Tタイプのハーモニック回転ジョイントモジュールが協働ロボットアームに最適な理由

協働ロボットアームはよりコンパクトになりつつある一方で、その動作要件は高まり続けています。1つの関節には、非常に限られたスペース内で、正確な位置決め、十分なトルク、滑らかな動作、フィードバック、ブレーキ、信頼性の高いケーブル配線を実現することが求められる場合があります。

これらの機能を個別のコンポーネントで構成することは可能ですが、関節構造がより複雑になる場合があります。モーター、ギアボックス、エンコーダー、ブレーキ、ドライバー、カップリングをすべて取り付け、位置合わせし、接続する必要があるためです。

T型ハーモニック回転関節モジュールは、異なるアプローチを採用しています。トランスミッション、モーター、制御コンポーネントを個別の部品として扱うのではなく、それらを1つのコンパクトな回転関節に統合します。この構造は、機械的スペースと関節の配置が重要な設計要素となる協働ロボットアームに特に適しています。

T型ハーモニック回転関節モジュールとは？

T型ハーモニック回転関節モジュールは、ロボットモーションシステム向けに設計された一体型回転関節です。構成に応じて、トルクモーター、ハーモニック減速機、高精度センサー、ブレーキ、ドライバーを1つのモジュールに組み込みます。

「T型」という名称は、その機械的レイアウトに由来します。出力フランジがモーターシャフトに対して垂直に配置され、従来のインライン構造ではなく、T字型の配置となっています。

この構成により、ロボット設計者はアームリンク間の関節を配置する際に、別の選択肢を得ることができます。コンパクトな協働ロボットアーム、多軸マニピュレーター、その他、モーターと出力シャフトの向きを慎重に管理する必要がある機構に特に有用です。

協働ロボットにおいて関節設計が重要な理由

協働ロボットは、単に小型化された産業用ロボットではありません。その関節には、複数の要件を同時に満たすことが求められます。

ロボットにはペイロードを搬送するための十分なトルクが必要ですが、関節のサイズや重量が過大になると、上流側の軸にかかる負荷が増加する可能性があります。トランスミッションには正確で再現性の高い動作が求められ、制御システムには信頼性の高い位置およびトルクのフィードバックが必要です。

さらに、スペースという実際的な問題もあります。

ロボットアームが軽量化・小型化するにつれて、個別のギアボックス、カップリング、ブレーキ、エンコーダー、ケーブルアセンブリを配置するスペースは少なくなります。そのため、関節の機械設計はロボット全体のアーキテクチャにおける重要な要素となります。

このような場面で、一体型ハーモニック関節モジュールが役立ちます。

T字型関節アーキテクチャの利点

T型関節と従来のインライン関節の主な違いは、モーターシャフトと出力シャフトの関係にあります。

インライン構成では、モーターと出力が同一軸上に配置されます。T型構成では、出力フランジがモーターシャフトに対して垂直に配置されます。

より柔軟なパッケージング

垂直配置により、エンジニアはロボットアーム内部で関節を配置する際の自由度を高めることができます。

これは、複数の軸を比較的小さな機械的スペース内に収める必要がある、肘や手首の構造周辺で特に有用です。

モーターと減速機を1本の直線軸に沿って配置するのではなく、T字型アーキテクチャでは、ロボットの形状に合わせて関節を配置できます。

アームセグメント間のコンパクトな統合

ロボットアームのリンクは通常、複数の回転関節を介して接続されます。各関節に追加のカップリング、ブラケット、トランスミッションコンポーネントが必要になると、機械構造はすぐに複雑になります。

T型ハーモニック回転関節モジュールは、主要な動作コンポーネントを1つのアセンブリにまとめ、関節周辺に設計する必要がある個別の機械的インターフェースの数を削減します。

より整理された内部ケーブル配線

ロボットの軸数が増えるにつれて、ケーブル管理の重要性も高まります。

ロボットの動作中、電源ケーブル、エンコーダー配線、通信ラインなどの接続線は繰り返し移動します。中空シャフト設計により、ケーブル用の内部経路を確保でき、外部ケーブルループを減らし、関節アセンブリを整理しやすくなります。

ロボット関節にハーモニック減速機が使用される理由？

ハーモニック減速機は、この種の関節の中心となるトランスミッション要素です。

ハーモニックドライブは、ウェーブジェネレーター、フレクスプライン、サーキュラスプラインを使用して、コンパクトな機構内で高い減速比を実現します。そのため、大型の従来型ギアボックスを使用せずに、モーターから制御された高トルク出力を得る必要がある用途に適しています。

小型サイズで高い減速比

モーターは比較的高速で動作できますが、ロボット関節に必要な出力速度ははるかに低い場合があります。

ハーモニック減速機は、コンパクトな外形を維持しながら入力速度をより高い出力トルクに変換します。ロボットメーカーにとって、これによりアームを不必要に大型化することなく、必要なトルクを提供できる関節を設計しやすくなります。

精密な動作を実現する低バックラッシ

トランスミッションのバックラッシは、特に動作方向が変化する際に、位置決めに影響を及ぼす可能性があります。

ハーモニックトランスミッションは、低バックラッシ特性で知られています。適切なエンコーダーおよびクローズドループ制御システムと組み合わせることで、ロボット用途に必要な高精度で再現性のある動作を実現できます。

高いトルク密度

多軸ロボットにおいて、重量は重要な検討事項です。

関節が重くなると、アームの後方にあるモーターや関節が追加負荷を補う必要が生じる場合があります。そのため、高いトルク密度を持つコンパクトなハーモニックトランスミッションは、関節トルク、重量、ロボット全体のサイズのバランスを適切に保つのに役立ちます。

統合コンポーネントによるロボット関節開発の簡素化

従来のロボット関節は、複数の個別コンポーネントから構成される場合があります。

モーター + ギアボックス + エンコーダー + ブレーキ + ドライバー + カップリング + 配線

各コンポーネントを選定し、機械設計に組み込む必要があります。位置合わせ、取り付け、配線、通信についても検討しなければなりません。

一体型関節モジュールは、この開発プロセスを変えます。

個別のコンポーネントを中心に関節全体を設計するのではなく、定義済みの関節モジュールを起点とし、そのインターフェースを基準に周辺のロボット構造を設計できます。

機械的な統合作業の削減

モーター、ハーモニック減速機、フィードバックコンポーネントが、すでに機能ユニットとして配置されています。

これにより、設計が必要な機械的インターフェースの数が減り、ロボット全体のアーキテクチャを管理しやすくなります。

組立と交換の迅速化

モジュール設計は、組立も簡素化できます。

複数のモデルやプロトタイプを生産するロボットメーカーにとって、標準化された関節モジュールを異なるアーム構成で再利用できます。メンテナンスが必要になった場合も、複数の個別トランスミッションコンポーネントを分解するより、関節モジュール全体を交換する方が簡単です。

配線の複雑さの軽減

ドライバーとフィードバックコンポーネントを関節に統合することで、モジュールの構成に応じて必要な外部配線の量を減らすことができます。

コンパクトなロボットアームにおいて、これは組立とケーブル管理の両方に大きな違いをもたらします。

協働ロボット関節における高精度動作とフィードバック

機械的トランスミッションは、関節性能の一部分にすぎません。フィードバックシステムによって、コントローラーが関節の位置を把握し、動作指令にどのように応答するかが決まります。

ハーモニック回転関節モジュールは、減速機と高精度センサー、モーター制御電子機器を組み合わせることができます。これにより、コントローラーはフィードバックを使用してモーターを制御し、指令された関節位置を維持できます。

このアーキテクチャは、次のような性能が求められる用途に対応できます。

• 高精度位置決め

• 再現性のある動作

• 滑らかな加減速

• 高速応答

• 位置フィードバック

• トルクフィードバック

• 力・位置ハイブリッド制御

協働ロボットでは、最後の2つの機能が、対象物や周囲の環境との接触を伴う用途において特に重要です。

T型ハーモニック回転関節モジュールの用途？

T字型アーキテクチャは、1種類のロボットシステムだけでなく、さまざまなシステムに適しています。

協働ロボットアーム

協働ロボットは、コンパクトな関節を維持しながら、制御された再現性の高い動作を実現する必要があるため、自然な用途の1つです。

代表的な用途には、次のようなものがあります。

• 組立

• ピックアンドプレース

• マシンテンディング

• 検査

• 包装

• 軽量物搬送

医療・リハビリテーションロボット

医療機器やリハビリテーション機器では、制御された動作を実現するコンパクトな回転機構が求められることが多くあります。

一体型ハーモニック関節は、外部の機械コンポーネント数を削減しながら、ロボットに必要なトルクと位置決め性能を提供できます。

高精度自動化装置

同じタイプの関節アーキテクチャは、コンパクトな回転動作を必要とする高精度自動化装置にも利用を検討できます。

例として、自動検査装置、位置決め機構、その他のモーションコントロールシステムが挙げられます。

多軸ロボットシステム

限られたスペースに複数の回転軸を配置する必要がある場合、各関節の物理的なレイアウトが重要になります。

T型ハーモニック回転関節モジュールは、トランスミッションと制御コンポーネントを統合したまま、これらの軸を配置するための別の機械的選択肢を提供できます。

T型ハーモニック関節モジュールと従来のロボット関節の比較

主な違いは、統合レベルと機械的な配置にあります。

従来の関節では、シャフト、カップリング、取り付け構造を介して個別のコンポーネントを接続する場合があります。一体型T型モジュールは、主要なモーションコントロール要素を1つのアセンブリにまとめます。

最適なソリューションは、ロボットのトルク、速度、サイズ、ペイロード、制御アーキテクチャ、安全要件によって異なります。一体型モジュールの利点は、これらのエンジニアリング作業の多くを1つの関節アセンブリ内で処理できることです。

T型ハーモニック関節モジュールの選定時に考慮すべき点？

関節モジュールの選定は、モーターのピークトルクだけでなく、ロボットの実際の動作要件から始める必要があります。

出力トルク

ペイロード、アーム長、加速度、重力負荷、デューティサイクルとともに、連続トルクとピークトルクの両方を検討します。

関節のサイズと重量

関節重量は、ロボットアームの外側の軸で特に重要になります。コンパクトな関節は、上流側の関節にかかる負荷の軽減に役立ちます。

位置およびトルクフィードバック

エンコーダーとセンサーの構成は、必要な位置決め性能および制御性能に適合させる必要があります。フォース制御を伴う用途では、トルクフィードバックも必要になる場合があります。

ブレーキ構成

電源が遮断された際にロボットが位置を保持する必要がある場合は、関節選定時にブレーキ構成を検討する必要があります。

保護等級と使用環境

粉じん、湿気、温度は、適切な関節構成に影響を及ぼす可能性があります。そのため、実際の使用環境に応じて必要な保護等級を選定する必要があります。

ケーブル配線

多軸協働ロボットでは、内部ケーブル配線により機械設計を簡素化し、繰り返し動作中の干渉を低減できます。中空シャフト構造は、この点で特に有用です。

HONPINE T型ハーモニック回転関節モジュール

一体型回転関節ソリューションを求める協働ロボットメーカー向けに、HONPINE T型ハーモニック回転関節モジュールは、ハーモニック減速機、トルクモーター、高精度センサー、ブレーキ、ドライバーをコンパクトな関節アセンブリに統合しています。

T字型構造により、出力フランジはモーターシャフトに対して垂直に配置され、エンジニアはコンパクトなロボット関節を配置する際に、より高い柔軟性を得られます。このモジュールは、高精度動作、高トルク出力、統合制御機能が求められる用途向けに設計されています。

一体型アーキテクチャにより、ロボット関節の開発を簡素化し、個別コンポーネントの数を削減し、ケーブル管理を改善できます。

詳細な仕様および構成情報については、HONPINE T型ハーモニック回転関節モジュールの製品ページをご覧ください。

まとめ

関節は、協働ロボットアームにおける最も重要な機械要素の1つです。限られたスペースに収まり、繰り返し動作サイクルを通じて信頼性を維持しながら、トルクと精度を提供する必要があります。

T型ハーモニック回転関節モジュールは、モーター、ハーモニック減速機、センシング、ブレーキ、制御機能をコンパクトなユニットに統合することで、この課題に対応します。入力と出力を垂直に配置する構造により、多軸ロボットアームの形状を設計する際にも、より高い柔軟性を提供できます。

協働ロボット、医療ロボット、高精度自動化装置において、このコンパクトなパッケージング、ハーモニックトランスミッション、統合制御の組み合わせは、ロボットシステム全体の開発を簡素化できます。