ロボット工学用ブラシレスモーター: トルク密度、コギング、カスタム統合

かつてある研究開発エンジニアは、ドローンのテストベンチでは見事に動作したブラシレスモーターが、ロボットアームでは数分以内に失速したと語った。原因はパワー不足ではありませんでした。これは、ドローン製造者が使用する連続トルクの仕様と、ロボットのジョイントに要求される低速、高保持トルクのプロファイルとの間に不一致がありました。ロボット用のブラシレスモーターは、重力に抗して位置を保持し、20 RPM でスムーズに動作し、頻繁な起動と停止のサイクルに熱による損傷を与えることなく耐える必要があります。それはまったく異なる仕様風景です。

調達エンジニアもよく同じ間違いを犯します。カタログ内の最高無負荷 RPM に基づいてモーターを選択し、実際のジョイント速度での連続トルクが不足していることに気づきます。その結果、再設計に数か月かかることになります。

ロボット用のブラシレスモーターとは何ですか?

ロボット用のブラシレスモーターは、無負荷のピーク RPM ではなく、高トルク密度、低コギングトルク、閉ループ位置フィードバックを目的として設計された三相同期機械です。

推進用ドローンモーターと関節アクチュエーターを比較すると、その違いは明らかです。ドローンモーターは、高RPMでの推力対重量を考慮して選択されています。ロボットのジョイントモーターは、低速での連続トルクを実現するために選択され、多くの場合、トルクを増大させながら出力速度を 20 ～ 60 RPM に減速する高調波ギアボックスが使用されます。重要なパラメータは、トルク密度 (モーター質量 1 キログラムあたりの Nm)、コギングトルク (不均一な回転を引き起こす磁気戻り止め)、および巻線の柔軟性です。

巻線とエンコーダもアプリケーションレベルで決定されます。 24 VDC 手首軸で動作するモーターは、重い腰軸には 310 VDC 巻線を必要とする場合があり、エンコーダのタイプはコントローラの入力と一致する必要があります。これらはカタログ上の選択肢ではありません。それらは工学的な選択です。

0.8～2.2 Nm/kg トルク密度範囲

0.2～8 Nm 連続トルクスパン

24-310 VDC 標準電圧範囲

ロボットジョイントの場合、ピークトルクと連続トルクの間のディレーティング係数は通常 2.5 倍から 3 倍です。ピーク値ではなく、必ず連続値を指定してください。

低速での連続トルクが無負荷 RPM を上回る理由

ロボットがペイロードを保持できるかどうかは、低 RPM での継続的なトルクによって決まります。データシートに記載されている最大速度はそうではありません。

アームが静止している場合でも、重力は常にモーターに作用します。 2 kg の工具を運ぶリスト軸は、工具を安定して保持するために、50 ～ 100 RPM でおよそ 0.5 ～ 1.5 Nm の連続トルクを必要とします。エルボ軸には3～8Nmが必要です。最大積載量を処理するショルダー軸には 15 ～ 40 Nm が必要になる場合があります。 6000 RPM の無負荷速度は、ジョイントがその速度付近で動作することはないため、ここでは無関係です。

ジョイントモーターのサイズを決定するときは、3 倍の安全マージンを使用してください。必要なトルクだけを正確に供給するモーターは、動作後最初の 1 か月以内に過熱します。

表 1. ロボットアームで使用される一般的な BLDC フレームサイズに対する代表的なジョイントトルク要件。
ロボット関節の種類	出力時に必要な連続トルク	典型的な BLDC フレーム
手首軸	0.5～1.5Nm	42mm
肘軸	3～8Nm	57～76mm
肩軸	15-40Nm	80～100mm

モータープラットフォームとロボット関節アーキテクチャのマッチング

ジョイントのアーキテクチャはモーターのフレームとギアボックスを決定するものであり、その逆ではありません。

高負荷の肩ジョイントには、バックラッシがゼロでエネルギー密度が高いハーモニックギアモーターの恩恵が受けられます。 Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) は、重い肩軸と腰軸に適合する 200 Nm ハーモニックギアモーターを提供しています。協調アームやモバイルマニピュレーターの中程度の積載量は、60 Nm ギアモーターで適切に動作します。コンパクトな肩に取り付ける医療用ロボットの場合、ギアヘッドを備えた 42mm のアウトランナーブラシレスモーターが、小さなエンベロープで出力密度を実現します。

200 Nm Harmonic Gear Motor for Heavy-Duty Robot Joints

耐久性の高いロボットジョイント用 200 Nm ハーモニックギヤモーターこのモーターはバックラッシュゼロで 200 Nm のトルクを提供するため、正確で再現性のある位置決めが必要なロボットの重い肩軸と腰軸に適しています。製品を見る→

60 Nm Gear Motor for Collaborative Robots and Manipulators

協働ロボットおよびマニピュレーター用の 60 Nm ギアモーター 60 Nm の定格トルクを備えたこのギアモーターは、中程度の積載量の協調アームやモバイルマニピュレーターに適合し、さまざまなロボットタスクに信頼性の高いパフォーマンスを提供します。製品を見る→

42mm Outrunner Brushless Motor with Gearhead for Medical Robotics

医療ロボット用ギアヘッド付き 42mm アウトランナーブラシレスモーターギヤヘッドを備えたこのコンパクトな 42 mm アウトランナーブラシレスモーターは、高トルクと正確な制御を提供し、肩に取り付ける医療ロボット用途に最適です。製品を見る→

ハーモニックギアボックスは、再現性のある位置決めに必要なバックラッシュをゼロにします。遊星ギアボックスは安価で衝撃荷重に対する耐性が優れているため、縁石やスロープに衝突する移動ロボットの車輪に適しています。モーターのフレームはギアボックスの選択に従いますが、その逆はありません。

ロボットジョイントの候補となるモーターを評価する場合は、このチェックリストを使用してください。

ゼロ速度でのピークトルクではなく、動作速度での連続トルクを確認してください。
変速比を適用してコギングトルクを測定します。
IP 定格が洗浄または粉塵にさらされる条件と一致していることを確認します。
エンコーダのフィードバックがロボットコントローラと互換性があることを確認します。
ギアボックスハウジングを通る熱経路を評価します。

BLDC フレームサイズ間のトルク密度の比較

巻線のフィルファクターと熱放散は直径と軸方向の長さによって変化するため、フレームが大きいほど使用可能なトルクが比例して増加するとは限りません。

Retek Motion のブラシレス DC ラインは 28 mm ～ 130mm です。 DC 24 V シリーズの代表的な連続トルク値は、42 mm モーターで約 0.4Nm、57mm で 0.8Nm、76mm で 1.6Nm、80mm で 2.2Nm、100mm で 3.5Nm、130 mm で 6.5Nm です。この進行はローター直径との 3 次関係に近くなります。そのため、フレームサイズの選択は主に熱設計の問題となります。

フレームサイズ別連続トルク（DC24Vシリーズ）

42 mm 0.4 Nm

57 mm 0.8 Nm

76 mm 1.6 Nm

80 mm 2.2 Nm

100 mm 3.5 Nm

130 mm 6.5 Nm

選択したフレームサイズ、24 VDC シリーズの代表的な連続トルク数値。

ショルダー軸では、100 mm BLDC と 200 Nm の高調波ギアボックスがほとんどの産業用ペイロードをカバーします。それより下の 80 mm 以下のフレームは、手首とツールの中心点の動きを処理します。

ロボットモーターのサプライヤーに求めるもの

ほとんどのロボットのジョイントにはカスタムモータープロジェクトが必要であるため、エンジニアリングの柔軟性と垂直製造統合はカタログの幅広さよりも重要です。

Retek Motion は、2018 年以来、ブラシレス DC モーターを社内で設計および製造しています。同社はまた、CNC 機械加工のギアボックスハウジング、ダイキャストコンポーネント、およびケーブルハーネスを 1 つの屋根の下で製造しています。この組み合わせにより、ロボットメーカーは複数のサプライヤーを調整することなく、巻線、エンコーダー、コネクタの構成を繰り返すことができます。

特定の使用例については、Retek の低コギングブラシレスモーター出力の位置リップルを低減しながら、高トルクブラシレスDCモーターペイロードが動的である場合に必要なマージンを提供します。

ロボットモーターはシャフト上のシステムです。巻線、エンコーダー、ブレーキ、ギアボックス、ハーネスはすべて 1 つのトルクと速度のプロファイルに一致する必要があります。