HONPINE HPJM統合型ロボット関節モジュールは、限られたスペースでどのように高トルクを実現するのか？

ロボットの小型化と高機能化が進むなか、ロボットメーカーは共通のエンジニアリング課題に直面しています。各関節の設置スペースを増やさずに、より高い出力トルクを実現するにはどうすればよいでしょうか。

HONPINEHPJM一体型ロボット関節モジュールは、コンパクトな機械的統合、最適化されたケーブル配線、省スペースの取り付け構造を組み合わせることで、この課題に対応します。モジュールの外形寸法を小さくすることだけに注目するのではなく、内部部品、電気接続、取り付けインターフェース、複数関節の配置を含む関節アセンブリ全体を最適化できます。

本記事では、HONPINE一体型ロボット関節モジュールを使用して、限られたスペースで高トルクを実現するための3つの主要な方法を解説します。

1. モジュール自体を最適化する：内蔵機能を活用して必要なスペースを削減する

モジュールのハードウェア、機械構造、電気アーキテクチャは、省スペース化の基盤となります。これらの特性は最小設置スペースを左右するため、選定の初期段階で考慮する必要があります。

トルク密度の高い一体型関節モジュールを選ぶ

HPJMモジュールは、FOCサーボドライブ基板、フレームレス・トルクモーター、高精度エンコーダ、ハーモニック減速機、クロスローラーベアリングを1つのハウジングに一体化しています。

サーボモーター、外付けドライブ、独立した減速機で構成される従来の分散型構成と比べ、この一体型設計では、外付けドライブ筐体、追加の取り付けブラケット、接続カップリングが不要になります。また、個別部品間の設置隙間や芯出しの要件も減り、関節アセンブリ全体の占有スペースを抑えられます。

選定のポイント：まず、選定したモジュールが必要な連続定格トルクとピークトルクを満たすことを確認してください。そのうえで、用途に応じて外径の小さいモデルを検討します。過剰なトルクマージンを確保するためだけに、不必要に大きなモジュールを選ぶことは避けてください。製品仕様表を参照し、出力トルクが同程度のモデルを比較してください。入力回転速度、効率、熱性能などの運転条件も適切であれば、減速比を高くすることで、より小径のモジュールでも同じ出力トルク要件を満たせる場合があります。

中空軸設計を活用してケーブルを内部配線する

本モジュールは大径の中央中空穴を備えており、電源ケーブルと通信ケーブルを関節内に直接通すことができます。

ケーブルを関節の外側に沿って配線する代わりに、中空部の内部に通すことができます。これにより、外側にできるケーブルのたるみやコネクタによって、アセンブリの径方向寸法が大きくなるのを防げます。

複数の関節を直列に接続するロボットアームやヒューマノイドロボットの四肢では、連続する関節の内部通路にケーブルを通すことができます。外付けのケーブルダクトや保護カバーが不要になり、構造全体をよりコンパクトにできます。

エンコーダ構成と必要スペースのバランスを取る

エンコーダ構成の選択は、モジュールの機能と周辺部品に必要なスペースの両方に影響します。

デュアルエンコーダ仕様（2E）：モジュールには出力側フィードバックエンコーダが内蔵されており、外付けの3.6 Vマルチターンバックアップバッテリーは不要です。そのため、独立したバッテリー収納部や取り付けブラケットのスペースを省ける場合があります。ただし、電源喪失後はマルチターン位置情報が保持されないため、電源復旧時に原点復帰動作が必要になることがあります。

シングルエンコーダ仕様：選択した構成でマルチターンバックアップバッテリーが必要な場合、ロボット全体の設計でバッテリーとその取り付け構造のスペースを確保する必要があります。この仕様は、電源喪失後もマルチターン位置を保持する必要があり、設置スペースに余裕がある用途に適している場合があります。

スペースに制約がある用途では、デュアルエンコーダ仕様によって周辺部品の数を減らせる場合があります。ただし、最終的な選択では、位置保持の要件とロボットの制御方式も考慮してください。

用途で必要な場合にのみブレーキを選ぶ

本モジュールには、ブレーキ付きとブレーキなしの仕様があります。

ロボットの機械構造に独立したロック機構がある場合、または電源遮断時に関節が大きな重力負荷を保持する必要がない場合は、ブレーキなし仕様を検討できます。モジュールの軸方向長さを短縮し、取り付け構造を簡素化できます。

電源を遮断した状態でも関節の位置を保持する必要がある場合は、一般にブレーキ付き仕様が適しています。選定前に、必要な保持トルクと安全条件を評価してください。

2. ケーブル配線を最適化する：コネクタと配線の配置を工夫して外部への突出を抑える

配線が適切でないと、コネクタやケーブルの曲げ部分が不要に突出し、径方向と軸方向の両方で設置スペースを消費します。これは、コンパクトなロボット設計で見落とされやすい問題です。

コネクタの詳細寸法と配線要件については、製品マニュアルの第4章「電気インターフェース」と第7章「ケーブル配線」を参照してください。

背面実装型基板コネクタを優先し、アダプター基板をなくす

すべてのHPJMモデルでは、通信、電源、バッテリーの各インターフェースが、基板実装型コネクタを介してモーターのリアカバーに直接組み込まれています。この設計では外付けアダプターPCBが不要なため、アダプター基板の厚みと取り付けブラケットに必要なスペースを省けます。

コネクタの選定：

サイズが80–110 mm以下のモジュールには、ピッチ1 mmの小型コネクタであるXKB X1002シリーズを使用できます。

大型モジュールには、小型のMOLEXコネクタを使用します。XT60コネクタや、より大型の産業用丸形コネクタと比べて、モーターカバー背面への軸方向の突出を抑えられます。

実際のコネクタタイプは、モジュール型式、電流要件、製品マニュアルに記載されたインターフェース仕様に基づいて選定してください。

ケーブルの向きとコネクタ周囲のクリアランスを管理する

製品マニュアルのケーブル仕様表には、各インターフェースに必要なクリアランス高さが記載されています。ロボット筐体の内部空間を設計する際は、筐体寸法を不必要に大きくせず、指定されたクリアランスに従ってください。

EtherCATおよびCAN通信ケーブルのコネクタは、リアカバーに対して垂直に抜き差しします。接続後は、筐体内部に沿ってケーブルを配線し、十分な曲げスペースを確保してください。ケーブルが径方向外側に曲がったり突出したりすると、関節全体の直径が大きくなるため避けてください。

電源コネクタの選定：

小型の30–40 mmモジュールでは、電源インターフェースの突出を抑えるため、XT30コネクタの代わりにピッチ1.25 mmの2ピンコネクタを使用できます。設置スペースが極めて限られている場合に特に有効です。

より高出力のモジュールでは、電気仕様に応じてXT30UPB-M電源ソケットを選択できます。

複数モジュールのネットワークトポロジーを最適化し、余分なケーブルを減らす

複数関節を備えたロボットアームやヒューマノイドロボットの四肢では、ネットワークトポロジーがケーブル数と設置スペースに直接影響します。

EtherCAT通信：INポートとOUTポートを順につなぐデイジーチェーン接続を使用します。メインコントローラーから最初の関節モジュールまでに必要なネットワークケーブルは1本だけで、隣接するモジュール間は短いケーブルで接続します。これにより、各関節からコントローラーまで個別にネットワークケーブルを引き回す必要がなくなります。

CAN通信：デイジーチェーン、または手つなぎ式のバス接続も使用できます。各関節からメインコントローラーまで個別にケーブルを引き回す必要はありません。

電源：信頼性と電圧安定性を重視する場合は、各関節への個別電源接続が一般に適しています。電気アーキテクチャに応じて、ツリートポロジーも検討できます。デイジーチェーン電源は、ケーブル数を減らせる一方で、電圧降下と電流分配を慎重に評価する必要があるため、注意して使用してください。配線と電源の要件を満たす場合に限り、比較的低出力のモジュールに適しています。

高出力の関節では、個別の電源接続によりケーブル数が増える場合がありますが、電圧降下と電力分配をより適切に管理できます。

中空軸にケーブルを通し、外付けケーブルダクトをなくす

電源、CAN、EtherCATの各ケーブルは、関節の中空穴を通して配線でき、機械構造の内部に収めることができます。

これにより、外付けケーブルダクトや保護カバーが不要になります。露出したケーブルのために径方向のスペースを追加する必要がなくなり、外装をモジュールのモーター径に近づけて設計できます。

配線上の重要な注意事項：

ケーブルを張り詰めた状態にしないでください。関節の全可動範囲に対応できるよう、十分なたるみを設ける必要があります。機械的な可動限界に達した状態でも、ケーブルによってコネクタに過度な張力がかからないようにしてください。

また、異物、突出したケーブルタイ、その他の部品が中空穴の内壁を押したり、ふさいだりしないようにしてください。

3. 取り付け構造を最適化する：機械的な取り付け隙間を最小限に抑える

関節モジュール自体がコンパクトでも、取り付け構造が非効率だとロボット全体の寸法が大きくなる可能性があります。位置決め部、締結部品の配置、隣接する関節間のインターフェースを最適化することで、不要な組み立てスペースをなくせます。

位置決めパイロットを設け、中間アダプターフランジをなくす

機械設計上可能な場合は、関節モジュールの出力フランジに合わせた位置決めパイロットを、負荷側構造部品に直接加工してください。これにより、負荷側部品をモジュールに直接接続でき、中間アダプターフランジを省けます。

モジュールの出力フランジには、すでに位置決め機能が備わっています。負荷側部品に対応する形状を設計することで、アセンブリの軸方向厚さを減らし、機械的な接続を簡素化できます。

位置決め嵌合は、実際のパイロット寸法、公差、組み立て要件に基づいて指定してください。適切な場合にはH7/h7嵌合を検討できますが、すべての関節取り付けに一律に適用される要件として扱わないでください。

嵌合面の真円度、平面度、表面状態も管理する必要があります。用途上必要な場合、平面度公差0.01 mmを設計目標として設定できます。塗膜の厚さが嵌合や位置決め精度に影響する可能性があるため、精密な嵌合面には塗装を施さないでください。

ボルトを対角線順に締め、座ぐり穴を設ける

負荷側取り付けフランジに座ぐり穴または皿穴を設計し、ボルト頭が構造面から突出しないようにしてください。軸方向に必要なクリアランスを減らせます。

組み立て時はボルトを対角線順に締め、指定された締め付けトルクに従ってください。組み立て仕様で必要な場合は、中強度のねじロック剤を使用できます。

ワッシャーやスペーサーを不必要に追加すると、積層部品の数と取り付け全体の厚さが増えるため避けてください。ただし、設計上、または締結部品メーカーの仕様上必要なワッシャーなどを省略してはいけません。

HPJM関節にはクロスローラーベアリングが組み込まれており、定格容量の範囲内でラジアル荷重とアキシアル荷重を支持します。内蔵ベアリングで用途上の外部荷重や転倒モーメントを十分に受けられる場合、通常、外部支持ベアリングを追加する必要はありません。

明確な構造上の必要性がないままベアリングを追加すると、軸方向および径方向の寸法が大きくなる可能性があります。また、取り付け構造が過拘束となり、振動、異常音、早期摩耗、耐用年数の低下につながるおそれもあります。

追加支持が必要か判断する前に、モジュールの技術仕様に照らして外部荷重容量と取り付け方法を必ず確認してください。

ハウジングを取り付け面にできるだけ近づける

コネクタ、ケーブルの取り付け、メンテナンスに必要な最小クリアランスを確保しながら、関節モジュールのリアカバーをロボット筐体の取り付け面に可能な限り近づけて配置してください。

モーターの外径に合わせて外装を設計し、コンパクトな外形にできます。大きすぎる内部空間や、モーターハウジングと周辺構造部品の間の不必要に広い隙間は避けてください。

この方法で未使用スペースを減らし、ロボット構造全体をコンパクトに保つことができます。

不要なクリアランスを生む取り付けミスを避ける

よくある取り付け上のミスによって、部品間のクリアランスを広げざるを得なくなり、設置スペースが無駄になることがあります。

具体的には、位置決めパイロットを使わず平面同士の接触だけに頼ること、位置決め部の深さが不十分であること、嵌合面に加工バリや突起が残っていることなどが挙げられます。

位置決め構造が不十分だと、干渉を避けるために取り付け隙間を広げる必要が生じる場合があります。その結果、全体寸法が大きくなるだけでなく、組み立ての一貫性も損なわれる可能性があります。

取り付け前に、負荷側フランジのバリや加工くずを取り除いてください。部品が適切に嵌合するよう、すべての嵌合面を十分に清掃してください。

複数の関節をコンパクトな直列構成で配置する

ヒューマノイドロボットの腕や脚などの多関節構造では、コンパクトな直列配置によって四肢全体の長さを短縮できます。

機械インターフェースが許す場合は、ある関節の出力フランジを、次の関節のリアカバーまたは取り付けインターフェースに直接接続してください。ケーブルの曲げと組み立てに必要な最小クリアランスを確保しつつ、不要な中間スペーサーやアダプター構造を省きます。

接続するモジュールの中空穴を揃えれば、内部経路に沿って複数の関節にケーブルを通すことができます。外部配線を減らし、四肢全体をよりコンパクトにできます。

まとめ

限られたスペースで高トルクを実現するには、ロボット関節モジュールを小型化するだけでは不十分です。モジュールの内部アーキテクチャ、エンコーダとブレーキの構成、コネクタの選定、ケーブル配線、取り付けインターフェース、複数関節の配置を連携して最適化する必要があります。

HONPINEHPJM一体型ロボット関節モジュールは、主要なモーションコントロール部品をコンパクトなハウジングに一体化しています。一体型構造と中空軸設計を十分に活用し、周辺の機械・電気レイアウトを最適化することで、ロボットメーカーは必要なトルクとモーションコントロール要件を満たしながら、不要な設置スペースを削減できます。

ヒューマノイドロボット、ロボットアーム、その他の多関節システムでは、スペースの効果的な最適化はモジュールの選定段階から始まり、機械設計と電気設計の全工程を通じて行われます。