ヒューマノイドロボット向けハーモニック関節アクチュエータの総合ソリューション：HPJMシリーズ選定ガイド

ヒューマノイドロボットでは、ペイロード容量、動作速度、位置決め精度、動的応答性、全体重量のバランスを取るため、関節駆動システムを綿密に連携させる必要があります。各関節に適切なハーモニック関節アクチュエータを選定することは、安定した歩行、精密な操作、長期にわたる信頼性の高い動作を実現するうえで不可欠です。

こんにちは。HONPINEのテクニカルディレクター、Theodore Liです。これまでの記事では、肩、腰、腕、脚など、ヒューマノイドロボットの個々の関節向けのハーモニック関節アクチュエータソリューションについて解説してきました。記事の公開後、LinkedInで複数の読者から、ヒューマノイドロボット全体を対象とする、より包括的なソリューションについて質問をいただきました。

本ガイドでは、HONPINE HPJMハーモニック関節アクチュエータシリーズの実際のモデルを用いて、ヒューマノイドロボットの関節駆動システム全体をどのように構成するかを説明します。関節の配置、トルク要件、減速比、動的性能、ブレーキ構成に関する推奨事項を紹介し、エンジニアが全身の関節選定を進めるための実用的な出発点を提供します。

最終的な構成は、ロボットの重量、ペイロード、関節形状、必要な動作プロファイル、熱的制限、安全要件に照らして、必ず検証してください。

1. ヒューマノイドロボットのハーモニック関節アクチュエータシステムにおける基本的な選定原則

個々のHPJMモデルを選定する前に、エンジニアはロボット全体の性能に影響を与える4つの基本原則を理解しておく必要があります。

1.1 末端関節には軽量型、基部関節には高トルク型

手首と足首は、ロボットの主構造による支持部から比較的離れた位置にあります。その質量と回転慣性は、動的応答性や制御性能に大きく影響する場合があります。そのため、必要なトルクを確保できる場合は、軽量でコンパクトなハーモニック関節アクチュエータが適しています。

一方、肩、股関節、膝関節は、接続された構造体の重量、ペイロードによる力、動作中に生じる動的荷重など、大きな負荷に対応する必要があります。これらの関節には一般に、より高いトルク容量と十分な過負荷余裕が求められます。

目的は、すべての関節に可能な限り大型のアクチュエータを取り付けることではありません。不要な質量や慣性を抑えながら、各アクチュエータを機械的負荷に適合させることが重要です。

1.2 上半身は精度重視、下半身は動的性能重視

上半身の関節は、把持、組み立て、遠隔操作、人間とロボットのインタラクションを支えます。こうした用途では、正確な位置決め、滑らかな動作、低速時の制御性が重視されることがよくあります。

下半身の関節は、歩行、しゃがみ動作、バランス回復、接地時の衝撃管理を担います。通常、トルク容量、出力速度、加速度、動的応答性がより重視されます。

この違いは、HPJMハーモニック関節モータのモデルと減速比を選定する際の有用な出発点になります。ただし、関節ごとに要件が異なる場合があります。

1.3 使用条件に応じて減速比を選択する

減速比は、出力トルク、速度、反射慣性、ハーモニック関節アクチュエータ全体の制御特性に影響します。

本ガイドで取り上げるHPJMの構成では、51:1と101:1が重要な選択肢です。

減速比51:1：モータの速度とトルクの制限内で、より高い出力速度と動的応答性が必要な関節に適した選択肢となる可能性があります。

減速比101:1：比較的低速で、より大きなトルク増幅と微細な位置決めを重視する関節に適した選択肢となる可能性があります。

減速比を高くしても、位置決め精度の向上や、より優れた力制御が自動的に保証されるわけではありません。実際の性能は、エンコーダ分解能、減速機の特性、モータ制御、摩擦、コンプライアンス、制御アーキテクチャにも左右されます。

減速比だけでなく、関節に必要な速度とトルクの範囲に基づいて適切な比率を選定してください。

1.4 システムの安全設計の一環としてブレーキ構成を検討する

HPJMシリーズには、モデルに応じて、保持ブレーキを内蔵した構成と内蔵していない構成があります。

ブレーキは、電源が遮断されたときに関節の位置を保持するのに役立ちます。特に、腕を吊り下げた状態で支える関節や、ロボットの重量を支える関節で有効です。ただし、ブレーキはシステム全体の安全設計に代わるものではありません。

ブレーキの選定では、保持トルク、作動・解除のタイミング、非常停止時の動作、ブレーキの摩耗、停電が機械系に及ぼす影響を考慮する必要があります。

ヒューマノイドロボットでは、各関節と動作条件に応じてブレーキ要件を個別に評価してください。

2. 上半身の関節全体の選定：精度、重量、トルクのバランス

上半身には、手首、肘、肩、腰の関節が含まれます。関節ごとに役割が異なるため、アクチュエータの仕様はそれぞれの機械的要件に合わせる必要があります。

精度が重視される用途では、必要な出力速度と動的応答性がアクチュエータの動作限界内に収まる場合、101:1などの高い減速比が適することがあります。

2.1 手首関節：HPJM30-40-PRO-101

手首は腕の末端近くに位置し、手や巧緻性グリッパの向きを制御します。微細な位置決め、小型部品の取り扱い、精密組み立て、繊細なインタラクションにおいて重要な役割を果たします。

HPJM30-40-PRO-101は、コンパクトな寸法とアクチュエータの軽量性が重要となる手首用途の候補です。

小型のフォームファクタは、肘や肩に加わる追加の慣性を抑えるのに役立ちます。ロボットが手を繰り返し加速・減速させたり、向きを変えたりする必要がある場合に、特に有効です。

101:1の減速構成は、制御された低速動作に大きなトルク増幅をもたらす可能性があります。実際の位置決め性能と制御可能な最小出力トルクは、想定する負荷条件で検証する必要があります。

想定される用途：

• 精密な位置合わせと小型部品の組み立て

• 巧緻性ロボットハンドの手首の向き制御

• 遠隔操作ロボットシステムにおける微細操作

• 軽量物体との制御されたインタラクション

選定時の考慮事項：アクチュエータを大型化すると、トルク容量を高められる一方で、末端部の質量や慣性も増加する可能性があります。大型モデルに変更する前に、追加の容量が本当に必要かどうかを検証してください。

2.2 肘関節：HPJM40-52-PRO-101

肘関節は前腕、手首、エンドエフェクタを支えます。作業範囲全体で腕を伸ばす、持ち上げる、保持する、制御しながら動かすために、十分なトルクを発生させる必要があります。

HPJM40-52-PRO-101は、アクチュエータのサイズと出力トルクのバランスが求められる用途の候補です。

仕様上のトルク値は次のとおりです。

• 定格トルク：8.9 N·m

• ピークトルク：25 N·m

定格値とピーク値は、それぞれ異なる用途で評価します。定格トルクは連続動作時の負荷と熱的制限に照らして評価し、ピークトルクは許容される継続時間とデューティサイクルを考慮する必要があります。

必要な速度とトルクがアクチュエータの仕様内であれば、101:1構成は、制御された位置決め、軌道追従、比較的低速の操作に適する可能性があります。

想定される用途：

• ヒューマノイドロボットの肘関節

• 遠隔操作による腕の位置決め

• ビジョンガイドによる操作

• 適切なペイロードの制御された持ち上げと保持

肘のトルクを計算する際は、前腕、手首、グリッパ、ペイロードの質量と重心を含めてください。腕が胴体から離れるにつれて、必要なトルクは大きく変化する可能性があります。

2.3 肩関節：HPJM60-70-PRO-101

肩関節は腕全体を支え、動かします。ロボットのアーキテクチャによっては、大きな重力トルク、加速荷重、ペイロードに起因するモーメントに対応する必要があります。

HPJM60-70-PRO-101は、末端部の関節より高いトルク容量が必要でありながら、比較的コンパクトな一体型設計を維持したい肩関節用途の候補です。

101:1の減速オプションは、必要な出力速度がアクチュエータの性能と適合する場合、制御された持ち上げ、腕の位置決め、精密操作に適する可能性があります。

エンジニアは、腕の質量だけでアクチュエータを選ぶのではなく、肩関節の最も厳しい機械的条件を評価する必要があります。腕を完全に伸ばすと、同じ腕を胴体近くに保持する場合より、はるかに大きな重力モーメントが生じることがあります。

要求の厳しい用途では、連続トルク、ピークトルクの継続時間、熱性能、加速要件、アクチュエータの取付剛性を検証してください。

2.4 腰関節：HPJM50-60-PRO-101

腰関節は上半身と下半身の構造をつなぎ、ロボットの設計に応じて、回転、屈曲などの胴体動作を可能にします。

HPJM50-60-PRO-101は、コンパクトな組み込み、制御された動作、正確な胴**置決めを重視する腰の軸の候補です。

必要な速度と加速度がアクチュエータの動作範囲内であれば、胴体の低速回転や姿勢調整に101:1の減速比が適する可能性があります。

腰関節を選定する際は、上半身の質量だけでなく、重心、胴体の慣性、腕の動き、上半身と下半身の動的な連成も考慮してください。これらは必要なトルクに影響する場合があります。

多軸の腰関節設計では、軸ごとに荷重方向や動的要件が異なる可能性があるため、各軸を個別に評価してください。

2.5 上半身構成の概要

HPJM30、HPJM40、HPJM50、HPJM60のサイズクラスは、上半身の各関節にアクチュエータ容量を割り当てる際の出発点になります。

初期構成として、手首にHPJM30-40-PRO-101、肘にHPJM40-52-PRO-101、肩にHPJM60-70-PRO-101、腰の軸にHPJM50-60-PRO-101を使用することが考えられます。

これらは普遍的な仕様ではなく、エンジニアリング上の出発点です。最終選定では、各モデルの実際のトルク・速度曲線、機械インターフェース、エンコーダオプション、熱的制限、デューティサイクルを考慮する必要があります。

3. 下半身の関節全体の選定：トルク容量と動的応答性

下半身は、バランスを制御し、変化する接地条件に対応しながら、ロボットの重量を支えなければなりません。そのため、股関節、膝関節、足首関節では、連続トルク、ピークトルク、出力速度、加速度、衝撃荷重を慎重に評価する必要があります。

下半身のアクチュエータは、単に最も大きなフレームサイズや最も低い減速比を選んで決めるべきではありません。トルクと速度の全範囲に加え、ロボットのモーション制御方針も考慮してください。

3.1 膝関節：HPJM100-120-PRO-51

膝関節は、歩行、しゃがみ、立ち上がり、バランスの乱れからの回復において、主要な荷重支持関節です。

ロボットの形状や歩容によっては、片脚支持、深いしゃがみ、急加速、着地時に膝トルクが大きく上昇します。アクチュエータは、持続的な負荷と短時間の動的ピークの両方に対応する必要があります。

HPJM100-120-PRO-51は、高いトルク容量と動的応答性を必要とする膝関節用途の候補です。

51:1の減速構成は、同等の駆動システムでより高い減速比を用いる場合と比べて、トルク増幅と出力速度のバランスを取りやすい可能性があります。ただし、実際の速度とピークトルクは、対象モデルの性能データで検証してください。

主なエンジニアリング上の確認事項：

• 立位・歩行中の膝関節の連続トルク

• しゃがみ、立ち上がり、回復動作時のピークトルク

• 想定する歩容での出力速度と加速度

• 繰り返し荷重時の熱性能

• 機械的剛性と許容衝撃荷重

• 減速時の回生ブレーキとDCバスの挙動

選定時の考慮事項：すべての膝関節に101:1の減速比が不適切というわけではありません。適切な減速比は、必要な速度とトルク、モータ特性、制御帯域幅によって異なります。高い動的性能を求める設計では51:1が適する可能性がありますが、トルク・速度と動作プロファイルの分析による確認が必要です。

3.2 股関節：HPJM70-80-PRO-51またはHPJM70-80-PRO-101

股関節は、ヒューマノイドロボットの中でも機械的負荷が特に大きい部位の一つです。アーキテクチャによっては、ピッチ、ロール、ヨーの各軸を備えます。

これらの軸は同じ解剖学的部位に位置しますが、動作条件は大きく異なる場合があります。

股関節のピッチ軸とロール軸

ピッチ軸とロール軸は、脚の振り出し、胴体の支持、左右のバランス、外乱からの回復に直接関与することがよくあります。大きなトルクと素早い動的応答性が必要となる場合があります。

HPJM70-80-PRO-51は、必要な出力速度と加速度から低い減速比が適切と判断される場合、これらの軸の候補です。

股関節のヨー軸

ヨー軸は垂直軸周りの回転を制御します。ロボットの歩容や旋回方式によっては、最高出力速度よりも、制御された向きの変更と位置決めが重視される場合があります。

HPJM70-80-PRO-101は、トルク・速度特性がヨー軸の要件を満たし、より高い減速比が想定する制御方針に適している場合の候補です。

すべてのヒューマノイドロボットで、股関節に同じ3軸構成が必要なわけではありません。質量の削減、制御の簡素化、実装性の向上を目的に、異なるアクチュエータサイズや機械構成を採用する設計もあります。

3.3 足首関節：HPJM60-70-PRO-51

足首関節は足の向きを制御し、バランス、接地、立脚期と遊脚期の移行に寄与します。

歩行中、足首は床反力の変化に応答し、ロボットの重心の調整を助けます。必要なトルクと速度は、足の形状、歩行速度、地形、制御方針によって異なります。

HPJM60-70-PRO-51は、トルク容量と動的応答性の両方を必要とする足首関節用途の候補です。

モータと駆動システムが必要な速度とトルクを出せる場合、より低い減速比は出力を速く動かすのに役立つ可能性があります。

ロボットに足部の力センサまたは接触センサが搭載されている場合、足首アクチュエータは、足の位置決めと接地を制御する協調制御システムの一部となります。ただし、衝撃吸収と安定した接地は、機械的コンプライアンス、センサ帯域幅、制御遅延、脚全体の構造にも左右されます。

主な選定時の考慮事項：

• 蹴り出しとバランス回復時の足首のピークトルク

• 歩行時および足の位置変更時の出力速度

• 足の形状と床反力

• 衝撃荷重と許容衝撃レベル

• 膝関節および股関節の制御ループとの連携

• 連続歩行時の熱的制限

3.4 下半身構成の概要

HPJM60、HPJM70、HPJM100のサイズクラスは、足首、股関節、膝関節を構成する際の初期的な枠組みになります。

初期構成として、足首にHPJM60-70-PRO-51、適切な股関節軸にHPJM70-80-PRO-51またはHPJM70-80-PRO-101、高負荷の膝関節用途にHPJM100-120-PRO-51を使用することが考えられます。

最終的な構成は、ロボットの総質量、脚の長さ、ペイロード、歩容、接地条件、必要な動的性能に照らして検証してください。

4. ヒューマノイドロボットの関節アクチュエータにおける保持ブレーキの選定

保持ブレーキは、駆動システムが無効になったときや電源が失われたときに、関節位置の保持に役立ちます。重力荷重を受ける構造体を支える関節や、待機中に所定の位置を維持する必要がある関節で特に重要です。

HPJMシリーズでは、製品モデルで指定されている場合に、ブレーキ付き構成を選択できます。該当するモデル型式に接尾辞「-B」が含まれる場合、「-B」はブレーキ付きバージョンを示します。

ご注文前に、正確なモデルコード、ブレーキの有無、保持トルク、電気的要件、機械インターフェースを確認してください。

4.1 上半身の関節：吊り下げ荷重に対するブレーキの選定

ロボットが吊り下げ荷重を保持する場合や、モータトルクを連続的に発生させずに姿勢を維持する場合、手首、肘、肩、腰の関節にブレーキが必要となることがあります。

たとえば、腕を伸ばした状態で支える肩関節には、駆動系が無効になると大きな重力モーメントが作用する可能性があります。適切な保持ブレーキは、指定された負荷条件下での予期しない動きを防ぐのに役立ちます。

したがって、上半身の関連する軸では、ブレーキ付きのHPJM30、HPJM40、HPJM50、HPJM60構成を検討する価値があります。

ただし、上半身のすべての関節にブレーキが必要なわけではありません。関節の向き、重力荷重、故障時の挙動、制御不能な動きが危険につながる可能性を考慮して判断してください。

主に短時間の動的サイクルで連続通電して動作する関節では、全体的な安全設計が十分であることを条件に、ブレーキなしの構成によって質量を減らし、システムを簡素化できる場合があります。

4.2 下半身の関節：ブレーキと重力荷重の管理

股関節、膝関節、足首関節は、ロボットの重量の大部分を支えることがあります。ロボットの停止中や電源喪失時に関節が制御不能に動くと、姿勢が崩れたり転倒したりするおそれがあります。

電源遮断時に関節を保持することが安全方針の一部となる下半身の軸では、ブレーキ付きHPJM70およびHPJM100の構成が適する可能性があります。

ただし、保持ブレーキだけで、電源喪失後にロボット全体が直立状態を保てるとは限りません。結果は、ロボットの重心、関節形状、ブレーキトルク、構造荷重、追加の支持や制御された降下手段の有無によって異なります。

商用ヒューマノイドロボットでは、ブレーキの容量設計と故障解析を、単純なモデル選定としてではなく、システム全体のリスク評価に組み込む必要があります。

4.3 内蔵保持ブレーキの4つの重要な利点

電源遮断時の保持

適切な容量のブレーキは、電源が遮断されたときに関節の不要な動きを防ぎ、吊り下げられた腕や荷重が予期せず動くリスクを低減できます。

保持時の消費電力を削減

適切な保持ブレーキは、作動後、モータが保持トルクを連続的に発生させなくても位置を維持できます。これにより、停止中の消費電力と発熱を抑えられる場合があります。

保守と試運転の安全性向上

ブレーキ制御は、保守、セットアップ、関節位置決めの手順を定める際に役立ちます。手動解除機能がある場合は、メーカーの指示と該当する安全手順に従ってください。

サーボ制御との連携

ブレーキの解除・作動シーケンスは、モータトルクの確立、サーボ有効信号、故障処理と連携させる必要があります。タイミングが不適切だと、急な動作、機械的衝撃、姿勢の喪失につながる可能性があります。

垂直方向または重力荷重を受ける関節では、ブレーキの定格保持容量と、非常停止、駆動系の故障、電源の瞬断時におけるシステム全体の挙動を確認してください。

5. HPJMハーモニック関節アクチュエータの構成を検証する方法

ヒューマノイドロボットの関節ソリューション全体を構築するには、解剖学的な位置ごとにモデルを割り当てるだけでは不十分です。ロボットの実際の動作条件下で、各アクチュエータの機械的・電気的性能を検証する必要があります。

5.1 必要な関節トルクを計算する

まず、接続されたリンクやペイロードが生み出す重力モーメントを求めます。単純化した静的条件では、関節軸から荷重の重心までの垂直距離に基づいて、重力トルクを推定できます。

動的トルクでは、加速度、回転慣性、摩擦、外部接触力、ロボットの動作も考慮する必要があります。

脚式ロボットでは、可能であれば歩容シミュレーションや逆動力学を用いてください。動作サイクルの進行に伴い、ピーク関節トルクが大きく変化することがあります。

5.2 トルク・速度範囲を確認する

定格トルクとピークトルクだけでは、特定の動作をアクチュエータが実行できるかどうかは判断できません。

加速・減速の各段階を含め、必要な出力速度で必要な出力トルクを確認してください。ピークトルクが必要な継続時間と繰り返し頻度に対して許容されることも確認します。

ピークトルクの要件を満たす構成でも、連続動作時の熱容量や高速時のトルクが不十分であれば、適さない可能性があります。

5.3 減速比と制御要件を評価する

減速比51:1または101:1の構成は、必要な関節速度、トルク増幅、反射慣性、摩擦、制御性能に照らして評価する必要があります。

コンプライアントなインタラクションや力制御を伴う用途では、トルクセンシング、エンコーダフィードバック、制御ループ周波数、通信遅延、関節アセンブリ全体の機械的コンプライアンスも考慮してください。

減速比だけで力制御の品質や衝撃吸収能力が決まると想定しないでください。

5.4 機械的な組み込みと電気的な互換性を確認する

モデルを最終決定する前に、以下を確認してください。

• 取付寸法と設置スペース

• 中空軸の要件とケーブル配線

• 定格電圧と電流の要件

• エンコーダ構成とフィードバックの互換性

• 通信プロトコルとコントローラの対応状況

• ブレーキ電圧、保持トルク、制御シーケンス

• 熱管理と環境要件

1台のヒューマノイドロボットで複数のアクチュエータサイズを使用する場合、機械的な互換性とコントローラへの統合は特に重要です。

5.5 安全性と信頼性を検証する

立位、歩行、しゃがみ、持ち上げ、旋回、非常停止、必要に応じて電源喪失など、想定する動作条件を再現したシミュレーションと実機試験を行ってください。

連続荷重、ピーク荷重、温度上昇、ブレーキの挙動、機械疲労、単一関節の故障がもたらす影響を評価します。

最終選定は、フレームサイズや減速比だけで決めず、検証済みの製品仕様とシステムレベルの試験に基づいて行ってください。

6. HONPINE HPJMハーモニック関節アクチュエータシリーズを検討する理由

HPJMシリーズは、複数の関節にアクチュエータ容量を配分する必要があるヒューマノイドロボット開発者向けに、統合型関節駆動プラットフォームを提供します。

異なるフレームサイズと減速比を組み合わせることで、設置スペース、トルク要件、動作特性のさまざまな組み合わせに対応できます。これにより、ロボット全体に同一仕様のアクチュエータを使用するのではなく、協調した関節アーキテクチャを構築できます。

HPJMシリーズを評価する際は、定格トルクとピークトルク、出力速度、質量、寸法、エンコーダ構成、ブレーキオプション、通信インターフェースなど、各モデルの正確な仕様を比較してください。

最適な構成とは、不要な質量や複雑さを抑えながら、用途の機械的要件、制御要件、熱的要件、安全要件を満たすものです。

7. HONPINEのヒューマノイドロボット用関節アクチュエータソリューション

ヒューマノイドロボットの設計では、上半身のマニピュレーションシステムと下半身の移動システムを連携させる必要があります。手首や肘の関節ではコンパクトな組み込みと制御された位置決めが重視される一方、股関節、膝関節、足首では歩行やバランス制御に必要なトルクと動的性能を満たす必要があります。

HONPINEのHPJMハーモニック関節アクチュエータシリーズは、こうした関節ごとの構成を開発する際の出発点となります。

ヒューマノイドロボット、ロボットアーム、四足歩行ロボット、その他の先進的なロボットプラットフォームを開発している場合は、関節の要件とアクチュエータの選定についてHONPINEにお問い合わせください。

当社のチームは、お客様の用途に基づいて、適切なHPJMモデル、減速比、ブレーキ構成、統合要件の評価をサポートします。

ヒューマノイドロボット向けのハーモニック関節アクチュエータの選定およびカスタマイズされた関節駆動ソリューションについては、HONPINEにお問い合わせください。