第 26 章 筐体¶
Part VII「機械系トピック」の最初の章。ロボットの 骨格 となる筐体（シャシー、フレーム）の選び方と、モータや電池の荷重を受ける 構造の作り方を扱います。
筐体は「ただの箱」に見えて、実は設計で最も失敗の多いパートです。「厚みが足りずたわむ」「薄板にモータを直付けして割れる」「重心が高すぎて転倒する」といった事故は、すべて筐体設計の段階で発生します。
この章で壊しやすいもの
- アクリル板（モータ荷重や振動で割れる、ねじ穴周りが欠ける）
- 3D プリント筐体（薄い壁で撓む、積層方向が荷重と直交して剥離）
- アルミフレームの結合部（T スロットナットの入れ忘れで後から組み直し不能）
最短で壊れにくくする初期構成
- 底板は 5 mm アクリル、または 3 mm 以上の PETG を基準にする
- 重い部品（電池・モータ）を下段中央に寄せ、重心を下げる
- モータ荷重を片持ちにせず、2 点以上で支持する
- USB と工具アクセスを設計の最初に確保する
この章のゴール¶
- アクリル / アルミフレーム / 3D プリント の 使い分け ができる
- 片持ち支持の NG パターン を見抜ける
- ハイブリッド構成（複数素材の組み合わせ）を設計できる
- モータ荷重に耐える 厚みと支持方式 を選べる
1. 動機：筐体はロボットの「背骨」¶
電気部品は高価で目立ちますが、筐体が歪むとすべての電気部品が使えなくなる のが機械の冷たい現実です。
- モータマウントが曲がる → 車輪が斜めに回る → 直進できない
- 底板がたわむ → センサの向きがずれる → 検出エリアが狂う
- 筐体が共振する → マイコンの I/O がノイズを拾う（振動で基板にも影響）
筐体選びは 最初の数分の判断で、プロジェクト全体の成否が決まる 場面です。
2. 素朴な（NG）設計：アクリル 3 mm 片持ちでモータを付ける¶
多くの初心者が最初に採る設計。アクリル板 3 mm を底板にして、その端にモータマウントを接着＋ねじ止め。短時間の動作確認では問題ないように見えます。
NG 例¶
- 底板：アクリル 3 mm、外寸 180 × 140 mm
- モータマウント：底板の端から 片持ちで 5 mm 飛び出す PLA 部品
- モータ：FA-130（約 30 g）、先端に車輪（約 20 g）
この構成の何が問題か:
片持ち構造の撓みは 長さの 3 乗 / 厚みの 3 乗 に比例します。たわみ量は同じ荷重・同じ板でも、両端支持と比べて 20 倍前後 になります。
3. なぜダメか：数字で見る片持ちの弱さ¶
3.1 撓み量の直感¶
アクリル 3 mm 板（E = 約 3 GPa）に、片持ちで 100 mm 先端に 50 g の荷重をかけた場合の 撓み量 は、目に見えるレベル（1〜3 mm）になります。
これは 静止時の撓み なので、実際にモータが回転を始めると 振動 が加わり、撓みが増幅されます。結果として:
- モータ軸が常に下向きに傾く
- 車輪の床への接地が片寄る
- センサ基板の向きが演算時とズレる
3.2 割れに至るメカニズム¶
撓みそのものが部品を割るわけではありませんが、繰り返し撓み が疲労破壊を誘発します。
- 静止時：3 mm 板は 50 g なら耐える
- 振動時：モータの 100 rpm 回転 = 毎秒 1.7 回の繰り返し荷重
- 1 時間稼働 = 約 6,000 回の繰り返し
- 数時間〜数日で、ねじ穴の周りからクラックが発生
3.3 データシート相当の根拠¶
機械材料にも「データシート」相当のものがあります。アクリル板なら:
- 降伏強度：約 70 MPa — この値までなら 力を抜けば元の形状に戻る（弾性変形）
- 破壊強度：約 75 MPa — これを超えると 割れる（破断）
- 2 つの間は「塑性変形」と呼ばれる領域で、変形が戻らなくなる。設計は常に 降伏強度の半分以下 で使うのが安全
- ヤング率（剛性）：約 3 GPa（力に対する撓みやすさ）
- 衝撃強度：低い（ガラスよりは強いが、アルミより弱い）
これらの値が 板の形状 × 荷重 と組み合わさって、撓みや破壊の判定になります。詳細な計算は省きますが、「アクリル 3 mm の片持ち 10 cm で 50 g」は、撓みが目に見えるレベル というのが結論です。
4. 正しい設計：両端支持 or アルミフレームで剛性を稼ぐ¶
4.1 設計原則 4 つ¶
- モータ荷重は片持ちにしない — 必ず 2 点以上で支持する
- アクリル板で強度が足りない部位は厚みを変える（3 mm → 5 mm で剛性 約 4.6 倍）
- アルミフレーム or 3D プリント部品との組み合わせ を検討する
- 荷重方向と部材の向きを合わせる — 3D プリントなら積層方向も考慮（第 22 章）
4.2 具体的な正解パターン¶
(a) アクリル底板 + PLA モータブラケット（両持ち）
- 底板：アクリル 5 mm
- モータブラケット：PLA、モータの両側から L 字で挟む 形状
- モータ軸の反対側にベアリングを追加してさらに支持
(b) アルミフレーム 2020 + アクリル天板
- 主構造：2020 アルミフレーム（約 15 × 15 cm のコ字型 or ロ字型）
- モータマウント：アルミフレームに直接ねじ止め（T スロットナット経由）
- 天板：アクリル 3 mm（構造材としてではなく、カバーとして）
© 全 3D プリント（PETG）
- 底板＋側板＋マウントを一体でプリント
- 壁厚 3 mm 以上、積層は荷重と平行
- PETG は振動・疲労に対して PLA より 2 倍以上強い
4.3 素材選びの判断フロー¶
完成サイズは？
├─ 手のひらサイズ（最長辺 〜15 cm、総重量 〜300 g 程度）→ 3D プリント一体 or アクリル 5 mm 主体
├─ テーブルサイズ（15〜30 cm）→ アクリル + 3D プリント ハイブリッド
└─ それより大きい → アルミフレーム 2020 + アクリル天板
5. 動作確認チェックリスト¶
5.1 製作直後（静止時）¶
- 完成体を平らな床に置いて、ガタつかない（四点が同時に接地する）
- 各部品を指で押して、目に見える撓み（1 mm 以上の明らかな変位）が出ない
- 部品の端を指で軽く揺すって、ねじの緩みがない
- 接合部（ねじ、接着、3D プリントの層間）に ひび・割れがない
5.2 稼働中¶
- モータ駆動中、筐体を手で触って 異常振動を感じない
- モータ最大出力で 1 分以上動かしても、撓みが視認できるレベルにならない
- ねじ緩みの兆候（カラカラ音、ガタつき）が出ない
5.3 長時間使用後（1 週間、1 ヶ月）¶
- ねじ穴周辺に クラック が出ていない
- 板の重量がかかる箇所に 永久変形（戻らない撓み）が出ていない
6. 工具と手のアクセスを確保する（設計段階で忘れがち）¶
筐体の強度を確保したあとに、初心者がほぼ必ずはまる落とし穴 が「ねじ穴は付けた、でも工具がそこに届かない」という問題です。CAD モデルの中では寸法的に問題なく見えても、実物になると プラスドライバの柄 や 六角レンチのアーム が壁に当たって回せない、という状況が発生します。
6.1 なぜ危険か（遠回しに安全問題）¶
「工具が入らない」だけなら組み立てられないという失敗で済みますが、初心者ほど「無理やりやる」ほうを選びがち です:
- ドライバを斜めに差し込んで無理に回す → ねじ頭をなめる（二度と回せなくなる）
- 斜めのドライバが滑る → 刃先が手のひらや指に刺さる（切創、深いと縫合が必要）
- L 字型の六角レンチを曲げてアクセスしようとする → レンチが折れて破片が飛ぶ（目に入ると失明の恐れ）
- 片手で部品を押さえながら無理な姿勢で作業 → 部品ごと落として足の上に（打撲、骨折の可能性）
遠回しですが、設計段階での工具アクセス確保は、製作時の怪我予防になります。
6.2 確保すべき空間の目安¶
| 工具 | 必要な作業空間 |
|---|---|
| プラスドライバ（柄 φ 25 mm × 長さ 150 mm） | ねじの真上に 直径 30 mm、高さ 100 mm 以上 の円筒空間 |
| 六角レンチ（L 字、2020 アルミ用 M5 = 4 mm） | ねじの 90° 回転する扇形 空間（半径 60 mm） |
| 指（部品を押さえる） | 部品の周辺に 一辺 15 mm 以上 の隙間 |
| ピンセット（小部品の位置合わせ） | 狭い場所でも可、ただし 先端が届く直線経路 が必要 |
6.3 「入らない」を事前に見つける方法¶
- CAD で実寸のドライバモデルを置いてみる（Fusion 360 にはライブラリあり、または自分で簡易的な直径 25 mm の円柱を置く）
- 3D プリントの実寸モックアップ で指／ドライバの実物を当ててみる
- 組立順を逆再生する：完成体から「分解するには何を外す？」を辿ると、組立に必要な工具経路が自動的に分かる
6.4 筐体設計時の具体ルール¶
- 側板を取り外せる構造にする（スライド式、ねじ留めでも可）— 中のねじに横からアクセスできる
- 電池ボックスは外側から交換できる位置に（裏返さないと交換できない設計は NG）
- USB 書き込みポートが塞がれない位置に Arduino を配置
- ねじの真上に別の部品や配線が来ない
「組み立てに成功したが、分解できない」も NG
接着剤で固めた筐体、ねじを内側からしか締められない構造 — これらは 1 回目は動いても、部品交換できないので長期運用できません。「組めた」だけで満足せず、「また分解して直せる」かも検証してください。
7. よくあるトラブル FAQ¶
モータ駆動すると筐体が小刻みに振動する
共振です。モータの回転数と筐体の固有振動数が近いと起きます。 - 対策 1：筐体の剛性を上げる（厚みを増す、リブを追加する） - 対策 2：モータマウントに防振ゴム（第 28 章）を入れる - 対策 3：回転数を変える（ギア比の変更、PWM の設定変更）
アクリル板のねじ穴周辺がひび割れてきた
繰り返し応力で、ねじ穴から亀裂が伸びるパターン。 - 対策 1：ねじを外して 平ワッシャを挟み 、応力を分散させる - 対策 2：アクリル板を 5 mm に厚くする か、ねじ穴周辺に補強板を貼る - 対策 3：アクリル → PETG 3D プリント に変更（アクリルは疲労に弱い）
3D プリント筐体の壁が撓む
壁厚不足か、充填率不足。 - 対策 1：壁厚を 3 mm 以上 に（層数 3 → 5 に増やすのも可） - 対策 2：充填率を 40% 以上 に - 対策 3：内部に補強リブを追加（設計変更）
アルミフレームに重い電池ボックスを付けたら筐体がたわむ
フレーム単体でも無限に強いわけではありません。 - 対策 1：フレームを太くする（2020 → 3030） - 対策 2：補強ブレース（斜め材）を追加 - 対策 3：電池を底板近くの位置に移動（重心を下げる効果もある。第 29 章）
8. 次章への橋渡し¶
筐体が決まったら、次は 駆動部 — モータから車輪への動力伝達をどう作るかです。
次の 第 27 章「駆動部」 では、車輪・ギアボックス・シャフト結合（D カット軸 + イモねじ、キー溝、カップリング）を扱います。「モータは回っているのに車輪が回らない」という頻出トラブルの原因は、ほぼ駆動部の結合不良です。