力制御ハーモニック関節アクチュエータの選び方：HONPINE TCHLとHAGを徹底比較

力制御用ハーモニック関節アクチュエータを選定する際は、トルクや寸法を比較するだけでは不十分です。トルクセンサーの仕様、エンコーダのフィードバック、通信プロトコル、機能安全、中空軸のサイズは、システム統合や制御性能に影響する可能性があります。本ガイドでは、HONPINEの技術責任者がTCHLシリーズとHAGハーモニック関節アクチュエータシリーズを比較し、主な違いを解説するとともに、ヒューマノイドロボット、協働マニピュレータ、精密組立、研磨など、力制御を必要とする用途に向けた実践的な選定方法をご紹介します。

はじめに：異なる力制御要件に対応する2種類のハーモニック関節アクチュエータ

皆さん、こんにちは。HONPINEの技術責任者です。本日は、オプションでトルクセンサーを内蔵できる2種類のハーモニック関節アクチュエータシリーズ、TCHLとHAGをご紹介します。

両シリーズは、次のような共通の機械・制御アーキテクチャを採用しています。

出力フランジ → ハーモニック減速機 → トルクセンサー → フレームレス・トルクモーター → ブレーキ → 同一平面上に配置されたデュアルエンコーダ → 統合ドライブボード

共通のアーキテクチャを採用している一方、TCHLとHAGは異なる技術的な優先事項に対応するよう設計されています。TCHLは、ハーモニック伝達の高精度という利点を維持しながら、軽量化と全体寸法の小型化を重視しています。HAGは、システム統合、機種によって追加される安全関連機能、より詳細に公開されたトルクセンサー仕様を重視しています。

では、この2つのシリーズにはどのような違いがあり、エンジニアはどのように選べばよいのでしょうか。

TCHLとHAGの比較：設計上の主な優先事項を理解する

HONPINE TCHLハーモニック関節アクチュエータ：軽量設計を重視

TCHLハーモニック関節アクチュエータの主な目的は、ハーモニック伝達の高精度特性を維持しながら、重量とパッケージサイズを最小限に抑えることです。

そのため、関節部の質量、コンパクトな寸法、動的応答が重要な設計要件となる用途に適しています。たとえば、ヒューマノイドロボットや協働ロボットアームなどが挙げられます。

TCHLシリーズの主な仕様

最終選定の前に、使用可能な構成を対象モデルおよび技術資料と照らし合わせて確認してください。

HONPINE HAGハーモニック関節アクチュエータ：統合性と安全関連オプションを重視

HAGハーモニック関節アクチュエータは、より高いシステム統合性、豊富な構成オプション、より詳細に公開されたトルクセンサー仕様を重視しています。

本シリーズは、より幅広いフレームサイズを網羅し、シングルターンおよびマルチターンのアブソリュートエンコーダフィードバックを提供します。一部のフレームサイズでは、モデルごとの確認を条件として、STO（Safe Torque Off）内蔵仕様を選択できます。

HAGシリーズの主な仕様

公開されているセンサーデータは、エンジニアが測定精度を評価し、特定の構成が制御要件を満たすかどうかを判断するのに役立ちます。ただし、センサーの非直線性だけでは、ロボットシステム全体の力制御分解能や精度を判断できません。

TCHLとHAGの選び方：6つの重要な選定基準？

価格や定格トルクから比較を始めるのではなく、まず、どの構成がシステム要件に適合しない可能性があるかを確認してください。

1. 通信プロトコル：まず互換性を確認

TCHL：EtherCAT / CAN FD

HAG：CANopen / EtherCAT

上記の仕様に基づくと、EtherCATは両シリーズに共通する選択肢です。

制御システムがCAN FDを必要とする場合、選択する構成によっては、この2シリーズの中ではTCHLが候補となります。

システムがCANopenを必要とする場合、選択する構成によってはHAGが候補となります。

システムがEtherCATを使用する場合は、どちらのシリーズも検討できます。その場合は、ほかの選定基準が重要になります。

これは、見落とされやすい統合上の制約の一つです。見積もりや機械設計の後ではなく、初期の技術打ち合わせの段階で、正確なインターフェース、プロトコルの実装、コネクタ、対応する通信プロファイルを確認してください。

2. シングルターンとマルチターンのアブソリュートエンコーダ

TCHL：17-bitシングルターンアブソリュートエンコーダ

HAG：20-bitシングルターン + 12-bitマルチターンアブソリュートエンコーダ

エンコーダの構成は、位置フィードバック、起動時の動作、システム統合に影響します。

TCHLは17-bitのシングルターン絶対位置フィードバックを提供します。これにより1回転内の位置を特定できますが、それだけでは複数回転分の位置情報は得られません。システム設計によっては、コントローラーに原点復帰手順や、累積回転数を追跡する別の方法が必要となる場合があります。

HAGは20-bitのシングルターンおよび12-bitのマルチターンフィードバックを提供します。1回転内の角度位置と複数回転にわたる累積回転数の両方を追跡する必要があるロボットでは、この機能が有利となる場合があります。

マルチターンフィードバックがシステム要件として定められている場合は、HAGを選択してください。複数関節を協調制御するシステムや、再現性のある起動手順が重要な用途で特に有効です。

ただし、マルチターンフィードバックがあれば、あらゆる電源喪失時に位置が保持されるというわけではありません。エンコーダの位置保持方式と起動時の動作について、メーカーに確認してください。

3. 機能安全：STOの有無を評価

TCHL：提供された仕様にはSTOの記載がありません。

HAG：一部のフレームサイズでSTO内蔵仕様を選択できます。

Safe Torque Off（STO）は、作動時にドライブがトルクを発生しないようにする安全関連機能です。モータートルクを無効化する明確な方法が必要な用途で重要となります。

協働ロボット、医療・リハビリテーション機器、人と接するロボットシステムでは、ドライブアーキテクチャを検討するうえでSTOの有無が重要となる場合があります。

提供された仕様に基づくと、STO内蔵が必要な場合はHAGシリーズを検討することになります。ただし、HAGシリーズ全体でSTOが標準搭載されているわけではありません。対象のフレームサイズと構成で利用できるか確認が必要です。

STOだけでISO 13849やIEC 61508への適合、または機械の安全要件全体が確立されるわけでもありません。システムレベルのリスクアセスメント、安全アーキテクチャ、妥当性確認、および該当する認証要件を別途検討する必要があります。

4. トルクセンサーの仕様：必要な性能を確認できますか？

TCHL：トルクセンサーはオプション。提供された仕様には測定範囲と精度の詳細が記載されていません。

HAG：トルクセンサーはオプション。測定範囲と0.5%の非直線性仕様が公開されています。

力制御を行う用途では、トルクセンサーが搭載されていることは出発点にすぎません。測定範囲、非直線性、分解能、帯域幅、過負荷耐性、信号処理特性についても把握する必要があります。

TCHLシリーズではトルクセンサー構成をオプションで選択できますが、定量的な性能を確約する前に、対象モデルの測定範囲と精度に関するデータを入手してください。

HAGは、測定範囲や非直線性を含む、より充実したトルクセンサー仕様を公開しています。これにより、エンジニアはセンサー誤差を評価し、測定範囲が用途で想定されるトルクに適合するかを判断しやすくなります。

たとえば、センサーのフルスケール範囲と非直線性は、測定誤差への寄与を推定するのに役立ちます。ただし、それだけでは検出可能な最小トルクや、システム全体の実際の力制御分解能は決まりません。

トルクフィードバックが用途の中核となる場合は、最終選定の前にセンサーの全仕様を比較してください。

5. フレームサイズとトルク容量：負荷に合った関節を選ぶ

TCHL：最大32のフレームサイズ。提供された比較表では、定格トルクは最大169 N·mです。

HAG：最大40および45のフレームサイズ。提供された比較表では、定格トルクは最大557 N·mです。

適切な関節アクチュエータは、ロボットの総可搬質量だけで決まるものではありません。関節に必要なトルクは、アーム長、リンク質量、加速度、重力、デューティサイクル、外力によって変わります。

関節の小型・軽量化を特に重視する場合は、TCHLを検討する価値があります。

提供された比較表では、HAGはより大きなフレームサイズと高いトルク範囲を備えています。そのため、高負荷の関節、ロボットのベースや腰関節、厳しいトルク要件が求められる産業用途により適している可能性があります。

選定前に、対象モデルの定格トルク、ピークトルク、許容速度、熱限界、デューティサイクル、許容ラジアル荷重およびアキシアル荷重を確認してください。ピークトルクを連続定格トルクの代わりに用いてはいけません。

6. 中空軸径：ケーブル配線に十分なスペースを確保

中空軸径は、ロボットアーム内部に電源ケーブル、エンコーダ線、トルクセンサーの配線、その他の接続線を通す際に影響します。

数値は提供された比較表に基づいています。最新のモデル図面で確認してください。

フレームサイズ17および20では、HAGの中空穴径は16.8 mm、TCHLは12 mmです。サイズ32では、それぞれ28 mmと22 mmです。

複数のケーブル束を関節に通す必要がある場合、特にコンパクトな多軸アームでは、こうした差が重要となることがあります。

中空穴径が大きいとケーブル配線が容易になる場合がありますが、コネクタの寸法、曲げ半径、ケーブルの動き、ストレインリリーフ、可動範囲全体で必要となるクリアランスも考慮してください。

用途に適した力制御用ハーモニック関節アクチュエータの選び方

TCHLを選ぶべきケース

HONPINE TCHLは、ハーモニック伝達の高精度という利点を維持しながら、軽量かつコンパクトに統合することを主眼に設計されています。

次の用途で検討する価値があります。

関節部の軽量化が重要なヒューマノイドロボット。

設置スペースに厳しい制約がある協働ロボットアーム。

EtherCATまたはCAN FDを使用するコンパクトなロボットシステム。

シングルターン絶対位置フィードバックで制御要件を満たせる用途。

選択したトルクセンサー構成が必要な測定性能を満たすと確認済みの、力制御用途。

軽量ロボットであれば、TCHLが常に優れた選択肢とは限りません。選択するモデルが、用途で必要となるトルク、速度、剛性、熱性能、センサー要件を満たしている必要があります。

HAGを選ぶべきケース

HONPINE HAGは、システム統合、拡充されたフレームサイズの選択肢、より詳細に文書化されたトルクセンサー仕様を重視する用途向けに設計されています。

次の用途で検討する価値があります。

• より高いトルクが必要なロボット関節。

• 大型フレームサイズを必要とする産業用マニピュレータ。

• シングルターンおよびマルチターンのアブソリュートエンコーダフィードバックが必要な用途。

• CANopenまたはEtherCATを使用するシステム。

• 対応するフレームサイズでSTO内蔵が必要な設計。

技術検証に公開済みのトルクセンサー仕様が重要となる力制御用途。

HAGは要求の厳しい用途により適している可能性がありますが、最終判断はシリーズ名だけでなく、対象モデルの仕様に基づいて行ってください。

力制御にトルクセンサー内蔵ハーモニック関節アクチュエータが重要な理由

トルクセンサーを内蔵したハーモニック関節アクチュエータは、閉ループ力制御に関節レベルのトルクフィードバックを提供できます。指令モーター電流や事前に設定された動作軌道だけに依存するのではなく、コントローラーは測定された関節トルクを入力として、ロボットの応答を調整できます。

この機能は、接触力の管理が必要な精密組立、研削、研磨などの工程で有用です。

また、接触の制御と応答性の高い動作が重要となる協働ロボット、リハビリテーション機器、遠隔操作システムで、柔軟なインタラクションを支援できます。

実際の力制御性能は、センサー特性、コントローラー設計、通信遅延、機械剛性、摩擦、キャリブレーション、制御ループの調整など、システム全体に左右されます。トルクセンサーの内蔵は重要な実現要素ですが、それだけで特定の力制御精度や機能安全が保証されるわけではありません。

まとめ：製品仕様だけでなく、システム要件に基づいて選ぶ

力制御用ハーモニック関節アクチュエータの分野において、TCHLとHAGはそれぞれ異なる優先事項に対応しています。

TCHLは軽量かつコンパクトな設計を重視しています。HAGは、追加のエンコーダ機能、より大きなフレームサイズ、より詳細に公開されたトルクセンサー仕様を備え、一部の構成ではSTOを選択できます。

最も効果的な選定は、通信プロトコル、エンコーダフィードバック、安全アーキテクチャ、トルク測定性能、負荷容量、ケーブル配線スペースといった、譲れないシステム要件を明確にすることから始まります。こうした制約条件を確認したうえで、残りのパラメーターを比較し、最適なアクチュエータを選定できます。

技術資料をご希望の場合や、力制御を行うロボット用途に適したTCHLまたはHAGの構成についてご相談の場合は、HONPINEまでお問い合わせください。