ヒューマノイドロボット向けBLDCモーター：トルク・速度・寸法の整合

ヒューマノイドロボットとは、機体のすべての動力関節に分散したトルクの問題であり、それぞれの関節を記述する三つの数値——保持しなければならないトルク、動かさなければならない速度、そして肢が担える質量——は互いに独立ではありません。一つを動かせば、残り二つがそれに従います。したがってヒューマノイドロボット向けのBLDCモーターを選ぶとは、関節ごとに三本の曲線が交わる点を見つけ、そのうえで選んだ点を公表された記録が実際に裏づけているかを確認することを意味します。順序を誤れば、機体は立ち上がれないか、あるいは自分の足を持ち上げられません。

要点

この三つの量は、二つの変数——モーターと関節の間の減速比、そしてモーターが動作するバス電圧——によって結びついています。6:1のような低い減速比は関節を高速かつバックドライブ可能に保ちますが、実用的なトルクを出すには大きなモーターを必要とします。64:1のような高い減速比は小さなモーターから大きなトルクを生みますが、その代わりに速度と、外部負荷によって押し動かされる関節の能力の多くを費やします。減速比は関節のデューティから選ばれ、質量は減速比とトルクから従属的に決まり、そして公表されたピークトルクは短時間の主張であり、作業値として使うべきものではありません。

ToBMSでは、ヒューマノイドロボットのアプリケーションが、ヒューマノイドの関節に用いられるCubeMarsの一体型アクチュエータをまとめています。10:1の減速段を持つ262 gの機種から、公表ピークトルク222 Nmの中空軸機種1396 gまでが含まれます。本ガイドでは、トルク・速度・寸法を関節ごとにどう整合させるかを示し、そのうち8機種を一つの仕様セットとして読み解きます。

ヒューマノイドの関節がトルク・速度・寸法のトレードオフである理由

ヒューマノイドプラットフォームが他の機械と異なるのは、その構造と積載物が同一の物体である点です。産業用アームは固定されており、リンクは自身の慣性と工具を支えるだけでよく、ベースは顧客が許容する限り重くできます。ヒューマノイドロボットは、アクチュエータ、バッテリー、電子回路を作業を行う肢そのものに載せなければならず、しかもその肢はバランスを取れるだけの精度で動かさなければなりません。膝に加えた1グラムは股関節が振らなければならない1グラムであり、股関節に加えた1グラムは足首が補正しなければならない1グラムです。

デューティはどの型番よりも先に決まる

関節の仕様で最初に来る数値はトルクではありません。一周期にその関節が何をするかの記述です。静的な負荷をどれだけ長く保持するか、重力に逆らってどれだけ動くか、どれだけ頻繁に加速するか、そしてその時間のうちどれだけを負荷の下で低速で過ごすか。立位の股関節は、ほとんど動かずに体重の一部を何分間も保持します。歩行時の膝は、数十ミリ秒で衝撃を吸収し、その後は自由に振れます。マニピュレーション作業中の肘は、作業時間の大半をほぼ一定の角度で工具を保持して過ごすことがあります。これは三つの異なる熱的・電磁的な問題であり、トルク・速度平面上の異なる点で解かれます。

支持期と遊脚期は曲線の反対側の端を求める

脚の関節は二つのデューティを交互に担います。支持期には、関節は体重を超えることもある負荷の下でほぼ静止しており、これは速度成分がほとんどないトルク要求です。遊脚期には、同じ関節がほとんど負荷なしで大きな角度を素早く動かなければならず、これはトルク成分がほとんどない速度要求です。単一のモーターがその両方を満たさなければならず、その妥協をどう配分するかを決めるのが減速比です。高い減速比は支持期に奉仕し、遊脚期に不利に働きます。低い減速比はその逆です。二足歩行機械の脚関節が、同程度の固定産業用アームの軸よりも仕様化しにくいのは、単一の数値ではなくこの交替のためであり、新しいプラットフォームのヒューマノイドロボットの関節をアクチュエータクラスに振り分けるときに最初に見るべき点でもあります。

制御ループが実際に戦うのは反射慣性である

モーターと関節出力の間には減速機があり、減速機はロータの慣性を、出力側へ向かう途中で減速比の二乗で割ります。したがって高い減速比は、コントローラに対して関節における見かけの慣性を非常に小さくし、位置制御を容易にし、力制御を難しくします。関節が何を押しているのか分からなくなるからです。低い減速比はロータ慣性のより多くを出力に反射し、関節が世界を感じ、予測可能にバックドライブできるようにします。8:1や9:1の減速段を持つ準ダイレクトドライブ関節が、ロボットが未知の物体や人と接触しなければならない場所で使われるのはこのためです。トルクと速度を決めるのと同じ減速比がこの挙動も決めるため、これは後からソフトウェアで直せる機械的な細部ではありません。

バランスの回復は定格の窓が覆わなければならない過渡である

二足歩行のバランスは、外乱から1秒の何分の一かのうちに加えられる補正トルクによって維持され、その補正の大きさは静止を保つのに必要なトルクの数倍になることがあります。これが関節の公表ピークトルクが覆わなければならない過渡であり、現在のToBMSアクチュエータセットでは、ピーク対定格の比が一部のモデルでおよそ3倍に達する理由でもあります。静的な負荷だけに対して仕様化された関節は、立位姿勢は保持できても、押されたときに立て直せません。ヒューマノイドプラットフォームでは、それはサイクルの取りこぼしではなく転倒です。

減速比が速度をトルクに変換する仕組み

減速比は、ヒューマノイド関節の仕様の中で最も有用な単一の数値です。モーター側のあらゆる量を関節側へ決まった形で写像するからです。減速比が分かれば、関節の速度はモーターの速度をそれで割ったもの、トルクはモーターのトルクにそれを掛けたものとなり、両者の公表値を互いに照合できます。

関節速度はモーター速度を減速比で割ったものである

一体型アクチュエータとして示される速度はすべて出力速度であり、関節が見る数値です。6:1の減速段を持つ485 gのAK80-6 KV100は無負荷で800 rpmを公表し、64:1の減速段を持つ850 gのAK80-64は24 Vバスで37 rpmを公表します。出力速度にして約22倍の差は、減速比の違いによって生じたものであり、モーターの品質の違いによるものではありません。関節にとって毎分回転数は扱いにくい単位なので、換算する価値があります。1 rpmは毎秒6度であり、800 rpmの機種は無負荷で毎秒4800度の関節、64:1の機種は同じ条件で毎秒222度の関節になります。300 msで60度振らなければならない股関節は、持続的な出力として毎秒200度を要求しており、この一つの要件だけで、あらゆるアクチュエータレンジの高減速比側の大部分が除外されます。

トルクも同じ減速比で増えるが、減速機が取る分は差し引かれる

この掛け算は実在しますが、無償ではありません。6:1の減速段はモーター側の6 Nmを、摩擦と歯車かみ合いの損失を差し引いたおよそ36 Nmへ関節側で変え、64:1の減速段は同じ計算で0.75 Nmをおよそ48 Nmへ変えます。レンジの中で最も重い機種が自動的に最も強い機種にならないのはこのためです。750 gのAK60-39 V3.0は39:1の減速段を通してピークトルク72 Nmを公表し、850 gのAK80-64は64:1の減速段を通して120 Nmを公表します。つまり100 gの質量差が67パーセントのトルク優位を買うのは、減速比が仕事をしているからです。減速比は効率のペナルティも決めます。追加の減速段はそれぞれ、そこを通る電力の数パーセントを費やし、バックラッシへの寄与も加えるからです。

KVとバス電圧の積がモーター側の速度を決める

KVはモーター側の定数です。減速機の前で、加えたバス電圧1ボルトあたりロータが回る速度です。KVにバス電圧を掛け、減速比で割ると出力無負荷速度の推定値が得られ、その推定値を公表値と突き合わせることで記録の算術的な照合ができます。24 Vで10:1を通すAK45-10 V3.0 KV75では、75に24を掛けて10で割ると180 rpmとなり、公表値の180 rpmと一致します。24 Vで6:1を通すAK60-6 V1.1 KV140では推定560 rpmに対して公表560 rpm、48 Vで6:1を通すAK80-6 KV100では800 rpmに対して800 rpm、48 Vで9:1を通すAK70-9 V3.0 KV60とAK10-9 V3.0 KV60では、いずれも320 rpmに対して320 rpmです。この対応は普遍的ではありません。48 Vで48:1を通すAKH70-48 V1.0 KV41は41 rpmと推定されますが、公表値は35 rpmです。だからこそ、設計の基準にすべきはKVから導いた値ではなく、公表された出力速度なのです。

高い減速比はトルクを買い、バックドライバビリティを費やす

減速比が上がるにつれて、関節に不利に働く二つの効果があります。第一は、出力における反射慣性が減速比の二乗で下がることです。そのため関節は指令しやすくなり、感じ取りにくくなります。第二は摩擦です。多段減速機は出力側から加えられるトルクに抵抗し、高い減速比ではその抵抗が、人や面が押しても関節がもはや動かないほど大きくなることがあります。このセットでは、低減速比の機種が6:1、9:1、10:1を公表し、負荷を支える機種は39:1、48:1、64:1で動作します。この二つの群の分かれ目は、その関節が柔軟な接触を行うのか、大きな負荷を静かに保持するのかという問いに従います。バックラッシは相棒の仕様であり、逆方向に動きます。本セットの機種は0.18から0.55°の値を公表しており、低い減速比と厳しいバックラッシ値の組み合わせが、手で押したときに剛性を感じさせながら、なお押し動かせるという関節の特性を与えます。

トルクの整合：定格、ピーク、そしてそれぞれの裏にある時間窓

トルクは、ヒューマノイドの関節に関する決定が最初に下され、そして最初に誤って下される軸です。メーカーの記録には三つの異なる数値が現れ、それらは三つの異なる問いに答えます。

ピークトルクは能力ではなく時間窓である

ピークトルクは、アクチュエータが短い区間——典型的には肢を加速する、あるいは外乱を止めるのにかかる時間——のあいだ、ドライブの電流制限を超えず、また何かを減磁させることなく出せるものを記述します。バランス回復の事象や持ち上げの最初の瞬間には正しい数値であり、繰り返さなければならないものには誤った数値です。本セットではピーク対定格の比がAK80-6の2.0からAK70-9 V3.0の3.4まで及び、同じ定格トルクを持つ二つのアクチュエータでも、過渡として出せる値が5割以上異なることがあります。ピークの列だけを読むとその差が潰れ、連続使用で過熱する候補リストができあがります。

定格トルクは巻線の熱経路によって制限される

定格トルクは熱に関する記述です。巻線がその絶縁クラスの範囲内に留まりながら、アクチュエータが無期限に保持できるトルクであり、したがって熱がステータからどう抜けるか——ハウジングを通り、取付構造へ入り、関節自身の筐体から離れるか——に依存します。同じモーターでも小さな密閉筐体では大きな筐体より定格値が低いこと、またアームの先端にある関節の定格トルクが、背後に大きな熱容量を持つ股関節ブラケットにボルト固定された同じ関節とは別の話であるのはこのためです。本セットの定格値は262 g側の2.5 Nmから1396 g側の74 Nmまで及び、定格の数値は最悪ケースではなく関節の平均負荷と比較すべきものです。ここで計算を閉じられることの多い算術的な確認は、定格トルクに毎秒ラジアンで表した定格速度を掛けた値と、公表された定格電力の比較です。AK60-6 V1.1は420 rpmで3 Nm、132 Wとなり公表値130 W、AK70-9 V3.0は231 Wに対して231 W、AK60-39 V3.0は176 Wに対して176 W、AK10-9 V3.0は443 Wに対して442 Wです。両者が閉じない場合、その差は通常、速度を公表したいずれのバス電圧によるものかまでたどることができます。

静止時の保持トルクは電流の問題である

負荷の下で静止している関節は、巻線から見て仕事がゼロではありません。ドライブは位置を保持するために相へ電流を流し続けなければならず、その結果生じる銅損は関節がゆっくり動いている場合と同じです。したがって立位のヒューマノイドは、その姿勢の中で負荷のかかったすべての関節の保持トルクに比例した待機電力を持ち、定格動作点での電流が重要になります。本セットでは定格電流が24 VのAK45-10 V3.0の1.9 Aから、48 VのAK10-9 V3.0の10.7 Aまで及びます。バッテリー駆動のプラットフォームではその消費は稼働時間から支払われ、機械的なストッパで保持できる姿勢を設計する価値がある理由もそこにあります。

関節が担わなければならない質量に対して読むトルク密度

トルク密度はトルクの軸と寸法の軸をつなぐ数値であり、質量と、どちらのトルクを使ったかを明示して初めて意味を持ちます。以下の8機種では、公表ピークトルクをキログラムで割った値が368 gのAK60-6 V1.1の約24.5 Nm/kgから1396 gのAKH70-48 V1.0の約159 Nm/kgまで及び、定格トルクをキログラムで割った値は同じ二機種で約8.2 Nm/kgから約53 Nm/kgまで及びます。いずれも記録値からの算術です。この広いばらつきは製造品質の偶然ではなく、減速比がそうさせるものです。高減速比の機種はより小さなモーターを速く回してトルクを生み出しており、減速機の追加質量は、小さなモーターが節約する質量に比べて小さいからです。

ロータではなく関節で速度を合わせる

ヒューマノイドロボットにおける速度要件は、通常、与えられた時間で動かすべき角度として述べられ、最初から正しく述べられることは稀です。関節の要件からアクチュエータ仕様への変換は減速比を通り、その減速比はトルクの理由で選ばれるため、二つの制約は順番にではなく同時に解かなければなりません。

遊脚期が脚の速度要件を決める

歩行する脚は、300から400 msで膝の可動域およそ60から90度を通して足を前方へ運ばなければならず、これは遊脚中に持続的な関節速度として毎秒150から300度を要求し、歩行周期全体ではそれよりも低くなります。以下の8機種では、その帯域を6:1と9:1の485 gおよび540 gクラスが担い、公表定格速度の603 rpmと260 rpmはそれぞれ毎秒約3618度と1560度に相当します。これは大きな余裕であり、関節の速度ループが一定速度で走るのではなく遊脚の中で加速と減速を行えるのはこのためです。高減速比の機種が脚から排除されるわけではありませんが、それらは関節が地面に近く、負荷経路が遊脚よりも支持に支配される場所で使われます。

追従と到達が腕の速度要件を決める

腕の速度要件は、単一の動作ではなく、追従しなければならない軌道によって決まります。マニピュレーション作業——点へ到達する、面をなぞる、投げられた物体を受け止める——は連続的な位置と速度の追従を必要とし、関連する数値は端での無負荷速度ではなく、可動域の中央における関節の加速能力です。また腕は脚よりも質量に寛容です。肩は肘と手首を支えますが、鎖全体を一歩ごとに重力に逆らって加速する必要はないからです。その組み合わせにより、レンジの中央は腕の仕様を始めるのに妥当な場所となります。本セットでは9:1の540 gのAK70-9 V3.0が定格260 rpmとピークトルク29.2 Nmを提供し、コンパクトな筐体で肘や肩のピッチをカバーします。

無負荷速度はループがめったに到達しない上限である

公表された無負荷速度は、無負荷かつコントローラの介入がない状態でのバス電圧における出力速度です。実際の関節はその点に到達しません。何かを保持または加速しなければならない瞬間に動作点はトルク・速度線に沿って後退し、速度ループが指令を制限するからです。無負荷の数値の実用的な用途は、要求速度の実現可能性を確認するときの上限です。毎秒200度という関節要件は、毎秒4800度の上限の中では余裕があり、毎秒222度の上限に対しては危険なほど近くなります。要求が上限に近い位置にある関節は、その寿命の大半を高い電流で過ごすことになり、その熱的な帰結は脚注ではなくデューティの計算に入れるべきものです。

寸法の整合：外形、内径、そして遠位質量のコスト

寸法はヒューマノイドロボットプラットフォームの運動学が決める軸であり、最も妥協の余地が少ない軸です。二つのリンクの間の空間に収まらないアクチュエータは、どのような調整によっても収まるようにはなりませんし、鎖の中で誤った位置にある重すぎるアクチュエータは、質量予算だけでなく機体の動特性を変えてしまいます。

遠位の質量はその上のすべての関節で改めて請求される

足の1グラムは、遊脚のたびに足首、膝、股関節によって加速されるため、そのコストは一歩につき三回支払われます。股関節における同じ1グラムは一度だけです。これが、仕事をこなせる最小で最軽量の機種を遠位端に置き、質量を最大のトルクを生み出さなければならない関節に残すべき論拠であり、本セットの構成にも表れています。262 gと368 gの機種は手首、ハンド、足首の作業向けに2.5 Nmと3 Nmの定格トルクを担い、940 gと1396 gの機種は股関節と膝向けに18 Nmと74 Nmの定格を担います。この配置を逆にする——余裕のために大きなアクチュエータを遠位関節に置く——と、近位の関節は機体の寿命のあいだずっと厳しく働くことになります。

肢の内部におけるケーブル内径とハーネス寿命

ヒューマノイドの関節は回転し、その回転を横切らなければならないもの——電力、センサ配線、時には流体や空気——は、スリップリングを通るか、数百万回の屈曲に耐えなければならないサービスループを通るか、あるいはアクチュエータ自体を通ります。1396 gのAKH70-48 V1.0 KV41は中空軸の遊星アクチュエータであり、ケーブル経路が関節の周りではなく中心を通るため、サービスループが関節の外形から完全に外れます。内径が得られない場合、ループは曲げ半径とサイクル寿命を前提に設計する必要があり、それは機体の想定耐用期間と照らして確認する価値があります。したがって以下の表の外形の列は、収めるべき直径というだけではありません。中空軸機種の直径90 mmと長さ81.5 mmは、そこを通る内径と合わせて初めて意味を持ちます。

直径クラス、積層長、そしてフレームが取り得る形

一体型アクチュエータは、減速機とモーターが同じ軸を共有するため、直径クラスにまとまります。本セットの直径は53 mm、79 mm、89 mm、90 mm、98 mmで、長さは38.5 mmから81.5 mmまで及びます。通常、直径のほうが厳しい制約です。リンクの断面は負荷を担う構造によって決まりますが、長さはリンク自身の長さに吸収できることが多いからです。太ももの内側に収まらなければならない関節は薄く幅のあるパッケージを必要とし、股関節ブラケットの外側に置かれる関節はより長いものを取れます。取付インターフェースは寸法と同じくらい重要です。一端でプレートにボルト固定され、他端でリンクを駆動するアクチュエータは、自身のハウジングを通る負荷経路を課し、そのハウジングの剛性が関節の剛性の一部となり、ひいては歩行の衝撃下で機体がどう振る舞うかを決めます。

ヒューマノイド関節向けCubeMarsアクチュエータ8機種を一つの仕様セットとして読む

以下の表は、8機種のCubeMarsロボット用アクチュエータを一つの仕様セットとして、公表質量の順に読んだものです。質量はヒューマノイドプラットフォームが設計される軸であり、またこの8機種にわたる減速比の広がりが、262 gの遠位モジュールから1396 gの中空軸関節までのトルク・速度のトレード全体を覆うからです。すべての数値はメーカーの公表値であり、本文中の導出値はすべて算術として明示しています。

定格トルクとピークトルク、定格電圧、減速比、質量、外形はメーカーの公表値です。定格トルクはアクチュエータの熱的な制限内での連続値であり、ピークトルクは短時間の値です。AKH70-48 V1.0は中空軸の機種であり、その外形は軸を通るケーブル内径とともに示されています。

一つのセットとして読むと、8機種は公表ピークトルクで7 Nmから222 Nmまで、質量で262 gから1396 gまでのトルクラダーを描きますが、そのラダーの形は質量順と同じではありません。540 gより上では、質量順はもはやトルクの順序を反映しません。750 gのAK60-39 V3.0の72 Nmは、850 gのAK80-64の120 Nmに道を譲り、より重い940 gのAK10-9 V3.0は53 Nmにとどまって850 gを下回ります。850 gが64:1で速度を引き換えにしているのに対し、940 gは9:1だからです。質量だけで表を読む人は誤った機種を選びます。減速比の列はトルクの列と一緒に読まなければなりません。

トルク密度は同じことを一つの数値で示します。記録された二つの列からの算術である公表ピークトルクをキログラムで割った値は、368 gの機種の約24.5 Nm/kgと485 gの機種の約24.7 Nm/kgから、850 gの機種の約141 Nm/kgと1396 gの機種の約159 Nm/kgまで及びます。約6倍の広がりは減速比が仕事をしている結果です。高減速比の機種は小さく速いモーターからトルクを生み、その代価を出力速度で払い、低減速比の機種はトルクを直接生み出して速度を保ちます。キログラム当たりの定格トルクもより狭い範囲で同じ話を語り、368 g側の約8.2 Nm/kgから中空軸側の約53 Nm/kgまで及びます。関節がミリ秒ではなく何分間も負荷を保持する場合には、こちらの数値のほうが有用です。

速度は減速比が上がるにつれて下がり、回転数ではなく度で述べる価値のある下がり方をします。公表された無負荷速度と定格出力速度を1 rpmあたり毎秒6度で換算すると、8機種は6:1側の無負荷出力速度で毎秒約4800度から64:1側の毎秒222度まで及び、定格速度は同じ機種で毎秒約3618度から毎秒約138度まで及びます。300 msで60度振らなければならない股関節は毎秒200度を要求しており、それは表の低減速比側の半分の内側にあり、高減速比側の半分の上限に近い値です。機種を選ぶ前にこの比較を行うことが、遅い脚の説明を強いられる設計を避けさせます。

足首から股関節へ、8機種を読む

ヒューマノイドプラットフォームの関節は、手首と足首の遠位軸から股関節と膝へと鎖をなし、要求はその鎖に沿って単調に移ります。トルクは上がり、速度は下がり、担える質量は地面からの距離とともに増えます。以下の8機種は四つの群でその鎖に対応します。

262 gと368 gの端：手首、ハンド、足首の軸

本セットで最も小さい機種は、低トルク・中速のデューティを担います。AK45-10 V3.0 KV75は直径53 mm、長さ45.2 mmの筐体に262 gで、10:1の減速段を回して24 Vバスで定格2.5 Nm、ピーク7 Nmを出し、定格120 rpm、無負荷出力180 rpm、バックラッシ0.3°を公表しています。公表定格電力は39 W、定格電流は1.9 Aで、小さな遠位リンクへの配線を簡潔に保ちます。AK60-6 V1.1 KV140は直径79 mm、368 gとなり、6:1の減速段を通して定格3 Nm、ピーク9 Nmを出し、24 VでのKV140モーターは定格420 rpm、無負荷560 rpmを生みます。これはこのグループ内で最も速い出力であり、無負荷で毎秒約3360度に相当します。低減速比、控えめなトルク、高い出力速度というこの組み合わせは、足の下で素早く位置を変えなければならない足首や、小さく速い補正を行わなければならない手首に適します。バックラッシ値0.55°はこの群で最も緩い公表値であり、高速モーターを伴う低減速比の想定された帰結です。

485 gと540 gの中間：肘の追従と高速な膝

本セットの中間は、腕と、より速い脚の関節が位置する場所です。AK80-6 KV100は直径98 mm、長さ38.5 mmの485 gの機種で、48 Vバスで6:1の減速比において定格6 Nm、ピーク12 Nmを出し、定格603 rpm、無負荷出力800 rpm、公表定格電力340 Wです。そのピーク対定格比2.0は本セットで最も小さく、デューティが過渡よりも連続に近い場合に選ぶべき機種です。AK70-9 V3.0 KV60は同じ考え方を一段上の減速比にしたものです。直径89 mm、長さ49 mmの筐体に540 g、9:1の減速段、48 Vで定格8.5 Nm、ピーク29.2 Nm、定格260 rpm、無負荷320 rpm、定格電力231 W、バックラッシ0.3°です。ピーク対定格の倍率3.4は本セットで最も大きく、過渡が設計ケースであり連続負荷が控えめな場合により適した機種です。両機種には記録された導入事例があります。メーカーは研究プラットフォームにおけるAK80-6の事例研究を公開しており、以下に埋め込んでいます。

750 gと940 gのクラス：股関節、膝、単脚支持の負荷

これは機体を支えるクラスです。AK60-39 V3.0 KV80は直径79 mm、長さ67 mmの筐体に750 gで、39:1の減速段を48 Vで定格24 Nm、ピーク72 Nmへと変え、定格70 rpm、無負荷出力98 rpm、定格電力176 W、バックラッシ0.25°です。AK10-9 V3.0 KV60は直径98 mm、長さ61.7 mmの筐体に940 gで、9:1の減速段とデュアルエンコーダの構成を組み合わせ、48 Vで定格18 Nm、ピーク53 Nmを出し、定格235 rpm、無負荷出力320 rpm、定格電流10.7 Aで公表定格電力442 Wです。この二機種は同じ論拠を反対方向から示します。39:1の機種はトルクを減速比で買い、出力速度を手放します。9:1の機種は速度を保ち、トルクを出すためにより大きなモーターを必要とします。単脚支持の負荷を保持したうえで素早く伸展しなければならない股関節は後者の構成を好み、地面に近く、めったに速く動く必要のない膝は前者を好みます。バックラッシは39:1の機種について0.25°が公表されています。本セットの9:1の機種の記録にはバックラッシの数値がなく、その空白は前提にせずメーカーへの質問項目に入れるべきものです。

48:1と64:1の重い端：速度を意図的に費やす場所

表の最上段は、出力速度が設計者の犠牲にできる項である関節のためのものです。AK80-64 KV80は直径98 mm、長さ61.9 mmの筐体に850 gで、64:1の減速段を通して定格48 Nm、ピーク120 Nmを出し、24 Vと48 Vのいずれかを受け付けます。公表出力速度は24 Vで定格23 rpm、無負荷37 rpm、48 Vで定格48 rpm、無負荷75 rpm、バックラッシは本セットで最も厳しい0.18°です。AKH70-48 V1.0 KV41は最も重い機種で、直径90 mm、長さ81.5 mmの筐体に1396 g、48 Vバスで48:1の減速段を通して定格74 Nm、ピーク222 Nmを出し、定格28 rpm、無負荷出力35 rpm、バックラッシ0.2°です。その中空軸が他の機種と分ける特徴です。ケーブル経路が軸を通るため、関節の周りにサービスループを置かずに股関節や重量級の膝を構成できます。両機種とも出力で毎秒数百度の低い側に収まり、負荷を支える膝や固定された股関節に適し、数百ミリ秒で遊脚を完了しなければならない関節からは外れます。メーカーは中空軸機種の負荷試験を公開しており、以下に埋め込んでいます。その完全な仕様記録はメーカーの製品ページにあります。

これらの関節用モーターが適合するヒューマノイドプラットフォーム

この表のすべての機種は、ToBMS上で同じアプリケーションに関連づけられています。それはデューティがいかに狭いかを反映しています。ヒューマノイドロボットのアプリケーションは、固定構造の付属物ではなく関節が主要な設計制約である機械を対象としています。

二足歩行研究と全身プラットフォーム

研究プラットフォームは計測と再構築を前提に作られるため、関節の仕様は耐用期間ではなく制御性と再現性を中心に書かれます。ここでは低減速比と中減速比が支配的です。バックドライブできる関節は手で調べられ、追加のセンサなしにモーター電流からトルクを推定できる関節だからです。この表の中間にある公表ピーク対定格比は、まさにその使われ方に適します。試作機はその寿命の大半を定格トルクの何分の一かで過ごし、時折その倍数で過ごします。

脚式および車輪付き脚式の機械

歩行する機械、および関節を持つ脚に取り付けた車輪で走る機械は、このアプリケーションで最も広い負荷条件の範囲を関節に課します。支持期の高トルク・ほぼゼロ速度、遊脚期の低トルク・高速度、そして両端での衝撃荷重です。関連する問いは、公表記録が衝撃のケースをまったく覆っているかであり、本セットではピークトルクの数値については覆い、構造を通って届く衝撃荷重については覆っていません。そのギャップはデータシートではなくメーカーとともに埋めるものです。

支援・リハビリテーション機器

機械が人の肢を動かす場合、関節は負荷を保持すると同時に動きに追従しなければならず、この表の2機種の公表事例研究はまさにその状況から来ています。高減速比の機種が保持を担い、低減速比または低バックラッシの機種が追従を担います。支援機器が鎖全体に一機種を仕様化するのではなく、同じ肢で二つの減速比クラスを混ぜることが多いのはこのためです。

マニピュレーション、遠隔操作、器用なプラットフォーム

ヒューマノイドプラットフォームの腕は、取り付けられている身体の制約を引き継ぎます。手首における控えめな質量、非構造化空間で作業する必要性、そして接触を許容しなければならない制御ループです。この表の中間——48 Vバスで6:1と9:1の485 gおよび540 gの機種——が、負荷を支える端の質量なしにそれらの制約を満たす群であり、単一のモデルが腕の中の複数の関節に使える群です。

ヒューマノイド関節の選定手順

この三つのステップの順序は、それぞれの中身よりも重要です。各ステップが、次に検討すべき集合を狭めるからです。

まず関節のデューティと最悪負荷を固定する

機体が最も長く過ごす姿勢における保持トルク、バランス回復や持ち上げが要求する過渡のあいだに必要なトルク、そしてそれぞれに費やす時間の割合を明らかにします。最初の数値が熱のケースを、ひいては定格トルクを規定し、二番目の数値がピークの主張を規定し、両者の比がその関節が表の低い端に属するか高い端に属するかを決めます。同じトルク要件は、高い減速比の小さなモーターと、低い減速比の大きなモーターの双方で満たされ、その二つの答えは関節で異なる振る舞いをするため、これより前にモデルについて決められることは何もありません。

次にバス、内径、取付外形を固定する

バス電圧はアクチュエータではなく機体の電力アーキテクチャに従うため、固定された制約として扱うべきです。本セットの機種は24 V、48 V、またはその両方で動作し、48 V専用の機種はトルクがどれほど適合していても24 Vのプラットフォームには使えません。外形はリンクに従います。直径が先、長さが次、そして関節がケーブルを横切る股関節や膝である場合は、軸を通る内径も同時にです。この二つのフィルタを通過した候補は、通常、適切に比較できるほど小さくなります。

記録が開いたままにしている数値を問いただす

このクラスのアクチュエータの公表記録は、トルク、速度、減速比、質量については良好で、関節がどのように性能を発揮するかではなく、どう振る舞うかを決める数値については薄くなっています。メーカーに持ち込むべき質問は短いリストです。

• 特定の機種とバージョンについて出力で測定されたバックラッシ、およびその値が最大値か標準値か。
• ピークトルクの数値に付随するデューティ窓。どれだけの時間、どれだけの頻度、そしてどのような冷却のもとでか。
• 減速段全体を通した効率、そして高トルク下の低出力速度においていずこで低下するか。
• 連続電流と、機体自身の取付構成におけるそれに伴うハウジングの温度上昇。
• 衝撃や打撃の定格。これはこのアプリケーションが必要とする数値であり、最も欠けていることが多いものです。

記録にない数値は、前提ではなく設計余裕に入れるべきであり、その評価は関節を発注する前に文書化しておくべきです。

よくある質問

公式リソース

CubeMarsは、プラットフォームの資料セクションにまとめられたアクチュエータレンジの製品ドキュメントを公開しており、各モデルには完全な仕様、性能曲線、取付図を載せた公式製品ページがあります。メーカーの製品レンジがその入口です。トルク曲線、熱定格、バックラッシの根拠、ドライブ構成についての信頼できる情報源はメーカーであり続けます。ToBMSは発見の層を検索可能かつ比較可能に保ち、本ガイドで使用した数値はプラットフォームの製品記録に保持された公表値です。

次のステップ

このガイドのカテゴリレベルの対応物はロボット用アクチュエータ：ロボット関節に適した一体型アクチュエータの選び方で、これらの一体型機種のうち5機種を部品として互いに読み比べ、ジョイントモジュールの選び方：190 gから1.4 kgまでのCubeMarsアクチュエータ5機種はジョイントモジュールを設計の単位として扱います。本ガイドはロボットから出発します。関節の鎖、デューティサイクル、質量予算を経て同じクラスのアクチュエータに到達するという道であり、どのモデルが大きいかではなく、ヒューマノイドロボットに何が必要かが問いである場合に取るべき道です。

関節クラスが変わる箇所では、隣接する二つの経路をたどる価値があります。関節を手で導く必要がある場合や、フレームレスキットと密閉モジュールの境目を決めなければならない場合、外骨格向けBLDCモーター：フレームレストルクモーターと一体型アクチュエータの比較がその比較を直接示し、フレームレストルクモーターカテゴリが、器用なハンドの軸が通常組み立てられるステータとロータのキットを扱います。速度ではなく柔軟性のために低い減速比を選ぶ場合、準ダイレクトドライブアクチュエータ：8:1減速比がもたらすものがその根拠で準ダイレクトドライブアクチュエータレンジを扱います。

モータークラスがどう関係するかという広い文脈については、BLDCモーター完全ガイド：ブラシレスDCモーターの種類、仕様、選び方が一体型アクチュエータを他のカテゴリの中に位置づけます。調査ではなく候補の絞り込みには、製品選定でトルク、減速比、電圧、質量、外形によって候補を絞り、次に製品比較で互いに突き合わせます。関連する関節クラスはプラットフォームのジョイントモジュール、パワーアシストスーツ、四足歩行ロボット、リハビリテーションロボットの各アプリケーションにまとめられています。ロボット用アクチュエータカテゴリには、ここで比較した8機種が掲載されています。