ロボット関節モーターの種類：モデル選定、メリット・デメリット

ロボット関節モーターは、その駆動方式により、電動駆動、油圧駆動、空気圧駆動、および量産化に至っていない形状記憶合金アクチュエータなどの比較的少ない駆動方式に分類できます。

油圧駆動は、サイズが大きく油漏れのリスクもあるため、使用されることが少なくなっています。Boston Dynamicsは初期の一部のロボットで油圧システムを使用していましたが、新しいヒューマノイドロボットも電動駆動システムへ移行しています。空気圧駆動も制御が比較的難しいため広く採用されておらず、主に研究機関が設計したシステムで使用されています。

本記事では、電動駆動ロボット関節モーターの選定方法と、現在ロボットシステムで使用されている主なタイプについて説明します。

電動駆動関節モジュールは、その減速方式により、ハーモニックドライブロボット関節モーター、遊星減速機ロボット関節モーター、サイクロイドロボット関節モーター、ボールねじロボット関節モーター、およびダイレクトドライブロボット関節モーターに分類できます。

1. ハーモニックドライブロボット関節モーター

ハーモニックドライブロボット関節モーターは、関節モーター設計にハーモニックドライブ減速機を統合しており、高精度、高減速比、高トルク密度、コンパクトな同軸構造、低バックラッシという利点を備えています。

HONPINEのハーモニックドライブロボット関節モーターには、デュアルエンコーダ、トルクセンサーなどの部品も統合でき、より安全で軽量かつ高集積な関節設計を実現できます。

ハーモニックドライブロボット関節モーターの主な欠点は、遊星減速機ロボット関節モーターと比べてコストがやや高いことです。高い衝撃荷重や頻繁な衝突を伴う用途では、減速機のピークトルクおよび過負荷容量を慎重に考慮する必要があります。また、その伝達効率は一般的にダイレクトドライブモーターより低くなります。

2. 遊星減速機ロボット関節モーター

遊星減速機ロボット関節モーターは、一般的にハーモニックドライブロボット関節モーターよりもコストがやや低くなります。高い伝達効率と優れた耐衝撃性を備え、産業用ロボット、重量物搬送ロボット、AGV/AMR、移動ロボット、建設ロボットなど、高効率と高い負荷容量が求められる関節に広く使用されています。

遊星減速機ロボット関節モーターは、比較的幅広い減速比およびトルク要件にも対応できます。

欠点は、遊星減速機には一般的に一定のバックラッシがあることです。そのため、極めて高い位置決め精度と非常に小さいバックラッシが求められる用途には適さない場合があります。

3. サイクロイドロボット関節モーター

サイクロイドロボット関節モーターの最大の利点は、優れた耐衝撃性です。また、高い構造剛性を備え、出力側は比較的大きなラジアル荷重およびアキシアル荷重に耐えることができます。

サイクロイドロボット関節モーターは、重量物搬送ロボット、産業用ロボット、建設機械、重作業用ロボットアームなど、高い耐衝撃性が求められるロボット用途で一般的に使用されています。

欠点は、ハーモニックドライブおよび遊星減速機のソリューションと比較して、サイクロイドロボット関節モーターは現在ヒューマノイドロボットでの使用頻度が低いことです。ヒューマノイドロボット用途の要件により適合するためには、材料および機械構造のさらなる最適化が必要です。

さらに、サイクロイド減速機の製造プロセスおよび加工精度の要求により、生産コストが比較的高くなる場合があります。

4. ボールねじロボット関節モーター

ボールねじロボット関節モーターは、リニア関節モジュールとも呼ばれ、コンパクトなサイズ、高出力、高精度、長寿命という4つの重要な要件を同時に満たすことができるソリューションです。

ロボットの脚部や膝関節など、高い推力を必要とするロボット機構において特に有用です。

欠点は、機械構造が比較的複雑であるため、全体設計がより困難になることです。また、このタイプの関節モジュールは比較的コストが高くなります。

5. ダイレクトドライブロボット関節モーター

ダイレクトドライブロボット関節モーターは、モーター内部に減速機を備えていません。そのため、減速機構によって生じるバックラッシがありません。逆方向運動時の応答が速く、高い機械効率を実現します。

ダイレクトドライブロボット関節モーターは、高速動作ロボット、協働ロボット、力制御ロボット、ジンバル、精密回転プラットフォーム、および低速・高応答の関節に適しています。

欠点は、モーターが一般的に大きく重く、放熱が大きな課題となる可能性があることです。全体的なコストも比較的高くなります。

結論

ロボット関節モーター技術の発展に伴い、関節モーターの分類はますます多様化しています。市場には半密閉型関節モジュールも登場しており、ロボットハンドやその他のコンパクトな機構向けに設計された小型関節モジュールもあります。ただし、これらの技術の一部はまだ比較的未成熟であり、広範な量産には至っていません。

ロボット関節モーターを選定する際は、単に最も先進的または最も高価な技術を選ぶのではなく、具体的な用途に応じて最も適したソリューションを選択することが重要です。

ロボット関節モーターの選定についてご質問がある場合は、HONPINEまでお問い合わせください。当社の技術チームが、お客様の用途要件に応じた適切な関節モーターソリューションの選定を支援します。