人型ロボット関節のコアコンポーネント、高調波減速機の技術的課題と革新的な開発動向

Electronic Enthusiast Networkは、この記事はLi Wanwan氏によって書かれたと報じた。ハーモニック減速機は、減速とトルク増加の目的を達成するための高調波伝動の原理に基づいた精密伝動装置です。これは、ウェーブ ジェネレーター、フレクスプライン、リジッド スプラインの 3 つのコア コンポーネントで構成されます。高精度、高減速比、コンパクトな構造、小型、軽量という特長を持っています。これには次のような重要な利点があります。その動作原理は、ウェーブジェネレータがフレクスプラインの弾性変形を駆動し、フレクスプラインとリジッドスプラインが周期的に噛み合い、歯数の違いを利用して減速伝達を行うものです。

ハーモニック減速機は、小型、軽量、高精度、大きな伝達比という利点を生かし、人型ロボットの関節の中核となる伝達部品となっています。人型ロボットでは主に前腕、手首、手などの軽荷重部や、肩、肘、腰などの高精度な回転が必要な関節にハーモニックレデューサが使用されています。

高調波減速機の技術的特徴と主な利点

小型軽量が特徴です。ハーモニック リデューサーは、ウェーブ ジェネレーター、フレクスプライン、リジッド スプロケットの 3 つのコア コンポーネントで構成されています。フレクスプラインの弾性変形を利用して伝達を実現します。部品点数を大幅に削減し、減速機のコンパクト化を実現しました。従来の減速機に比べ体積はわずか1/3～1/5です。軽量でスペースが限られた用途に適しています。マイクロハーモニック減速機の重さはわずか 13 グラムで、人型ロボットの関節部分に適用できます。関節を完全にカバーして、ロボットの動きの柔軟性と安定性を確保します。

高精度、高伝達率。高調波減速機は高い伝達精度を持っています。伝達誤差は通常の歯車伝動に比べてわずか4分の1です。バックラッシゼロの動作を実現し、人型ロボットの動作精度の要件を満たします。たとえば、Da Vinci Xi 手術ロボットはハーモニック リデューサーを使用して 0.005 mm の位置決め精度を達成し、顕微鏡下で針に糸を通すのと同じくらい繊細な手術を完了できます。単段高調波減速機の変速比は、一般に 30 ～ 320 に達することがあります。2 段変速機の変速比は、数千またはそれ以上に達することもあります。この高い伝達比により、高調波減速機は単段変速機で大幅な減速を達成できるため、変速機チェーンの設計が簡素化されます。

下記の高調波減速機には多歯噛み合い構造が採用されており、バックラッシがほとんどなく、バックラッシが極めて小さい変速機を実現し、滑らかで正確な変速を実現します。高い動的応答を必要とするアプリケーション シナリオに適しています。コンパクトな体積で大きなトルクを伝達できます。減速機を介してトルクが伝達されるとき、従来の減速機よりも密度が大幅に高くなります。この特徴は、高い耐荷重が必要なロボットの関節において大きな利点となります。高トルク密度、ゼロバックラッシ、低バックラッシを備えています。

高い伝送効率と低ノイズ特性を備えています。高調波減速機の伝達効率は一般的に70%～90%の範囲にあり、高速運転時にも高い効率を維持することができ、エネルギー損失を低減します。フレクスプラインとリジッドスプラインの噛み合いが比較的スムーズで、伝達部品が少ないため、作動時の騒音や振動が少なく、騒音を嫌う用途に適しています。

高調波減速機の主流ブランドと技術の比較

高調波減速機の分野では、日本のHamonoko、中国のGreen Harmonic、Laifu Harmonicなどのトップブランドがあり、各ブランドが技術レベルで異なる焦点を当てています。高調波減速機の分野における世界のリーディングカンパニーとして、ハモナックは 25% 以上の市場シェアを誇り、Tesla、KUKA などの企業と緊密な協力関係を築いています。その技術的優位性は、歯車の噛み合い効率を最適化するS歯形とIH歯形の設計に反映されています。伝達精度、寿命、安定性の点で国内競合製品に比べて明らかに有利です。 V-Ti-Nb 複合マイクロアロイ技術の使用により、フレクスプラインの耐疲労性が向上します。鍛造から熱処理、精密機械加工までの生産工程を成熟させ、高精度・高効率の生産体制を構築しています。

国内高調波減速機市場において、60％以上のシェアを誇るグリーンハーモニックは、日本のハーモニカの独占を打ち破ることに成功しました。独自開発の鋼製車高調減速機によりトルク密度が40％向上。製品寿命は10,000時間に達し、国際先進レベルに近いです。

Laifu Harmonic は、中国の高調波減速機技術の独自研究開発において重要な位置を占める勢力です。同社は、ユニークな 03/05/08 シリーズの小型ハーモニック減速機とダブルスチールホイール減速機を中国で発売しました。ミニチュアハーモ減速機03シリーズは、重さ13gと減速比の調整が可能で、指関節から肩関節まで幅広い用途に対応します。

歯形設計に関しては、ハモナックのS歯形は非対称歯形設計により噛み合い摩擦を低減し、IH歯形は多歯接触により荷重を分散し、寿命を延ばします。 Green Harmonic や Laif Harmonic などの国内ブランドも、歯の設計の革新と最適化を続けています。しかし、ハモナックと比較すると、長期にわたる研究開発の蓄積や特許の配置という点では、まだ一定のギャップがあります。

材料技術の面では、ハーモニカが採用しているV-Ti-Nb複合マイクロアロイング技術により、フレクスプラインの耐疲労性が向上しました。国内メーカーが一般的に使用しているV-Ti合金に比べ、ニオブ元素の添加により結晶粒組織が微細化され、繰り返し変形に対してフレクスプラインが割れにくくなっています。材料の洗浄プロセスは最適化されています（不純物含有量を 0.01% 未満に制御するなど）。これにより、製品の一貫性がさらに保証されます。国内メーカーの中には、V-Ti合金比率の最適化や熱処理工程の改善により、フレクスプラインの寿命を8,000時間以上に延ばし、ハーモニカの基準にほぼ近い寿命を実現しているメーカーもあります。しかし、材料の改良と安定性の点ではまだ改善の余地があります。

ハモナックは数十年にわたる経験を経て、鍛造から熱処理段階を経て精密機械加工に至るまでの生産プロセスにおいて、高精度かつ効率的な製造システムを構築してきました。このシステムにより、フレクスプラインの加工精度はミクロンレベルに達します。アセンブリ リンクは誤差制御技術を使用して、減速機の全体的な伝達誤差が 1 分角未満であることを保証します。国内ブランドも生産工程の改良・改良を続けている。しかし、ハーモニカと比較すると、製造システム全体の成熟度や精度にはまだ一定のギャップがあります。

高調波減速機の技術的課題とトレンド

ヒューマノイドロボットには、高調波減速機の性能に対する非常に高い要件があります。高精度、高動的応答性を満足するとともに、軽量、長寿命、低コストも考慮する必要があります。しかし、現在のテクノロジーは依然として複数の課題に直面しています。どこにでも句読点が必要です。

1 つのコンポーネントは、フレクスプラインと呼ばれる高調波減速機の重要なコンポーネントの 1 つであり、フレクスプラインの疲労寿命や信頼性など、動きとトルクの伝達を担当します。フレクスプラインは弾性変形を繰り返すと疲労亀裂が発生しやすくなります。特に、高頻度の起動と停止、およびジャンプや急旋回などの動的負荷シナリオを伴うヒューマノイド ロボットでは、その寿命が大幅に短縮されます。その理由は、従来のフレクスプライン材料とその薄壁構造 (壁厚) の疲労強度が限られているためです。

動的荷重と衝撃適応性の範囲内で、人型ロボットの関節は瞬間的な衝撃荷重に耐える必要があります。着地緩衝の場合、ハーモニックリデューサーが弾性変形するため、伝達誤差や瞬間的なバックラッシが大きくなる場合があります。その理由は、フレクスプラインとリジッドスプラインが噛み合う際の歯面接触面積が限られており、動的作動条件下では若干の滑りが発生しやすいためです。動作精度が低下し、歩容が狂うなどロボットの動作が安定しなくなる可能性があります。

軽量と体積の制限という点では、人型ロボットは関節の体積と重量に非常に敏感です。しかし、従来のハーモニックリデューサーはフレクスプラインの強度を確保するために一定の肉厚を確保する必要があり、軽量化のためのスペースが限られていました。

ただし、高調波減速機にも明確な技術傾向が見られます。材料革新の分野では、例えば、炭素繊維強化複合材料を使用してフレクスプラインを製造すると、肉厚を0.05mmまで薄くすることができ、重量は40%減少し、疲労寿命は2～3倍に延長されます。

この状況は、ワイヤーカット技術を用いて加工される極薄肉のカップ状フレクスプラインやその肉厚など、構造設計の最適化の方向にも存在します。

ひずみゲージや加速度計などの組み込みセンサーをインテリジェントに統合することで、フレクスプラインの変形や振動をリアルタイムで監視し、故障を予測できます。アクティブ補償技術が採用されており、アルゴリズムを使用してウェーブジェネレータのトルクを動的に調整し、フレクスプラインの変形誤差を相殺します。

新しい伝動技術の方向性としては、ハーモニックギヤと遊星ギヤの複合構造を採用し、高調波の高精度と遊星ギヤの高トルク容量を組み合わせ、人型ロボットの腰部などの高負荷関節に適応するハイブリッド減速機がある。

要約する

高調波減速機は、人型ロボットの関節駆動の重要なコンポーネントです。高精度、軽量、高剛性の特性を備えています。これら 3 つは、動的応答、エネルギー効率、柔軟性に対するロボットのニーズを完全に満たします。同時に。また、フレクスプラインの寿命や過酷な作業条件という点でも多くの課題に直面しています。しかし、材料の最適化とシステム統合の革新により、ハーモニック リデューサーは依然として将来の人型ロボットが人間のような動きを実現するための中核となるソリューションです。