第 21 章　機械の設計フェーズ¶

Part VI「機械のワークフロー」の最初の章。電気側の第 5 章「電気の設計フェーズ」と対応する、機械側の設計フェーズ を扱います。

電気の設計が「部品を BOM にまとめるまで」だったのと同じく、機械の設計は 「CAD データ（STL / DXF）と機械系 BOM を確定するまで」 の工程です。実際のプロジェクトでは電気と機械の設計を並行で進めます。

この章で失敗しやすいこと

重量見積もりを省略 → 完成後にモータトルクが不足して走れない・動かない
厚みを薄くしすぎ → モータ荷重でたわむ／振動で割れる
CAD モデル上では干渉しないが、公差で現物はぶつかる → 組立できず作り直し（CAD は寸法を正確に「0 誤差」で計算するが、3D プリントは ±0.2 mm、レーザーカットは ±0.1 mm の誤差が実物に乗る。CAD で隙間 0 の設計は、現物では確実に干渉する）
積層方向を無視した 3D プリント設計 → 層が荷重方向と直交して剥離
電気配線の通り道を忘れる → 組立後にケーブルが通らない

1. 機械設計フェーズの位置づけ¶

電気と並列で進める 5 ステップ:

要件定義 — 作りたいロボットの要件（何をどう動かしたいか、サイズ、重量、使う場所など）から、機械的な寸法・荷重・材料の要求を 言語化 する工程
材料選定 — アクリル／アルミ／3D プリントから使う組み合わせを決める
寸法決定 — 内寸（部品の収まり）と外寸（目標サイズ）のすり合わせ
CAD 出力 — STL（3D プリント用）／DXF（レーザーカット用）の出力と検品
機械系 BOM 作成 — ねじ・ナット・ベアリング・材料の発注リスト

電気側と違うのは AI が得意な領域と苦手な領域がはっきり分かれる 点です。具体的には:

AI が得意：規格値の引き出し（M3 の下穴径、608 ベアリングの寸法）、材料選定の比較表、典型的な設計パターンの提案、BOM の整形
AI が苦手：CAD の操作そのもの（Fusion 360 等を代わりに操作することはできない）、寸法の物理的妥当性判断（「この薄板で大丈夫か」は現物で振動させてみないと分からない）、手元の 3D プリンタの癖（個体ごとの収縮率、反り具合）

したがって機械側では 「AI に候補を出させる → 自分でスクリーンショット or 実寸モックアップで検証 → 現物で微調整」 のイテレーションが電気より多めになります。

2. 機械要件を引き出す¶

2.1 要件の 5 項目¶

電気の要件 4 項目（入力・出力・通信・電源）と並行して、機械側は次の 5 項目を埋めます。

項目	中身	例（ライントレースカーの場合）
可動部	動かす場所、動かし方	左右の車輪を独立駆動
搭載物	載せる電気部品、それらのサイズと重量	Arduino Uno、モータ 2 個、電池 4 本、センサ基板、約 200 g
外形サイズ	目標の大きさ（長さ × 幅 × 高さ）	A5（約 200 × 148 mm）以内、高さ 80 mm 以内
環境	使う場所、温度、湿度、床面	室内の平らなフローリング、または硬い紙
耐久	使用頻度、衝撃、落下の有無	卓上でのデモ、1 日 10 分稼働、落下は想定しない

「ロボットを作りたい」から逆算して、これらを埋めます。

まずは 5 分で埋める機械要件メモ（空欄テンプレ）¶

次の空欄を埋めてから CAD に入ると、設計の手戻りが減ります。

作りたい機構（何を動かすか）：＿＿＿＿＿＿＿＿
可動部（回転・直動・角度範囲）：＿＿＿＿＿＿＿＿
搭載物（部品名と重量）：＿＿＿＿＿＿＿＿
外形上限（長さ × 幅 × 高さ）：＿＿＿＿＿＿＿＿
目標重量：＿＿＿＿＿＿＿＿
使用環境（床・温度・段差）：＿＿＿＿＿＿＿＿
連続稼働時間：＿＿＿＿＿＿＿＿
製作方法（3D プリント / レーザーカット / 手加工）：＿＿＿＿＿＿＿＿
分解メンテ頻度（電池交換・整備）：＿＿＿＿＿＿＿＿
購入先の希望（国内優先など）：＿＿＿＿＿＿＿＿

この 10 行を先に作るだけで、「サイズは決まったが電池が入らない」「工具が届かない」といった初歩的な詰まりを大きく減らせます。

2.2 電気要件とのすり合わせ¶

機械と電気の要件は必ず 相互に影響 します。チェックポイント:

モータの軸径（機械）と モータドライバの対応電流（電気）— 同じモータで両方が決まる
電池の位置（機械、重心に影響）と 電源容量（電気）— どちらも BOM に影響
センサの取り付け位置（機械）と センサの配線長（電気）— ノイズ対策にも関係

設計の両輪は 同じ打ち合わせで決める のが理想です。紙の上で両方の項目を並べて埋めます。

3. 材料選定¶

3.1 材料ごとの向き・不向き¶

材料	向いている用途	避けたい用途
アクリル板 3 mm	底板、軽い仕切り	モータマウント（薄い／片持ち）
アクリル板 5 mm	主構造、モータマウント	細い柱、衝撃部位
アルミフレーム 2020	剛性がほしい構造、再構成が多い	軽量化したい小型機
PLA 3D プリント	複雑形状（マウント類、ブラケット）	高トルク、長期振動
PETG 3D プリント	高トルク部、屋外、熱源近傍	積層が目立つと困る外装
厚紙・段ボール	試作の初期段階、配置確認	本番運用

3.2 材料の組み合わせ¶

ロボット全体を 1 種類の材料で作るのは稀です。典型的なハイブリッド構成:

底板：3〜5 mm アクリル — レーザーカットで安く仕上がる、平面精度が高い
側板：2020 アルミフレーム — 高さ方向の剛性を稼ぐ
モータマウント：PLA 3D プリント — 形状の自由度、交換が容易
センサマウント：薄い 3D プリント or 両面テープ — 軽量、位置調整可

3.3 AI に相談するときのプロンプト例¶

PLA 3D プリントと 5 mm アクリル板のハイブリッドで、
ライントレースカーの筐体を設計したい。

条件：
- 外形 180 × 140 × 60 mm 以内
- Arduino Uno、DRV8835、FA-130 モータ 2 個、単 3 × 4 本の電池ボックス、
  TCRT5000 センサ 2 個 を搭載
- 総重量 200 g 前後
- モータは底板から 20 mm 高の位置（車輪径 φ 40 mm を考慮）

機械的に弱点になりそうな箇所を指摘してください。
モータマウントは PLA で作る想定です。

AI はこういう質問に対して、片持ち構造のリスク、振動による緩みの指摘、重量バランス、配線の通り道 などをカバーしてくれることが多いです。

4. 寸法決定¶

4.1 内寸から詰める¶

搭載する部品の寸法を足し合わせて、内寸（筐体の内側の空間）を出します。このとき、部品を隙間なく詰めると手が入らず組立できなくなる ため、以下のクリアランスを確保します。

部品間の隙間：5〜10 mm（配線、部品公差、手で挟む余裕）
ねじ頭とコンポーネントの距離：5 mm 以上（工具が入るため）
モータと車輪の間：2〜3 mm（回転時の干渉回避）
電池の周り：交換用に片側 10 mm 以上空ける

4.2 外寸を決める¶

内寸 + 材料厚み + 外周のマージン = 外寸。

外寸 = 内寸の長さ + 2 × 板厚 + 2 × マージン（2〜5 mm）

例：内寸 150 × 100 mm の領域に 5 mm アクリル板の枠を付ける場合、外寸 ≈ 150 + 2 × 5 + 2 × 5 = 170 mm 幅、という計算になります。

4.3 重量とバランスの初期見積もり¶

各部品の重量を BOM 段階で書き出しておき、重心位置を事前に検討 します。詳細は第 29 章で扱いますが、この段階で 重量上位 3 項目（モータ、電池、マイコン）の位置 を決めておくと、後の干渉・転倒トラブルが減ります。

5. CAD 出力と検品¶

5.1 3D プリント用（STL）¶

積層方向を想定した形状にする — 設計時に 「この部品は最終的にどの向きでプリンタのベッドに置かれるか」 を決め、部品にかかる最大荷重が層と平行になる向きで出力する。例：モータマウントの穴は「モータが下向きに引っ張られる方向」と「層の積み重ね方向」が 90 度の関係になるようにする（詳細は第 22 章）
オーバーハング（35° 以上の突き出し）を避ける — サポートが必要になると表面が荒れる
外形ではなく内部の「穴」の寸法 が収縮の影響を受けやすい — 大きめに設計
CAD で出す前に STL ビューアーで穴・壁の厚みを目視確認

5.2 レーザーカット用（DXF）¶

切断線は「切る」だけ（色や線幅で業者が区別する — 業者のガイドを読む）
内穴と外形の線が重ならないか確認 — 重なっていると 2 回切られて部品が割れる
ハッチング（網掛け）が切断線として解釈されないか — 最終出力前に線だけにする
原点と向き — 業者のガイドに合わせる

5.3 検品チェックリスト¶

出力前に CAD 上で最終確認:

すべての寸法が図面上に表記されている
ねじ穴・通し穴の公差を記入している（例：φ 3.2、M3 タッピング）
組立時に工具が入るクリアランスを確保
可動部が他の部品と干渉しない（CAD の干渉チェック機能を使う）
重量見積もりが目標内
電気部品の配線経路が物理的に通る

6. 機械系 BOM の作成¶

電気の BOM と同じ要領で、機械の部品表を作ります。

6.1 機械系 BOM の列¶

列	例
カテゴリ	ねじ／ナット／ベアリング／材料／購入品（車輪等）
型番・規格	M3 × 10 キャップスクリュ、608ZZ、PLA フィラメント等
メーカー／販売元	ミスミ、モノタロウ、Amazon、3D 印刷業者等
入手先 URL	商品ページ
単価	1 個あたり
必要数	プロジェクトでの使用数
予備数	ねじ・ナットは多めに
小計	単価 ×（必要数＋予備数）
用途メモ	どこで使うか

6.2 ねじ類の予備数¶

ねじとナットは、必要数 + 10〜20% を発注します。

小さいねじは 作業中に落とす ことが多い
1 個から 10 個でも 100 個でも単価がほぼ同じ 製品があるので、セット売りを活用する
電気系 BOM と機械系 BOM は別のページに分けて管理 すると発注時に混ざらない

7. 典型的な失敗パターン¶

過剰スペック（設計段階で大型化）

「念のため厚めに／大きめに」を重ねると、重量オーバー・予算オーバー・加工時間増。 要件通りの最小構成で一度設計し、問題が出たら増やす のが実用的。

CAD 上で完結して現物を試さない

CAD モデルは 重力も摩擦も振動も 表現しない。現物で初めてわかる問題（ケーブルの取り回し、手の入るスペース、重心）がある。 3D プリントの 実寸モックアップ を 1 回作ると、発見できる問題が格段に多い。

電気要件とのすり合わせ忘れ

モータを選んでから「軸径が合う車輪がない」、電池ボックスを買ってから「筐体に入らない」のような手戻りが発生。電気と機械の BOM は 同じ打ち合わせで確定 させる。

3D プリントの積層方向を考えていない

層を無視した設計は、特定の荷重で パリッと割れる（積層が剥がれる）。第 22 章の製作フェーズで再度扱いますが、設計時点で「どの向きに積層するつもりか」を決めておく。

8. 次章への橋渡し¶

設計が固まったら、いよいよ 物を作る フェーズです。

次の第 22 章「製作フェーズ」では、レーザーカット・3D プリント・穴あけ・やすりがけといった 実際に部品を作る作業 の勘所を扱います。電気側の「組立フェーズ」（第 6 章）に対応する章です。

自宅の道具で作るか外注するかの判断、3D プリントのスライス設定、安全な手加工の姿勢など、図面から実物 に変換するときの実践ノウハウを集めます。

第 21 章 機械の設計フェーズ¶