ヒューマノイドロボットの腕部・脚部向けロボット関節モジュールソリューション

ロボットアームの用途は、幅広い産業分野で急速に拡大しています。ロボット上半身は完全なヒューマノイドロボットの一部として構成できるほか、固定式ロボットアームと移動台車、または器用なハンドを備えたロボットアームと組み合わせることで、部品のピッキングおよび配置、ねじ締結、コネクタの挿抜、スイッチ操作、箱の搬送、電動工具の操作、ビジョンガイドピッキング、倉庫でのピッキング、自動車組立、3C電子機器組立、実験室作業、医療支援などの作業を実行できます。

これらの用途の中核となるのがロボット関節モジュールであり、必要な動作、トルク、精度、応答性を実現するうえで重要な役割を果たします。

小型関節では一般的に軽量性と高速応答性が優先される一方、大型関節にはより高いトルク密度と信頼性が求められます。優れた関節ソリューションは、単に同一モジュールを拡大または縮小することではありません。各関節は、その固有の負荷、可動範囲、制御要件に正確に適合させる必要があります。

HONPINEのロボット関節モジュールには、4つのハーモニック関節モジュールシリーズであるHPJM、TCHL、HAU、HAGに加え、遊星関節モジュールシリーズのHPAおよびJRMがあります。

本記事では、HONPINE HPJMシリーズを例に、ヒューマノイドロボットの上肢および下肢向けロボット関節モジュールソリューションをご紹介します。

ヒューマノイドロボット上肢関節ソリューション：肩・肘・手首のトルク別構成

手首と指：3～10 Nm

手首および指の関節は、ヒューマノイドロボットにおいて最も小型の関節の一つです。俊敏な動作を実現するため、極めて軽量で高速な応答性が求められます。

HONPINE HPJM-RE30-40シリーズは、わずか0.19 kgの重量で3.3～4.8 Nmのピークトルクを実現しており、手首、指、その他の末端関節に適しています。

24～48 Vの広い電圧範囲、CAN通信、高集積設計により、本モジュールは軽量ヒューマノイドロボット関節向けのコンパクトなソリューションを提供します。

肘：20～50 Nm

肘関節は、十分な可動範囲を確保しながら、前腕および手の負荷を支える必要があります。

HONPINE HPJM-RE50-60シリーズは、0.45 kgの重量で最大34 Nmのピークトルクを提供します。減速比は51、81、101から選択でき、ヒューマノイドロボットの肘関節に実用的な選択肢です。

より高いトルクが必要な用途向けに、HPJM-RE60-70シリーズは最大66 Nmのピークトルクを提供し、より高い可搬荷重要件に対応します。

肩：50～150 Nm

肩は上肢における最大級の関節の一つです。広い可動範囲を提供しながら、腕全体の重量を支える必要があります。

HONPINE HPJM-RE70-80シリーズは69～108 Nmのピークトルクを提供し、HPJM-RE80-97シリーズは最大217 Nmのピークトルクを実現します。これにより、軽負荷から高負荷用途まで幅広い肩関節の要件をカバーします。

デュアルエンコーダ版はCANとEtherCATの両方に対応し、複数のロボット関節間でより高精度な同期および協調制御を可能にします。

ヒューマノイドロボット上肢向け軽量設計

ヒューマノイドロボットの上肢関節に共通する優先事項は、重量の削減です。

同一サイズクラスの標準PROシリーズと比較して、HONPINE HPJM-REPRO-Sシリーズは約15%～30%軽量です。これは、システム全体の重量管理が重要となるヒューマノイドロボットにおいて、特に有用です。

ヒューマノイドロボット下肢関節ソリューション：高負荷と軽量設計の両立

下肢関節には、多くの上肢関節と比べて大幅に高い負荷および衝撃への対応が求められます。主な課題は、トルク容量、構造強度、応答性、重量のバランスを取ることです。

足首：30～80 Nm

足首関節はバランス維持において重要な役割を担い、十分なトルク容量と高速応答性の両立が求められます。

HONPINE HPJM-RE50-70およびHPJM-RE60-70シリーズは足首用途に使用でき、約0.6～0.8 kgの重量で34～66 Nmのピークトルクを提供します。

これにより、ヒューマノイドロボットの足首関節において、応答速度と負荷容量のバランスを実現します。

膝：80～200 Nm

膝関節は、歩行、しゃがみ動作、その他の動的動作中に大きな衝撃荷重を受けます。そのため、高いトルク容量と信頼性の高い動作が必要です。

HONPINE HPJM-RE80-97シリーズは121～217 Nmのピークトルクを提供し、HPJM-RE80-110シリーズは最大217 Nmのピークトルクを提供するため、これらのシリーズは幅広いヒューマノイドロボットの膝関節用途に適しています。

27 mmの貫通穴を備えた大径中空設計により、内部配線や空気圧・油圧ラインの通線が容易になります。

股関節：150～800 Nm

股関節は、ヒューマノイドロボットにおいて最も大型で高負荷となる関節の一つです。多軸動作を可能にしながら、ロボット全体の体重を支える必要があります。

HONPINE HPJM-RE100-120シリーズは267～459 Nmのピークトルクを提供し、HPJM-RE110-145シリーズは最大491～800 Nmのピークトルクを実現するため、高負荷の股関節用途向けに高トルクの選択肢を提供します。

本製品は、規定の連続トルク条件下で精度を維持しながら、10,000時間を超える耐用年数を備えており、長期的な運転信頼性を支えます。

ヒューマノイドロボットに統合型ハーモニック関節モジュールが重要な理由

ヒューマノイドロボットの下肢では、高い負荷容量と軽量構造の適切なバランスを実現することが、主要なエンジニアリング課題の一つです。

HONPINE HPJMシリーズは、ハーモニック減速機とフレームレストルクモーターを組み合わせ、コンパクトなパッケージで高いトルク密度を実現します。クロスローラーベアリングは、高いアキシアルおよびラジアル負荷容量を備えるとともに、衝撃荷重に対する優れた耐性を提供します。

この統合アーキテクチャは、ロボット関節に必要な主要部品をコンパクトなモジュールに統合し、関節アセンブリの複雑さと総重量の低減に役立ちます。

ロボット関節モジュールとヒューマノイドロボットアームの作業領域

ロボットアームの最も基本的な機能は、外側へ到達することです。しかし真の課題は、アームが十分に広い作業空間をカバーできるか、適切な姿勢で目標に到達できるか、そしてロボットのビジョンシステム、胴体、下肢と効果的に協調できるかにあります。

上肢は先端側の片持ち構造として機能するため、長いレバーアーム負荷が発生します。ヒューマノイドロボットでは、アーム自体の重量が股関節、腰部、下肢に大きな転倒モーメントを生じさせる可能性があります。

統合型ロボット関節モジュールは、用途に必要なトルク、制御、動作性能を維持しながら、各関節の重量と複雑さを低減できます。これにより、全身協調動作を支えながら、よりコンパクトで応答性の高いヒューマノイドロボットアームを実現できます。

HONPINEまでお問い合わせいただき、当社のロボット関節モジュールの詳細、およびお客様のヒューマノイドロボット用途に適した関節ソリューションについてご相談ください。