デュアルエンコーダ搭載ロボット関節モーター：ハーモニック減速機のバックラッシを低減し、位置精度を向上させる方法

導入

ロボット関節モーターは、単にモーターとギアボックスを組み合わせたものではありません。高性能なロボット関節では、モーターのトルク、減速機構、エンコーダーのフィードバック、機械的剛性、制御アルゴリズム、出力精度といった要素がすべて連携して、最終的な動作性能を決定します。

これは、ロボット関節モーター内部に高調波減速機を使用する場合に特に重要になります。

ハーモニック減速機は、高い減速比、コンパクトなサイズ、高いトルク密度、そして非常に低いバックラッシュといった特長を持つため、ロボット関節に広く採用されています。しかし、市場ではしばしば誤解されている技術的な点があります。それは、ハーモニック減速機は文字通りバックラッシュがゼロではないということです。

多くのメーカーは、マーケティング目的で高調波減速機を「バックラッシュゼロ」と表現しています。しかし、工学的な観点から言えば、特定の運転条件下でバックラッシュが極めて低い、あるいはゼロに近づくと表現する方がより正確です。

機械的なバックラッシュが極めて小さい場合でも、ロボット関節の実際の出力位置は、伝達誤差、弾性変形、ねじりコンプライアンス、負荷変動、ベアリング変形、組み立て公差などの要因によって影響を受ける可能性があります。

ここで、ロボット関節モーターのフィードバックアーキテクチャが非常に重要になる。

単一のモータ側エンコーダは、モータの回転方向をコントローラに伝えます。デュアルエンコーダ構成では、出力側に測定ポイントが追加されるため、コントローラは減速機構後の実際の状況を把握できます。

高精度かつ高ダイナミックなロボットの場合、この違いは位置決め、軌道追跡、力制御、および動作安定性に大きな影響を与える可能性があります。

高調波減速機のバックラッシュは極めて低いが、文字通りゼロではない。

ロボット工学における高調波減速機の人気は、コンパクトなパッケージ内で非常に低いバックラッシュの伝達構造を実現できる能力と密接に関係している。

従来の歯車減速機とは異なり、ハーモニックトランスミッションは、フレキシブルスプライン、円形スプライン、および波発生器を使用して、制御された弾性変形によって高い減速比を実現します。

この構造により、製造業者は噛み合う部品間の機械的な隙間を最小限に抑えることができる。

その結果、ハーモニック減速機は、多くの従来型減速機構と比較して、極めて小さなバックラッシュレベルを実現できる。

しかし、極めて低いバックラッシュを、必ずしも絶対ゼロのバックラッシュと表現すべきではない。

実際の機械システムでは、出力位置のずれにはいくつかの要因が影響する可能性があります。これには、製造公差、組み立て条件、予圧、摩耗、温度、荷重方向、弾性変形、および動作条件の変化などが含まれます。

したがって、ロボット関節モーターを評価するエンジニアは、次の3つの異なる概念を区別する必要がある。

バックラッシュとは、動作の反転に伴う機械的なクリアランスまたは遊びを指します。

伝送誤差とは、理論上の伝送挙動と実際の伝送挙動との差を表すものです。

弾性変形とは、トルクや外部荷重によって伝動装置や機械構造が変形する際に発生する現象である。

これらの効果は関連しているが、全く同じではない。

この区別は、ロボットが変化する負荷を運搬しながら高い位置決め精度を維持する必要がある場合に特に重要となる。

バックラッシュが低いからといって、必ずしも出力精度が高いとは限らないのはなぜか？

バックラッシュが極めて小さいハーモニック減速機を使えば、自動的に同等の精度を持つロボット関節が実現できると考えるのは魅力的である。

実際には、機械式伝動装置は完全な運動連鎖の一部に過ぎない。

ロボット関節モータは、モータ、高調波減速機、およびモータ側エンコーダから構成されるものと仮定する。

エンコーダはモータ軸の回転位置を測定します。そのため、コントローラはモータが指令された位置に到達したかどうかを判断できます。

しかし、モーターシャフトはロボット関節の最終出力ではない。

モーターとロボットリンクの間には、ハーモニックトランスミッション、ベアリング、ハウジング、出力フランジ、および機械構造が配置されている。負荷が変化すると、各コンポーネントが最終的な出力位置に影響を与える可能性がある。

例えば、ロボットが急加速したり、急停止したり、方向転換したり、外部からの力を加えたりすると、関節を通して伝達されるトルクは大きく変化する。

モータ側のエンコーダはモータが指令位置に到達したことを示す可能性があるが、出力フランジでは伝動機構や機械構造によって生じる、小さくても測定可能な差が生じる可能性がある。

これが、モータ位置フィードバックと出力位置フィードバックが必ずしも同じものではない理由です。

高度なロボットアプリケーションにおいては、エンジニアはモーターエンコーダーの分解能だけに注目するのではなく、フィードバックチェーン全体を考慮する必要性がますます高まっている。

単一エンコーダーで何がわかるのか、何がわからないのか？

従来のロボット関節モーターでは、モーター側にエンコーダーが1つ使用される場合がある。

この構成にはいくつかの利点がある。比較的シンプルでコンパクト、費用対効果が高く、多くの用途に十分対応できる。

モータ側のエンコーダは、モータの位置と速度に関する重要な情報をコントローラに提供します。整流、速度制御、位置制御、その他のサーボ機能に対応できます。

しかし、これは出力軸の実際の角度位置を直接測定するものではありません。

この区別は、削減率が高くなるにつれてより重要になる。

コントローラはモータ位置と減速比から理論上の出力位置を計算するかもしれないが、計算された位置は依然として、トランスミッションが想定どおりに動作するという仮定に基づいている。

実際の動作条件下では、トランスミッションに弾性変形やその他の位置ずれが生じる可能性があります。

中程度の精度しか必要としないロボットにとっては、これは大きな制約とはならないかもしれない。

しかし、高精度ロボットアーム、ヒューマノイドロボット、医療ロボット、力制御マニピュレーター、その他高い応答性を必要とするシステムにおいては、計算された出力位置と実際の出力位置との差がはるかに重要になる。

デュアルエンコーダはフィードバックアーキテクチャをどのように変えるのか？

デュアルエンコーダー式ロボット関節モーターは、一方のエンコーダーをモーター側に、もう一方のエンコーダーを出力側に配置する。

2つのエンコーダは、動作連鎖の異なる部分を観測する。

モータ側のエンコーダは、主にモータの位置と速度に関する情報を提供する。

出力側エンコーダは、関節出力の位置を直接測定する。

コントローラは、2つのフィードバック信号を比較することで、伝送がどのように動作しているかを把握できる。

これは、2つ目のエンコーダーが機械的なバックラッシュを魔法のように取り除くという意味ではありません。

その代わりに、単一のエンコーダでは提供できないもの、つまり実際の出力位置に関する直接的な情報を提供する。

この追加フィードバックにより、制御システムは伝達特性や負荷依存の変形によって生じる位置のずれを特定し、補正することができる。

ロボット関節モーターの場合、これによりより完全な閉ループ制御アーキテクチャが構築される。

デュアルエンコーダーは、モーターの動きと実際の関節の動きを分離するのに役立ちます

デュアルエンコーダーの主な利点は、単に「解像度が高い」ということではありません。

これはより包括的なフィードバックです。

モーター側のエンコーダーのみの場合、コントローラーは主に以下の情報を把握します。

モーターがどれだけ回転したか。

出力側エンコーダを使用すると、コントローラは以下のことも判断できます。

ロボット関節の出力が実際にどれだけ回転したか。

この区別は、ロボットが動的な負荷を受ける場合に重要となる。

加速、減速、方向転換、または外部との接触時には、トランスミッションシステムは理想的な剛体機械モデルとは異なる挙動を示す可能性がある。

モーター側と出力側の測定値の差は、この挙動に関する有用な情報を提供する。

高性能ロボット関節モーターの場合、この追加情報は、より正確な位置制御とより優れた補償戦略を支援するのに役立つ。

また、関節にかかる負荷が変化した場合でも、システムの軌道精度を維持する能力を向上させることができる。

なぜこれが高ダイナミックロボットにとってより重要なのか？

ロボットの動作がより高速かつ動的になるにつれて、出力側フィードバックの必要性はますます重要になる。

比較的単純な動作を行う低速ロボットは、小さな伝達誤差を許容できる可能性がある。

高速で連続軌道追跡を行うロボットは、許容誤差がはるかに小さい。

方向転換を頻繁に行ったり、周囲の環境と相互作用したりするロボットについても、同様のことが言える。

人型ロボットは特に良い例と言えるでしょう。

人間型ロボットは、歩行、バランス保持、物の把持、物体の操作、環境との相互作用を行う際に、関節にかかる負荷を継続的に変化させる。

膝、足首、股関節、肩、肘、手首は、常に負荷がかかっている状態では動作しない。

関節モーターは、絶えず変化するトルクと位置の要求に対応しなければならない。

このようなシステムでは、モーター側のフィードバックだけに頼ると、実際の出力状態に関する十分な情報が得られない可能性がある。

デュアルエンコーダアーキテクチャにより、コントローラは実際の機械的出力により近い別の測定ポイントを得ることができる。

精度と負荷が同時に変化する場合に、デュアルエンコーダは特に有効です。

ロボットが負荷の変化下でも精度を維持しなければならない場合、位置精度の確保はより困難になる。

ロボットアームが、何も積んでいない状態から重い部品をつかむ状態へと移動する様子を想像してみてください。

指令された関節位置は変化しない場合もあるが、トランスミッションに加わるトルクは大幅に変化する。

機械システムはこのトルクに反応する。

たとえ高調波減速機のバックラッシュが極めて小さくても、伝動装置や構造部品は無限に剛性があるわけではない。

したがって、わずかな弾性変形でも実際の出力位置に影響を与える可能性がある。

モータ側のエンコーダ単体では、この出力側の偏差を直接観測することはできない。

デュアルエンコーダーシステムなら可能です。

このため、デュアルフィードバックは、精密組立、ロボット研磨、医療操作、高度な研究用ロボット、高性能協働ロボットなどの用途において特に価値が高い。

エンコーダーの解像度とロボット関節の精度が同じでないのはなぜか？

ロボット関節モーターの選定におけるもう一つのよくある誤解は、エンコーダーのビット数が多いほど、ロボット関節の精度が自動的に向上するというものです。

そうではありません。

エンコーダの分解能とは、エンコーダが回転位置をどれだけ細かく分割できるかを示すものです。

実際のシステム精度は、はるかに多くの要因の組み合わせに依存します。

これらには、エンコーダの精度、設置許容誤差、偏心、温度変化、機械的伝達誤差、構造剛性、校正、制御アルゴリズム、および負荷条件が含まれます。

例えば、モータ側のエンコーダの分解能を上げても、出力側の変形が必ずしも解消されるとは限らない。

そのため、17ビットエンコーダをより高解像度のエンコーダに交換するだけでは、ロボットの関節精度が期待どおりに向上しない可能性があるのです。

要求の厳しいアプリケーションの場合、エンジニアはエンコーダーの解像度だけに注目するのではなく、フィードバックアーキテクチャ全体を評価する必要があります。

アブソリュートエンコーダとデュアルエンコーダは、それぞれ異なる問題を解決する。

アブソリュートエンコーダとデュアルエンコーダは、まるで競合する技術であるかのように議論されることがある。

それらは実際には異なる問題を解決する。

アブソリュートエンコーダは、シャフトの絶対的な角度位置を検出します。

デュアルエンコーダアーキテクチャは、機械式伝達機構内の2つの異なる点の位置を特定する。

したがって、ロボット関節モータは、絶対エンコーダとデュアルフィードバックを同時に使用することができる。

例えば、絶対位置エンコーダーは電源投入後に正確なモータ位置情報を提供できる一方、出力側エンコーダーはロボット関節の出力から直接フィードバックを提供する。

この組み合わせにより、機械的なホーミングの必要性を低減できると同時に、位置フィードバックシステムの精度も向上させることができる。

ヒューマノイドロボットや協働ロボットなど、頻繁な機械的なホーミングが不便または望ましくない場合、このアーキテクチャは特に有用である。

ロボット関節モーターは、どのような場合にデュアルエンコーダーを使用すべきか？

すべてのロボット関節にデュアルエンコーダが必要なわけではない。

その決定は、ロボットの実際の性能要件に基づいて行うべきである。

アプリケーションの速度が比較的遅く、負荷も低く、位置決め誤差が中程度まで許容できる場合、モーター側に単一のエンコーダーを使用することで、性能、複雑さ、コストの適切なバランスが得られる可能性があります。

しかし、ロボットが動的な負荷の下で高い位置決め精度を必要とする場合、デュアルエンコーダはますます魅力的な選択肢となる。

これらは、関節が精密な軌道追跡、頻繁な方向転換、可変荷重、力の相互作用、または高度な閉ループ制御をサポートする必要がある場合に特に重要です。

したがって、重要な問題は次のとおりではない。

「すべてのロボットにデュアルエンコーダーが必要なのか？」

より適切な質問は次のとおりです。

「このロボットは、実際の関節出力からの直接的なフィードバックを必要としますか？」

答えがイエスであれば、デュアルエンコーダー搭載のロボット関節モーターを真剣に検討する価値がある。

統合型ロボット関節モーターの役割

エンコーダーのアーキテクチャは、現代のロボット関節を構成する要素の一つに過ぎない。

従来のロボット設計では、サーボモーター、独立した高調波減速機、外部エンコーダー、外部ドライバー、ブレーキ、および複数のケーブルが組み合わされていることが多い。

このアプローチは柔軟性をもたらす一方で、ジョイント全体のサイズ、重量、配線の複雑さ、および統合作業量を増加させる可能性もある。

一体型ロボット関節モーターは、これらのコンポーネントのいくつかを単一のコンパクトなモジュールに統合したものです。

アーキテクチャによっては、モジュールにモーター、高調波減速機、エンコーダシステム、ドライバー、ブレーキ、トルクセンサー、および通信インターフェースを統合することができます。

これにより、エンジニアリング上の課題は、各関節部品を個別に設計することから、ロボットに適した統合型関節アーキテクチャを選択することへと変化する。

特殊なロボットアーム、ヒューマノイドロボット、協働ロボット、医療機器、精密自動化システムなどを開発するロボットメーカーにとって、これは機械的および電気的な統合を大幅に簡素化できる。

HONPINEはデュアルエンコーダー搭載ロボット関節モーターの設計にどのように取り組んでいるのか？

HONPINEは、モーター性能、伝達機構、フィードバック、機械的統合、および制御が一体システムとして機能する必要がある用途向けに、統合型ロボット関節モジュールを開発しています。

HONPINEは、高調波減速機を独立した伝達部品として扱うのではなく、さまざまなロボットアーキテクチャの要件に応じて、減速機をモータ、エンコーダ、ドライブ、その他の機能要素と統合します。

TCHLシリーズは、重量、設置スペース、出力フィードバック、トルクセンシングが特に重要な、非常にコンパクトなロボット関節に特化しています。内蔵トルクセンサーと柔軟な接続構造により、コンパクトで力覚認識機能を備えた関節を必要とする用途に適しています。

HAGシリーズは、高分解能アブソリュートエンコーダ、オプションのデュアルエンコーダフィードバック、トルクセンシング、ブレーキ、産業用通信オプションなど、幅広いトルクおよび構成オプションを提供します。そのため、協働ロボットやヒューマノイド関節から産業用ロボットアーム、精密自動化まで、幅広い用途に適しています。

HPJM-PROシリーズは、高トルク密度、統合型駆動エレクトロニクス、高精度フィードバック、コンパクトな機械的統合を必要とする、高性能ロボットおよび自動化アプリケーション向けに設計されています。

重要な点は、これらのプラットフォームはすべてのロボットを同じ関節構造に強制することを目的としていないということだ。

ロボットシステムの種類によって、トルク、速度、重量、精度、センシング、ブレーキ、通信、設置に関する要件は異なります。

したがって、適切な関節モータのアーキテクチャは、ロボットの実際の機械的要件および制御要件に応じて選択する必要がある。

低バックラッシュから完全な出力フィードバックまで

ロボット関節技術の開発は、減速機のバックラッシュが低いかどうかという単純な問題を超えて進んでいる。

次世代のロボットシステムにおいては、エンジニアは動作連鎖全体を考慮する必要がある。

ハーモニック減速機は、極めて低いバックラッシュと高い減速比を実現できる。

高解像度エンコーダは、正確な角度測定を可能にする。

強力なモーターは、高いトルクとダイナミックな加速を生み出すことができる。

しかし、これらの構成要素は、機械的な伝達機構、フィードバックシステム、制御アーキテクチャ、および構造設計が適切に適合した場合にのみ、その真価を発揮する。

そのため、モーターの位置だけでなく実際の出力位置も重要な用途において、デュアルエンコーダー搭載のロボット関節モーターは重要なソリューションになりつつあります。

目的は、デュアルエンコーダが高調波減速機のバックラッシュを「解消する」と主張することではありません。

目標は、実際の関節出力をより正確に測定し、伝達関連の誤差や負荷依存の変形を補正するために必要な情報をコントローラに提供することです。

それは、はるかに意義のある工学的利点である。

適切なロボット関節モーターアーキテクチャの選択

ロボット関節用モーターを選定する際には、定格トルクと減速比だけでなく、他にも評価すべき点がある。

フィードバック機構は、機械的な伝達機構と同時に検討されるべきである。

コンパクトなサイズと軽量性が求められる用途では、一体型ジョイントモーターを使用することで、個別のモーター、減速機、ドライバー、配線部品が占めるスペースを削減できます。

高い位置決め精度が求められる用途では、モーターエンコーダの分解能を単純に向上させるよりも、出力側のフィードバックの方が重要になる場合がある。

物理的な接触、力制御による組み立て、研磨、または人間とロボットの相互作用を伴う用途では、統合されたトルクセンシングは、フィードバックの重要なレイヤーをもう1つ提供することができる。

垂直継手の場合、一体型ブレーキは停電時の安全性を向上させることができる。

分散型ロボットアーキテクチャの場合、EtherCAT、CANopen、またはその他の通信インターフェースを統合することで、システムレベルの統合を簡素化できます。

したがって、最適なロボット関節モーターは、必ずしもあるカテゴリーにおいて最高の仕様を持つものとは限らない。

それは、機械的な伝達機構、フィードバック構造、センシング能力、駆動システム、および物理的な寸法が、ロボットの実際の要求に合致するものである。

結論

ハーモニック減速機は、コンパクトなサイズ、高い減速比、高いトルク密度、そして極めて低いバックラッシュを兼ね備えているため、高性能ロボット関節にとって最も重要な伝達技術の一つであり続けている。

しかし、極めて低いバックラッシュは、文字通りのゼロバックラッシュと混同してはならない。

さらに重要なのは、機械的なバックラッシュが低いだけでは、動的負荷下での出力位置が完全に正確であるとは限らないということである。

ロボットがより高速化、軽量化、柔軟性の向上、そしてインタラクティブ性の向上を遂げるにつれて、モーターの位置と実際の関節出力との関係がますます重要になってきている。

単一のエンコーダがモーター側を測定します。

デュアルエンコーダーアーキテクチャは、出力側からの直接的なフィードバックを追加する。

この追加情報により、制御システムは伝達動作をより正確に把握し、機械的特性や負荷の変化によって生じる位置ずれを補正することができる。

このため、デュアルエンコーダを備えたロボット関節モータは、高精度かつ高ダイナミックなロボットアプリケーションにおいて特に価値が高い。

HONPINEは、TCHL、HAG、HPJM-PROなど、複数の統合型ロボット関節モータープラットフォームを提供しており、ロボットメーカーは、用途の要件に応じて、モーター性能、高調波伝達、エンコーダーフィードバック、トルクセンシング、ドライブ統合、ブレーキ、通信などのさまざまな組み合わせを選択できます。

ロボット関節設計の未来は、単に仕様書上の「バックラッシュゼロ」を達成することだけにあるのではない。

それは、実際の動作条件下で必要な出力性能を発揮する、測定可能で制御可能かつ統合されたモーションシステムを構築することである。