リニアアクチュエータ vs ロータリーアクチュエータ: ヒューマノイドロボット関節の中核となる選択

ロボット関節モジュールはヒューマノイドロボットの中核ハードウェアであり、現在主に回転式と直動式の2大カテゴリに分けられます。ヒューマノイドロボットの設計では、選択にあたって多くの場合、用途シナリオと製造コストに基づくトレードオフが伴います。

直動アクチュエータと回転アクチュエータの根本的な違い

回転アクチュエータ: 複数の減速機ソリューションがヒューマノイドの身体機能要件に対応

• 回転アクチュエータは、モーター (フレームレストルクモーター)、減速機 (ハーモニックドライブ、遊星歯車減速機、サイクロイドピンホイール減速機)、センサー (トルクセンサー)、エンコーダー、およびベアリング (クロスローラーベアリング、アンギュラコンタクトボールベアリング) で構成されます。

• 高精度遊星歯車減速機: 高荷重かつ強い衝撃を受ける身体部位に適しており、製造プロセスは比較的成熟しています。加工技術と設備の面では、高精度CNC工作機械ソリューションへ更新可能です。

• サイクロイドピンホイール減速機: 1次遊星段と2次サイクロイドピンホイール段を組み合わせた構造を特徴とし、異なる身体部位の要件に対応するため柔軟な調整が可能です。新モデルの設計と反復開発は加速傾向にあり、一部メーカーは対象を絞った軽量化プロセスを開発しています。

• ハーモニックドライブ減速機: ヒューマノイドの上肢のような部位に適した高精度かつ軽量の減速機です。製造プロセスにおける革新には、減速機の中核部品へのファインブランキングの適用や、マイクロ減速機部品の製造が含まれます。

直動アクチュエータ: モーター + 直動部品 - 押し引きがどのようにロボットの運動 + 荷重を実現するのか?

直動アクチュエータは、モーター (フレームレストルクモーター)、ねじ (遊星ローラースクリュー、ボールねじ)、およびセンサー (トルクセンサー) で構成されます。

既存の加工上の難しさにより、器用なハンド用のマイクロ減速機は主にリードスクリューまたはボールねじを使用します。より大型のアクチュエータでは、遊星ローラースクリューソリューションが採用される場合があります。

ボールねじ技術は比較的成熟しており、加工の難点はナット内部の転動溝の加工にあり、特に大リードのナットでは砥石干渉を回避することが重要です。

遊星ローラースクリューは標準型、反転型などに分類されます。加工プロセスには研削、および研削の代替としての旋削が含まれます。

直動アクチュエータと回転アクチュエータの用途シナリオの違い

• 回転アクチュエータは単一軸まわりの回転を可能にし、回転運動を出力することで、ヒューマノイドロボットがさまざまな角度の回転動作を実行できるようにします。通常、肩関節、腰部、股関節など、高トルクを必要とする関節に使用されます。

• コストの観点: 回転アクチュエータでは、ハーモニックドライブ、トルクセンサー、フレームレストルクモーターが比較的高いコスト比率を占め、それぞれ約36.0%、30.0%、13.5%であり、合計で回転アクチュエータのコストの約79.5%を占めます。

• 直動アクチュエータはモーターの回転運動を直線運動出力に変換し、優れた支持性能と耐荷重能力を提供します。主に膝、肘、足首のように、高荷重かつ回転動作角度が小さいシナリオで使用されます。

• コストの観点: 直動アクチュエータでは、遊星ローラースクリュー、力センサー、フレームレストルクモーターが比較的高いコスト比率を占め、それぞれ約64.2%、16.1%、7.2%であり、合計で直動アクチュエータのコストの約87.5%を占めます。

直動アクチュエータと回転アクチュエータの長所と短所

回転アクチュエータ: 回転アクチュエータの生産と応用は比較的成熟しており、世界市場で実証されています。肩や股関節のような大角度回転関節に適しています。高い伝達効率を備え、その伝達精度はほとんどのヒューマノイドロボットの要件を満たすことができます。直動アクチュエータと比較して、回転アクチュエータはより強い動特性と高い統合度を備えています。

直動アクチュエータ: 直動アクチュエータ内の遊星ローラースクリューは、予圧ナットによって剛性維持とゼロバックラッシ伝達を容易に実現できます。線接触/面接触により、遊星ローラースクリューは良好な剛性を維持し、これは上肢の繊細で安定した動作により有利です。

しかし、直動アクチュエータは動特性が弱いです: 高い減速比のため、同じ出力密度では出力速度が比較的低く、通過帯域が狭いため、高動的な動作の実現には不利です (遊星減速機関節または油圧駆動と比較して)。

さらに、システム統合度は比較的低く、コストは高いです。関節末端は電流ループ方式によって外力を知覚できないため、力制御は関節末端に追加で取り付けられた力センサーに依存する必要があり、その結果、システム統合度は低くなり、コストは高くなります。現在、Teslaが使用しているRVI (反転遊星ローラースクリュー) 構成は、加工技術において大きな課題をもたらしています。

直動アクチュエータと回転アクチュエータはどちらも、運動形式、構造特性、性能パラメータ、および用途シナリオの面でそれぞれ独自の利点を持っています。現在、市場では回転アクチュエータ、特にハーモニックドライブ回転アクチュエータが依然として主流の選択肢です。正しいアクチュエータを選択することは、ヒューマノイドロボットの研究開発における重要な決定です。