ロボット関節伝達の最適化バックラッシュゼロのハイポイド ギヤの重要な役割-

信頼性の高いロボットの関節伝達を設計するには、次の 3 つの側面を同時に考慮する必要があります。

トルク密度を最大化し、物理的な設置面積を縮小してコンパクトにし、完璧な再現性を保証します。

小さな機械的バックラッシュ (ベースジョイントなど) により、エンドエフェクターの位置決めエラーが発生する可能性があります。精密機械部品の専門メーカーとして、当社は機械的バックラッシが接合精度の中心的な影響要因であることを責任を持ってお伝えできます。高速動作中に制御遅延と累積誤差が発生し、ロボットの軌道ドリフトと低周波数ジッターを直接引き起こします。これは、ロボットの関節伝達でバックラッシュゼロを追求する主な理由でもあります。-

バックラッシュがロボットアクチュエータの精度を損なう理由

機械工学において、バックラッシュとは、噛み合うギアの歯の間のギャップまたは「遊び」のことです。従来のギアボックスでは潤滑や熱膨張のために少量のバックラッシュが必要ですが、ロボットのジョイントではわずかなバックラッシュでも許容できません。

多軸ロボットが方向を反転すると、バックラッシュによって「ロスト モーション」が発生します。-これは、わずかな位置決めエラーを引き起こすだけではありません。運動連鎖全体にわたって累積誤差が増大します。

さらに、バックラッシュは制御システムの安定性を破壊します。 PID コントローラーを調整する場合、機械的なスロップによりヒステリシスと制御ラグが発生し、エンド エフェクターでの微小振動（リミット サイクル）が発生します。-真実が欲しいならロボットアクチュエータの精度-レーザー溶接、医療手術、または動的四足歩行のいずれであっても、-このロスト モーションを排除することについては交渉の余地はありません。-

どうやってハイポイドギヤ真のゼロを達成-バックラッシュ

「自動車のデファレンシャルには明らかにバックラッシのあるハイポイドギヤが多く使われているのでは？」という疑問をお持ちの方もいらっしゃるかもしれません。これはもっともな意見ですが、ロボット工学の分野では、ハイポイド ギアは自動車のトランスミッションとはまったく異なる方法で実装されています。

ハイポイド vs ハーモニックドライブ vs RV レジューサ

すべてを解決する「魔法の歯車」など存在しないことはわかっています。用途に基づいて毒を選択する必要があります。現実の世界を見てみましょう-ハイポイドとハーモニックドライブそしてRV減速機の議論。

ハーモニックドライブ(波動歯車)

これらは、軽量、高比、インライン ジョイント設計として業界で人気のある選択肢です。{0}当然バックラッシュゼロを実現します。

ただし、ねじり剛性が低いという欠点があります。薄く、継続的に変形する金属カップ (フレクスプライン) に依存しているため、重い負荷がかかると「巻き上げ」(弾性変形) が発生します。-衝撃荷重に耐える能力が低いことは言及する価値があります。これは、突然の衝突に遭遇すると、フレキシブル スプラインが即座に損傷または粉砕される可能性があることを意味します。

RV レデューサー (サイクロイド)

非常に高い剛性と耐衝撃性を備えています。欠点は、かさばり、重く、構造が複雑であるため、コンパクトで柔軟な関節 (ロボット犬の膝や協働ロボットの手首など) にはまったく適していないことです。

ハイポイド微分器

ハイポイドギヤハーモニック ドライブとは異なり、ハイポイドは固体の表面硬化鋼の歯を使用しており、非常に高いねじれ剛性と激しい衝撃荷重を吸収する能力を備えています（脚式ロボットが地面にぶつかる場合に不可欠です）。{0}

さらに、ハイポイド ギアは本質的に直角伝達を実現します。{0}これにより、エンジニアはサーボ モーターをロボットのアーム リンクと平行に押し込むことができ、関節の回転慣性が大幅に低減され、貴重な空間体積が節約されます。

ハーモニックドライブ（波動歯車）

RV レデューサー (サイクロイド)

ハイポイド微分器

ハイポイドがロボットのアーキテクチャに適合する場所

表が示すように、ゼロバックラッシュハイポイドギヤ汎用的な代替品ではありません。-純粋な剛性や純粋なコンパクト性だけではすべての要件を満たすことができない「中間」のソリューションとして最適です。

コボットジョイント

コボットの主な設計目標は、人間と協働して作業することです。つまり、関節は軽量​​かつコンパクトであると同時に、± 0.02 mm 以内の再現精度を維持する必要があります。ハーモニックレデューサなどの従来のソリューションは十分に軽くて薄いですが、剛性が不十分であり、変動する負荷条件下で位置ずれが容易に発生する可能性があります。 RV 減速機の精度と剛性は要件を満たしていますが、そのサイズと重量はこれらの用途の設計制約を超えています。

ケーブルの配線には、もう 1 つの重要な制約があります。つまり、コボット アーム全体には、もつれを防ぐために内部ケーブル チャネルが必要です。ハーモニックドライブの貫通ボア径は限られており、RV レデューサは真の中空ボア構成には不向きです。{{2}

ハイポイドギヤのソリューション

• 軽量かつ高剛性：同じ重量でもより高いねじれ剛性が得られ、伸長位置での負荷によるエンドエフェクタのたわみが大幅に減少します。{0}}
• 天然中空チャネル:軸オフセット設計により、センター穴が自然に貫通し、配線が容易になります。
• 効率の利点:高い伝達効率（92～97%）により、発熱が少なく、消費電力が削減され、連続使用時間が長くなります。

人型ロボットの脚・手首関節

脚の関節を例に挙げると、ロボットがジャンプして着地する瞬間に、関節にかかる衝撃荷重は定格荷重の 3 ～ 5 倍に達することがあります。股関節および足首関節は、油圧パイプラインまたはケーブル用のチャネルを残しながら、限られたスペース内で多自由度の動きを実現する必要があります。

高調波ドライブ: フレキシブルホイールは耐衝撃性が低く、誤って落下すると関節破損につながる可能性があります。

RV減速機:耐衝撃性はありますが、同軸構造によりモーターが軸方向に直列に接続されるため、関節が長すぎてかさばり、人体構造のコンパクトなプロファイルを再現できなくなります。

ハイポイドギヤのソリューション

• 強い耐衝撃性:硬い金属-と-金属の歯の接触により、ハイポイド ギアは衝撃や衝撃荷重に対する固有の耐性が得られます。
• 軸オフセットの値:モーターを大腿部方向に沿って配置し、出力軸でふくらはぎを駆動します。関節の曲げ軸がモーターによって妨げられることがなくなり、真に生体模倣した細い脚のプロファイルが可能になります。

産業用ロボットアームエンドエフェクター

産業用ロボット アームのエンド エフェクタ (J4-J6 軸) は、精度が最も低下しやすいゾーンです。ここのスペースは非常に限られていますが、高速で揺れる物体の動的な負荷に耐える必要があります。-さらに深刻なのは、ロボットがネジのロック、精密な組み立て、接着剤の塗布などのプロセスを実行するときに、エンドエフェクタが双方向の微細な微動を頻繁に実行する必要があることです。

ハーモニック リデューサのバックラッシュは小さいですが、フレキシブル ホイールの弾性ヒステリシスにより「揺れ」が発生し、高周波数の双方向動作下でプロセスの安定性に影響を与える可能性があります。-

ハイポイドギヤのソリューション

• 瞬時の応答、バックラッシュゼロ:プリロード状態のハイポイドギヤは後進の瞬間に強固な接触を確立します。
• 高い熱安定性:ハイポイド ギアの転がり接触による発熱は少なく、熱平衡温度が低く、長期運転後の精度ドリフトが小さくなります。{0}}
• 制御可能な寿命:ハイポイド ギアの磨耗は徐々に監視され、企業は突然の故障を待つのではなく、稼働時間に基づいて予知メンテナンスのスケジュールを立てることができます。

コボットジョイント

人型ロボットの脚・手首関節

産業用ロボットアームエンドエフェクター

 

精度等級

業界では通常、ISO 17485 または GB/T 11365 標準を指し、精度レベルは降順で 3 ～ 12 です。

• 協調ロボットのジョイント: 5 ～ 6 レベルの精度が必要
• 人型ロボット脚：6～7レベルの精度が必要ですが、特に歯面接触部の安定性を重視
• 産業用ロボットアーム端: 5 レベルの精度が要求され、歯面粗さについては厳しい要件があります

三位一体：熱処理、表面仕上げ、公差

バックラッシュをゼロにするには、ギアを高い軸方向の予圧で押し付ける必要があります。歯の表面が粗い場合、この予圧によって極度の摩擦が発生し、急速な熱膨張、焼き付き、最終的な破損につながります。

最上位の歯車は、超硬の外装を備えた頑丈で衝撃吸収性の高いコアを実現するために、精密な表面硬化（浸炭）を受ける必要があります。-しかし、熱処理を行うと金属に歪みが生じます。この歪みを修正し、滑らかな転がり接触に必要な微細な表面仕上げを実現するには、ギアに厳密な後処理 CNC 研削とペア ラッピングを施す必要があります。-熱-。

サプライヤーを精査するときは、表面粗さ (Ra) の仕様を確認し、熱歪みをどのように制御しているかを尋ねるよう要求してください。精度レベルが厳密にグレード 5 ～ 7 (GB/DIN/ISO 規格に基づく) に維持されることを望んでいます。

精密ギアスカイビング

最新のロボット ジョイントは高度に統合されており、多くの場合、従来の歯車ホブ加工では到達できない複雑な内部プロファイル、止まり穴、またはきついショルダーを備えたハイポイド ギヤが必要になります。

プレシジョンギアスキーvしている(パワースカイビングと呼ばれることが多い) は、これらの問題を解決できます。 スカイビングは、ホブ加工の連続回転動作と成形の往復ストロークを組み合わせた高度な運動学的プロセスです。これにより、メーカーは、物理的な肩のすぐ近くで、驚異的な速度とミクロンレベルの精度で内歯車や複雑な統合シャフトを切断できるようになります。-

カスタム ハイポイド ギヤ メーカーの評価

そのため、認定されたカスタム ハイポイド ギア メーカーは通常、経験豊富で、高度な機器を所有し、厳格な品質管理システムを備えているという要件を満たしています。

Hansheng のチームを実用的なベンチマークとして取り上げます。過去 10+ 年間の専用のギア エンジニアリングを通じて、私たちは機器には妥協できないことを学びました。まさにこれが、私たちが日本のような世界クラスの機械に依存する理由です。-カシフジ KPS30 スカイビングマシン.

パートナーを選ぶときは、数十年にわたる専門的な経験、一流の CNC / スカイビング装置、妥協のない計測技術という 3 つの要素を備えていることを確認してください。{0}

 

 

 

 

際限なくスクロールする手間を省くために、実際の-トレードオフ-を簡単な参照マトリックスにまとめました。-

バックラッシゼロ、高剛性、柔軟なレイアウトを備えたハイポイド ギア - は、次世代ロボットの関節伝達用の強力な選択肢になりつつあります。これは高調波や RV を置き換えることを目的としたものではなく、「中間ゾーン」を解決できない場合に新しいソリューションを提供することを目的としています。

Hansheng Automation は高精度の分野で 10 年以上の経験があります。-歯車製造、完全に制御可能なプロセスチェーンを備えており、設計、熱処理、歯車研削からマッチング研削に至るまで、コア機器はカシフジやWEDMなどの一流ブランドを採用しており、バッチ精度はISO / DIN / GBレベル5〜7で安定しています。カスタマイズされたゼロバックラッシュを提供できます伝送ソリューション協働ロボット、人型ロボット、産業用ロボットアームなどに。

お問い合わせ

ゼロバックラッシュ ハイポイド ギヤと標準的な自動車用ハイポイド ギヤの違いは何ですか?{0}}

どちらも同じ幾何学的形状をしていますが、用途はまったく異なります。自動車のハイポイド ギアは、大規模用途における潤滑と熱膨張に適応するために、バックラッシュを考慮して特別に設計されています。-ロボット用に特殊なハイポイド ギアは精密に研磨され、ペアで組み立てられ、制御可能な軸方向の予荷重力をかけて 2 つの歯面間の接触を維持するため、動作損失が完全に排除されます。



プリロードにより摩耗が増加し、耐用年数が短くなりますか?

誤って過剰に適用された場合のみ。{0}}組み合わせて組み立てる際に予圧が正確に調整されると、歯面が弾性的に変形し、互いに摩耗するのではなく、安定した転がり接触を維持します。 Ra 0.4μm 以下の硬化後 CNC 研削と-を組み合わせることで、摩耗は徐々に予測可能になり、突然の故障後の事後交換ではなく、計画的なメンテナンスが可能になります。-



バックラッシュゼロのハイポイド ギアは、すべてのコボット ジョイントのハーモニック ドライブを置き換えることができますか?{0}

普遍的ではありません。エンベロープ サイズが主な制約となる超小型の同軸手首関節には、ハーモニック ドライブが依然として優れた選択肢です。-ハイポイド ギアは、より高いねじれ剛性、耐衝撃性、およびボア内ケーブル配線が同時に必要とされる腕の中間-関節 - 肘と肩の位置 - で最大の利点を発揮します。



ロボットのジョイントにはどの精度グレードを指定すればよいですか?

ISO 17485 / GB/T 11365 に基づく一般的なガイドラインとして、コボットの中間腕関節には通常グレード 5～6 が必要です。-人型の脚と足首の関節 接触パターンの安定性に重点を置いたグレード 6 ～ 7。工業用アームエンド-エフェクタ軸（J4～J6） 厳格な表面粗さ要件を備えたグレード 5 以上。



メーカーがロボットのグレード要件を満たせるかどうかを評価するにはどうすればよいですか?{0}}

確認すべき 3 つのこと: まず、一般的な CNC センターではなく、硬化後精密研削-を備えた専用のハイポイド研削盤 (Gleason、Klingelnberg、または同等品) を操作していること。-第 2 に、文書化された Ra 表面粗さデータと、一致したセットごとの接触パターン レポートが提供されることです。第三に、ギアを適合するペアとして供給および交換することです。

機械工学では、「完全なバックラッシゼロ」と「低摩擦」には相互の妥協が必要となることがよくあります。

この記事で説明する「ゼロ バックラッシュ ハイポイド ギア」は、超高精度の研削と正確なシステム プリロードによって実現されています。{0}過度のプリテンションは、高速動作時に伝達効率がわずかに低下し、温度が上昇する可能性があることに注意してください。-

この記事の目的は、ハイポイド ジオメトリがエンジニアリング上の利点を提供する特定の使用例に焦点を当てることです。- ハイポイド ギアが既存のソリューションに取って代わるべきであると示唆するものではありません。ハーモニック ドライブと RV レデューサは成熟しており、広く採用されており、依然として大多数のロボット ジョイント アプリケーションの第一選択となっています。エンジニアは、特定の負荷、スペース、精度の要件に基づいてすべてのオプションを評価することをお勧めします。