ロボット関節駆動アーキテクチャ ― ヘリカルギアの使用例
産業用ロボットの関節減速機には、2種類のギアが使用されています。コンパクトで高減速比の肩関節や肘関節には、歪み波（ハーモニック）駆動が用いられ、手首関節やSCARAロボットの回転軸には、トルク密度と逆駆動性の要件から歪み波設計よりもヘリカルギアが有利となるため、コンパクトなヘリカル遊星ギアステージが用いられます。協働ロボット（コボット）は、ヘリカル遊星ギアステージのみを使用する傾向があります。金属歯のヘリカルギアは歪み波駆動に比べて逆駆動性（摩擦が低い）が高いため、力覚センサーの安全基準への適合に重要です。AGV（自動搬送車）のホイール駆動には、シングルステージまたはダブルステージのギアが使用されています。 ヘリカルギア ハブモーターとホイールの間にある減速機。
ロボットおよびサーボ用ヘリカルギアのバックラッシュ要件
ロボット関節やサーボ駆動位置決め軸では、バックラッシュが位置決め誤差として直接現れます。その関係は次のとおりです。
出力における角度誤差 = バックラッシュ j_t / (d_pinion × tan(1/i))
ツールにおける線形誤差 = 角度誤差 × ツールアームの長さ
ピッチ径50mmのピニオン、バックラッシュ1mm（ピッチ円におけるj_t = 1mm）、ギア比i = 20:1の精密ロボット手首関節の場合、出力軸の角度誤差は約0.5°となり、これはツールリーチ500mmにおける位置誤差4mmに相当します。このことから、ロボット関節のバックラッシュ要件がすぐに明らかになります。エンドエフェクタでmmレベルの繰り返し精度を実現するには、関節出力におけるバックラッシュを1分角以下に抑える必要があります。
| 応用 | 必要な出力バックラッシュ | 入力における等価なj_t（÷ギア比） | DIN 3967クラス |
|---|---|---|---|
| CNC工作機械軸（高精度） | 5秒角未満 ≈ 0.0014° | 0.002～0.010 mm | クラスh |
| 産業用ロボット関節（標準） | < 1～3分角 ≈ 0.02～0.05° | 0.01～0.03 mm | クラスg～h |
| 協働ロボット（コボット）関節 | 5～15分角未満 | 0.02～0.05 mm | クラスg |
| AGVホイール駆動 | < 0.1～0.5 mm 直線 | 0.03～0.10 mm | クラスf～g |
| サーボ式包装／ラベリング軸 | < 0.05～0.2 mm 直線 | 0.02～0.06 mm | クラスg |
サーボヘリカルギア向けゼロバックラッシュソリューション
方法１ ― 歯厚公差の厳密性（DIN 3967 クラスh）
指定する ヘリカルギア 嵌合ピニオンはDIN 3967クラスh（タイト）です。M2～M4では、クラスhにより公称バックラッシュは0～0.06mmとなります。±0.01mmに保持された精密に製造されたハウジング中心距離と組み合わせることで、アセンブリのバックラッシュは通常0.005～0.020mmとなり、クラスg位置決め軸には十分です。これは、追加の機械的複雑さを伴わない最も低コストなソリューションです。欠点は、ギアが摩耗するとバックラッシュが増加し、交換せずに再調整できないことです。
方法2 ― バネ式分割ギア（シザーギア）
シザーギアは2つの同一の部品で構成されています。 ヘリカルギア ホイールは同軸上に配置され、その間にねじりばねが挟まれています。このばねは、2つの半分のホイールを相手側のピニオンの反対側の側面に同時に押し付けるようにあらかじめねじられています。一方の半分は右側の側面に、もう一方は左側の側面に接触します。ばねの予圧により、ピニオンの両側で歯の接触が一定に保たれるため、バックラッシュが解消されます。摩耗が発生すると、ばねが自動的に補正し、ギアの寿命全体にわたってバックラッシュをほぼゼロに保ちます。ただし、予圧トルク（通常、定格トルクの5～15%）によって駆動摩擦損失が増加し、最大駆動効率が低下します。
方法3 — デュアルモーターによるバックラッシュ防止プリロード
2 つの同一のサーボモーターが、それぞれ同じピニオンを駆動し、 ヘリカルギア ホイール（またはラック）は、トルクバイアス制御によって動作します。一方のモーターが時計回りに押し、もう一方のモーターが反時計回りに抵抗することで、両方のピニオンの側面が同時にホイールに接触します。これにより、機械的なバネ荷重や分割ギア機構の回転慣性なしにバックラッシュが解消されます。サーボ制御は、出力で相殺される低レベルの差動トルクを印加します（両方のモーターが目的の方向にトルクを供給しますが、バイアストルクは相殺されます）。これは、30 m/分を超える高速高精度CNC軸や、2軸間の正確な同期を必要とするガントリーマシンに最適なソリューションです。
反射慣性 ― ギア比がサーボ応答に影響を与える理由
サーボモーターが負荷を駆動すると、 ヘリカルギア 減速比 i の減速機では、モータは負荷慣性 J_load だけでなく、反射慣性 J_reflected = J_load / i² も認識します。10:1 の減速機の場合、負荷慣性はモータの実効慣性に 1% しか寄与せず、ギア自体とモータロータが支配的になります。これがサーボシステムの慣性整合問題です。
J_total (モーター部) = J_motor + J_gear_pinion + J_load / i²
サーボの帯域幅を最大にするには、J_total と J_motor の比率を最小にする必要があります。ギア比が高いほど J_reflected/J_motor は小さくなりますが、ギア自体に慣性があります。最大帯域幅のための最適なギア比は、J_reflected (負荷から) ≈ J_motor のときに発生し、i_opt = √(J_load / J_motor) となります。J_load = 0.05 kg·m²、J_motor = 0.0005 kg·m² のロボット関節の場合、i_opt = √(0.05/0.0005) = √100 = 10:1 となります。 ヘリカルギア したがって、サーボループの最適化においては、バックラッシュを最小限に抑えることと同様に、本体の慣性モーメント（ロボット関節用途に中空ギアボディを使用することによって）も重要である。
協働ロボットにおける逆駆動性 ― ヘリカルギアが好まれる理由
協働ロボット（コボット）は、人間が押した際に安全に動作する必要があります。関節は逆駆動可能（負荷によってモーターが逆方向に駆動される）である必要があり、関節の力・トルクセンサーが接触を検知し、安全システムが加わる力を制限できるようにする必要があります。逆駆動が可能かどうかは、関節減速機の摩擦によって決まります。
A ヘリカルギア 遊星歯車機構のギア比が5:1～20:1の場合、噛み合い効率は97～99%となり、摩擦角は約1～3°に相当します。これは自己ロック摩擦角を下回るため、ジョイントは前進駆動力の1.05～1.10倍の力で逆回転します。内蔵された力・トルクセンシングにより、柔軟な安全動作を実現できます。
50:1～160:1の減速比を持つ歪み波（ハーモニックドライブ）減速機は、通常、逆駆動できません。高い減速比と波発生器の摩擦により、出力が入力を駆動できないためです。歪み波駆動を使用する協働ロボットの設計では、受動的な機械的コンプライアンスではなく、能動的なコンプライアンス制御（トルクセンサによるインピーダンス制御）が必要です。
韓国エバーパワー社 ― 精密サーボおよびロボット用ヘリカルギア供給
精密なHÖFLER研磨 ヘリカルギア ロボット関節およびサーボオートメーション用途向け — DINクラス4～5、Ra ≤ 0.3 µm、バックラッシュ最小化のため歯厚はDIN 3967クラスg～hに準拠、精度クラスと歯厚偏差の両方についてギアアナライザーによる認証済み
韓国エバーパワー社は精密機器を製造 ヘリカルカットギア サーボおよびロボット用途向けに、M0.5～M8、DINクラス4～6、歯厚クラスg～h（タイトバックラッシュ）、20CrMnTi浸炭HRC 58～62で、コンパクトサイズで最大負荷容量を実現。シザーギア（スプリング分割）設計向けに、韓国エバーパワーは公称値から±1µm以内の歯厚が確認されたマッチングペアを製造し、両方のギア半分に均等な予圧を保証します。 ヘリカルギアメーカー韓国のEver-Powerは、精密ギアの各オーダーに対して反射慣性計算（J_gear = 0.5 × m × r²）を提供しており、サーボシステム設計者はギアボックス設計前に慣性マッチングに必要な情報を得ることができます。 ヘリカルギア製品群.
よくある質問
再現性とは、ロボットが同じアプローチ方向から以前に訪れた位置に戻る能力のことです。アプローチ方向が常に同じであれば、バックラッシュの影響を受けません。精度とは、事前のキャリブレーションなしに絶対直交座標に到達する能力のことです。絶対位置はジョイントが時計回りか反時計回りかによって決まるため、バックラッシュの影響を直接受けます。ほとんどの産業用ロボットは再現性（±0.01～0.05 mm）を規定していますが、絶対精度は規定していません。そのため、制御システムではバックラッシュゼロを規定するのではなく、バックラッシュ補正を使用しています。 ヘリカルギア絶対的な精度が求められる力制御組立作業に使用される協働ロボットは、バックラッシュの少ないギアと完全な運動学的キャリブレーションを必要とする。
通常はそうではありません。バックラッシュ以外にも、ロボット関節には低い反射慣性（標準ギアボックスは比較的重いギア本体を持つ）、コンパクトな軸方向長さ（標準ギアボックスは固定されたハウジング寸法を持ち、関節のエンベロープに合わない場合がある）、およびねじり剛性（標準ギアボックスは急速加速時にねじれが生じ、サーボ帯域幅を制限する可能性がある）が必要です。精密遊星歯車機構 ヘリカルギア サーボ用途向けに特別に設計されたステージ（ケーブル配線用の空洞出力軸、軽量アルミニウム製ハウジング、高精度出力フランジなど）が最適な製品です。韓国のエバーパワー社は、これらの小型サーボステージ用の遊星歯車部品（太陽歯車と遊星歯車）を製造しており、ハウジングとアセンブリは通常、ロボットメーカーが設計します。
屋内物流ロボット用AGVホイール駆動装置は通常M2～M4を使用する。 ヘリカルギア 単段または二段のギアボックスで、モーター速度（3000～6000 RPM）をホイール速度（100～400 RPM）に減速します。コンパクトなホイールハブ形状により、ギアの直径は外径30～80 mmに制限され、M2～M4では歯数が15～40となり、必要な減速比に十分です。材質：物流AGVに典型的な24時間稼働での長寿命化のために、20CrMnTiを浸炭処理しています。精度クラス：DINクラス6～7（IP67の密閉ハウジング環境と中程度のAGV速度では、DIN 5の精度は不要です）。
サーボおよびロボットジョイント用 ヘリカルギアねじれ角 β = 20〜25° が標準で、精密産業用ギアと同じ範囲です。ねじれ角が大きいほど伝達誤差は減少しますが (ノイズは減少します)、サーボモーターシャフトにかかる軸方向推力が増加します。この推力は、モーターの軸ベアリングで軸方向荷重を支えきれない場合があります。サーボ用途では、サーボモーター出力シャフトに組み込まれたアンギュラコンタクトベアリングが適度な軸方向推力を吸収します。β = 25° を超えると、軸方向荷重がモーターシャフトベアリングの軸方向定格を超える可能性があり、ギアボックス入力シャフトに外部スラストベアリングが必要になります。Korea Ever-Power は、すべてのサーボギア注文について、モーターシャフトベアリングの軸方向容量に対する予想される軸方向推力 (F_a = F_t × tan β) を確認しています。
精密サーボおよびロボット用ヘリカルギアに関するお問い合わせ
バックラッシュ要件、ギア比、出力トルク、および慣性制約をご指定ください。Korea Ever-Powerは、モジュール、歯数、DIN規格、歯厚等級を確認し、すべてのサーボギアのご注文に、慣性計算とバックラッシュ証明書を標準で添付いたします。
M0.5～M8 · DINクラス4～6 · クラスg～hバックラッシュ · 慣性計算 · シザーギアペア · 最小注文数量1個
編集者: Cxm
