7自由度ロボットアーム用ハーモニックジョイントアクチュエータの選定方法

こんにちは、HONPINEの技術部長、Theodore Liです。この記事では、7自由度ロボットアーム用のハーモニック関節アクチュエータの選定方法について説明します。

7自由度、すなわち7-DOFのロボットアームは、3次元空間におけるエンドエフェクタの位置と姿勢の制御に一般的に必要とされる6自由度に加え、1つの自由度を備えています。この追加自由度は、運動学的冗長性と呼ばれます。

適切な機械設計と制御アルゴリズムにより、この冗長性はより高い動作柔軟性をもたらし、障害物回避および特異点回避を支援するとともに、人間の腕に似たコンプライアントな動作を可能にします。

これらの機能により、7-DOFロボットアームは、医療ロボティクス、精密組立、フレキシブル加工、および過酷な環境での作業における研究開発に有用です。

では、7-DOFロボットアームの関節モジュールはどのように選定すべきでしょうか。

7-DOFロボットアーム用ハーモニック関節アクチュエータの選定方法

各アクチュエータを関節の負荷要件に適合させる

同一のアクチュエータシリーズでは、一般にフレームサイズが大きいほど出力トルクが大きく、より高い関節負荷に対応できます。ただし、アクチュエータはモデル番号だけでなく、各関節の要件に応じて選定する必要があります。

多くのロボットアーム構成では、エンドエフェクタから離れた関節ほど、ペイロードに加えてアーム先端側のより多くのコンポーネントを支える必要があります。そのため、これらの関節にはより大きな出力トルクが必要となることがよくあります。

肩関節は典型的な例です。アームの大部分を支え、かつエンドエフェクタ荷重からかなり離れた位置で動作するため、この位置にはより大きなハーモニック関節アクチュエータが選定されることがよくあります。

これに対して手首関節では、手首の屈曲および回転、ツーリング荷重、ならびに先端側アセンブリ全体の質量を慎重に考慮する必要があります。必要なトルクおよび動作仕様を満たせる場合は、より小型で軽量な関節モジュールが適していることがよくあります。

選定の原則は、各関節の負荷要件を算出し、それに応じてアクチュエータを適合させることです。アーム全体に同じモジュールを単純に使用することではありません。

例：HONPINE TCHLハーモニックロボットアクチュエータ

このアプローチを示すため、HONPINE TCHLシリーズのハーモニックロボットアクチュエータを使用した7-DOFロボットアーム構成を考えてみましょう。

この例では、肩部にTCHL 20関節モジュールを使用し、手首部にはTCHL 14関節モジュールを使用します。

TCHL 14は、中空構造とケーブル配線用の通路を備えた、コンパクトで軽量な設計が特徴です。これらの特性により、先端側の質量低減が重要な設計目標となる、スペースに制約のある手首およびロボットネックのアセンブリに適した候補となります。

この構成は選定アプローチを示すものであり、すべての7-DOFロボットアームに対する汎用的な推奨ではありません。

7-DOF手術用ロボットアームに、より高度なハーモニック関節モジュールが必要な理由

7自由度の冗長設計は、適切な動作計画および障害物回避技術と組み合わせることで、手術用ロボットアームに、制約のある作業空間内でより自由に操作する能力を与えます。

この柔軟性は、複雑な外科手術における位置決めおよびアクセス要件への対応に役立ちます。

ここで説明するロボットアームの機能には、手動ガイドによる動作、モーター駆動動作、APIベースの遠隔制御、自動ペイロード識別および補償も含まれます。

これらの機能を支えるには、関節センシング、制御応答、およびシステム統合に対して高い要件が求められます。

トルクセンシングと応答性の高い力制御

ここで説明する力制御手術用アーム構成では、高精度トルクセンサの統合が関節モジュール設計の重要な要素です。

これらのセンサは、力感応制御および衝突検出のためのフィードバックを提供します。この用途で説明される性能値には、0.5 Nの力制御精度と1,000 Hzを超える制御更新レートが含まれます。

想定される能力は、接触力に対するミリ秒スケールの応答であり、挿入や制御されたねじ締めなどの繊細な作業を支援します。

これらの数値は、定義された構成および試験方法に関連付ける必要があります。すべての関節モジュールまたはすべての完成ロボットアームに共通する仕様として扱うべきではありません。

高帯域幅トルク制御とコンプライアント動作

高帯域幅の力制御は、次のように要約できます。

高帯域幅の閉ループトルク制御 + コンプライアント制御アルゴリズム

目的は、システムのトルクまたは力の応答を、意図する作業に対して十分に高速かつ正確なものにすることです。

統合型高分解能トルクセンサは、この制御アプローチに必要なフィードバックを提供します。全体的な応答は、センシング、駆動、および制御アルゴリズムをどのように統合するかにも依存します。

冗長性に基づく動作計画と障害物回避

冗長性に基づく障害物回避は、3つの主要要素で説明できます。

運動学的冗長性 + ヌル空間射影 + 階層的タスク優先度最適化

追加の自由度により、アームは必要なエンドエフェクタタスクを維持しながら、その構成を調整するための選択肢を増やすことができます。

動作計画では、異なる優先度を持つ複数の目標を調整できます。例えば、以下が挙げられます。

1. 安全な動作を支援するために関節可動域制限を遵守する。

2. エネルギー効率を最適化目標として、不必要な関節動作および関節速度を最小限に抑える。

3. 適切なアーム構成を維持し、特異点への近接性を管理する。

十分な冗長動作が利用可能な場合、コントローラは障害物回避などの二次タスクに対応するための自由度をより多く持ちます。すべての目標を満たせるかどうかは、依然として利用可能な作業空間、関節可動域制限、およびタスク制約に依存します。

HONPINE HAGシリーズ ハーモニック関節モジュール

高度なモーションコントロール用途向けに、HONPINEはHAGシリーズのハーモニック関節モジュールを提供しています。

HAGシリーズは、精密なモーションコントロールと高度な力センシング機能を必要とする用途を対象としています。Safe Torque Off（STO）は、選択するモデルおよび構成に応じてオプション機能として利用できます。

このオプションは、ロボットシステム全体の安全設計の一部として検討できます。これだけで、関節モジュールまたはロボットアームが特定の医療用途として承認されていることを示すものと解釈すべきではありません。

HAGハーモニック関節モジュールを評価する際は、特定の構成に必要なセンシング性能、制御インターフェース、および利用可能な安全機能を確認してください。

7-DOFロボットアーム用ハーモニックアクチュエータの詳細

ハーモニック関節アクチュエータの選定は、各関節に求められる機能を理解することから始まります。肩、肘、手首の各関節では、トルク、重量、設置スペース、センシング、および制御に対する要件が異なる場合があります。

7-DOFロボットアーム用のハーモニックロータリーアクチュエータおよび関節モジュールに関する詳細については、HONPINEまでお問い合わせください。