HONPINE HAG ハーモニックアクチュエータ：ドライブとSTOを一体化した高性能ロボット関節モーション

現代のロボット関節には、精密なギアボックス以上のものが求められています。産業用ロボット、協働ロボット、ヒューマノイドロボット、そしてインテリジェントオートメーションシステムがより小型化・動的化するにつれ、ロボット関節アクチュエータは、高い位置決め精度、高速応答、コンパクトな統合性、信頼性の高いフィードバック、そして機能安全性を単一のモーションシステムに統合する必要があります。

HONPINE HAGハーモニックアクチュエータは、次世代ロボットモーションコントロール向けに設計されています。高精度ハーモニックギア機構、フレームレストルクモーター、高分解能エンコーダ、および統合型サーボドライブを1つのコンパクトなロボット関節アクチュエータに統合しています。オプションのセーフトルクオフ（STO）機能とブレーキ機能は、トルク制御によるシャットダウンと負荷保持が必要なアプリケーション向けに、さらなる安全性を提供します。

HAGは、EtherCAT、CANopen、CAN-FD、およびRS485 Modbusをサポートすることで、ロボットおよび産業オートメーション用途向けの包括的なモーションコントロールプラットフォームを提供します。

HONPINE HAGハーモニックアクチュエータとは何ですか？

HAGハーモニックアクチュエータは、精密な回転運動に必要な主要コンポーネントを1つのユニットに統合した、一体型ロボットアクチュエータです。

HAGは、個別の高調波減速機、モーター、エンコーダー、外部サーボドライブを使用する代わりに、これらのコンポーネントをコンパクトなロボット関節ソリューションに統合しています。

統合アーキテクチャには以下が含まれます。

• 高精度高調波伝送

• フレームレストルクモーター

• 20ビット高速サイドエンコーダ

• 19ビット出力側エンコーダ

• 一体型サーボドライブ

• オプションのSTO

• オプションのブレーキ

• 中空シャフト

複数の産業用通信インターフェース

この統合設計により、別途外部駆動部品を用意する必要性が減り、ロボット関節の機械的および電気的な統合が簡素化される。

ロボットメーカーにとって、その結果として、外部部品が少なくなり、関節の位置、速度、電流制御機能に直接アクセスできる、よりコンパクトなモーションコントロールアーキテクチャが実現する。

現代のロボットにとって、集積型ハーモニックアクチュエータが重要な理由とは？

従来のロボット関節構造では、複数のコンポーネントを個別に設置・接続する必要がある場合が多い。モーター、高調波減速機、エンコーダー、サーボドライブなどは、ロボットの異なる場所に配置され、追加のケーブルやコネクタが必要となる。

ロボットの関節が小型化・高度化するにつれて、このアプローチは以下のような課題を生み出す可能性がある。

• 設置スペース

• ケーブル配線

• 熱管理

• 電気統合

• システム試運転

• モーションコントロール構成

統合型ハーモニックアクチュエータは、主要な動作コンポーネントを1つのユニットに統合することで、これらの課題を解決します。

HAGアーキテクチャは、利用可能な関節空間が限られており、動的な動作性能が重要なヒューマノイドロボット、協働ロボット、産業用ロボットアーム、および小型自動化システムに特に適しています。

閉ループモーション制御のための両面高解像度フィードバック

HAGハーモニックアクチュエータの際立った特徴の一つは、高解像度エンコーダ構成である。

HAGは、高速側に20ビットエンコーダ、出力側に19ビットエンコーダを使用しています。このデュアルサイドフィードバックアーキテクチャにより、制御システムはモータ側と出力側の両方の動きに関する詳細な情報を得ることができます。

なぜこれが重要なのか？

ロボット関節は、モーターの回転方向を知るだけでなく、減速機構後の実際の出力動作に関する正確な情報も必要とする。

出力側フィードバックは、制御システムが実際の関節位置を監視し、制御システム内の動作誤差を補正するのに役立ちます。

これは、以下のような要件を持つロボットアプリケーションにとって特に価値があります。

• 正確な位置決め

• 繰り返し可能な動作

• スムーズな方向転換

• 動的軌道制御

• 負荷変動下でも安定した動作

高解像度フィードバックと高調波伝達の組み合わせにより、HAGは単なるモーターとギアボックスの組み合わせではなく、完全な閉ループロボットモーションシステムとして動作することが可能になります。

ロボット関節用高精度ハーモニックトランスミッション

高調波伝達機構は、HAGアクチュエータの重要な要素である。

ハーモニックギア技術は、高い減速比、コンパクトな寸法、高い位置決め精度、および低いバックラッシュ特性を提供できるため、ロボット関節に広く使用されています。

ロボット用途においては、これらの特性は重要である。なぜなら、ギアボックスはモーターの回転と関節の動きの関係に直接影響を与えるからである。

HAGは、ハーモニックトランスミッションとフレームレストルクモーター、そして統合制御エレクトロニクスを組み合わせることで、ロボット動作に最適化されたコンパクトな回転アクチュエータを実現しました。

このアーキテクチャにより、ロボット設計者は、各関節の横に従来型の外部サーボドライブを設置することなく、高いレベルの動作性能を実現できる。

統合型ドライブアーキテクチャにより、システムの複雑さが軽減されます。

サーボ駆動装置はHAGアクチュエータのベース部に組み込まれている。

これは、HAGと、外部ドライバを使用する従来のハーモニックアクチュエータアーキテクチャとの重要な違いである。

駆動部をアクチュエータに統合することで、ロボット設計者は別々に設置する部品の数を減らし、関節周辺の電気接続を簡素化できる。

そのメリットには以下のようなものがあります。

よりコンパクトなシステムアーキテクチャ：

このドライブは、別途取り付け場所を必要としません。

簡略化された配線：

外部接続を減らすことで、ケーブルの複雑さを軽減できます。

システム統合が容易になる：

モーター、ハーモニックトランスミッション、エンコーダー、およびドライブは、一体型のモーションコントロールユニットとして設計されています。

設置スペースの削減：

この一体型構造は、小型ロボット関節に適している。

人型ロボットやその他のスペースに制約のあるロボットプラットフォームにとって、これらの特性は特に価値がある。

ロボットの動作制御をより安全にするためのSTO

ロボットが人により近い場所で動作し、医療、研究室、協働作業、インテリジェント製造などの環境に導入されるにつれて、安全性はますます重要になってきている。

HAGハーモニックアクチュエータには、STO（セーフトルクオフ）機能を装備できます。

STOは、駆動装置のトルク発生能力を無効にすることで、モータがトルクを発生させないように設計された安全機能です。重要なのは、STOは通常のソフトウェアコマンドに頼ってモータを停止させるだけではないということです。

安全関連システムにおいては、通常のトルク発生を回復する前に、STO入力が所定の安全状態に維持されなければなりません。この機能は、通常のソフトウェアデバッグでは簡単に回避できないように設計されています。

これは、意図しないモータートルクの発生を防ぐことが重要なアプリケーション向けに、ハードウェア指向の追加的な安全層を提供するものです。

HAGアクチュエータにおけるSTOの動作原理とは？

STO機能が作動すると、アクチュエータのモータトルク出力は直ちに無効になります。

しかし、垂直方向または重力荷重がかかるジョイントを備えた用途では、モーターのトルクを停止するだけでは、機械的な負荷が移動するのを防ぐのに十分ではない場合があります。

そのため、HAGにはブレーキを装備することも可能です。

STOが作動すると、ブレーキを使用してジョイントを保持し、重力による荷重の落下リスクを低減できます。システムが適切な安全状態を確認した後、アプリケーションの安全アーキテクチャで許可されている場合は、制御システムと通信インターフェースを介してブレーキを解除できます。

この組み合わせは、2つの異なる機能を提供します。

• STO：モーターが駆動トルクを発生させるのを防ぎます。

• ブレーキ：必要に応じて機械的に荷物を保持するのに役立つ。

これらの機能は、適用される安全規格および製造業者のリスク評価に従って、機械の安全アーキテクチャ全体に統合されるべきである。

医療および高安全性が求められる用途において、STO機能とブレーキ機能が重要な理由とは？

医療機器、実験室自動化システム、協働機械、その他の人間と対話するシステムで使用されるロボットアクチュエータは、意図しない動きを制御するための追加的な対策が必要となる場合がある。

垂直荷重を支えるロボット関節を考えてみましょう。適切な保持機構がない状態でモーターのトルクが除去されると、重力によって荷重が移動する可能性があります。

ブレーキは機械的な保持機能を提供する一方、STOはモーターのトルク発生を停止させることができる。

このため、STO（ステアリング・トゥ・オペレーション）＋ブレーキ＋高解像度フィードバックの組み合わせは、安全性を重視したモーションアーキテクチャの一部として特に有用である。

しかし、アクチュエータにSTOが搭載されているからといって、ロボット全体や医療機器が自動的に安全認証を受けるわけではありません。

最終的な安全性能は、安全制御装置、配線、機械式ブレーキ、リスク評価、ソフトウェアアーキテクチャ、および適用される規格を含むシステム全体に依存します。

柔軟な統合を実現するEtherCAT、CANopen、CAN-FD、Modbus

ロボットの関節アクチュエータは、ロボットコントローラと確実に通信する必要がある。

HAGは、以下を含む複数の産業用通信インターフェースをサポートしています。

• EtherCAT with CiA 402

• CiA 402を使用したCANopen

• CAN-FD

• RS485 Modbus

これにより、HAGをさまざまなロボットおよび自動化アーキテクチャに統合することが可能になります。

同期動作とリアルタイム制御を必要とする多軸ロボットシステムにとって、EtherCATは適切な通信プラットフォームを提供する。

CANopenとCAN-FDは様々な分散型モーションコントロールアーキテクチャで使用できる一方、RS485 Modbusは産業機器の統合のための別の選択肢を提供する。

HAGは、デュアル24Vデジタル入出力と±10Vアナログインターフェースもサポートしており、機械レベルの制御においてさらなる柔軟性を提供します。

さまざまなロボット制御戦略に対応する複数の動作モード

高性能ロボット関節には、基本的な位置制御以上の機能が必要となる。

HAGは、以下を含む複数の動作モードをサポートしています。

• プロファイル位置モード

• プロファイル速度モード

• プロファイルトルクモード

• 周期同期位置

• 周期同期速度

• 周期同期電流

• アナログ制御

• ホーミングモード

これらの制御モードにより、アクチュエータをさまざまなロボットアーキテクチャやモーション制御要件に適合させることができます。

例えば、周期同期モードは高度なネットワーク型モーション制御システムで使用できる一方、プロファイルモードは特定の自動化アプリケーション向けにモーションコマンドを簡素化できる。

この柔軟性により、HAGはロボット関節の開発と産業用モーションコントロール機器の両方に適している。

USBの試運転とリアルタイムパラメータ監視

高性能ロボット関節の開発は、ハードウェアだけにとどまりません。効率的な試運転とパラメータ調整も同様に重要です。

HAGは、エンジニアが重要な制御情報にアクセスし、ドライブの状態を監視できるUSBデバッグインターフェースを提供しています。

エンジニアは、試運転中に位置、速度、電流の制御ループを操作し、PIDパラメータを調整することができます。

これは、さまざまなロボット機構、ペイロード、および動作プロファイルに合わせてアクチュエータの性能を最適化する際の開発時間を短縮するのに役立ちます。

可変負荷に対する高度な慣性識別

ロボットの関節部は、しばしば変化する負荷条件下で動作する。

ロボットアームは様々な工具や加工物を持ち運ぶことができる一方、人型ロボットは姿勢の変化に伴い、関節にかかる負荷が常に変化する可能性がある。

HAGは、変動する負荷条件への適応性を向上させるために、高度な慣性識別機能を備えています。

制御システムは、機械的負荷の変化を検知することで、実際の動作条件に合わせて動作制御パラメータをより適切に調整することができる。

この機能は、ペイロードや関節のダイナミクスが頻繁に変化するロボットアプリケーションにおいて特に有用である。

産業操業のための包括的な保護

HAGは、産業環境における信頼性の高い運用をサポートするために、複数の保護機能を組み込んでいます。

保護機能には以下が含まれます。

• 過電圧保護

• 低電圧保護

• 過電流保護

• 過熱保護

• トラッキングエラー保護

• 同期エラー保護

• 通信障害保護

• STO

このアクチュエータは、産業用途向けに設計されており、耐振動性、高い絶縁性能、構成によっては最大IP40の保護等級を備えています。

これらの機能は、アクチュエータおよびモーションシステム全体を、一般的な電気的、熱的、通信的、および制御上の異常から保護するのに役立ちます。

ケーブル配線を簡素化する中空シャフト設計

HAGは中空シャフト構造を採用しており、内部ケーブル配線の柔軟性を高めています。

ケーブルやその他の部品は、ジョイントの外側全体に配置するのではなく、アクチュエータの空洞部分を通して配線することができる。

ロボットアームやヒューマノイドロボットの場合、ケーブルを内部に配線することで、ケーブルの外部露出を減らし、よりすっきりとした機械的な統合を実現できます。

中空構造は、スペースが限られている接合部や、ケーブル管理が機械設計において重要な要素となる場合に特に有効です。

HAGハーモニックアクチュエータはどのような場所で使用できますか？

高調波伝達、高解像度フィードバック、統合型駆動エレクトロニクス、通信インターフェース、およびオプションの安全機能の組み合わせにより、HAGは幅広い精密動作アプリケーションに適しています。

産業用ロボット

HAGは、正確かつ再現性の高い回転運動を必要とするロボットアームのロボット関節アクチュエータとして使用できる。

協働ロボット

統合されたアーキテクチャは、関節周辺の外部部品を削減し、コンパクトな協働ロボットの設計を支援するのに役立ちます。

人型ロボット

人型ロボットには、動的かつ協調的な動きが可能な、小型軽量で高性能な関節システムが求められる。

統合されたHAGアーキテクチャは、モーター、高調波伝達、エンコーダ、および駆動機能をコンパクトなジョイントパッケージ内に統合するのに役立ちます。

医療および検査室の自動化

医療機器や実験室用自動化機器の場合、オプションのSTO機能とブレーキ機能は、制御されたトルク遮断や負荷保持が必要な場合に、安全性に関する追加の設計オプションを提供します。

最終的な安全対策の実施は、常に機器全体レベルで検証されなければならない。

産業オートメーション

EtherCAT、CANopen、CAN-FD、およびModbusをサポートしているため、HAGは高度な産業オートメーションシステムや多軸モーションコントロールシステムに統合できます。

HAGハーモニックアクチュエータと従来の外部駆動アーキテクチャの比較

HAGと従来のハーモニックアクチュエータシステムの主な違いは、統合レベルにある。

従来型のアーキテクチャでは、以下のような要件が必要となる場合があります。

モーター + ハーモニックギアボックス + エンコーダー + 外部サーボドライブ + 追加配線

HAGは主要なモーションコントロールコンポーネントを以下のように統合しています。

調和伝達＋フレームレス・トルクモーター＋両側エンコーダー＋一体型ドライブ

オプションのSTO機能とブレーキ機能により、安全性を重視した用途向けにアクチュエータの機能をさらに拡張できます。

この統合的なアプローチにより、システムの複雑さを軽減し、ロボットメーカーに高性能ロボット関節を設計するためのよりコンパクトな基盤を提供することができる。

HONPINE HAG：単なるハーモニックギアモーター以上の存在

従来のハーモニックギアモーターは、主にモーターの回転速度を制御された回転トルクに変換することに重点を置いています。

HAGハーモニックアクチュエータは、機械式トランスミッション、モーター、フィードバックシステム、駆動エレクトロニクス、通信インターフェース、およびオプションの安全機能を1つのロボットアクチュエータに統合することで、さらに進化を遂げています。

このため、HAGは単体のハーモニックギアボックスではなく、完全なロボット関節アクチュエータを探しているエンジニアにとって特に適しています。

その組み合わせ：

• 20ビット高速サイドフィードバック

• 19ビット出力側フィードバック

• 一体型サーボドライブ

• 高精度高調波伝送

• STOとオプションのブレーキ

• 中空シャフト

• EtherCAT / CANopen / CAN-FD / Modbus

• 高度な慣性識別

• 複数の保護機能

小型で高精度、応答性に優れ、安全性を重視したロボットモーションシステムの開発基盤を提供する。

ハーモニックアクチュエータに関するよくある質問

ハーモニックアクチュエータとは何ですか？

ハーモニックアクチュエータは、モーター、ハーモニック減速機構、エンコーダ、および駆動電子機器を組み合わせた一体型回転運動ユニットであり、高精度な制御回転運動を実現します。

高調波減速機と高調波アクチュエータの違いは何ですか？

ハーモニック減速機は、主に速度を減速しトルクを増大させる機械式伝動装置です。ハーモニックアクチュエータは、減速機にモーター、エンコーダ、駆動用電子機器などの他の部品を組み合わせて、完全なモーションコントロールユニットを構成します。

ロボット関節に出力エンコーダが必要なのはなぜですか？

出力エンコーダは、関節の実際の出力側位置に関するフィードバックを提供する。これにより、閉ループ制御が改善され、コントローラはモータ側のフィードバックだけに頼るのではなく、実際の機械的出力を監視できるようになる。

ロボットアクチュエータにおけるSTOとは何ですか？

STOはSafe Torque Offの略です。これは、駆動装置のトルク発生能力を無効にすることで、モータがトルクを発生させるのを防ぐように設計された安全機能です。STOは、機械全体の安全アーキテクチャの一部として実装されるべきです。

STOは垂直ロボットの関節が落下するのを防ぐことができますか？

STOはモータのトルクを無効化しますが、それ自体では重力荷重のかかった軸を機械的に保持する機能はありません。トルク解除後に荷重を保持する必要がある用途では、適切な機械式ブレーキが必要となる場合があります。

HAGはヒューマノイドロボットに適しているか？

はい。コンパクトな統合アーキテクチャ、調和伝達、高解像度フィードバック、中空シャフト、および統合駆動機構により、HAGは小型ロボット関節の開発に適しており、ヒューマノイドロボットへの応用も期待されます。

HAGはどの通信プロトコルをサポートしていますか？

HAGは、EtherCAT（CiA 402対応）、CANopen（CiA 402対応）、CAN-FD、およびRS485 Modbusをサポートしており、さまざまなロボットおよび産業オートメーション制御アーキテクチャに柔軟に対応できます。

結論

次世代のロボット関節は、モーター、ギアボックス、エンコーダー、外部駆動装置といった従来の組み合わせを超えつつある。

現代のロボットシステムでは、単一のアクチュエータ内で、高精度、コンパクトな統合、高解像度のフィードバック、インテリジェントな制御、柔軟な通信、および機能安全性がますます求められるようになっている。

HONPINE HAGハーモニックアクチュエータは、これらの機能を1つの統合型ロボットモーションソリューションに集約しています。

HAGは、両面高解像度エンコーダ、高精度ハーモニックトランスミッション、統合型駆動エレクトロニクス、オプションのSTOおよびブレーキ機能、中空軸構造、複数の産業用通信プロトコル、および高度なモーションコントロール機能を備え、産業用ロボット、協働ロボット、ヒューマノイドロボット、医療オートメーション、および高度な産業機器向けの高性能プラットフォームを提供します。

次世代ロボット関節を開発するエンジニアにとって、HAGは高精度な調和伝達から統合されたインテリジェントなモーション制御へと至る実践的な道筋を提供する。