ロボット用回転関節：ロボット設計に適した関節アーキテクチャとは？

はじめに：ロボットの回転関節がますます重要になっている理由

ロボットは関節がなければ動くことができないが、ロボットシステムがより小型化、高度化、そして用途特化化するにつれて、ロボットの関節の役割は大きく変化してきた。

従来のロボットでは、回転関節はモーター、減速機、エンコーダー、サーボドライブ、ブレーキ、場合によってはトルクセンサーなど、複数の独立した部品を組み合わせて構築されることが多い。各部品はそれぞれ特定の機能を果たし、ロボットメーカーはそれらを統合して完全な関節を形成する責任を負う。

このアプローチは、多くの従来型産業用ロボットにとって依然として実用的です。しかし、現代のロボットに求められる要件はますます厳しくなっています。ヒューマノイドロボットには、小型軽量のアクチュエータが必要です。協働ロボットには、安全で応答性の高い動作制御が求められます。医療用ロボットは、サイズ、精度、清潔さに関して厳しい要件を満たす必要があります。特殊用途のロボットアームには、特殊な機械的インターフェース、内部ケーブル配線、またはカスタマイズされた関節寸法が必要となる場合があります。

その結果、ロボットメーカーが直面する問題は、もはやどのモーターやギアボックスを選ぶかという単純なものではなくなった。

より重要な問題は次のとおりです。

ロボットの各軸には、どのようなタイプのロボット関節構造を用いるべきでしょうか？

こうした状況において、統合型ロボット関節モジュールの価値はますます高まっている。

ロボットにおける回転関節とは何ですか？

回転関節は、ロボットの一方のリンクをもう一方のリンクに対して回転させることを可能にする。機械的な観点から見れば、これは単純なことのように思える。しかし、現代のロボットシステムでは、この関節はしばしば複数の機能を同時に実行する必要がある。

関節部は、トルクを発生させ、動作を伝達し、正確な位置フィードバックを提供し、ロボットコントローラと通信し、変化する負荷に動的に対応する必要があります。用途によっては、ブレーキ、トルクセンシング、温度監視、その他の安全機能も必要となる場合があります。

このため、現代のロボットの回転関節は、単なるモーターやギアボックスではなく、完全なメカトロニクス動作ユニットとして捉えるべきである。

この区別は、多軸ロボットを設計する際に特に重要となる。関節周辺に設置される追加部品はすべて、ロボットの利用可能なスペース、総重量、配線配置、機械構造、および制御アーキテクチャに影響を与える。

したがって、関節部は単なる独立した部品ではなく、ロボット全体の設計において重要な部分となる。

従来のアプローチ：個々の部品からロボット関節を構築する

長年にわたり、ロボットメーカーは個々の部品を選び、それらを内部に統合することで回転関節を設計してきた。

モーターは、必要な速度とトルクに応じて選定されます。次に、モーターと必要な出力性能に合わせて減速機が選定されます。位置フィードバックのためにエンコーダーが追加され、サーボドライブは通常、ジョイントの外側に設置されます。用途によっては、ブレーキ、トルクセンサー、追加のコネクタ、その他の電子部品が必要になる場合もあります。

このアーキテクチャは、エンジニアが各コンポーネントを個別に選択できるため、柔軟性に優れています。

しかし、その柔軟性は同時に、追加のエンジニアリング作業も生み出す。

モーターと減速機は適切にマッチングさせる必要があります。機械的なインターフェースを設計する必要があります。エンコーダー信号を制御システムに接続する必要があります。駆動装置を構成し、調整する必要があります。電源ケーブルと通信ケーブルをロボット内部に配線する必要があります。熱管理についても考慮する必要があります。

ロボットの構造が小型化・統合化するにつれて、これらの部品を配置できるスペースは減少する。

その結果、よくあるエンジニアリング上の問題が生じる。個々の部品はすべて仕様を満たしていても、それらをコンパクトで信頼性の高いロボット関節に統合することがますます困難になるのだ。

統合型ロボット関節モジュールがロボット設計を変革する理由とは？

統合型ロボット関節モジュールは、異なるアプローチを採用している。

モーター、トランスミッション、エンコーダー、ドライブ、その他の機能を完全に独立したコンポーネントとして扱うのではなく、それらを協調動作ユニットの一部として設計することができる。

その目的は、単に複数の製品を同じ筐体の中に収めることではない。

真の目的は、これらの機能間の機械的、電気的、および制御的なインターフェースを最適化することである。

これにより、関節周辺に必要な外部部品の数を減らし、ロボット全体の構造を簡素化できます。また、ロボットメーカーが異なるロボットプラットフォーム間で機械的および電気的なインターフェースを標準化しやすくなります。

複数の種類のロボットを開発している企業にとって、これは特に価値のあるものとなる。異なるロボット軸には、それぞれ異なるトルクレベル、寸法、伝達技術、またはセンシング構成が必要となる場合があるが、それでも共通の関節モジュール開発手法を用いることができる。

これにより、ロボット開発のよりモジュール化された方法が実現する。

ロボットはすべての軸に同じ関節構造を必要とするわけではない

ロボットの関節モジュールを選定する際に最も重要な考慮事項の一つは、同じロボットであっても、異なる軸によって要求される要件が全く異なる場合があるということです。

肩関節は、複数の下流リンクを支えるため、高い出力トルクと高い構造剛性が求められる場合があります。肘関節は、トルク、速度、重量、および動的応答のバランスが求められる場合があります。手首関節は、ロボットアームの先端に位置するため、低い慣性とコンパクトな寸法が優先される場合があります。

人型ロボットでは、この違いがさらに顕著になる。股関節や膝関節には相当なトルク容量が求められる一方、手首や手の関節には、コンパクトさ、軽量性、そして応答性の高い動作がより重視される。

同じ原理は、産業用ロボット、協働ロボット、医療システム、移動式マニピュレーター、特殊用途ロボットアームにも当てはまる。

したがって、ロボットの関節を選択する際には、ロボット全体に同じアクチュエータを選択するのではなく、まずその軸の機能から検討を始めるべきである。

ハーモニックジョイントモジュールとプラネタリージョイントモジュールは、異なる設計オプションを提供します。

統合型ロボット関節は、特定の伝達技術を一つだけ使用する必要はない。

異なる伝達機構は、異なる性能特性の組み合わせを提供できるため、ロボットシステムにおいて、ハーモニックジョイントモジュールとプラネタリージョイントモジュールの両方が重要な役割を果たしている。

ハーモニックジョイントモジュールは、高い減速比、コンパクトな寸法、低いバックラッシュ、そして高精度な位置決めが求められる用途において、効果的なソリューションとなり得ます。これらの特性により、ハーモニックトランスミッションは、設置スペースと位置決め性能が重要な多くのロボットジョイントにとって特に魅力的な選択肢となります。

遊星歯車機構モジュールは、速度、トルク、効率、剛性、およびシステム全体のコストのバランスにおいて、遊星歯車機構がより適している用途向けに、別のアプローチを提供する。

重要な点は、ロボットメーカーはまずどのギアボックス技術を使用するかを決定する必要がないということだ。

より優れたエンジニアリング手法は、まず関節の要件を定義し、次に適切なアクチュエータアーキテクチャを選択することである。

これにより、伝送技術は当初の制約要因ではなく、解決策の一部となる。

統合型ロボット関節モジュールはどのような問題を解決できるのか？

統合型ロボット関節モジュールの価値は、それが解決できる工学的問題という観点から見ると、より明確になる。

大きな課題の一つは、機械的な統合です。複数のコンポーネントを一つのアクチュエータとして設計することで、外部の機械的インターフェースの数を減らすことができます。これにより、関節ハウジングが簡素化され、ロボットの周辺構造の設計が容易になります。

もう一つの課題は配線です。現代のロボットには、電源ケーブル、エンコーダ接続部、通信線、空気圧配管、センサー配線などが含まれている場合があります。中空軸ジョイント構造と一体型コネクタは、特に複数の回転軸を持つロボットにおいて、より実用的な配線経路の選択肢を提供します。

3つ目の課題は、制御システムの統合です。駆動用電子機器と通信インターフェースをジョイントに統合することで、外部制御アーキテクチャをより小型化し、標準化を容易にすることが可能になります。

重量と慣性の問題もあります。ロボットのベースから離れた位置にある部品は、システム全体の動的負荷に大きな影響を与える可能性があります。そのため、軽量な一体型ジョイントは、ジョイント自体以外にも様々なメリットをもたらします。

最後に、統合モジュールは、ロボット開発時に必要となる反復的なエンジニアリング作業の量を削減できます。メーカーは、新しいロボットプラットフォームごとに同じモーター、減速機、エンコーダー、および駆動装置の組み合わせを統合する代わりに、確立されたジョイントモジュールアーキテクチャに基づいて作業を進めることができます。

小型ロボットにおいて、軽量なロボット関節がより重要になる理由とは？

ロボットに複数の可動リンクがある場合、軽量化は特に重要になる。

ロボットアームの先端付近にある関節は、自身の重量だけでなく、基部に近い関節にかかる負荷にも影響を与える。

これは、利用可能なモーターのトルクやバッテリー容量が限られているヒューマノイドロボットや小型ロボットアームにとって特に重要である。

例えば、手首関節の質量を減らすことで、肘関節や肩関節にかかる負荷に影響を与えることができる。この原理は、小型協働ロボットや軽量医療用マニピュレーターにも同様に当てはまる。

そのため、軽量設計を評価する際には、アクチュエータ1個の重量だけを見て判断すべきではない。

より重要な問いは、選択された関節がロボット全体の質量分布と動的性能にどのような影響を与えるかということである。

HONPINEのTCHLプラットフォームは、この要件に基づいて設計されており、コンパクトな構造と統合されたセンシング機能、そしてスペースと重量が特に制約される用途向けに柔軟な機械的設置オプションを組み合わせています。

トルクと剛性が最優先事項となるのはいつか？

軽量設計は必ずしも最優先事項ではない。

産業用ロボット、高負荷マニピュレーター、溶接システム、パレタイジング装置、その他の高負荷機械は、大幅に高い出力トルクと構造剛性を必要とする場合があります。

このような用途では、単に軽量化のためだけに極めて小型のアクチュエータを選択すると、別の問題が生じる可能性がある。

ジョイントは、必要な荷重に耐えられるだけでなく、十分な剛性と位置決め性能を維持できるものでなければならない。

HONPINEのHAGプラットフォームは、さまざまなジョイントサイズとトルクレベルに加え、ブレーキやトルクセンシングなどの設定可能な機能を提供することで、このようなニーズに対応します。

HPJM-PROは、トルク密度、高精度フィードバック、動的応答、およびドライブ統合が重要な高性能アプリケーション向けに、もう一つの統合アーキテクチャを提供します。

したがって、目的はすべてのロボット関節を可能な限り小さく、あるいは軽くすることではない。

目的は、各軸ごとに、トルク容量、剛性、速度、重量、精度、およびシステム統合の適切なバランスを見つけることである。

トルクセンシングにより、ロボット関節に新たなインテリジェンスが加わる

ロボットの用途によっては、位置と速度のフィードバックだけでは得られない、より多くの情報が必要となる場合がある。

ロボットが精密な組み立て、研磨、研削、柔軟な操作、または人間との物理的な相互作用を行う場合、制御システムは関節に作用する力やトルクを理解する必要がある場合があります。

これにより、トルクセンシング機能を統合した製品への需要が生まれる。

ロボット関節の周囲に別途トルク検出構造を追加する代わりに、アクチュエータの全体構造の一部としてトルク測定機能を組み込むように設計することができる。

HONPINE社のTCHLジョイントモジュールは、このアプローチの一例であり、出力側のトルクセンサーがジョイント構造に組み込まれている。

その利点は、ロボットがセンサーを一つ増やすというだけではない。

より大きな利点は、力覚センシング機能がアクチュエータ自体に組み込まれるため、応答性の高い物理的相互作用を必要とするアプリケーション向けに、閉ループの力および位置制御を開発しやすくなることである。

これは、協働ロボット、医療ロボット、ヒューマノイドロボット、研究プラットフォーム、その他環境との接触が重要な役割を果たすシステムにとって特に有益となる。

柔軟な機械的設置は、特殊なロボット設計において非常に重要となる可能性がある。

すべてのロボットが従来型の関節取り付け構造を使用できるわけではない。

特殊用途のロボットアーム、医療機器、研究プラットフォーム、およびカスタマイズされた自動化システムには、通常とは異なる機械的制約が存在する可能性がある。

アクチュエータは特定の方向から取り付ける必要がある場合があります。

ケーブルは接合部の中心を通る必要があるかもしれません。

ジョイントは、専用のロボットリンクに直接接続する必要がある場合がある。

このような状況では、ジョイントの機械的なインターフェースは、トルクや速度の仕様と同じくらい重要になる可能性がある。

複数の設置構成が可能なジョイントモジュールは、エンジニアがロボットの周辺構造を開発する際に、より大きな自由度を与えることができる。

これが、HONPINEのTCHLプラットフォームが、単一の取り付け方法に限定されることなく、柔軟な設置構成を取り入れている理由の一つです。

特注ロボットの場合、このような柔軟性によって、アクチュエータ周辺に必要な機械的な再設計の量を減らすことができる。

駆動装置はいつロボット関節に組み込むべきか？

駆動部を関節部に組み込むべきかどうかは、ロボットのアーキテクチャによって決まる。

ロボットによっては、外部サーボドライブで十分な柔軟性が得られ、メーカーが既に確立された制御盤と電気アーキテクチャを持っている場合、外部サーボドライブが好ましい場合がある。

しかし、小型ロボットの場合、外部駆動装置は追加のスペースと配線要件を生み出す可能性がある。

一体型駆動装置を用いることで、電子部品の一部をアクチュエータ本体に組み込むことができ、関節部周辺に設置する必要のある機器の量を削減できる。

これは、分散型アーキテクチャ、コンパクトな制御システム、または設置スペースが限られているロボットにとって有用である。

HONPINEの統合型関節プラットフォームは、駆動と通信の統合レベルを様々に調整できるため、すべてのアプリケーションに同じ構成を強制するのではなく、ロボットの制御要件に応じてアクチュエータのアーキテクチャを選択できます。

単一ジョイントモデルよりもジョイントモジュールプラットフォームの方が価値が高いのはなぜか？

ロボットメーカーが、生涯にわたって一つのロボットだけを開発し続けることは稀である。

ある企業は軽量のロボットアームから開発を始め、後に大型の協働ロボットを開発するかもしれない。また別の企業は、股関節、膝関節、肩関節、肘関節、手首関節など、それぞれ異なる要件を持つヒューマノイドプラットフォームを開発するかもしれない。

新しいロボットを開発するたびに全く新しいアクチュエータのアーキテクチャが必要になる場合、開発時間とエンジニアリングリソースが大幅に増加する可能性がある。

共同モジュールプラットフォームは、別のアプローチを提供する。

メーカーは、共通の開発フレームワークを維持しながら、アクチュエータのサイズや構成を様々に選択できる。

例えば、小型ロボットの軸は軽量な関節構造を採用する一方、高負荷がかかる軸はより大きなトルク容量を持つ大型の関節を採用する。物理的な相互作用を必要とする関節にはトルクセンシング機能を追加する一方、別の軸では速度と低慣性を優先する場合がある。

これにより、ロボットメーカーは拡張可能な関節構造を基盤とした製品群を構築することが可能になる。

それが、ロボット関節モジュールプラットフォームという概念がますます重要になってきている大きな理由の一つです。

HONPINEの統合型ロボット関節モジュールアプローチ

HONPINEは、単一の伝達技術にこだわるのではなく、ロボットの多様な要求という観点からロボット関節の開発に取り組んでいます。

同社の統合型ジョイント製品群には、調和ジョイントモジュールと遊星ジョイントモジュールソリューションが含まれており、用途に応じてさまざまな伝動アーキテクチャを検討することが可能となっている。

TCHLプラットフォームは、非常にコンパクトで軽量なロボット構造向けに、コンパクトな統合、柔軟な設置、およびオプションのトルクセンシングに重点を置いています。

高性能ロボットアプリケーション向けに、HPJM-PROはモーター、トランスミッション、フィードバック、および駆動機能をコンパクトなジョイントアーキテクチャに統合し、高度なモーションコントロール要件に対応するように設計されています。

産業用ロボットや高負荷用途向けに、HAGプラットフォームはより幅広いトルク容量と、ブレーキやトルクセンシングなどの設定可能な機能を提供します。

HONPINEは、遊星歯車機構が要求される性能とシステム設計により適している用途向けに、遊星歯車式ジョイントモジュールソリューションも開発しています。

この製品戦略の目的は、すべてのロボットに同じ関節を使用させることではない。

これは、ロボットメーカーにさまざまなアクチュエータアーキテクチャを提供することで、各ロボット軸の実際の要件に応じてジョイントを選択できるようにするためです。

統合型関節モジュールはロボット開発の方法を変える可能性がある

統合型ロボット関節モジュールによってもたらされる最も重要な変化は、単なる製品統合ではない。

これはエンジニアリングプロセスの変更です。

従来型の部品ベースのアプローチでは、機械エンジニア、電気エンジニア、制御エンジニアは、共同開発の際に複数の独立した部品を調整する必要がある場合が多い。

統合型ジョイントモジュールを使用することで、これらのインターフェースの多くをアクチュエータレベルで定義できるようになります。

これにより、ロボットメーカーは、機械構造、動作計画、制御アルゴリズム、知覚、ソフトウェア、アプリケーション開発といったロボットの中核機能に、より重点的に取り組むことができるようになる。

ロボット市場に新たに参入する企業にとって、これは特に価値のあるものとなり得る。

企業は、人工知能、マシンビジョン、物流自動化、産業用ソフトウェア、アプリケーションエンジニアリングなどの分野で優れた能力を持っているかもしれないが、モーター、減速機、エンコーダー、ドライブ、ロボットアクチュエーターをゼロから開発する豊富な経験を持っているとは限らない。

統合型ロボット関節モジュールは、ロボットプラットフォーム構築のためのより完全なハードウェア基盤を提供することができる。

ロボットに適した回転ジョイントの選び方とは？

ロボット軸の要件全体に基づいて、適切なロボット回転ジョイントを選定する必要があります。

最初に考慮すべき点は通常、出力トルクだが、トルクだけでは十分ではない。

必要な速度、加速度、許容重量、設置スペース、位置決め性能、構造剛性、トランスミッション構造、およびデューティサイクルはすべて、最終的な選定に影響を与える。

制御アーキテクチャも考慮する必要があります。ロボットによっては外部駆動装置が必要な場合もあれば、駆動装置と通信インターフェースが一体化されている方が有利な場合もあります。

ロボットが物理的な相互作用を行う場合、力覚またはトルク感知が重要な要件となる可能性がある。関節が垂直軸に設置されている場合は、安全のためにブレーキも必要となる場合がある。

機械的な設置方法も軽視すべきではありません。中空軸の経路、コネクタの位置、取り付け方向、および利用可能な設置スペースは、ジョイントの実用性に大きく影響します。

そのため、ロボット関節の選定は、個々の仕様を単純に比較するのではなく、最終的にはシステムレベルのエンジニアリング上の決定となる。

ロボット用回転関節の未来

ロボット用回転関節の今後の開発は、より高度な統合、モジュール化、および用途に応じた構成へと向かう可能性が高い。

しかし、これは一つの伝送技術が他のすべての伝送技術に取って代わるという意味ではない。

高調波伝達は、コンパクトな寸法、高い減速比、低いバックラッシュ、および精密な動作が求められる用途において、今後も重要な役割を果たし続けるでしょう。

遊星歯車機構は、速度、トルク、効率、剛性、コストパフォーマンスの優れた組み合わせを実現できる特性を備えている場合、今後も価値を持ち続けるだろう。

同時に、モーター、エンコーダー、ドライブ、通信インターフェース、ブレーキ、センシング技術は、関節レベルのプラットフォーム全体にますます統合されていくでしょう。

そのため、業界は部品選定から統合アーキテクチャ選定へと移行しつつある。

これはロボットメーカーにとって重要な変化だ。

ロボットにどの個々の部品を取り付けるべきかを問う代わりに、エンジニアはまず、関節全体が何を達成する必要があるかを定義することから始めることができる。

結論：適切なロボット関節構造の選択

現代のロボットの回転関節は、単にモーターとギアボックスを接続しただけのものではない。

これは、発電、伝送、フィードバック、制御、センシング、通信、制動、および機械的統合を組み合わせた完全なモーションユニットとなり得る。

ロボットの軸によっては、統合型ハーモニックジョイントモジュールが、精度、コンパクトさ、減速比の最適な組み合わせを提供する場合があります。

その他の用途においては、遊星歯車機構モジュールの方が、速度、トルク、効率、剛性、およびシステム要件のバランスがより優れている場合がある。

重要な点は、すべてのロボットに同じアクチュエータアーキテクチャを強制しないことである。

より良いアプローチは、ロボットの実際の要件に応じて、各軸に適した関節構造を選択することである。

これは、HONPINEが統合型ロボット関節モジュール製品群で追求している方向性です。

HONPINEは、ハーモニックジョイントモジュール、プラネタリージョイントモジュールソリューション、さまざまなトルク範囲、センシングオプション、ドライブ構成、およびメカニカルインターフェースを組み合わせることで、単なるモーターやギアボックス以上のものを求めるロボットメーカーをサポートします。

目標は、ロボットの構造、制御システム、および用途の要件に合わせて調整可能な、完全なロボット関節ソリューションを提供することです。

ロボット用回転関節の未来は、万能なアクチュエータを見つけることではなく、ロボットに最適な関節構造を選択することにある。