Arduinoでスマートロックを自作する(設計編)

製作物

スマートロックが商品として出回るようになってからもうずいぶんと経ちますが、そのなかであまりバリエーションの多くないものがあります。

それはドアノブ一体型の鍵に対応したスマートロックです。

引用元:https://www.rentio.jp/matome/2020/07/smartlock-compare/

格安で数千円程度で買えるスマートロックは上記画像の内左三つの種類に分類されるものが多いのですが、一番右のものにも対応したスマートロックの値段を見て驚きました。。

なんと1万円を切る商品がほとんどないんですねぇ、、、

ちなみにこのタイプのドアノブ自体は5000円以下で買えるので、オートロックにドアノブ以上の金を払ってることになりますね。

いやぁ、、何とも、(もったいない)。

こういったドアノブタイプのものは古いドアなどに多く、身近にもあるのですが、
ドアノブより高いロックって、、、買いたくねぇ

そんな風に思ったわけなのですが、オートロックは試してみたい。

そう思ったので作ろうというわけです。

コンセプトを考える

一応わざわざ作ってみるので改善点を設けて設計していきたいとおもいます。

まずこれらのスマートロック見て思ったんですが、

画像引用元:https://www.rbbtoday.com/article/2018/07/23/162230.html

は?ドアノブ握れないの?

まずはこれですねぇ、、、。

ドアノブ握れないドアノブとかドアノブじゃねぇだろ。

と思ったわけですね。

しかもこれで2万とか3万かよ。。。。ありえないデスネ

ということで、

①「ドアノブを握れる」

という条件をまず一つ設けることにしました。

また価格面でもドアノブより高い鍵とか🙇なので、

②「一般的なドアノブよりも低価格」

という条件を設けました。

また商品化されているものがこれに対応しているのかはわかりませんが、

③「鍵を使っても開けられる」

ということも条件としました。これは別に何でもないんですが、ロック側が電池切れただのなんだので締め出されるようなことはごめんなので、カギを使っても開けられるようにしたいということです。

設計図を大まかに書く

簡単に完成予想をスケッチしてみます。

最初はイメージ図なのでこんな感じでいいでしょう。

あまり仰々しすぎると実用に支障が出るので、今回は平行リンク機構を使ってシンプルにまとめることにしました。

ドアノブは人間が握るところなので、カギを開け閉めしないときはまわりになにかものがあってはいけません。なのでカギを開け閉めするときだけ、操作部が鍵の上に来るように動くよう設計したいと思います。

動力はサーボモータで、リンク機構を稼働する用のパーツと鍵を回す用のパーツで二つ必要になります。電池ボックス等その他の部品はぼんやりどんな感じでつけようか考えるために書いておきました。

「指はさんだらあぶないのでは?」という意見もありますが、模型用の低トルクサーボなので、子供の指でも指が切れたり押しつぶされたりすることはないですし、売り物にするわけでもないので今回はこれでも良しとします。

まぁ、ぶっちゃけ売り物としての安全性を考えた結果今のような可動域の少ないスマートロックになってしまったんだとは思いますが。。。

必要な部品

必要な部品は多くはないですが、手持ちの部品も合わせてリストアップしておきます。

  • サーボモータ(DS3218) リンク機構駆動用
  • サーボモータ(SG90) 鍵回転用
  • PLA樹脂 筐体作成用3Dプリンタ材料
  • M3ネジ数十本
  • 電池ボックス6本用(マイコンはArduinoなので7V以上必要)
  • マイコン(ArduinoNano)
  • 配線用コード数メートル
  • 基盤

こんなところでしょうか?

マイコン等も互換品を使うので、総計3000円弱といったところでしょう。

コンセプトの②は十分に満たしてます。

筐体の設計

材料と大まかすぎる設計図はできたので、今度は筐体作成のためにFusion360を使ってモデリングを行っていきます。

まずは設計の目安を付けるためのベースとなるドア平面とドアノブを簡単にモデリングしていきます。

こういったすでにあるものをもう一度モデリングする際は、やはりノギスがあると便利ですね。

高いですが一本持っておくととても便利なので、シンワ測定かミツトヨ製のものを強くお勧めします

安いデジタルノギスは5000円以下で買えますが、設計に使おうとなると
マジでクソです。

あたり商品を引けばそんなこともないのかもしれませんが、当たる前に、メーカー品のノギスを買える値段に到達すると思われます。

僕は24000円のミツトヨ製デジタルノギスをバイト代はたいて購入しましたが、一切後悔ないです。

道具はいいものに限ります。

ドアノブが設計できたので、これに周囲のパーツを都合を考えながら構成していきます。

サーボモータ押さえやスイッチ固定台、カギ回転台などをノギスで測りながら作っていきます。

ArduinoNanoのモデルがあったのできれいに挿入しようかと思ったのですが、実際作ってみると、、、というように設計変更が頻発しそうな予感がしたので途中で放置しました。

ぶっ刺さってますが特に意味はないです。

一番下のベースとなる部分のプレートはなんだか集合体恐怖症の方が悲鳴を上げそうなデザインとなっておりますが、一応考えてのことです。

仮に「タミヤ_ユニバーサルプレート法」と呼ぶことにしますが、こうしておくことで後から配置を変更する際や、センサ等を追加する際に変更がとてもかんたんになります。

ちなみにユニバーサルプレートとは以下のような商品です。
かなり使い勝手はいいのですがたくさん使用するとそれなりにコストが食うので最近は使っていまん。

が、小型のタンクなどを作る際などには重宝します。

用途によって使い分けるのが良いかと。

その他リンク用のパーツ等も同じモデル上に作成していきます。

Fusion360は無償版使用の場合、最近のアップデートで編集可能なモデルの量が10個までに制限されたので、使用するときはモデルごとにファイルを分けて、、、とやりすぎると完成させられないことがあるので注意です。

とは言っても10個までは編集できるのでだいぶ余裕はありますが。。。(今後変わるかも)

3D空間上でテストする

実際作ってみたらだめだったぁ~。

では部品代も時間ももったいないので、Fusion360の機能を使用して3D空間上でテストしてみようと思います。

先ほど作成したモデルデータをコピーして、コピーしたファイルからコンポーネントを作成します。

コピーしなくてもよいですが、何かしら問題が起きたときに修正しやいのでお勧めしておきます。

アセンブリとジョイントを駆使して組み上げていきます。

一部仕様変更があったので形が若干違いますが同じものです。

可動部に接触がないかどうかを実際に動かして確認しながら元データの長さ等を整えていきます。

詳しくは「Fusion360 アセンブリ」で検索すると出てくると思います。

結構簡単にテストできるのでお勧めです。やる際は接触を有効にしてください。

まとめ_設計編

今回はドアノブに鍵があるタイプのものに対応したスマートロックを作る、ということで、簡単に設計してみました。

今回は設計と3Dモデルの作成及びジョイントによる簡単な動作確認を行いました。

次回は3Dプリンターを使って実際に製作に入ります。

ではでは。

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