④延長ケーブルを、各関節を通りながらからだ部分を通し台の中に入れ、PCA996⑤番から⑩番につける.jpg)
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- ①回転部にサーボモーターと、サーボホーンを取り付け、レール部分のくぼみからBB弾を挿入②配線（配線図参照）
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指
0①各関節をワッシャーを入れねじでとめる②スライド部レールにBB弾を入れ、ふたをねじどめする③輪ゴム（ナンバー12、直径2５㎜）を３か所（スライド部分×２ アーム部分×１）取り付ける④フォーク、スプーン（もしくは箸）は10円玉でねじ固定する.jpg)
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配線図
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１
0#include <Wire.h>#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>Adafruit_PWMServoDriver pwm = Adafruit_PWMServoDriver();#define SERVO_MIN 150#define SERVO_MAX 600#define LOGICAL_SERVO_COUNT 6 // 論理サーボ数 (0..5 → PCA9685 の 5..10)#define BUTTON_PIN 2#define LED_PIN 13２
0#define WAIT_TIME 1000// サーボ状態float servoPositions[LOGICAL_SERVO_COUNT];float servoTargetAngles[LOGICAL_SERVO_COUNT];float servoStartAngles[LOGICAL_SERVO_COUNT];unsigned long servoStartTimes[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {0};unsigned long servoMoveDurations[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {0};３
0bool servoIsMoving[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {false};// --- ポジション ---int positionInitial[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {170, 20, 100, 70, 160, 90};int positionMouth[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {10, 40, 45, 90, 50, 90};４
0int positionMiddles[7][LOGICAL_SERVO_COUNT] = {{12, 80, 120, 60, 70, 80},{12, 40, 160, 60, 70, 60},{12, 20, 150, 70, 60, 100},{12, 100, 120, 55, 130, 80},{12, 100, 120, 65, 130, 80},{12, 80, 150, 40, 100, 180},{12, 30, 150, 50, 100, 80}};５
0int positionGoals[7][LOGICAL_SERVO_COUNT] = {{12, 70, 160, 60, 60, 100},{12, 70, 110, 60, 70, 60},{12, 70, 140, 60, 70, 20},{12, 70, 140, 60, 70, 30},{12, 40, 130, 70, 130, 30},{12, 80, 150, 40, 100, 0},{12, 30, 150, 80, 100, 30}};６
0// --- スピード / ディレイ ---unsigned long speedToMiddle[7][LOGICAL_SERVO_COUNT] = {{500, 2000, 2000, 2000, 2000, 2000},{500, 2000, 2000, 2000, 2000, 2000},{500, 2000, 2000, 2000, 2000, 2000},{500, 2100, 1900, 2100, 2000, 2000},{500, 2200, 2000, 2000, 2000, 2000},７
0{500, 2100, 1800, 2000, 1900, 2000},{500, 2000, 2000, 2000, 2000, 2000}};unsigned long delayToMiddle[7][LOGICAL_SERVO_COUNT] = {{0, 0, 500, 0, 500, 500},{0, 0, 0, 0, 500, 500},{0, 0, 500, 0, 500, 500},{0, 0, 500, 0, 500, 500},８
0{0, 0, 500, 0, 500, 500},{700, 700, 700, 700, 700, 0},{0, 0, 500, 0, 500, 500}};９
0unsigned long speedToGoal[7][LOGICAL_SERVO_COUNT] = {{0, 2000, 4000, 4000, 4000, 2000},{0, 2000, 4000, 4000, 4000, 2000},{0, 4000, 4000, 4000, 4000, 2000},{0, 1000, 4000, 4000, 4000, 2000},{0, 1000, 4000, 4000, 4000, 2000},10
0{0, 1000, 4000, 4000, 4000, 2000},{0, 1000, 4000, 4000, 4000, 2000}};unsigned long delayToGoal[7][LOGICAL_SERVO_COUNT] = {{0, 0, 0, 0, 0, 0},{0, 0, 0, 0, 0, 0},{0, 0, 0, 0, 0, 0},11
0{0, 0, 0, 0, 0, 0},{0, 0, 0, 0, 0, 0},{0, 0, 0, 0, 0, 0},{0, 0, 0, 5, 0, 0}};// 戻りパラメータ12
0unsigned long delayFromGoal[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {0, 700, 700, 1200, 700, 500};unsigned long speedFromGoal[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {1000, 1500, 2000, 3000, 3000, 2000};unsigned long delayToMouth[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {4000, 50, 100, 150, 200, 0};13
0unsigned long speedToMouth[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {4000, 3000, 3000, 3000, 4000, 1500};unsigned long delayFromMouth[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {1000, 50, 100, 150, 200, 0};unsigned long speedFromMouth[LOGICAL_SERVO_COUNT] = {4000, 3000, 3000, 3000, 3000, 1500};14
0// 状態機械enum State {IDLE,MOVING_TO_MIDDLE,MOVING_TO_GOAL,MOVING_TO_INITIAL,MOVING_TO_MOUTH,AT_GOAL,AT_MOUTH,RETURNING_FROM_MOUTH};State state = IDLE;15
0int currentGoal = -1;bool buttonPreviouslyPressed = false;unsigned long lastReturnTime = 0;unsigned long lastButtonPressTime = 0;const unsigned long debounceDelay = 50;16
0// プロトタイプvoid moveToPosition(int targetAngles[LOGICAL_SERVO_COUNT], unsigned long speeds[LOGICAL_SERVO_COUNT], unsigned long delays[LOGICAL_SERVO_COUNT]);void setServoTarget(int i, float target, unsigned long duration, unsigned long delayTime);17
0void updateServo(int i);bool anyServoMoving();void silentInitialize();void setup() {Serial.begin(115200);18
0Wire.begin();pwm.begin();pwm.setPWMFreq(60);pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);pinMode(LED_PIN, OUTPUT);digitalWrite(LED_PIN, LOW);silentInitialize();moveToPosition(positionInitial, speedFromGoal, delayFromGoal);state = MOVING_TO_INITIAL;}19
0void loop() {unsigned long now = millis();bool isPressed = digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW;bool isMouthReady = (state == IDLE && (now - lastReturnTime >= WAIT_TIME));digitalWrite(LED_PIN, isMouthReady ? HIGH : LOW);20
0if (isPressed && !buttonPreviouslyPressed && (now - lastButtonPressTime > debounceDelay)) {lastButtonPressTime = now;buttonPreviouslyPressed = true;21
0// --- ボタン押下処理 ---if (state == MOVING_TO_INITIAL) {currentGoal = (currentGoal + 1) % 7;moveToPosition(positionMiddles[currentGoal], speedToMiddle[currentGoal], delayToMiddle[currentGoal]);22
0state = MOVING_TO_MIDDLE;return;}if (state == MOVING_TO_MOUTH) {// Mouth 未到達キャンセル → FromMouthmoveToPosition(positionInitial, speedFromMouth, delayFromMouth);23
0state = MOVING_TO_INITIAL;return;}if (state == MOVING_TO_GOAL || state == MOVING_TO_MIDDLE) {// Goal 未到達キャンセル → FromGoalmoveToPosition(positionInitial, speedFromGoal, delayFromGoal);24
0state = MOVING_TO_INITIAL;return;}if (state == AT_GOAL) {moveToPosition(positionInitial, speedFromGoal, delayFromGoal);state = MOVING_TO_INITIAL;return;}25
0if (state == AT_MOUTH) {moveToPosition(positionInitial, speedFromMouth, delayFromMouth);state = RETURNING_FROM_MOUTH;return;}26
0if (isMouthReady) {moveToPosition(positionMouth, speedToMouth, delayToMouth);state = MOVING_TO_MOUTH;} else if (state == IDLE) {currentGoal = (currentGoal + 1) % 7;27
0moveToPosition(positionMiddles[currentGoal], speedToMiddle[currentGoal], delayToMiddle[currentGoal]);state = MOVING_TO_MIDDLE;}}28
0if (!isPressed) buttonPreviouslyPressed = false;for (int i = 0; i < LOGICAL_SERVO_COUNT; i++) updateServo(i);if (!anyServoMoving()) {switch (state) {case MOVING_TO_INITIAL:29
0case RETURNING_FROM_MOUTH:state = IDLE;lastReturnTime = millis();break;case MOVING_TO_MIDDLE:30
0moveToPosition(positionGoals[currentGoal], speedToGoal[currentGoal], delayToGoal[currentGoal]);state = MOVING_TO_GOAL;break;31
0case MOVING_TO_GOAL:state = AT_GOAL;lastReturnTime = millis();break;case MOVING_TO_MOUTH:32
0state = AT_MOUTH;break;default:break;}}}33
0void moveToPosition(int targetAngles[LOGICAL_SERVO_COUNT], unsigned long speeds[LOGICAL_SERVO_COUNT], unsigned long delays[LOGICAL_SERVO_COUNT]) {for (int i = 0; i < LOGICAL_SERVO_COUNT; i++) {34
0setServoTarget(i, targetAngles[i], speeds[i], delays[i]);}}void setServoTarget(int i, float target, unsigned long duration, unsigned long delayTime) {35
0servoStartAngles[i] = servoPositions[i];servoTargetAngles[i] = constrain(target, 0.0f, 180.0f);servoMoveDurations[i] = duration;servoStartTimes[i] = millis() + delayTime;servoIsMoving[i] = true;}36
0void updateServo(int i) {if (!servoIsMoving[i]) return;unsigned long now = millis();if (now < servoStartTimes[i]) return;37
0unsigned long elapsed = now - servoStartTimes[i];if (elapsed >= servoMoveDurations[i]) {servoPositions[i] = servoTargetAngles[i];servoIsMoving[i] = false;} else {38
0float t = (float)elapsed / servoMoveDurations[i];float easedT = t * t * (3 - 2 * t);servoPositions[i] = servoStartAngles[i] + (servoTargetAngles[i] - servoStartAngles[i]) * easedT;}39
0int pwmVal = constrain(map(servoPositions[i], 0, 180, SERVO_MIN, SERVO_MAX), SERVO_MIN, SERVO_MAX);pwm.setPWM(i + 5, 0, pwmVal);}40
0bool anyServoMoving() {for (int i = 0; i < LOGICAL_SERVO_COUNT; i++) {if (servoIsMoving[i]) return true;}return false;}41
0void silentInitialize() {for (int i = 0; i < LOGICAL_SERVO_COUNT; i++) {int angle = positionInitial[i];servoPositions[i] = angle;servoTargetAngles[i] = angle;servoIsMoving[i] = false;42
0int pwmVal = constrain(map(angle, 0, 180, SERVO_MIN, SERVO_MAX), SERVO_MIN, SERVO_MAX);pwm.setPWM(i + 5, 0, pwmVal);}}
完成
0- １ボタン操作に変えたコントローラーにBB弾を使用し動作をスムーズにコントローラーに傾斜をつけ、ボタンを押した後、腕の重さで元の位置に戻るようにした
- ・滑る部分にBB弾を入れ、スムーズに動くようにした・BB弾の厚みによって、部品同士が外れないようにした
- 食べ物がスプーンの上に乗るのを待つのではなく、自分から掴みにいくようにした皿の中に７か所の目標位置を設定し、３秒以内にボタンを押すと次の目標位置にスプーンが移動する１ボタンで全てを操作するために、ボタンを離している間の時間差によって動作が変わるよう変更した３秒以内 次の目標位置（全部で皿内の７か所の目標位置）３秒経過 LEDが点灯し口に移動
- フォークの動きを回転運動から、複雑な動きができるように構造を変えた（箸リンク機構）
- 関節面を斜めにして、重さの負担を軽減した。（人間の各関節の傾斜面に参考にした）
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