LEGO

当教室では、教育版LEGOの最新ロボット、SPIKEシリーズを採用しています。

• LEGO は、デンマーク語で「leg godt（よく遊べ）」という言葉を略したものです。

「LEGOは子供のおもちゃ」と思ってはいけません。LEGOのロボットには、産業革命以来、人類が積み上げてきた「メカニズムの歴史」が詰まっています。

歯車（ギア）、リンク機構、空気圧、そしてサスペンション。本物の自動車や産業用ロボットと同じ物理法則が、机の上で精確に再現されます。驚くほどの拡張性と奥深さが秘められています。

積み木ではなく「構造」を作る

一般的なLEGOは、ブロックを積み上げて形を作ります^※が、ロボット制御で使うLEGO Technic（テクニック）は、穴の開いたビーム（リフトアーム）とピン（ペグ）を組み合わせて「構造」を作ります。どう組めば歪まないか、どこを補強すれば軽くできるか。実際の建築や機械設計にも通じる、トラス構造やフレーム構造といった「構造力学」を、手を動かしながら直感的に体得できます。

• 一般的なブロックは、LEGO System（システム）と呼ばれます。

工業製品レベルの「パーツ精度」

LEGOのパーツは、マイクロメートル単位の極めて高い精度で作られています。安価な教材キットで起こりがちな「部品のガタつき」や「摩擦の違い」などのハードウェアトラブルが少ないです。ギアのかみ合わせも計算通りに動くため、純粋な「機構設計」や「プログラミング」の試行錯誤に集中することができます。

圧倒的な「開発スピード」

ネジも接着剤も使いません。アイデアを思いついたら数秒で形にでき、失敗したら一瞬で分解できます。実際の開発現場でも重視される「ラピッド・プロトタイピング（迅速な試作）」が、LEGOなら瞬時に可能です。この「試作スピード」の速さが、圧倒的な試行錯誤の回数を生み出し、深い理解へと繋がります。

機械工学を学ぶ「メカニズム」

ただモーターを回すだけではありません。回転運動を直線運動に変えたり、力を空気で伝えたり。機械工学の教科書に出てくる「機構」が詰まっています。

• 基本ギア・動力伝達
  8枚歯から40枚歯まで、多様なギアを組み合わせて「ギア比」を計算します。「スピードを上げるか、パワー（トルク）を上げるか」。エンジニアリングの基本にして最大の課題である「トレードオフ」の関係を、実践をもって学びます。下表では、ギアの半径をレゴの単位であるスタッドで示しています。1スタッドは8mm。レゴのギアは「半径 = 歯数 ÷ 16」で設計されています。
  

  表はスクロールできます

  歯数	8	12	16	20	24	28	36	40
  半径	0.5	0.75	1	1.25	1.5	1.75	2.25	2.5
  外観

• リンク機構・クランク
  モーターの回転を「歩く」「掴む」といった複雑な動きに変換します。生物のような滑らかな曲線の動きを創り出します。
  
  
• ベルトドライブ・プーリー
  離れた場所に動力を伝えたり、あえて「滑る」ことで過度な負荷からモーターを守るクラッチの役割を学んだりします。
  
  
• リニアアクチュエータ・空気圧シリンダー
  ショベルカー、ブルドーザー、ホイールローダーといった重機のように、重いアームを持ち上げる強力な「直線運動」を生み出します。
  リニアアクチュエータでは、モーターで内部のねじを回すことで、直線運動を行います。一方、空気圧シリンダーでは、クランクで回したポンプからの空気圧を動力に、直線運動を行います。
  
  
• ラック＆ピニオン
  回転するギア（ピニオン）と棒状のギア（ラック）を組み合わせ、回転運動を直線運動に変換します。フォークリフトの昇降や、プリンターのようにペンを左右に動かして図形を描く精密な制御を学びます。
  

移動ロボットの形

ロボットでは足回りの設計は戦略の要です。当教室では、「ドライブベース（対向2輪）」と「ステアリング」という2つの基本形を中心に、ミッションや環境に合わせて最適な機構を構築します。

• ドライブベース（対向2輪）
  標準的な移動ロボットです。ロボット掃除機もこのタイプです。左右のモーターを独立制御し、その場で回る「超信地旋回」が可能です。足回りのパーツを変えることで、様々な環境に対応します。
  1. タイヤ型
     小回りが利き、スピードが出せる標準タイプ。
     
  2. クローラー型（タンク）
     接地面積が広い無限軌道タイプ。制御理論はタイヤ型と同じですが、段差や凸凹道などの悪路走破性に優れています。
     
     
• ステアリングカー（アッカーマン・ジャントー）
  実際の自動車と同じように、前輪の角度を変えて曲がります。ドライブベースのようにその場での旋回ができないため、内輪差を計算したり、切り返し（車庫入れ）を行ったりと、幾何学的な経路計画が必要になります。
• 全方位移動（オムニホイール）
  特殊なローラーが付いたタイヤを使用します。車体の向きを変えずに「真横」や「斜め」に並進移動が可能なため、移動時間を短縮できます。上記の2系統とは異なり、ベクトル制御を用いた高度な数学的アプローチに挑戦します。

これらのロボットではタイヤ・クローラーの選定が重要になります。ドライブホイール（スプロケット）直径によるスピード・パワー変化だけでなく、幅や断面形状（点・線・面接触）による摩擦の違いも学びます。旋回性能を重視するか、グリップ力を重視するか、エンジニアリング視点で最適なタイヤを選定します。当教室は通常のキットに入っていない、様々な種類のタイヤ・ベルトを用意していますので、様々な条件に合わせた選定が可能です。

本物のクルマに通じる仕組み

クルマの基本構造を再現することで、機械が動く仕組みを深く理解します。

• ステアリングシステム
  リンク機構を使い、ステアリングを変える仕組み（アッカーマン・ジャントー）を再現。「なぜクルマはスムーズに曲がれるのか？」を理解します。
  
  
• トランスミッション（変速機）
  クラッチギアやドライビングリングを使い、走行中にギアを切り替えます。「坂道を登るパワー」と「直線のスピード」を状況に合わせて変える、変速機構の仕組みを学びます。下図では、ロータリーキャッチ（オレンジ）を回転させて、ドライビングリング（グレー）を左右どちらかのクラッチギア（青・赤）につなげて、変速しています。
  
  
• デファレンシャル・ギア（差動装置）
  カーブを曲がる際、内側と外側のタイヤの回転差を吸収する「デフ」の仕組みを再現。ステアリングと合わせてクルマの旋回原理を学びます。
  
  
• サスペンションシステム
  バネを使って路面の衝撃を吸収したり、車体の傾きを制御したりします。質量の移動や振動といった物理現象を体験します。
  

ハブとモーターとセンサー

LEGOのSPIKEシリーズでは、目的に合わせて２つのハブ（コンピューター）、３つのモーター、３つのセンサーを使い分けます。ハブには「加速度（G）」と「角速度」を測るジャイロセンサー、モーターには「回転角」を測る角度センサーが内蔵されています。

SPIKEシリーズの簡単なSPEC一覧を、下表に示します。

• ハブのポート数は、モーターとセンサーを接続できる数を表しています。
• ハブには、Bluetooth による通信機能が搭載されており、PCだけでなくコントローラーとの接続やハブ同士の通信が可能です。ただし、Pybriks を使用している場合に限ります。
• ハブはマイクロUSB により、PCとの接続や充電を行います。
• ハブはどちらも32MB メモリを搭載しているため、ハブにプログラムをダウンロードすれば、ロボット単体で動かすことができます。ただし、スモールハブは Pybriks を使用している場合に限ります。
• モーターの性能は、無負荷時の速度と停動トルクで記載しています。
• センサーに記載されているライトマトリクスは、センサーでなくディスプレイです。ディスプレイの無いスモールハブのために追加されたブロックです。

表はスクロールできます

この他にも、盛りだくさん！

ここで挙げた以外にも、様々なメカニズムやブロックがあり、当教室のカリキュラムである「ブラックボックス」の学習（物理 × 論理）に直結しています。なぜその機構が必要なのか？物理法則と照らし合わせながら、その意味を解き明かしていきます。

ブラックボックスを詳しく

研究室でも活躍するLEGO

実は、最先端の研究開発現場でもLEGOは活躍しています。

• Googleのサーバーは、LEGO製だった
  Googleの創業時、最初のサーバーラックがLEGOブロックで作られていました。「必要な形をすぐに作れて、放熱性も高く、拡張しやすい」。このエンジニアリングの基本である「ラピッド・プロトタイピング（迅速な試作）」に、LEGOは最適だったのです。
• 科学実験を変える「Technic」の精度
  さらに高度な実験現場では、「LEGO Technic」が使われています。例えば、原子を見るための「原子間力顕微鏡」や、血液検査に使う「遠心分離機」。これらは通常、数百万〜数千万円する高価な機器ですが、Technicの「精密なギア機構」と「高い剛性」を利用して、同等の機能を持つ実験装置を自作する研究が、世界中の大学で行われています。
• 驚きの「金型精度」
  なぜそんな精密なことができるのか。それはLEGOを作る「金型」の精度が0.005mm（5ミクロン）という驚異的な精確さで作られていると言われています。この品質管理があるからこそ、部品のガタつきがなく、計算通りのロボットを作ることができるのです。

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