6軸ロボットの各軸に適したハーモニック減速機とRV減速機の選び方？

6軸ロボット用の減速機を選定する際、お客様から一見シンプルな質問をよくいただきます。

「最初の3軸にはRV減速機を、最後の3軸にはハーモニック減速機を使用すべきでしょうか？」

実際には、このルールをすべてのロボットに一律に適用することはできません。

より実用的な選定方法として、次の点を確認します。

- 各軸は、運転サイクル全体を通じてどの程度の等価トルクに耐える必要があるか。

- 加速、減速、非常停止、工程に起因する衝撃荷重はどの程度か。

- 関節にどのような転倒モーメントが作用するか。また、バックラッシやねじり剛性に対する用途の感度はどの程度か。

- RV減速機を設置できるスペースがあるか。

各軸についてこれらの要素を評価する方が、J1～J6という軸の名称だけで減速機を選定するよりも確実です。

1. RV減速機とハーモニック減速機の選定範囲を理解する

RV減速機：高剛性、高負荷容量、耐衝撃性

RV減速機は、精密遊星サイクロイド減速機とも呼ばれ、高剛性、大きな負荷容量、耐衝撃性、主軸受の一体化、安定したバックラッシ性能を理由に選定されるのが一般的です。

引用したナブテスコRV-Nのカタログデータを例にすると、フレームサイズ10N～500Nの仕様範囲はおおよそ次のとおりです。

- 定格トルク：80～5,000 N·m

- 減速比：31～171

- ロストモーション：≤1 arcmin

- 定格運転点における効率：通常、≥85%と規定

実際の効率は、運転速度、温度、潤滑条件によって異なります。

各フレームサイズの許容出力回転速度を以下に示します。

RV-EおよびRV-Cシリーズはアンギュラ玉軸受の主軸受を採用し、ロストモーションを≤1 arcminと規定しています。選定モデルに適用できる場合、カタログ上の定格トルクのおよそ5倍という上限を基準に、衝撃荷重を確認できます。

ハーモニック減速機：小型・軽量、高減速比

ハーモニック減速機は、コンパクトな寸法、高い減速比、軽量、低バックラッシを理由に選定されるのが一般的です。

ただし、RV減速機と比べると、フレクスプラインの負荷容量や、ラジアル荷重および転倒モーメントへの対応能力が限られる場合があります。

この記事で参照する精度等級を以下にまとめます。

一般的な用途では、軽量な手首関節や協働ロボットの先端関節にハーモニック減速機がよく使用されます。肩関節など、負荷の大きい軸にはRV減速機がより多く使用されます。

機構のオーバーハングが長い場合や、大きな衝撃荷重を受ける場合は、ハーモニック減速機のみを採用する構成を慎重に評価する必要があります。

運転条件に基づいて選定する

選定の原則は、「重負荷にはRV減速機、軽負荷にはハーモニック減速機」という単純なものではありません。

次の条件では、一般にRV減速機を優先して検討します。

- 等価トルクが大きい。

- 加速、減速、非常停止、工程上の衝撃によって大きな荷重が発生する。

- 関節が長いオーバーハングを支える、または大きな転倒モーメントが作用する。

- 用途がねじり変形の影響を受けやすい。

次の条件では、一般にハーモニック減速機を優先して検討します。

- 設置スペースが極めて限られている。

- 必要トルクが比較的小さい。

- 関節の軽量化が重要である。

- 中空軸を通したケーブル配線が必要である。

スポット溶接ガン、研削工具、またはハンドリング時の衝突にさらされる機器を搭載する手首関節では、コンパクトなRV減速機が適する場合があります。関節が手首に位置するという理由だけで、ハーモニック減速機を自動的に選定すべきではありません。

2. J1ベース旋回軸：まずRV減速機を検討する

J1は、ベースより上にあるロボット構造全体の慣性を加速・減速させる必要があります。

自動車溶接やパレタイジングなどの用途では、3交代での連続運転により、耐用年数と長期的な位置決めの一貫性にも高い要求が課されます。

J1用減速機の選定では、特に次の3点が重要です。

1. ロボットが全伸展状態または最大リーチにあるときの等価トルクと最大加速トルク。

2. アーム重量と偏心したペイロードによって発生するベースの転倒モーメントおよびラジアル荷重。

3. バックラッシとロストモーションがロボット全体の繰り返し位置決め精度に及ぼす影響。

主軸受を一体化したRV減速機は、ラジアル荷重、アキシアル荷重、モーメント荷重の一部を受け持つことができ、外部軸受の配置を簡素化できる可能性があります。

選定時には、次の項目を個別に確認します。

- 定格トルク

- 許容加速・減速トルク

- 最大瞬間トルク

- 許容曲げモーメントまたは転倒モーメント

- 許容ラジアル荷重およびアキシアル荷重

RV減速機のサイズ選定では、一般に各運転条件の継続時間で重み付けした等価トルクを算出し、その後、およそ1.5～2.0の安全率を適用します。出力軸受荷重は別途確認する必要があります。

J1の等価トルクが小さく、設置スペースが極めて限られている小型・軽量の6軸ロボットでは、高減速比の精密遊星減速機やハーモニック減速機も検討できます。

ペイロードがおよそ50 kg以上の汎用産業用ロボットでは、通常、RV減速機を選定の第一候補とします。

3. J2肩軸：剛性とアームの垂れに対する耐性を優先する

上腕が水平に伸びたとき、J2には最大の重力トルクが作用します。加速トルクもこの負荷に加わるため、肩軸はエンドエフェクタの垂れや経路剛性に大きく影響します。

上腕長650 mm、前腕長600 mmの、ペイロード6 kgのアーク溶接ロボットを例として考えます。

- J2の最大重力トルク：約595 N·m

- 加速を含むJ2のピークトルク：約1,249 N·m

この構成について、業界の事例では減速比約100のRV-80E減速機が一般に検討されています。

より小型のRV-40Eも検討できます。サードパーティーの資料では、次の値が示されています。

- 定格トルク：412 N·m

- 許容加速・減速トルク：1,000 N·m

- 最大瞬間トルク：1,960 N·m

小型の減速機も運転要件に照らして評価できますが、余裕度が限られる可能性があります。固定されたフレームサイズの推奨だけに頼らず、起動・停止頻度、負荷慣性、衝撃条件を考慮して最終的な選定を行う必要があります。

J2用RV減速機の選定で確認すべき要点

定格トルクと運転余裕

予備選定では、採用するサイズ選定方法に応じて、定格トルクを算出したRMSトルクまたは等価トルクの約1.2～1.5倍として評価する場合があります。

自動車のスポット溶接など、大きな衝撃荷重が発生する用途では、より大きな余裕が必要になる場合があります。

ねじり剛性

ねじり剛性は、負荷時の角度変形を決定し、小角度の位置補正に影響します。

高ゲイン制御を用いる重切削、スポット溶接、研削用途では、関節のコンプライアンスが特に問題になります。

ロストモーションとバックラッシ

受入検査では、定格負荷条件、運転温度、および全作動範囲にわたる双方向の動きを確認します。

無負荷時の公称バックラッシ値だけでは不十分です。

効率と熱特性

カタログ定格の運転点における効率≥85%は、予備見積もりに使用できます。伝達損失は発熱を引き起こします。

サイクル頻度の高い連続運転では、ハウジング温度、潤滑条件、および必要な場合のディレーティングを評価する必要があります。

ペイロードが小さく、サイクル頻度が低く、重量またはコストの制約が厳しい協働ロボットでは、J2にハーモニック減速機または一体型ハーモニック関節モジュールを使用する場合があります。

ペイロードがおよそ30～50 kgを超える産業用ロボット、リーチの長いロボット、または大きな慣性衝撃荷重が作用するロボットでは、一般にRV減速機が適しています。

4. J3肘軸：前腕の負荷とサイクル頻度に基づいて選定する

J3にRV減速機が必ず必要というわけではありません。

選定は、前腕、手首アセンブリ、先端ペイロードによって発生する重力トルクの合計と、最大角加速度に伴う慣性トルクに基づいて行います。

これらの要件が、同程度のサイズのハーモニック減速機で実用的に対応できる負荷範囲を超える場合、特に反転頻度が高く、厳しい起動条件がある場合は、一般にRV減速機が適しています。

前腕と先端ペイロードが軽く、主に組立、塗布、軽溶接を行うロボットでは、ハーモニック減速機が適する場合があります。

同じペイロード6 kgのアーク溶接ロボットを例にすると、次のとおりです。

- J3の最大重力トルク：約198 N·m

- 加速を含むJ3のピークトルク：約342 N·m

業界の事例では、この軸に減速比約80のRV-20Eを検討するのが一般的です。

リーチが短く、低速の組立作業を行う3～10 kgクラスの小型ロボットでは、重量と設置スペースを抑えるため、J3に中型または大型のハーモニック減速機がよく検討されます。

高負荷ロボットでは、ベース、肩、肘にRV減速機を使用し、軽量な手首にはハーモニック減速機を使用することがあります。重負荷のスポット溶接ロボットでは、衝撃条件によってJ4～J6にもコンパクトなRV減速機が必要になる場合があります。

したがって、J3の選定境界は軸番号ではなく、負荷スペクトルによって決まります。

肘軸の軸受荷重を個別に確認する

J3用にRV減速機を選定する際は、許容曲げモーメントとラジアル荷重に特に注意が必要です。

前腕が長いほど荷重の偏心が大きくなります。そのため、出力トルクだけを基準に減速機を選定すると、重要な軸受荷重を見落とす可能性があります。

関連するGB/T 37718およびGB/T 37165の要件に基づくベンチ受入試験では、曲げモーメント、重心距離、加速・減速時の偏心慣性力をすべて含めて評価する必要があります。

5. J4～J6手首軸：ハーモニック減速機が一般的だが、3つの条件ではRV減速機も検討

軽・中負荷の6軸ロボットの手首軸は、一般に設置スペースが限られ、必要トルクが比較的小さく、軽量化と低バックラッシが強く求められます。

高い減速比、薄型形状、中空軸を通したケーブル配線への対応から、ハーモニック減速機が広く使用されています。

ただし、次の3つの条件では、より慎重な評価が必要です。

条件1：スポット溶接ガンを搭載する手首アセンブリ

電極の加圧力、溶接ガンの慣性、頻繁な起動・停止が重なり、大きな衝撃荷重と疲労荷重が発生することがあります。

こうした条件では、フレクスプラインの疲労と耐衝撃性の評価が重要になります。

高負荷のスポット溶接ロボットでは、J4～J6にコンパクトなRV減速機を検討できます。

選定は、溶接ガンの質量と慣性に加え、J4の旋回、J5の屈曲、J6の工具回転の各トルクスペクトルに基づいて行う必要があります。

条件2：重い手首アセンブリまたは慣性の大きいエンドエフェクタ

例として、次のものが挙げられます。

- 大型のビジョンシステム筐体

- 重量のある研削ヘッド

- 大径工具

このような機器は、J5に大きな重力トルクを発生させ、J4に持続的な偏心荷重を加える可能性があります。

コンパクトなRV減速機と高剛性のハーモニック減速機のどちらを選ぶ場合も、事前に等価トルクと転倒モーメントを評価する必要があります。

条件3：高剛性が求められる小角度動作

半導体検査や精密組立の用途では、ヒステリシスの影響を特に受けやすい場合があります。

トルクが極めて小さい場合は、ハーモニック減速機が引き続き適した選択肢となる可能性があります。

小角度動作にラジアル予圧が加わる場合は、コンパクトなRV減速機または専用の高剛性ハーモニック減速機を評価する価値があります。

手首用減速機の追加確認項目

RV-10N、RV-20N、RV-40Nなど、定格トルクが約80～400 N·mとされる小型フレームのRV減速機では、主に次の項目を確認します。

- 許容出力回転速度

- ねじり剛性

- バックラッシ

- 運転温度における性能

ハーモニック減速機の受入判定は、GB/T 30819-2024の該当する等級に従って行います。

「≤10 arcsec」などのメーカー社内規格を、国家規格が定める普遍的な値として扱ってはなりません。

6. ロボットのペイロード別・減速機選定マトリクスの一例

以下のマトリクスは、お客様と減速機の構成を検討する際に、経験に基づく出発点として利用できます。

このマトリクスは参考例です。実際の選定は、各軸について算出した次の5つの要件に基づいて行います。

1. 等価トルク

2. ピーク荷重および衝撃荷重

3. 転倒モーメント

4. 許容バックラッシ

5. 目標耐用年数

7. 減速比とバックラッシ以外に考慮すべき点

1. 等価出力トルク

各運転条件の継続時間を考慮し、運転サイクル全体にわたるトルクを評価します。

最大瞬間値だけでは、減速機の長期的な負荷状態を把握できません。

 2. 許容加速トルクと最大瞬間トルク

加速・減速時の許容トルクと最大瞬間トルクを、それぞれ個別に確認します。

スポット溶接や研削用途では、工程に起因する衝撃に対する十分な余裕が必要です。

3. ロストモーション、バックラッシ、ヒステリシス、伝達誤差

これらのパラメータは、伝達性能の異なる側面を表します。

次の条件におけるデータを確認してください。

- 無負荷条件

- 定格負荷条件

- 運転温度条件

室温または無負荷時の仕様値だけでは、性能の全体像を把握できません。

4. ねじり剛性とモーメント容量

ねじり剛性は、対象となる負荷範囲全体にわたって評価します。

ロボット関節では、許容モーメント荷重とともに、曲げ剛性および転倒剛性も確認する必要があります。

5. 許容ラジアル荷重およびアキシアル荷重

出力トルクが許容範囲内に見えても、長いアームや偏心したペイロードによって大きな軸受荷重が作用する場合があります。

そのため、ラジアル荷重とアキシアル荷重の上限を個別に確認する必要があります。

6. 効率と温度上昇

定格運転点におけるカタログ効率≥85%は、予備的な伝達損失の見積もりに使用できます。

3交代での連続運転では、ハウジング温度と、それによって生じる熱的な運転条件を確認する必要があります。

7. 耐用年数とメンテナンス要件

関連するGB/T 35089、GB/T 37718、GB/T 37165、またはCR認証要件に基づき、バックラッシ、剛性、伝達誤差、モーメント容量、定格耐用年数を網羅するベンチ試験報告書を確認してください。

カタログの耐用年数は、一般に定められた速度および負荷条件を基準にしています。たとえば、特定の基準条件下で定格寿命を6,000時間とするシリーズもあります。

実際の用途における予想耐用年数は、デューティサイクルと負荷スペクトルを用いて評価する必要があります。

減速機が性能を無期限に維持すると表現するのは避けてください。より明確な仕様は、所定の運転条件および定期点検プログラムの下でのカタログ耐用年数目標を示すことです。

8. 特定のロボットプロジェクト向けにハーモニック減速機とRV減速機を選定する方法

6軸ロボットの最初の3軸にはRV減速機、最後の3軸にはハーモニック減速機を必ず使用する、という普遍的なルールはありません。

ベース軸と肩軸では、通常、RV減速機を用いた構成を出発点とします。

肘軸については、前腕の質量、ペイロードの分布、サイクル頻度に基づいて判断します。

手首軸ではハーモニック減速機が一般的な選択肢です。一方、スポット溶接ガン、重い治具、厳しい衝撃荷重がある場合は、コンパクトなRV減速機の評価が妥当です。

お客様への提案を作成する際は、各軸について次の5項目を算出してください。

- 運転サイクル全体にわたる等価トルク

- ピークトルクおよび衝撃荷重

- 転倒モーメント

- 許容バックラッシ

- 目標耐用年数

これらの結果に基づいて、適切なRV減速機またはハーモニック減速機のフレームサイズを決定します。

この方法は、「J1～J3にはRV減速機を使用する」と単純に述べるよりも、明確な技術的根拠を示せます。また、提案する構成を、ロボットの実際の運転要件に照らして説明しやすくなります。