- 趣味で作った歩行メカニズム生成ソフトウェアが電子工作と木工製作へと発展し、無線操縦の木製コーヒーテーブル Carpentopod として実現された
- 脚のリンクは、数千の仮想的な変形を進化させる方式で選ばれ、歩行速度・地面とのクリアランス・材料使用量・足先の軌跡が選定基準になった
- Theo Jansen の Strandbeest に似ているが、異なる部品比率、追加の関節点、丸い足先の直径によって、よりコンパクトで滑りにくい構造を目指している
- 実際の製作は、Autodesk Fusion 360 による設計、積層竹材の CNC 加工、100点以上の竹製部品、ボールベアリング・鋼製シャフト・アルミ製クランクシャフト、24V ブラシレスモーターと Arduino Nano ベースの閉ループ制御で構成されている
- リンク構造はパブリックドメインだが、テーブルのデザインは公開対象ではなく、個人・教育目的の製作は許可される一方、設計図・キット・製品の共有や販売には書面による同意が必要
ソフトウェアから始まった歩くテーブル
- Carpentopod は 2008 年に趣味で作った歩行メカニズム生成ソフトウェアから出発した
- その後、電子技術と木工技術を学び、ソフトウェアで作ったメカニズムのひとつを実際の無線歩行木製コーヒーテーブルとして実装した
- 名前はラテン語の
carpentum と、足または脚を意味する pod を組み合わせたもの
進化方式で作られた脚のリンク
- 脚のリンク構造は、数千の仮想脚バリエーションを互いに競わせるソフトウェアで生成された
- 各バリエーションは次の基準で適応度スコアを与えられた
- 歩行速度
- 地面とのクリアランス
- 材料使用量
- 周期の下位 3 分の 1 区間で足先がより水平かつ滑らかに動く度合い
- 足先の軌跡に報酬を与えた理由は、3 本の脚が同時に動くときの上下揺れと足の滑りを減らす解を優先させるためだった
- 高得点の個体だけが次世代の脚パラメータ生成に使われ、遺伝的変異も定期的に加えて新しい解を探せるようにした
- C++ で運動学ソルバーまで書き、1 秒あたり数十世代を進化させることができ、初期の悪い設計が最適化された設計へ変わっていく過程を確認した
- 最終的な Carpentopod のリンクは、より大規模で長時間のシミュレーションを実行した後に選ばれた
Strandbeest との違い
- Carpentopod の脚リンクは Theo Jansen の Strandbeest 彫刻と視覚的に似ている
- 違いは部品比率、追加の関節点、進化過程で得られた丸い足先の直径にある
- これらの追加パラメータは、よりコンパクトで足の滑りが少ない解を見つけるために使われた
- 足の滑りは、地面に接した複数の足先の速度が完全には一致しないときに生じ、実際の構造では脚同士が互いを減速させることがある
- Strandbeest の脚は、この効果を一部補正するために柔軟な足先や転がる足先を使う場合がある
テーブル構造の設計
- 実際の製作前には、進化リンクの初期バージョンで小型モデルを作り、CNC と製作技術を試験した
- その後、比較的実用的で見栄えのよい物として歩く木製コーヒーテーブルを作ることにした
- Carpentopod の各脚は歩行周期の 3 分の 1 の間しか地面に触れないため、テーブルを常に安定させるには合計 12 本の脚が必要だった
- 滑らかに歩かせるため、脚部品はサブミリメートル精度で作られ、その状態を維持しなければならなかった
- 脚部品は、強度があり自然で耐久性も高く安定した積層竹板を CNC 加工する方式で設計した
- テーブルのすべての部品は Autodesk Fusion 360 で設計した
- ソフトウェア内で歩行周期のどの時点でも完成状態を確認できたため、美観の調整やクリアランス確認が容易だった
電子部と駆動を収めた中央ボディ
- 両端の 6 本脚の間には、電子部品、モーター、バッテリーを収める空の中央腹部を設けた
- フレームと腹部は角張った形を避けるため、逆さにした宝箱のような曲線形状で設計した
- この形のため、Terry Pratchett の Discworld 小説に登場する The Luggage に似ていると言われた
- 中央の腹部は、すべての脚が中心からある程度離れるようにし、回転により効果的に関与できるようにした
- 6 本ずつ束ねた各グループはそれぞれ独自のクランクシャフトに接続され、各クランクシャフトは 1 つのモーターで駆動される
- この構造により、2 つの独立制御モーターだけで、戦車のように前進と旋回を制御できる
CNC 製作と木材加工
- 実際のテーブル製作では、精度と反復製作のしやすさのため、可能な限り多くの部品を CNC で作った
- 使用した機材は安価な 3 軸 CNC ルーター である
- 3 軸 CNC は上側からしか材料を削れないため、複雑な形状や凹部が必要な脚部品は、積層竹材 3 枚をそれぞれ CNC 加工した後で接着する方式で作った
- 1 つの部品でも複数サイズ・形状の工具で何度も加工する必要があり、両面加工のために正確に裏返して再固定しなければならない場合もあった
- 100 点を超える竹製部品を CNC 加工し、研磨し、ラッカー塗装した後、ボールベアリングと鋼製シャフトで組み立てた
- 2 本のクランクシャフトは、D 字型シャフトと D 字型穴を持つ回転オフセット部品を噛み合わせることで製作した
- D 字型シャフトとオフセット部品は、一般的なアルミ棒材と板材から高精度に CNC 加工した
曲面ドアと家具セット
- テーブルの曲面腹部ドアは、同じ積層竹材に細かくkerfingを施した後、蒸気でさらに柔軟にし、曲面ジグの上で乾燥させて形を出した
- ドアは見えない 2 本のヒンジリブの上に接着され、内蔵マグネットで簡単に開閉できるようにした
- 同じ高さの TV 家具も溶接して作り、マンゴー材 1 枚から 2 つの家具の天板を作ってセットのように構成した
モーターと閉ループ制御
- 6 本脚の各グループはそれぞれ独自のモーターで駆動されるが、グループ内の脚の相対運動は 1 本のクランクシャフトが調整する
- モーターのない 6 本脚セクションを押すと、車輪のように前進する仕組みで動作する
- 足先は地面をやさしく触れて押し込みすぎないように設計されており、歩行時のテーブルの上下揺れは大きくない
- 実際の駆動には、自動カーテン製品向けに使われる低価格のギア付き 24V ブラシレスモーターを 2 基使用した
- 定格出力は最大 1.5Nm @ 130RPM
- 内蔵電子部は別個の PWM 信号線による直接速度制御をサポートする
- 低速を PWM で指示すると、最大負荷の一部しかかかっていない状態でも、ほぼ即座に数秒間の自動過熱遮断モードに入ってしまう
- PWM 信号を 100% に固定し、電圧を直接変える方式のほうがうまく動作した
- バッテリー電圧を 0〜24V の出力に変換するため、低価格の Step Up/Down Converter モジュールを 2 個使用した
- これらのモジュールを改造し、再利用した Arduino Nano ボードの高速 PWM 信号で出力電圧を直接設定できるようにした
- 電圧変換モジュールの調整可能な最大電流設定は、各モーターの最大停止トルク制御に使われ、指の安全性にもつながった
- モーターの Hall-effect センサー信号を Arduino に入力し、C でソフトウェアを書いて閉ループモーター制御を実装した
- この制御により、各モーターは負荷に関係なく、可能な範囲で目標速度と位置を独立して正確に追従できる
無線操縦とバッテリー
- 最後の段階で Bluetooth モジュールを Arduino に接続した
- 再利用した無線 Nunchuck から来るジョイスティックデータを接続・解釈する C コードを書いた
- この無線ジョイスティックは別途 製作した 装置である
- テーブルの腹部に 14.8V LiPo バッテリーを入れ、小さなリモコンでリビングのどこへでも歩いて行ける無線テーブルになった
- 実用性は高くないかもしれないが、飲み物を運ばせる楽しさがある
公開範囲と知的財産権条件
- 多くの要望を受けた後、Carpentopod のリンク構造そのものはパブリックドメインとして公開された
- 製作のヒントとして、図面縮尺ではクランクが地面から約
1000.0 の高さに来ること、脚は単体や 2 本組ではうまく動かず、3 本が重要であることが示されている
- 2024 年 10 月の追加説明で公開範囲がさらに明確化された
- Carpentopod のリンク構造はパブリックドメイン
- テーブル固有のデザインはパブリックドメインではない
- 書面による同意なく、テーブルデザインに基づく計画の公開、事業運営、製品・キット販売を行うと知的財産権侵害とみなされる
- 個人または教育目的での独自設計・製作は許可され、推奨されている
- テーブルのスタイルを純粋な個人・教育プロジェクトに使うことは許可されるが、固有のデザインと美学に基づく設計や製品を共有・販売するには明示的な同意が必要
コミュニティ
1件のコメント
Hacker News のコメント
本当に愛らしくて、思わず満面の笑みになる
現代的な技術はすべて内側に隠され、木の構造だけが見えるおかげで、Harry Potter に出てきそうな魔法めいた感じが残っている
本当に素晴らしい記事だ
現実版を見ることになるとは思わなかったし、本当に素晴らしい
GNU, Sir Terry
テーブルが主人にビールとスナックのボウルをお行儀よく持ってくる動画が、すべてを物語っている
「ちょっと行ってくる、テーブルの散歩をさせてくるよ」
こういうコーヒーテーブルが欲しいし、実のところモーターがなくてもよさそう
ただ押すだけで、固定方向の車輪が付いたテーブルのように滑らかに歩いていけそうに見える
Carpentopod が主人にビールとポテトチップスを届けたあと、あまり有能でない静的な同僚の横に礼儀正しく駐車する様子には大笑いした
こういう幻想的な創作物をもっと見たい
最近 HN にも上がっていたもの