ロボット関節モジュールの選定と使用方法

こんにちは。HONPINEのテクニカルディレクター、Theodore Liです。この記事では、HONPINE HPJMハーモニック関節モジュールシリーズを例に、ロボット関節モジュールの選定と試運転の方法を、機械的な取り付け、電気配線、通信設定、制御設定に分けて説明します。

ロボット関節モジュールは、駆動電子回路、減速機構、エンコーダ、ブレーキをコンパクトな円筒形ユニットに一体化したものです。ただし、モジュールを受け取っただけでは、ロボットをすぐに動かせるわけではありません。選定を誤ると配線や通信アーキテクチャの再設計が必要になり、接続が不適切な場合は、試運転中に通信エラーやアラームが繰り返し発生するおそれがあります。

導入の遅れにつながりやすいのは、製品選定から正常な稼働までをつなぐ明確な手順がないことです。全体の作業の流れを把握しておけば、エンジニアは不要な変更を避け、システムをより効率的に稼働させることができます。

1. ロボット関節モジュールの選び方：HPJMシリーズを例に

HONPINE HPJMシリーズは、外径30～170 mmを取り揃え、全サイズでシングルエンコーダ構成とデュアルエンコーダ構成を選択できます。器用な動作を行うハンドの小型関節から大型ヒューマノイドの股関節まで、さまざまなサイズの関節に対応する選択肢を提供します。

早い段階で決定しておくべき項目の一つが、通信インターフェースです。シングルエンコーダのHPJMモジュールはCAN通信を使用し、デュアルエンコーダ仕様はCANとEtherCATに対応しています。ハンド用途では、選定したアクチュエータやシステムアーキテクチャに応じてRS-485が一般的に使用されます。

HONPINEでは、機械設計を完了する前に、通信バスと電源供給のアーキテクチャを決めることを重視しています。これらの決定は、コントローラ、配線レイアウト、統合方法に影響します。試作機の組み立て後まで先送りすると、不要な変更が発生する可能性があります。

2. 一体型関節モジュールはなぜ取り付けやすく、使いやすいのか

最新の軽量関節モジュールの主な利点の一つは、統合作業の多くが工場で完了しており、顧客側での導入が簡素化されることです。HPJMハーモニック関節モジュールは、サーボドライブ、エンコーダシステム、フレームレス・トルクモータ、ブレーキ、ハーモニック減速機を一つのユニットに統合しています。

この一体型設計により、取り付けと運用が簡素化され、定期的なメンテナンスの負担も軽減されます。また、大径の中空穴にケーブルや空気圧チューブを通すスペースが確保されているため、ロボット内の配線を整理しやすくなります。

機械的な取り付けには、引き続き細心の注意が必要です。モジュールによって統合は簡素化されますが、取り付け精度は周辺構造によって確保する必要があります。取り付け面と位置合わせは、機械部品によって適切に整える必要があります。一体型設計であっても、正確かつ確実な取り付けが不要になるわけではありません。

3. 電気配線：電源と通信

電気配線には、電源と通信の2つの主な接続があります。接続を誤るとモジュールが動作しなかったり、試運転中に異常が発生したりするため、どちらも慎重に作業してください。

HPJMモジュールは、正極端子と負極端子が指定された角形電源コネクタを使用します。電源を接続する前に、対象モデルのコネクタ図面で極性を確認してください。CANインターフェースには、CAN HighのH、CAN LowのL、グランドのGという3つの接続があります。

EtherCATインターフェースには、INポートとOUTポートが個別にあり、通信信号はTx+、Tx−、Rx+、Rx−です。T568Bのケーブル色分けでは、それぞれ白／オレンジ、オレンジ、白／緑、緑に対応します。ケーブルを作成または確認する際は、必ずモジュール指定のコネクタピン配置に従ってください。

デュアルエンコーダモジュールでは、EtherCATとCANのインターフェースを併用できます。ただし、両方のインターフェースから制御コマンドを同時に有効にすることはできません。EtherCATがCANより優先されるため、コントローラの設定では、使用するコマンドソースを考慮する必要があります。

4. 通信設定：CANとEtherCAT

通信によって、個々の関節が連携して動作するロボットシステムを構成します。CANとEtherCATにはそれぞれ異なる設定要件があり、コントローラのプラットフォーム、関節数、必要な更新レートに応じて選択します。

HPJMシリーズのCAN通信速度は1 Mbpsです。モーター7台を使用する場合、通信更新レートは約300 Hzです。各モジュールには固有のCAN IDが必要です。複数のモジュールを使用するシステムでは、IDを順番に割り当てると管理、トラブルシューティング、拡張が容易になります。

HPJMシリーズは、100 MbpsのEtherCAT通信に対応し、最大4 kHzの通信更新レートをサポートしています。EtherCATは、複数のスレーブデバイス間で短い通信周期を維持できるように設計されています。ただし、実際に達成できる更新レートは、使用するマスター、ネットワーク構成、プロセスデータ要件に応じて確認してください。

EtherCATシステムは、マスターと複数のスレーブで構成されます。マスターには、TwinCATやCODESYSなどのソフトウェアプラットフォーム、またはInovanceやHCFAなどのメーカーが提供する互換性のあるPLCを使用できます。初期テストでは、TwinCATまたはCODESYSを実行するコンピュータを使うと、通信と基本動作を簡単に確認できます。

ネットワークを接続する際は、マスターのEtherCAT接続を最初のスレーブのINポートにつなぎ、そのスレーブのOUTポートを次のスレーブのINポートにつなぎます。残りのモジュールも同じ順序で接続してください。INからOUTへの正しい順序を維持すると、想定したネットワークトポロジーとスレーブ識別を保ちやすくなります。

5. 制御と試運転：関節を動かす

配線と通信設定が完了したら、次は関節がコントローラに正しく応答するようにします。動作モードには、位置制御、速度制御、電流またはトルク制御、力・位置ハイブリッド制御があります。これらのモードは、位置決めや軌道追従から、人、工具、周囲環境との柔軟な相互作用まで、幅広い用途に対応します。

HPJM関節モーターは、IEC 61800-7の枠組みとCiA 402ドライブ状態機械に準拠しています。実際の試運転は、初期化、無効状態、準備完了、有効化、運転の順に進みます。電源投入直後に動作コマンドを送るのではなく、コントローラから各状態遷移に適したコマンドを送信する必要があります。正確な遷移手順とcontrolwordの設定は、選定したモジュールのドキュメントに従ってください。

HPJMモジュールには、トラブルシューティングに役立つアラームコードと緑色・青色のステータスインジケータも備わっています。代表的な問題には、CANインターフェースを開けない、通信デバイスが別のアプリケーションによってすでに使用されている、ドライブチップの異常、過電圧、低電圧、エンコーダの異常などがあります。それぞれのトラブルシューティング手順では、これらの状態を確認して解決する方法を説明しています。

試運転中は、動作コマンドを送信する前に、statuswordと有効な故障情報を読み取ってください。実際の問題を特定しやすくなり、不要な試行錯誤を減らすことができます。

6. HONPINEが選定ミスの防止をサポートする方法

HONPINEは、さまざまな用途の要件に対応する複数のロボット関節モジュールシリーズを提供しています。当社のハーモニック関節モジュールには、HPJM、TCHL、HAGシリーズがあり、遊星関節モジュールには、JRMとHPAシリーズがあります。選定の初期段階で、お客様の予算と運転条件を確認し、適切な構成をご提案します。

ロボット関節モジュールを適切に導入するには、仕様の選定、正確かつ確実な取り付け、電気配線、通信ネットワークの設定、ドライブ状態機械に従った試運転という、互いに関連する5つのステップが必要です。各ステップが安定した動作につながり、初期段階の判断はその後の作業にも影響します。

HONPINEは、選定、試作、小ロット生産から量産納入まで、専任担当者による一対一の技術サポートを提供します。関節の負荷要件、コントローラのプラットフォーム、生産スケジュールをお知らせください。お客様の用途に適したロボット関節モジュールの選定をサポートします。