より優れたエンドエフェクタ性能を実現するロボット関節モーターの選び方

はじめに

ロボットアームを設計する際、適切なロボット関節モーターの選定は、単に最高トルク、最小サイズ、または最先端の伝達技術を選ぶことではありません。各ロボット関節の最終的な目的は、エンドエフェクターの動作と性能を支えることです。

ロボットアームには、グリッパー、真空ツール、カメラ、溶接トーチ、検査装置、ディスペンシングヘッド、ドライバー、その他の専用ツールが使用される場合があります。各エンドエフェクターは、可搬能力、動作速度、加速度、位置決め安定性、および動的応答に対して異なる要件を生み出します。

このため、ロボット関節モーターの選定は、ロボットアーム先端に求められる性能から始めるべきです。

エンドエフェクターの質量、重心、寸法、動作サイクル、加速度要件、および作業タスクはすべて、ロボット関節に必要な性能に影響を与えます。これらの要件は、モータートルク、出力速度、減速比、関節質量、および伝達特性へと変換できます。

多くのロボットシステムでは、ハーモニック関節モーターまたは遊星関節モーターのいずれも有効なソリューションとなります。最適な選択は、単一部品の仕様ではなく、ロボットアーム全体に求められる性能によって決まります。

本記事では、エンドエフェクターの要件がロボット関節モーターの選定にどのように影響するか、またエンジニアが実際のロボットアーム性能に基づいてハーモニック関節モーターと遊星関節モーターをどのように評価できるかを説明します。

ロボット関節モーターの選定をエンドエフェクターから始めるべき理由

エンドエフェクターは、ロボットアームが実際の作業を行う場所です。

ロボット関節モーターは、単にトルクを発生させるだけでは価値を生み出しません。その目的は、エンドエフェクターが到達、位置決め、加速、減速し、ワークまたは周囲環境と相互作用できるよう、ロボットアームのリンクを動かすことです。

つまり、ロボットの最終性能はエンドエフェクターで評価すべきです。

関節トルクが十分であっても、エンドエフェクターの性能が不十分なロボットはあり得ます。アームは高速動作後に振動したり、加速が遅すぎたり、安定化に過度な時間を要したり、外部荷重下で位置変化を起こしたりする場合があります。

したがって、ロボット関節モーター選定の第一歩は、エンドエフェクターが達成すべきことを定義することです。

必要な可搬荷重、ツール質量、重心、作業範囲、最大速度、加速度、位置決め安定性、および動作サイクルをすべて考慮する必要があります。

これらの要件を定義した後、エンジニアはロボットアーム全体に必要な性能を評価し、各軸に適したロボット関節モーターを選定できます。

エンドエフェクター質量がロボット関節モーターの要件に与える影響

エンドエフェクターアセンブリには、多くの場合、ツール自体以外のものも含まれます。

完全なロボット先端アセンブリには、グリッパー、ツールチェンジャー、力センサー、カメラ、ケーブル、コネクター、真空部品、プロセス機器、およびワークが含まれる場合があります。

これらすべての部品が、ロボットアームが支持する荷重に寄与します。

ただし、ロボット関節モーターの選定を質量だけに基づいて行うべきではありません。

重心位置も同様に重要です。

コンパクトで重量のあるツールでも、ロボットフランジから大きく離れて伸びた、より軽量なツールより関節モーメントが小さい場合があります。

単純化した静的条件では、荷重モーメントは次のように表せます。

T = m ×g×L

ここで、Tは必要トルク、mは質量、gは重力加速度、Lは関節軸と重心の間の有効距離です。

ロボットアームが姿勢を変えると、有効レバーアームも変化します。

これは、ロボット関節モーターの要件を単一の静止位置ではなく、動作範囲全体に基づいて算出すべきことを意味します。

ロボット関節モーター選定でツール慣性が重要な理由

エンドエフェクターの質量は、動的荷重の一部にすぎません。

ツールの回転慣性は、ロボット関節モーターの性能に大きな影響を与える可能性があります。

回転軸から大きくオフセットしたツールは、総質量が比較的小さくても大きな加速トルクを必要とする場合があります。

回転慣性は次のように単純化できます。

J = m×r²

ここで、Jは回転慣性、mは質量、rは質量と回転軸の間の距離を表します。

距離との二乗関係は、ツール質量と回転軸の距離が増加すると、慣性が大幅に増加する可能性があることを意味します。

加速および減速中、ロボット関節モーターは追加のトルクを発生させる必要があります。

この動的トルクは次のように表せます。

T = J× α

ここで、αは角加速度です。

長いグリッパー、検査ツール、カメラ、プロセスヘッド、または延長ツールチェンジャーを備えたロボットアームでは、したがって慣性を可搬能力とともに評価すべきです。

静的トルクに基づいて十分に見えるロボット関節モーターでも、高速動作中に必要な動的性能を発揮できない場合があります。

ロボット関節モーターの質量がロボットアームの動力学に与える影響

ロボット関節モーターの質量は、ロボットアーム自体の一部となります。

これは、ロボットベースからより離れた位置にある関節で特に重要です。

アーム先端近くの重い関節は、他のロボット関節にとって下流荷重となります。この追加質量は、すべての動作サイクルで加速および減速されなければなりません。

その結果、ある軸に不必要に大型の関節モーターを選定すると、他の軸のトルク要件が増加する可能性があります。

この影響は累積する可能性があります。

より大型の関節モーターは下流質量を増加させます。下流質量の増加は、より大型の上流モーターを必要とする場合があります。さらに大型化した上流モーターは、ロボット構造により多くの質量を加えます。

これが、ロボット関節モーターの選定でロボットアーム全体の質量分布を考慮すべき理由です。

高速用途では、不必要な先端側質量を減らすことで、エンドエフェクターの加速性能の向上とロボット全体の機械的負荷低減に役立ちます。

エンドエフェクター性能にトルク密度が重要な理由

トルク密度は、ロボットシステムが出力能力とサイズおよび質量のバランスを取る必要があるため、ロボット関節モーター選定における重要なパラメーターです。

十分なトルクを持つコンパクトな関節モーターは、ロボットアームの寸法低減に役立ちます。軽量な関節は下流質量を減らせます。下流質量が低減すれば、他の関節に必要なトルクも低減できます。

これらの利点は、エンドエフェクターの動的性能を向上させることができます。

ただし、目的は可能な限り小さいロボット関節モーターを選ぶことだけではありません。

小さすぎるモーターは、連続トルク不足、熱容量の制限、または過負荷能力の不足を招く場合があります。

目的は、出力トルク、関節質量、設置寸法、および動的要件の間で適切なバランスを提供するロボット関節モーターを選定することです。

これは、高速ハンドリング、検査、マシンテンディング、および自動組立用のロボットアームを設計する際に特に重要です。

ハーモニック関節モーターとエンドエフェクター性能

ハーモニック関節モーターは通常、コンパクトな関節構造内にモーター、ハーモニック伝達システム、およびその他のモーション部品を組み合わせて設計されます。

この種類のソリューションは、ロボットアームがコンパクトな設置空間内で高い減速比を必要とする場合に有利となる可能性があります。

ロボットシステムにおいて、ハーモニック関節モーターは、サイズに対して高い出力トルクを提供しながら、コンパクトな機械アーキテクチャを実現できます。

これは、設置空間が限られている場合や、関節寸法の低減がロボットアーム全体の設計改善に役立つ場合に有用です。

ハーモニック伝達技術は、制御された回転位置決めが重要な用途にも適している場合があります。

例えば、精密組立、検査、コンパクトな自動化機器、および制御されたマテリアルハンドリングに使用されるロボットアームでは、必要なトルク、寸法、および位置決め性能の組み合わせがシステム特性に適合する場合、ハーモニック関節モーターが有効となる可能性があります。

ただし、ハーモニック関節モーターもロボット用途全体に応じて評価する必要があります。

最終選定の前に、必要な出力速度、デューティサイクル、外部荷重、加速度、機械剛性、およびエンドエフェクター慣性をすべて考慮すべきです。

遊星関節モーターとエンドエフェクター性能

遊星関節モーターは、ロボット関節内で速度とトルクの変換を実現するために遊星減速システムを使用します。

遊星伝達システムは産業用モーション用途で広く使用されており、減速比および性能構成に対する柔軟なアプローチを提供できます。

ロボットアームにおいて、遊星関節モーターは、必要な出力速度、トルク、効率、およびシステム構成が用途の特性と一致する場合に適している可能性があります。

異なる減速比は、モーター速度と出力速度の異なる関係を実現できます。

これは、ロボットアームが高速動作と出力トルクの間で特定のバランスを必要とする場合に有用です。

遊星関節モーターを、単にハーモニック関節モーターより低性能な代替品として考えるべきではありません。

この二つの技術は異なる機械的特性を持っています。

適切な選択は、エンドエフェクターのタスク、必要な動作プロファイル、利用可能な設置空間、出力トルク、速度要件、およびロボットアーム全体のアーキテクチャによって決まります。ハーモニック関節モーターと遊星関節モーターの比較

ハーモニック関節モーターと遊星関節モーターの比較は、どちらの技術が優れているかという一般論ではなく、ロボットのタスクから始めるべきです。

ハーモニック関節モーターは、ロボットアームが限られた設置空間内でコンパクトな構造、高い減速比、高いトルク密度、および精密な回転動作を必要とする場合に、より適している可能性があります。

遊星関節モーターは、用途が出力速度、伝達効率、減速比、および機械構成の間で異なるバランスを必要とする場合に適している可能性があります。

最終決定では、運転条件全体を考慮すべきです。

これには、エンドエフェクターの質量、可搬荷重、重心、ツール慣性、必要速度、加速度、デューティサイクル、ロボットアームの寸法、および設置要件が含まれます。

最適なロボット関節モーターは、必ずしも最高トルクまたは最も複雑な伝達技術を持つものではありません。

ロボットアーム全体が必要なエンドエフェクター性能を効率的かつ信頼性高く達成できるようにする関節モーターです。

関節剛性がエンドエフェクターの安定性に与える影響

エンドエフェクターの安定性は、ロボットアーム全体の機械構造に影響されます。

関節、伝達システム、ベアリング、ハウジング、取付インターフェース、およびロボットリンクはすべて、荷重下で小さな機械的変形を生じる可能性があります。

これらの影響はロボットアーム全体にわたって累積する可能性があります。

リーチの長いロボットでは、ベース付近の小さな角変位がエンドエフェクターでより大きな位置変化を生じさせる場合があります。

これは、出力トルクだけではロボット関節モーターを評価するには不十分であることを意味します。

用途で安定したツール位置決めが必要な場合は、機械剛性も考慮すべきです。

これは、精密組立、検査、挿入、ディスペンシング、研磨、およびエンドエフェクターとワークの関係を安定して維持する必要があるその他のタスクを含むロボット用途で特に重要です。

目標は、関節モーターを完全な機械システムの一部として評価することです。

動的応答とエンドエフェクターの整定時間

ロボットは目標位置に迅速に到達できても、エンドエフェクターが安定するまでにはさらに時間を要する場合があります。

加速および減速後、ロボットアーム内の振動がエンドエフェクターの整定挙動に影響を及ぼす可能性があります。

この整定時間は、実際の生産サイクルに直接影響する可能性があります。

例えば、エンドエフェクターが次の作業を開始する前にロボットが振動の低下を待つ必要がある場合、ロボットの最大速度を上げても必ずしも生産性は向上しません。

ロボット関節モーターの選定は、関節質量、出力慣性、機械剛性、伝達特性、およびロボット軸間の動的相互作用などの要因を通じて、この挙動に影響を与える可能性があります。

したがって高速自動化では、エンジニアはエンドエフェクターがどれだけ速く移動、停止、安定化できるかを考慮すべきです。

目標は最高速度だけであるべきではありません。

目標は、運転サイクル全体を通じた効果的な動作性能であるべきです。

異なるエンドエフェクタータスクに対するロボット関節モーターの選定

異なるエンドエフェクターは、ロボット関節モーターに異なる要件をもたらします。

マテリアルハンドリング用グリッパーでは高い可搬能力と効率的な反復動作が必要となる場合があります。精密組立ツールでは制御された位置決めと安定した動作が必要となる場合があります。ビジョンシステムでは低振動と短い整定時間が必要となる場合があります。プロセスツールでは変化する外部荷重下での連続運転が必要となる場合があります。

このため、ロボット関節モーターの選定は実際の作業タスクに基づいて行うべきです。

タスクがエンドエフェクターの要件を定義します。

エンドエフェクターの要件がロボットアームに必要な性能を定義します。

ロボットアームの性能要件が、各ロボット関節モーターのトルク、速度、質量、剛性、および伝達要件を定義します。

このシステムレベルのアプローチは、カタログ仕様だけに基づくロボット関節の選定を避けるのに役立ちます。

ロボット関節モーター選定のためのシステムレベル手法

実用的なロボット関節モーターの選定プロセスは、エンドエフェクターとタスクを定義することから始まります。

完全な先端アセンブリには、ツール、可搬荷重、センサー、コネクター、ケーブル、およびその他の取り付け機器の質量を含める必要があります。

次に、重心および回転慣性を評価する必要があります。

必要な動作範囲、速度、加速度、およびサイクルタイムを用いて、ロボットアームの動的性能要件を設定できます。

次に、機械モデルを使用して、作業範囲全体で各関節にかかる静的および動的荷重を推定できます。

必要な関節特性は、出力トルク、連続運転要件、速度、質量、寸法、伝達構成、および設置条件に基づいて評価できます。

予備的な関節モーターを選定した後、その実際の質量と寸法をロボットアーム全体のモデルに組み込む必要があります。

その後、選定したロボット関節モーターが最終的なエンドエフェクター性能に与える影響を確認するため、システムを再度評価できます。

この反復的なアプローチは、十分な性能と信頼性を維持しながら、不必要な過大設計を避けるのに役立ちます。

HONPINE ハーモニック関節モーターおよび遊星関節モーターソリューション

HONPINEは、ハーモニック関節モーターおよび遊星関節モーターソリューションを含む、ロボットおよび産業オートメーション用途向けの統合モーション製品を提供しています。

ロボットの用途によっては、出力トルク、減速比、速度、寸法、および関節質量の異なる組み合わせが必要になる場合があります。

このため、ロボット関節モーターの選定では、個別の仕様ではなくロボットシステム全体を考慮すべきです。

重要な用途情報には、エンドエフェクターの種類、可搬荷重、ツール質量、重心、ロボットアームのリーチ、リンク質量、必要出力速度、加速度、運転サイクル、および利用可能な設置空間が含まれます。

これらのパラメーターは、各関節の性能要件を評価するための基礎となります。

用途によっては、ハーモニック関節モーターは、高い減速比と高いトルク密度を必要とするコンパクトなロボットアーキテクチャにおいて利点を提供する場合があります。

遊星関節モーターは、出力速度、伝達構成、および機械要件の間で異なるバランスが必要な場合に、代替ソリューションとなる可能性があります。

ロボットアーム全体とエンドエフェクターに必要な性能を評価することで、設計者は用途によりバランスの取れた関節モーターアーキテクチャを選定できます。

結論

ロボットアームの性能は、最終的にはエンドエフェクターで測定されます。

このため、ロボット関節モーターの選定は製品仕様ではなく最終タスクから始めるべきです。

エンドエフェクターの質量と重心は関節荷重に影響します。ツール慣性は加速要件に影響します。関節質量はロボットアーム全体の動的性能に影響します。機械剛性はエンドエフェクターの安定性に影響します。すべてのロボット関節の複合性能は、エンドエフェクターがどれだけ速く移動し整定できるかに影響します。

ハーモニック関節モーターと遊星関節モーターは、いずれもロボットシステムに有効なソリューションを提供できますが、実際の用途要件に応じて選定すべきです。

最適なロボット関節モーターは、単に最も強力、最小、または最高減速比のソリューションではありません。

ロボットアーム全体に対して、トルク、速度、質量、寸法、動的性能、および信頼性の適切なバランスを提供する関節モーターです。

エンドエフェクターの要件から始め、ロボットアームを逆方向に検討することで、エンジニアはより効率的で用途指向の関節モーターアーキテクチャを開発できます。

HONPINEは、ロボットおよび自動化用途向けにハーモニック関節モーターおよび遊星関節モーターソリューションを提供し、システム設計者がロボットシステム全体の性能要件に基づいて統合回転モーションソリューションを評価できるよう支援します。