協働ロボットの関節におけるDDモーターとハーモニック減速機の比較：どちらが優れているか？

導入

協働ロボットは、人間とロボットが同じ作業空間を共有する環境で動作するように設計されている。そのため、従来の産業用ロボットとは異なるロボット関節設計上の要件が生じる。

協働ロボットの関節部は、十分なトルクと位置決め精度を提供すると同時に、コンパクトな寸法、軽量性、滑らかな動作、応答性の高い制御、適切な力学的相互作用を維持する必要がある。

そのため、ロボットの関節伝達方式の選択は特に重要となる。

協働ロボットの関節に採用できる技術として、 DDモーター（ダイレクトドライブモーター）とハーモニック減速機が挙げられます。DDモーターは機械的な減速段を介さずに関節を直接駆動する一方、ハーモニック減速機は高速サーボモーターと高精度な減速比を持つトランスミッションを組み合わせたものです。

どちらの技術も普遍的に優れているとは言えません。より現実的な問題は、特定の協働ロボットにとって、トルク密度、逆駆動性、動的応答性、関節サイズ、剛性、熱性能、および制御要件の適切なバランスをどちらのソリューションが提供できるかということです。

この記事では、協働ロボットの関節に使用されるDDモーターとハーモニック減速機を比較し、それぞれの技術がどのような場合に優れた選択肢となるかを説明します。

協働ロボットの関節には何が必要か？

DDモーターとハーモニック減速機を比較する前に、協働ロボットの関節に求められる要件を理解することが重要です。

単純な回転機構とは異なり、ロボット関節は、可動リンクとペイロードを運搬しながら、繰り返し加速、減速、方向転換を行い、正確な位置を維持しなければならない。

したがって、この接合部は複数の要件を同時に処理する必要がある。

トルク密度は重要である。なぜなら、アクチュエータはロボットアームを過度に重くすることなく、十分なトルクを発生させる必要があるからである。

バックラッシュが少ないことは、位置決め精度と予測可能な動作を維持する上で重要です。

ロボットが外部からの力に自然に反応する必要がある場合、バックドライバビリティが重要になる。

動的応答は、ロボットが加速、減速、および動作の変化に反応する速度に影響します。

剛性は、負荷がかかった状態でロボットが指示された位置を維持する能力に影響を与える。

協働ロボットはコンパクトな関節ハウジング内で長時間稼働することが多いため、熱性能も重要となる。

これらの要件は、ロボットのアーキテクチャに応じて、異なる伝送方式の選択につながる可能性がある。

協働ロボットの関節におけるハーモニックリデューサーの仕組みとは？

ハーモニック減速機は通常、サーボモーターと組み合わせて、高性能なロボット関節駆動装置を構成する。

モーターは比較的高速で動作する一方、ハーモニックトランスミッションは高い減速比を提供し、モーター出力をロボット関節に必要な低速・高トルクの動きに変換する。

コンパクトな伝達構造により、比較的小型のモーターで関節部においてはるかに高い出力トルクを発生させることが可能となる。

これが、高調波減速機がロボット関節に広く採用されている主な理由の一つです。

ハーモニック減速機は、非常に低いバックラッシュを実現できるため、精密な位置決めや協調的な多軸動作を必要とする用途において非常に有用です。

協働ロボットにとって、高い減速比、コンパクトなサイズ、低いバックラッシュ、そして高いトルク密度というこの組み合わせは、肩、肘、その他の荷重を受ける関節に特に有効である。

しかし、ハーモニック減速機もやはり機械式伝動装置である。

その動的挙動、効率、ねじり特性、および逆駆動性は、減速機の設計、減速比、負荷、および運転条件によって異なります。

したがって、エンジニアは、すべてのハーモニックレデューサーが同じ性能を発揮すると想定するのではなく、ジョイント全体を評価すべきである。

協働ロボットの関節におけるDDモーターの仕組みとは？

DDモーターは異なるアプローチを採用している。

モーターとロボット関節の間に減速機構を設ける代わりに、モーターが直接出力部を駆動する。

従来の機械式減速段がないため、このシステムは伝達部品の数を減らすことができる。

これはいくつかの利点をもたらす可能性がある。

機械的な減速段がないため、トランスミッションに伴うギアのバックラッシュがなくなり、モーターのトルクと関節の動きとの間に直接的な関係を持たせることができる。

DDモーターは、優れた動的応答性も提供できる。

関節が急速な加速、減速、または頻繁な方向転換を必要とする場合、モーターと負荷の間に機械的な伝達要素が少ないため、ダイレクトドライブは魅力的な選択肢となり得る。

もう一つの重要な特性は、バックドライブ機能です。

ダイレクトドライブジョイントは、一般的にギア比の高いジョイントよりも逆駆動が容易であるため、力の相互作用と柔軟な動きが重要な用途において、ダイレクトドライブモーターは魅力的な選択肢となる。

制限要因はトルクです。

モーターのトルクを増幅する減速機構がないため、DDモーター自体が必要な関節トルクを発生させる必要がある。

高トルクを必要とする協働ロボットの関節には、より大きな有効径と高い熱容量を備えた、より大型のモーターが必要となる場合がある。

協働ロボットの関節トルクにおけるハーモニック減速機とDDモーターの比較

トルク密度は、この2つのアプローチにおける最も重要な違いの1つである。

高調波減速機を使用すると、モーターは最終関節トルクを直接発生させる必要がなくなります。減速機構は回転速度を低下させながら出力トルクを増加させます。

これにより、コンパクトで高トルクのジョイントを容易に作成できる。

DDモーターは、必要な出力トルクを直接発生させる必要がある。

低トルクのジョイントの場合、これは大きな制約にはならないかもしれません。

しかし、必要な関節トルクが増加すると、モーターのサイズ、電流、および熱要件が大幅に増加する可能性があります。

このため、調和伝達は、限られた機械的制約内で高いトルクを必要とする協働ロボットの関節にとって魅力的な選択肢となり得る。

DDモーターは、必要なトルクが中程度で、設計においてダイレクトドライブ、高い動的応答性、およびバックドライバビリティがより重視される場合に、より魅力的な選択肢となる。

逆駆動性能が優れているのは、DDモーターかハーモニック減速機か？

バックドライバビリティは、協働ロボットにおいて特に重要である。

ロボットは、外部からの力を検知し、接触に反応し、人々の周囲で安全に動作する必要があるかもしれない。

ギア比の高いトランスミッションは、負荷がトランスミッションを介してモーターを駆動する必要があるため、外部の動きに抵抗することができます。

DDモーターには、このような減速機構は備わっていません。

負荷はモーターに直接接続されているため、関節は外部からの力に自然に反応することができる。

これは、力覚感知型ロボット用途においてDDモーターを採用する最も有力な根拠の一つである。

しかし、これは調和型ロボット関節が力制御をサポートできないという意味ではない。

ハーモニックジョイントは、高分解能エンコーダフィードバック、モータ電流情報、または内蔵トルクセンサを使用して、力とトルクの制御をサポートできます。

したがって、実際の性能は、ジョイント全体のアーキテクチャに依存する。

高感度な力学的相互作用を必要とする用途においては、エンジニアは伝達方式だけでなく、エンコーダ構成、トルクセンシング、制御アルゴリズム、機械的摩擦についても評価する必要がある。

協働ロボットの関節部として、どちらがよりコンパクトか？

高調波減速機が優位性を発揮できるもう一つの分野は、コンパクトさである。

高調波減速機は、比較的小型のパッケージで高い減速比を実現できる。

これにより、モーターとトランスミッションをコンパクトな一体型ハウジングに組み込むことが可能になります。

6軸協働ロボットの場合、これは重要となる。なぜなら、すべての関節がロボット全体のサイズと重量に影響を与えるからである。

上流側の関節の質量を減らすことで、ロボットアームの下流側の関節に必要なトルクも低減できる。

DDモーターを使用すれば減速機を不要にできますが、だからといってジョイント全体のサイズが必ずしも小さくなるわけではありません。

モーターは必要なトルクを直接発生させる必要があるため、高トルクのDDモーターは比較的大きな直径を必要とする場合がある。

したがって、減速機を取り外しても、必ずしもロボットの関節が小さくなるわけではない。

適切な比較は、モーター、ベアリング、ハウジング、エンコーダー、冷却構造を含むアクチュエーター全体の構成に基づいて行うべきである。

ロボット関節精度におけるハーモニック減速機とDDモーターの比較

どちらの技術も高精度なロボット関節をサポートできるが、その実現方法は異なる。

高調波減速機は、極めて低いバックラッシュと高い減速比を実現できるため、魅力的な選択肢である。

そのため、正確な角度位置決めが重要な用途に適しています。

DDモーターは、機械的な減速バックラッシュを完全に排除します。

しかし、ギアボックスのバックラッシュがないからといって、システムの精度が向上するとは限らない。

最終的なロボット関節の精度は、以下の要因にも影響されます。

• エンコーダー解像度

• ベアリング精度

• モーター制御

• 構造変形

• 熱膨張

• 機械的剛性

協働ロボットの場合、これらの要素を総合的に評価する必要がある。

エンコーダーのフィードバック性能は優れているものの、構造的な剛性が不十分なDDモーターは、適切に設計されたハーモニックジョイントよりも優れた性能を発揮しない可能性がある。

同様に、バックラッシュの少ない高調波減速機では、エンコーダのフィードバック不良や過度な構造変形を補償することはできない。

高速協働ロボットの動作にはどちらが適しているか？

DDモーターは、高速連続回転運動と迅速な動的応答が重要な場合に、自然な優位性を発揮します。

モーターが負荷を直接駆動するため、運動を伝達するための減速段は不要です。

これは、頻繁な加減速を必要とする用途において非常に有効である。

高調波減速機も高速ロボット動作をサポートできますが、最大出力速度は伝達機構と選択された減速比によって制限されます。

高い出力速度が必要とされる一方で、トルクは比較的低い協働ロボットの関節には、DDモーターが魅力的な選択肢となり得る。

比較的低い出力速度で高いトルクを必要とするジョイントの場合、ハーモニックトランスミッションの方がより実用的な解決策となる可能性がある。

協働ロボットの力制御におけるハーモニック減速機とDDモーターの比較

協働ロボットにおいて、力制御の重要性はますます高まっている。

組み立て、研磨、挿入、検査、人間とロボットの相互作用といった用途では、ロボットはあらかじめ定義された位置軌道をただ追従するのではなく、接触力に反応する必要がある。

DDモーターは、モーターが出力に直接接続されているため、これらの用途にとって当然魅力的な選択肢となります。

モーターのトルクと関節のトルクの間の機械的な関係は比較的直接的である。

しかし、ハーモニックジョイントは、力制御を必要とする用途向けに設計することも可能です。

例えば、統合型ロボット関節は、出力側のエンコーダやトルクセンサを使用して、関節の動きやトルクに関するより直接的な情報を取得できる。

これにより、制御システムがモータ側の動きと実際の出力動きを区別する能力を大幅に向上させることができる。

高性能協働ロボット関節の場合、問題は単純に次のようになるべきではない。

DDモーターか、それともハーモニック減速機か？

より良い質問は次のとおりです。

関節全体は、出力トルクをどの程度正確に測定および制御できるのか？

ハーモニックジョイントモジュールは減速機以上のものを統合できます

現代のロボット関節モジュールは、単なる高調波減速機ではない。

完全なジョイントモジュールには以下が統合される可能性があります。

• サーボモーター

• 高調波減速機

• エンコーダー

• ドライバ

• ブレーキ

• トルクセンサー

• ハウジング

• ベアリング

このレベルの統合により、ロボット関節を構築するために必要なエンジニアリング作業を削減できる。

協働ロボットメーカーにとって、統合型ハーモニックジョイントモジュールは、より標準化された機械的および電気的インターフェースを提供することもできる。

これは、ペイロード容量の異なる複数のロボットモデルを開発する際に役立ちます。

主な利点は、単に高調波減速機そのものというだけでなく、伝動装置、モーター、センシング装置、制御装置といった構成要素をコンパクトなアクチュエータに統合できる点にある。

協働ロボットに高調波減速機を選ぶべきタイミングは？

協働ロボットの関節部が、高トルク、コンパクトな寸法、低バックラッシュの組み合わせを必要とする場合、ハーモニック減速機を検討する価値がある。

これは、アクチュエータが比較的軽量でありながら、かなりの荷重を支える必要がある関節部に特に適しています。

典型的な用途としては、以下のようなものが挙げられます。

• 協働ロボットアーム

• 6軸協働ロボット

• 人型ロボットの関節

• 移動マニピュレーター

• 精密ロボットアーム

これらの用途において、高調波伝達は、トルク密度、精度、およびパッケージサイズの間で実用的なバランスを提供することができる。

しかし、減速機は、単に利用可能な最大の減速比を選択するのではなく、実際のトルク、速度、負荷慣性、デューティサイクル、および熱条件に基づいて選択する必要があります。

協働ロボットにDDモーターを選ぶべきタイミングは？

ダイレクトドライブと高い動的応答性が主な設計要件である場合は、DDモーターの方が適している可能性があります。

一般的な考慮事項には以下が含まれます。

• 高いバックドライブ性能

• 急加速と急減速

• 連続回転

• ダイレクトトルク制御

• 機械伝達の複雑さが低い

DDモーターは、特定の手首関節、力覚機構、および特殊な協働ロボットのアーキテクチャにおいて特に魅力的な選択肢となり得る。

極めてコンパクトな筐体内で、接合部に非常に高いトルクが必要な場合、それらのジョイントは魅力が低下する可能性がある。

そのような場合、トルクを直接発生させるために必要なモーターのサイズが大きくなるため、設計上の大きな制約となる可能性がある。

DDモーターとハーモニック減速機：ロボットの関節の種類によってどちらが優れているのか？

最適な技術は、同じロボットでも軸によって異なる場合がある。

肩関節や基部関節は、ロボットの構造とペイロードの大部分を支えるため、一般的に高いトルクを必要とする。

したがって、これらの用途においては、調和型ジョイントモジュールが魅力的な選択肢となり得る。

肘関節には大きなトルクとコンパクトさが求められるため、調和伝達は多くの設計において実用的な選択肢となる。

手首の関節は、それぞれ異なる要求事項を持つことが多い。

軽量化、高速性、そして動的な応答性がより重要になる場合があるため、ロボットのアーキテクチャによっては、DDモーターを検討する価値があるかもしれません。

これは、ロボットメーカーがすべての関節に全く同じアクチュエータ構造を使用する必要がないことを意味する。

関節の位置によって、トルク、速度、慣性、および力制御に関する要件は異なる場合がある。

協働ロボット用DDモーターとハーモニック減速機の選び方

実際の設計上の優先順位を評価することで、選定プロセスを簡素化できる。

ジョイントに高いトルク密度、コンパクトな寸法、高い減速比、そして非常に低いバックラッシュが求められる場合、ハーモニック減速機は有力な候補となることが多い。

ジョイントがダイレクトドライブ、バックドライブ機能、高い動的応答性、および低い機械的伝達機構の複雑さを優先する場合、DDモーターの方が魅力的な選択肢となる可能性がある。

アプリケーションで高い応答性を持つ力制御が求められる場合は、両方の技術をセンシングアーキテクチャと併せて評価する必要があります。

トルクセンサー、デュアルエンコーダー構成、および適切なサーボ制御は、ロボット関節の最終的な性能に大きな影響を与える可能性があります。

結論：協働ロボットにはDDモーターとハーモニック減速機のどちらが適しているか？

DDモーターとハーモニック減速機のどちらが優れているかは一概には言えません。

協働ロボットの関節に高いトルク密度、コンパクトな寸法、低いバックラッシュ、高い減速比が求められる場合、一般的にハーモニック減速機の方が好ましい選択肢となる。

ダイレクトドライブ、逆駆動性、高い動的応答性、連続回転運動が主な要件となる場合、DDモーターはより魅力的な選択肢となる。

多くの小型協働ロボットアームにおいて、ハーモニックジョイントモジュールは、トルク、精度、および統合性という点で実用的な組み合わせを提供します。直接的な力の相互作用と動的な応答を重視する特殊なジョイントには、DDモーターが重要な利点をもたらします。

最も重要な点は、モーターや減速機だけでなく、ロボットの関節全体を評価することである。

モータのトルク、減速比、エンコーダのフィードバック、耐荷重、構造剛性、熱性能、力覚センシング、制御アーキテクチャはすべて、最終的な性能に影響を与えます。

協働ロボットを開発するロボットメーカーにとって、最適なソリューションは、ロボットの機械的要件と制御要件に応じて、高トルク軸にはハーモニックジョイントモジュールを、高速または力感応型ジョイントにはダイレクトドライブアーキテクチャを採用することとなる可能性がある。

HONPINEは、さまざまなロボットの動作要件に対応する高調波減速機、高調波回転アクチュエータ、ロボット関節モジュール、DDモーターソリューションを提供しており、エンジニアは実際の用途に応じて適切な伝達アーキテクチャを選択できます。