なぜヒューマノイドロボットでは油圧システムに代わって電動ロボット関節アクチュエータが採用されているのか？

ヒューマノイドロボットは、開発の新たな段階に入っています。ロボットプラットフォームが研究室でのデモンストレーションから産業用途へと移行する中、その関節駆動システムに求められる要件も急速に変化しています。

油圧システムは数十年にわたり、高い出力密度と大きな動的負荷への対応能力が評価されてきました。しかし、ヒューマノイドロボットの開発により、小型化、高効率、精密なモーション制御、低メンテナンス性、電子機器の統合、バッテリー駆動システムとの互換性という、異なる優先事項が生まれています。

これにより、電動ロボット関節アクチュエータへの関心が高まっています。

この移行は、すでに主要なヒューマノイドロボットプラットフォームに見られます。Boston Dynamicsは油圧式Atlasの運用を終了し、実用用途向けに設計された完全電動版を発表しました。同社によれば、電動Atlasは、より高い強度と広い可動範囲を実現しながら、商用展開へ移行することを目指しています。

ヒューマノイドロボットメーカーにとって、もはや問題は、電動駆動または油圧駆動によって十分な力を発生できるかどうかだけではありません。より重要なのは、どの技術が出力、精度、効率、統合性、信頼性、拡張性を最適に組み合わせられるかという点です。

ヒューマノイドロボットの関節アクチュエータとは？

ロボット関節アクチュエータとは、ロボットの関節において制御された動作を発生させる機械・電気機械システムです。

電動ヒューマノイドロボットでは、一般的な関節アクチュエータに複数の部品が統合される場合があります。

モーター + 精密減速機 + エンコーダー + ドライバー + ベアリング + ブレーキまたはトルクセンサー

関節の構造に応じて、さまざまな伝達技術を使用できます。

回転関節では、一般的なソリューションとして、ハーモニック減速機、遊星歯車機構、フレームレス・トルクモーターなどがあります。

直動関節では、遊星ローラースクリュー、ボールねじ、ラック・アンド・ピニオン機構、その他の回転・直動変換システムが使用されることがあります。

この区別は重要です。ヒューマノイドロボットでは、すべての関節に同じアクチュエータ構造を使用するわけではないためです。

肩、肘、手首、股関節、膝、足首には回転アクチュエータを使用できる一方、一部の脚部または腕部機構では、モーターの回転を直線運動に変換する直動アクチュエータを使用できます。

なぜヒューマノイドロボットは電動駆動へ移行しているのか？

電動駆動への移行は、油圧システムが突然ロボット用途に適さなくなったことを意味するものではありません。

油圧システムは現在も優れた出力密度、高い発生力、特定の外部負荷に対する強い耐性を備えています。また、電気油圧静圧アクチュエータに関する研究も続いています。EHAシステムは、油圧出力とローカルな電気制御、高い統合性を組み合わせられるためです。

しかし、ヒューマノイドロボットには、電動システムに適した複数の要件があります。

高いエネルギー効率

ヒューマノイドロボットは通常、搭載バッテリーによって駆動されます。

そのため、多くの固定式油圧機械よりもエネルギー効率がはるかに重要になります。

従来の油圧構造では、ポンプの駆動と作動液の圧力維持にエネルギーが必要です。また、バルブ、リザーバー、ホース、油圧回路などの追加部品も必要になります。

電動関節アクチュエータは、モーターと伝達システムを通じて、電気エネルギーを制御された機械運動へ直接変換できます。

この簡素化されたエネルギー経路は、特に多数の関節を同時に動作させる必要があるバッテリー駆動のヒューマノイドロボットにとって有利です。

よりコンパクトなシステム統合

油圧ロボットに必要なのは、油圧シリンダーだけではありません。

完全なシステムには、ポンプ、バルブ、作動液リザーバー、配管、シールなど、さまざまな油圧部品が含まれる場合があります。

これらの部品により、追加の実装スペースとメンテナンス要件が発生します。

電動ロボット関節アクチュエータでは、モーター、減速機、エンコーダー、ドライバーなどの部品を関節の近くに統合できます。

この分散型構造は、ロボットの実際の関節形状に合わせてアクチュエータを設計できるため、特にヒューマノイドロボットに適しています。

1つの集中型動力システムを構築してロボット全体に油圧を分配する代わりに、メーカーはコンパクトな電動アクチュエータを各関節に直接組み込むことができます。

ヒューマノイドロボット向け電動アクチュエータと油圧アクチュエータの比較

重要なのは、電動駆動が単に油圧出力を電動モーターに置き換えるものではないという点です。

ヒューマノイドロボットでは、伝達システムも同様に重要になります。

高性能な電動関節には、十分な速度とトルクを発生できるモーターに加え、モーター出力を実用的な関節運動へ変換する精密伝達システムが必要です。

電動ロボット関節アクチュエータにおける精密減速機の役割

電動モーターだけでは、通常、ヒューマノイドロボットの関節を直接駆動するには不十分です。

電動モーターは一般に比較的高い回転速度で最も効率よく動作しますが、ロボット関節では通常、はるかに低い出力速度と大幅に高いトルクが必要です。

精密減速機はこの差を埋めます。

例えば：

高速モーター → 精密減速機 → 低速・高トルクの関節出力

したがって、減速機の選択は、ロボット関節のサイズ、トルク密度、バックラッシュ、効率、動的応答に直接影響します。

そのため、ハーモニック減速機と遊星歯車機構は、電動ヒューマノイドロボット関節アクチュエータの重要な部品となっています。

回転式ヒューマノイドロボット関節向けハーモニック減速機

ハーモニック減速機は、コンパクトで精密な回転関節に特に適しています。

高い減速比により、複数の従来型ギヤ段を必要とせず、比較的小型のモーターで高い出力トルクを発生させることができます。

ハーモニック伝達の低バックラッシュ特性は、正確な位置決めと頻繁な方向転換が必要な関節にも有効です。

代表的な用途は次のとおりです。

ヒューマノイドロボットの手首、肘、肩、首の関節、その他のコンパクトな回転関節。

高集積設計では、ハーモニック減速機をフレームレス・トルクモーター、エンコーダー、ベアリング、ドライバーと組み合わせることで、コンパクトな電動ロボット関節を構成できます。

小型関節向けには、HONPINEの小型ハーモニック減速機も、取り付け径と重量に特に厳しい制約がある用途に対応できます。

高速・高負荷ロボット関節向け遊星歯車機構

遊星歯車機構は、異なる性能バランスを提供します。

高い伝達効率、高い負荷容量、比較的高い入力速度への対応能力を備えているため、多くの産業用モーション用途に適しています。

ヒューマノイドロボットでは、関節に次の組み合わせが必要な場合、遊星伝達を検討できます。

高トルク、高効率、高回転速度、堅牢な負荷容量。

このため、遊星歯車機構は、特定の脚部、腕部、その他の高負荷電動関節の設計に特に適しています。

したがって、最適なソリューションは、ヒューマノイドロボット全体に1種類の減速機技術を選択するのではなく、個々の関節の要件によって決まります。

なぜ統合型電動関節アクチュエータがヒューマノイドロボットに重要なのか？

ヒューマノイドロボットには、独立して制御される関節が多数あります。

すべての関節に外付けのモーター、ギヤボックス、ドライバー、センサー、配線が必要になると、ロボット全体が大型化し、組み立ても難しくなります。

統合型ロボット関節アクチュエータは、複数の機能を1つの機械モジュールにまとめることで、この課題に対応します。

一般的な統合型電動関節には、次の部品を組み合わせることができます。

モーター + 減速機 + エンコーダー + ドライバー + ベアリング

アクチュエータの構造に応じて、ブレーキ、トルクセンシング、STO、CAN/CANopen、EtherCAT通信などの追加機能も統合できます。

これにより、外部配線を削減し、機械的な統合を簡素化できます。

ヒューマノイドロボットメーカーにとって、統合化は組立効率を向上させ、異なるロボット関節間でアクチュエータを標準化しやすくする効果もあります。

電動駆動は回転関節に限定されない

ハーモニック減速機と遊星歯車機構は回転ロボット関節において重要ですが、ヒューマノイドロボットには直線運動も必要です。

伝達機構によってモーターの回転を直線運動に変換することで、直動関節を構成できます。

重要な技術の1つが遊星ローラースクリューです。比較的コンパクトな構造で、高い負荷容量と高精度を実現します。

この機構は、直線力とコンパクトな実装が求められるヒューマノイドロボットの脚部やその他の用途に特に適しています。

したがって、将来のヒューマノイドロボットのアクチュエータ構造が、単一の伝達技術だけに依存する可能性は低いでしょう。

代わりに、メーカーは各関節の機械的要件に応じて、次の技術を組み合わせる可能性があります。

回転式電動アクチュエータ + ハーモニック減速機 + 遊星歯車機構 + 直動式電動アクチュエータ + 遊星ローラースクリュー

各関節の機械的要件に応じて。

優れた電動ロボット関節アクチュエータの条件とは？

ヒューマノイドロボットでは、アクチュエータの選定は定格トルクだけで判断すべきではありません。

エンジニアは通常、次の項目を評価する必要があります。

トルク密度、ピークトルク、連続トルク、出力速度、バックラッシュ、効率、熱特性、関節慣性、エンコーダー分解能、機械剛性、通信インターフェース、アクチュエータ全体のサイズと重量。

例えば、ヒューマノイドロボットの手首では小型化と低バックラッシュが重視される一方、膝や股関節では大幅に高いピークトルクと熱容量が必要になる場合があります。

器用な動作を行うハンドには、さらに高度な小型化と精度が求められます。

つまり、理想的なロボット関節アクチュエータは、汎用設計ではなく用途に応じて決まります。

電動ロボット関節アクチュエータが最も適する用途とは？

電動駆動の利点は、商用展開を想定して設計されたヒューマノイドロボットで特に明確になります。

ヒューマノイドロボットの腕

電動回転アクチュエータは、コンパクトな機械構造を維持しながら、肩、肘、手首の関節に正確な位置制御とトルク制御を提供できます。

ヒューマノイドロボットの脚

股関節、膝、足首の関節には、高トルク、優れた動的応答、効率的なエネルギー使用が求められます。適切な精密伝達機構と組み合わせた電動アクチュエータは、集中型油圧システムに代わるコンパクトな選択肢となります。

ヒューマノイドロボットのハンド

ハンドには、より小型のアクチュエータと非常に精密な動作が必要です。小型ハーモニック減速機とコンパクトな電動モーターを、設置スペースが極めて限られる指関節に統合できます。

産業用ヒューマノイドロボット

工場や物流環境で稼働するロボットにとって、電動駆動は統合性、メンテナンス性、清潔性、デジタル制御アーキテクチャとの互換性において利点があります。

これは、ヒューマノイドロボットが研究プラットフォームから産業用途へ移行する中で特に重要です。例えばBoston Dynamicsは、新型電動Atlasを実用的な産業用途向けに位置付けており、Hyundaiを初期のアプリケーションパートナーとしています。

なぜ電動ロボット関節アクチュエータが重要な技術になっているのか？

ヒューマノイドロボットの進化により、メーカーが関節アクチュエータに求めるものも変化しています。

油圧システムは、極めて高い力密度と動的出力が主な要件となる場合、現在も有用です。空気圧システムも、柔軟性が求められる用途や特殊用途に適しています。

しかし、大規模展開を想定したバッテリー駆動のヒューマノイドロボットに対しては、電動駆動は効率、制御性、コンパクトな統合、清潔性、拡張性を魅力的に組み合わせられます。

Atlasが油圧駆動から完全電動駆動へ移行したことは、業界におけるこの方向性を明確に示す例です。

同時に、電動駆動がすべてのヒューマノイドロボット関節に同じモーターや減速機を使用すべきだという意味ではありません。

将来の構造は、各関節に合わせて最適化された異なる電動伝達技術を組み合わせたものになる可能性が高いでしょう。

ヒューマノイドロボット向けHONPINE電動ロボット関節アクチュエータ

HONPINEは、精密モーター、ハーモニック伝達、遊星伝達、エンコーダー、統合制御技術に基づく統合型ロボット関節アクチュエータソリューションを開発しています。

回転式ヒューマノイド関節向けには、低バックラッシュ、高トルク密度、精密な位置決めが重要な用途に、ハーモニック機構をベースとした関節モジュールがコンパクトなソリューションを提供します。

異なるトルク、速度、負荷特性が求められる用途には、遊星機構をベースとした関節ソリューションが別の伝達構造を提供します。

HONPINEは、統合電子機器と通信インターフェースを備えたアクチュエータソリューションも開発しており、ロボットメーカーのシステム複雑性を低減し、関節統合を簡素化する支援を行っています。

このアプローチにより、肩や肘の関節から手首、股関節、膝、足首、コンパクトなロボットハンドまで、さまざまなヒューマノイドロボット用途に合わせてアクチュエータ構造を適応させることができます。

まとめ

油圧駆動から電動駆動への移行は、ヒューマノイドロボット工学における重要な発展の1つです。

油圧システムは依然として高い出力と能力を備えていますが、電動ロボット関節アクチュエータは、ヒューマノイドロボットがバッテリー駆動、コンパクトな機械設計、精密なデジタル制御、産業展開、大量生産へと進むにつれて、ますます重要になる利点を提供します。

この移行の鍵は、油圧シリンダーを電動モーターに置き換えることだけではありません。高性能な電動ヒューマノイド関節には、モーター、精密減速機、エンコーダー、ドライバー、ベアリング、センシング、制御技術を適切に組み合わせる必要があります。

回転関節では、ハーモニック減速機と遊星歯車機構が異なる性能特性を提供します。直動関節では、遊星ローラースクリューなどの技術が、高い力を実現する電動駆動への別の道を提供します。

ヒューマノイドロボットの能力と商業的実現性が高まるにつれ、電動ロボット関節アクチュエータは、ヒューマノイドロボットのモーションシステムを構成する中核部品になっていくでしょう。

HONPINEの統合型ハーモニックおよび遊星関節ソリューションは、次世代ヒューマノイドロボット向けに、コンパクトで高精度かつ拡張性のあるモーションコンポーネントを提供し、この移行を支援するよう設計されています。