なぜ、従来の駆動システムから一体型ハブサーボモーターへ移行するロボットが増えているのでしょうか？

移動ロボットが従来の固定経路型マテリアルハンドリングシステムから、自律走行、柔軟な運用、複雑な環境での移動へと進化するにつれて、その駆動システムも重要な変革を遂げています。

AGV、AMR、移動マニピュレーター、ヒューマノイドロボット、特殊移動機器では、省スペース性、動作精度、制御の柔軟性に対する要求がますます高まっています。こうした背景から、ハブサーボモーターは、現代のロボット駆動システムにおける重要な開発の方向性となっています。

ハブサーボモーターは、主要な駆動部品をホイールアセンブリに統合することで、動力伝達とモーション制御をよりコンパクトに実現します。機械レイアウトの簡素化、外部伝達部品の削減、移動ロボットのシャーシ設計の柔軟性向上に役立ちます。

ロボット用ハブサーボモーターとは？

ハブサーボモーターは、モーターとホイール構造を一体化した駆動ユニットです。具体的な設計に応じて、サーボモーター、減速機構、エンコーダー、ブレーキ、ドライブコントローラーを内蔵し、ホイールへ直接、または内部の減速機構を介して動力を伝達します。

従来の分散型駆動システムと比べて、統合型ハブモーターは外部伝達部品の数を減らし、ロボットのシャーシ内によりコンパクトな動力レイアウトを実現します。

関連する製品タイプには、次のようなものがあります。

ハブダイレクトドライブモーター：外部減速機に依存せず、モーターがホイールを直接駆動します。

ハブギヤードモーター：モーターと減速機構をホイールアセンブリ内に統合しています。

一体型サーボドライブホイール：モーターと機械式駆動部品に加え、エンコーダー、サーボドライブ、ブレーキシステムをさらに統合する場合があります。

ロボット用統合型ハブモーターの採用により、移動ロボットの駆動方式は、モーター、ギヤボックス、カップリング、駆動輪を個別に組み合わせる従来の構成から変わりつつあります。

これらの部品をよりコンパクトなユニットに統合することで、メーカーは機械式伝達部の接続数を減らし、構造の一体性やホイールの動作制御性を高めるとともに、シャーシの取り付けや電気接続を簡素化できます。

移動ロボットの主要性能要件を踏まえてハブモーターを選ぶ理由

移動ロボットの駆動システムを選定する際は、モーター出力だけでなく、可搬質量、走行速度、位置決め精度、登坂能力、機動性、エネルギー効率も考慮する必要があります。これらすべてがロボット全体の性能に影響します。

ハブサーボモーターには、こうした要件への対応に役立つ可能性のある複数の利点があります。

1. 可搬質量

移動ロボットは、さまざまな積載条件下で安定した走行性能を維持する必要があります。

AGVやAMRの用途が軽量物の搬送から中・重量物の産業輸送へと広がるにつれ、駆動システムにはより大きな積載への対応だけでなく、満載時の発進、旋回、登坂時にも信頼性の高い動作が求められます。

従来の分散型駆動システムでは、モーター、ギヤボックス、伝達部品を個別に取り付けます。統合型ハブモーターは駆動アセンブリをホイールの近くに集約し、よりコンパクトな動力レイアウトを実現します。

ハブモーターを選ぶ理由

駆動レイアウトの最適化：外部伝達部品を減らすことで、シャーシ構造やバッテリー配置に使える設計スペースが広がります。

複数輪の独立駆動に対応：ロボットの重量配分やシャーシ設計に応じて、駆動輪の数を設定できます。

さまざまな積載クラスに柔軟に対応：異なる仕様のホイール駆動モジュールを選択し、軽量・中量・重量の移動ロボットを開発できます。

ハブモーターを搭載するだけで、ロボットの可搬質量が自動的に増加するわけではありません。実際の荷重支持能力は、ホイール、ベアリング、ハブ構造、シャーシ設計、ホイール端トルク、荷重分布によって決まります。

2. 走行速度

移動ロボットには、安定した動作、滑らかな加速、制御された減速を維持しながら、搬送効率を高めることが求められます。

倉庫用AMRや生産ライン用AGVでは、走行速度は個々の搬送作業にかかる時間だけでなく、マテリアルハンドリングシステム全体の処理能力にも影響します。

ハブサーボモーターを選ぶ理由

独立した速度制御：各駆動輪をロボットの動作指令に応じて制御できます。

外部伝達部品の削減：機械的な接続を減らすことで、バックラッシや組み立て誤差の原因の一部を抑えられます。

動的応答性の向上：エンコーダーフィードバックとサーボ制御を組み合わせることで、発進、加速、減速をより精密に制御できます。

複数輪の協調動作：モーション制御アルゴリズムにより、複数の駆動輪を連携させ、速度を協調させることができます。

主な利点は、単に最高速度を高めることではありません。さまざまな運転速度域でロボットの安定した制御可能な動作を実現することです。

3. 位置決め精度

移動ロボットは目標位置に正確に到達し、生産ライン、ロボットアーム、コンベヤーシステム、自動化ワークステーションにドッキングする必要があります。

たとえば、AMRがCNC工作機械に材料を搬送して自動で積み降ろしする場合、指定された停止位置に到達するだけでなく、シャーシの向きも安定して保つ必要があります。

ハブサーボモーターを選ぶ理由

ホイール端の閉ループフィードバック：エンコーダーがホイールの速度または位置をフィードバックし、動作制御に利用します。

機械式伝達誤差の低減：一体型構造により、一部の外部機械接続とそれに伴うバックラッシをなくすことができます。

低速制御性の向上：サーボ制御により、目標位置に近づく際の動きをより滑らかにできます。

複数輪の同期：協調したホイール制御により、左右のホイール速度の不一致による動作のずれを抑えられます。

ホイール端のエンコーダーフィードバックだけで、ロボット全体の絶対位置決め精度が保証されるわけではありません。最終的な位置決め性能には、ホイールの滑り、床面の状態、ナビゲーションシステム、シャーシ剛性も影響します。

4. 登坂能力

移動ロボットは、傾斜路、床の継ぎ目、異なる高さの作業エリアを走行することがよくあります。

満載のロボットが坂を上る際、駆動輪は斜面に沿って作用する重力に加え、転がり抵抗や加速抵抗にも打ち勝つ必要があります。

ハブモーターを選ぶ理由

ホイール端の出力マッチング：ホイール径、目標速度、必要な登坂勾配に応じて、モーターと減速機構を選定できます。

独立駆動制御：複数の駆動輪がトルク出力を連携させ、駆動力を確保できます。

発進制御の向上：サーボの閉ループ制御により、傾斜面でより滑らかに発進できます。

ブレーキの統合オプション：一部のハブ駆動モジュールには、特定の斜面での駐車や保持の要件に対応するため、ばね作動・電磁解放式ブレーキを組み込むことができます。

特に重量物用AGVでは、最大トルクだけを基準に駆動システムを選定するのは不十分です。連続出力トルク、ギヤボックスの負荷容量、熱管理も評価する必要があります。

5. 機動性

移動ロボットは、狭い通路、複雑な経路、さまざまな方向への移動要件に対応する必要があります。

これは、ハブ駆動システムがもたらす最も重要な用途上の利点の一つです。

ハブ駆動の構成によって、ロボットの動き方は異なります。

ハブモーターを選ぶ理由

外部伝達機構を減らし、シャーシレイアウトを最適化できます。

独立駆動構成により、ホイール制御の柔軟性を高められます。

操舵駆動輪の設計と組み合わせることで、アクティブステアリングを実現できます。

ロボットの移動要件に応じて、異なる駆動構成に対応できます。

駆動構成は、単に統合度の高さで選ぶのではなく、必要な動作特性、シャーシ形状、制御方式に基づいて選定する必要があります。

6. バッテリー寿命とエネルギー効率

移動ロボットは、限られたバッテリー容量でより多くの搬送作業を行い、充電頻度や稼働停止時間を抑える必要があります。

ハブモーターを選ぶ理由

機械式伝達損失の低減：適切に設計された統合型駆動システムは、一部の外部伝達部品に伴う損失を低減できます。

出力マッチングの最適化：ロボットの積載量、走行速度、運転条件に応じて、モーターと減速比を選定できます。

独立駆動制御：実際の動作要件に応じて、各ホイールの出力を配分できます。

エネルギー管理の向上：サーボドライブやロボット全体の制御システムと組み合わせることで、より効果的な加速、減速、回生ブレーキの制御を支援します。

ただし、ハブモーターがすべての従来型駆動システムよりも必ず高効率とは限りません。全体のエネルギー消費量は、モーター効率、ギヤボックス効率、ドライブコントローラーの性能、タイヤの転がり抵抗、モーション制御方式によって異なります。

HONPINEの3つのハブモーターシリーズは、移動ロボットの動きをどのように変えるのか？

HONPINEは、Drive Wheels、Steering Drive Wheels、Differential Drive Wheelsの3つの主要なホイール駆動製品シリーズを提供しています。

各シリーズは、異なる駆動要件と移動要件に対応しています。これらの製品は、単に異なるモーターを提供するのではなく、移動ロボットメーカーにシャーシの駆動構成、ステアリング制御、動作の柔軟性について異なる選択肢を提供します。

1. Drive Wheel：移動ロボットに安定した駆動力を提供

Drive Wheelの主な機能は、移動ロボットのホイール端に連続的で安定した駆動力を供給することです。

通常は固定方向に取り付けられ、車両を前進または後退させます。ステアリングは、他のホイール、独立した操舵機構、またはシャーシ全体の構造によって行います。

移動ロボットでは、積載量の増加、走行速度の向上、登坂運転に伴い、ホイール端トルク、回転速度、連続運転能力への要求も高まります。

Drive Wheelを選定する際、メーカーはロボットの総重量、ホイール荷重の分布、ホイール径、路面摩擦係数、走行速度、必要な登坂勾配を考慮する必要があります。

用途と機能：

標準AGV：固定経路の搬送や比較的単純なマテリアルハンドリング作業において、Drive Wheelは信頼性の高い駆動力を提供します。固定駆動輪を従動輪または独立した操舵機構と組み合わせることで、比較的シンプルなシャーシ設計が可能です。

重量物用AGV：金型、産業機器、パレット、大型材料を搬送する場合、駆動輪は対応する荷重や衝撃力を受けながら、十分なホイール端トルクを発生させる必要があります。シャーシレイアウトに応じて複数の駆動輪を構成し、駆動力を分散できます。

産業用搬送ロボット：工場内で長距離かつ反復的な材料搬送を行う場合、Drive Wheelを標準化された駆動ユニットとして使用することで、機器メーカーのシャーシ駆動システムの設計を簡素化できます。

Drive Wheelの主な価値は、移動ロボットに信頼性の高い基本的な駆動力を提供することです。特に、走行経路が比較的明確で、ステアリングを他の機構が担う用途に適しています。

2. Steering Drive Wheel：駆動とアクティブステアリングを統合

Steering Drive Wheelは、駆動機能とアクティブステアリング機能を単一のホイール端モジュールに統合しています。

固定方向のDrive Wheelとは異なり、ホイールの回転速度だけでなく、ホイールの向きも能動的に調整できます。

これにより、従来の機械式ステアリングリンク機構だけに頼らず、計画経路に応じてホイールの向きを変更できます。

頻繁に方向を変える機器、狭い場所で稼働する機器、特定のワークステーションにドッキングする必要のある機器では、Steering Drive Wheelの構成により、シャーシ設計と動作制御の柔軟性が高まります。

用途と機能：

AMR：倉庫、物流センター、生産施設では、AMRは障害物を回避し、方向を変え、異なる作業エリアに進入する必要があります。Steering Drive Wheelはホイールの向きを能動的に調整し、経路走行とステアリング制御の柔軟性を高めます。

移動マニピュレーター：ロボットアームを搭載した移動ロボットが、積み込み、荷降ろし、検査、組み立てのためにワークステーション間を移動する場合、Steering Drive Wheelはシャーシの進行方向と進入角度の調整を支援し、ワークステーションへのアクセスの柔軟性を高めます。

重量物用AGV：大型金型、産業機器、重量物を搬送する車両では、シャーシ構造に応じて複数の操舵駆動輪を配置し、特に旋回スペースが限られる環境で、さまざまな操舵動作に対応できます。

大型産業用移動プラットフォーム：狭い通路での移動、シャーシ方向の調整、多方向への移動が必要な機器では、アクティブステアリングによりシャーシの動作設計の柔軟性が高まります。

向上が期待できる性能パラメーター：

機動性：駆動とステアリングを統合することで、シャーシの制御指令に応じてホイールの向きを変え、さまざまな走行経路に対応できます。

ステアリング制御：駆動速度と操舵角を個別に制御でき、車速と操舵動作を連携して調整できます。

経路追従：操舵角フィードバックと駆動速度制御を組み合わせることで、シャーシが計画経路をより効果的に追従できます。

ワークステーションへのドッキング：接近方向の調整が必要な用途では、Steering Drive Wheelの構成により、シャーシの位置決めに柔軟性が生まれます。

Steering Drive Wheelの主な価値は、駆動とアクティブステアリングを統合し、柔軟な操舵、経路変更、ワークステーションへのドッキングが必要な移動ロボットに駆動ソリューションを提供することです。

3. Differential Drive Wheel：ホイール速度の独立制御による柔軟な移動

Differential Drive Wheelsは、主に差動駆動式シャーシ構成に使用されます。

基本原理は、左右の駆動輪の速度を個別に制御し、ロボットにさまざまな走行軌跡を生み出すことです。

両輪が同じ速度で前進回転すると、ロボットは通常、直進します。ホイール速度に差があると、ロボットは速度の遅い側に旋回します。両輪を反対方向に回転させると、適切なシャーシ構成では、ロボットはおおむね中心を軸に旋回できます。

ホイールの物理的な向きを変えるSteering Drive Wheelとは異なり、差動駆動では主にホイール速度の差によって操舵します。そのため、比較的シンプルな機械式シャーシ構造が可能です。

用途と機能：

屋内AMR：倉庫作業、工場内物流、材料搬送では、2輪差動駆動式シャーシが左右のホイール速度を独立して制御し、前進、旋回、その場旋回を行えます。狭い通路や方向転換の多い屋内環境に適しています。

小型AGV：走行経路が比較的単純で、操舵要件が明確な搬送機器では、差動駆動により複雑な機械式ステアリング構造の必要性を減らし、シャーシ設計を簡素化できます。

サービスロボット：病院、研究施設、オフィス環境では、低速走行、障害物回避、小回りが必要になることがよくあります。差動駆動は、こうした用途に柔軟な動作制御方式を提供します。

移動マニピュレーター：差動駆動式シャーシを使用する移動マニピュレーションプラットフォームでは、左右のホイールを独立して制御することで、低速での接近動作、方向調整、経路追従を実現できます。最終的なドッキング精度は、ナビゲーション、センサー、ロボット全体の制御システムにも左右されます。

向上が期待できる性能パラメーター：

機動性：左右のホイール速度を変えることで、追加のアクティブステアリング機構なしに旋回できます。

低速制御：2輪の速度を精密に調整することで、低速走行、緩やかな旋回、制御された接近動作が可能になります。

経路追従：ホイール速度フィードバック、ナビゲーションシステム、モーション制御アルゴリズムと組み合わせることで、ロボットが計画経路を追従しやすくなります。

その場旋回：一般的な2輪差動駆動式シャーシでは、左右のホイールを反対方向に回転させることで、ロボットはおおむね中心を軸に旋回できます。

ただし、差動駆動にはいくつかの制約もあります。ホイールの滑り、床面摩擦の変化、左右のホイール速度の差は、経路追従性能に影響します。また、一般的な2輪差動駆動システムでは、真横への移動を直接実現できません。

Differential Drive Wheelsの主な価値は、ホイール速度を個別に調整し、比較的シンプルな機械構造で柔軟な操舵と低速動作制御を実現することです。特に屋内AMRや小・中型移動ロボットに適しています。

HONPINEのロボット用ハブモーターを選ぶ理由

HONPINEは自社で駆動システムを開発し、Drive Wheels、Differential Drive Wheels、Steering Drive Wheelsの3つの主要なハブモーター製品シリーズを提供しています。

これらの製品は、移動ロボットのさまざまな駆動・操舵要件に対応するために設計され、次のようなさまざまな機器や産業用途で採用されています。

自律走行搬送ロボット（AMR）

重量物用AGV

無人フォークリフト

検査ロボット

医療機器

重量物用産業搬送機器

幅広い製品ラインアップと複数のモデル構成により、HONPINEはさまざまなシャーシ構造、積載要件、駆動構成、運転条件に対応するカスタマイズソリューションを提供します。

コンパクトな屋内AMR、産業用AGV、自律走行フォークリフト、重量物用移動搬送プラットフォームのいずれを開発する場合も、適切な駆動輪構成を選ぶことは、信頼性の高い移動性能と効率的なシステム統合を実現するうえで不可欠です。

移動ロボットの駆動要件について、ぜひHONPINEにご相談ください。お客様の用途に適したハブモーターソリューションをご提案します。