論文 / 著書情報Article / Book Information
論題(和文)

産業応用に向けた3Dプリンタ製ロボット機構部品-第 8 報: 樹脂製トロ
コイド減速機の一脚試験機適用-

Title(English)

Mechanical Parts Manufactured by a 3D Printer for Industrial Robot Part 8 : Application of Plastic Trochoid Reduction Gear to a Leg
Mechanism-

著者(和文)

大久保暁史, 大澤来未, 難波江裕之, 遠藤玄Authors(English)Akifumi Okubo, Kurumi Osawa, Hiroyuki Nabae, Gen Endo

出典(和文)

ロボティクス・メカトロニクス講演会2024講演論文集, 1P1-P03, ,Citation(English)

Proceedings of the 2024 JSME Conference on Robotics andMechatronics, 1P1-P03, ,

発行日 / Pub. date

2024, 5Powered by T2R2 (Science Tokyo Research Repository)

産業応用に向けた 3D プリンタ製ロボット機構部品-第 8 報: 樹脂製トロコイド減速機の一脚試験機適用Mechanical Parts Manufactured by a 3D Printer for Industrial Robot-Part 8 : Application of Plastic Trochoid Reduction Gear to a Leg Mechanism○学 大久保 暁史（東工大） 学
正 難波江 裕之（東工大） 正

大澤 来未（東工大）
遠藤 玄（東工大）

Akifumi OKUBO, Tokyo Tech , okubo.a.ad@m.titech.ac.jp
Kurumi OSAWA, Tokyo Tech
Hiroyuki NABAE, Tokyo TechGen ENDO, Tokyo Tech
A prototype plastic trochoid reduction gear was fabricated by 3D printing using the Fused Filament
Fabrication (FFF) method, and its performance was evaluated by applying it to an one leg test machine
for a quadruped walking robot. Potassium titanate nylon resin, the strongest material for FFF 3D
printing, was used as the material. A walking simulation test was conducted with a 6 kg payload on
the robot, and it was conﬁrmed that the robot operated for 10,000 steps (7 hours and 13 minutes)
without breaking. The motor temperature after 25 minutes of operation was below the glass transition
temperature of the resin material.
Key Words: Robot, 3D printer, Reduction Gear, Resin

1

諸言

ロボットに電磁モータを用いる場合，減速機はほぼ必須の部品であり，その性能は重要である．従来のロボット開発においては，許容トルクや回転数，大きさや質量，価格や納期などを考慮し減速機を選定していた．しかし一般に性能の良い減速機ほど，質量が大きく高価な傾向にある．もし減速機を一から試作することができれば，設計自由度は高まり，減速比を最適化することでロボットの性能をより高くすることができる可能性がある．実際，
大和らは薄型軽量な減速機を開発し，その詳細な性能を評価している [1]．
ところで，熱溶融積層（Fused Filament Fabrication, FFF）方式の 3D プリント技術は近年大きく発達している．特に樹脂材料の強度の向上により，より大きな負荷のかかるロボット機構部品にも 3D プリント造形による樹脂部品が使える可能性が出てきている．減速機を 3D プリンタ造形の樹脂部品で試作できれば，迅速で低コストな開発が可能となり，設計自由度の向上や軽量化も期待できる．武居らは，ダイレクトドライブモータと 3D プリンタ造形の減速比 10 の樹脂製減速機を組み合わせ，準ダイレクトドライブモータを試作している [2]．
しかしこれらの 3D プリントによる減速機の試作の多くは概念実証にとどまっており，大和らのような詳細な性能評価は行われていない．
本論文では，FFF 方式 3D プリンタを用いて樹脂製トロコイド減速機を試作し，四足歩行ロボットの一脚試験機に適用することでその性能を評価した．歩行ロボットの減速機には，高い減速比や繰り返しの衝撃過重に耐えることといった，樹脂製減速機としては高い要求仕様が求められる．また，特に材料に関しては一般的な PLA や ABS などの 3D プリンタ材料でなく，チタン酸カリウム繊維強化ナイロン樹脂の POTICON NTL34M（大塚化学，以下 POTICON と称する）[3] を用いた．

2

Fig.1 Overall image of 1 leg test machine
Table 1 Mechanical properties of the materials
MaterialFillerTensile strength[MPa]
Bending strength[MPa]
Flexural modulus[GPa]
Heat deﬂection temp.
[◦ C] @0.45 MPa

POTICON
Potassium
titanate ﬁber

Onyx
Carbonﬁber

ABS

PLA--

100373845

167716192

6.3

3.0

1.4

2.91201458758

材料

材料には POTICON を用いた．POTICON とその他の 3D プ
リント材料の物性を表 1[4][5][6] に示す．POTICON は微細なチタン酸カリウム繊維で強化されたナイロン樹脂であり，カーボン長繊維を用いた場合を除き，我々の調べた限りで最も強度の高いFFF 方式の 3D プリンタ材料である．また，ミクロ補強性や摺動性に優れており，ウォッチギアなどにも使用されている．

3トロコイド減速機

試作したトロコイド減速機の概要を図 2 に示す．モータにはブラシレス DC モータ（EC 45 ﬂat 80W, maxon）を用いた．ト
ロコイド減速機は，偏心軸の回転により遊星歯車が公転し，リングギアと噛み合うことで発生した遊星歯車の自転をピンにより伝達することで減速している．遊星歯車とリングギアの歯数はそれ

Fig.3 Temperature after 25 minutes of walking

Fig.2 Exploded view of trochoid reducer
Table 2 Parameters for the 3D printing
Material
3D printerSlicerNozzle diameter [mm]Extruder temperature [◦ C]
Pitch [mm]Number of shells
Number of solid layers(top / bottom)
Fill density / shape

POTICON
G-ZERO
PrusaSlicer
0.4
2700.1210 / 10
100 % / concentric

Table 3 Parameters of walking
Stride length
Stride hight
Velocity in stance phase
Duty ratio(Walking cycle)

250 mm
100 mm
200 mm/s
0.5(2.6 s)

ぞれ 30 と 31 で，減速比は 30 である．ベアリング，ピン，セットカラー，ネジ，インサートナットは金属製で，その他の部品は全て POTICON 製である．3D プリンタには G-ZERO（グーテンベルク）を用いた．造形条件を表 2 に示す．ただしリングギアとケースについては，リングギアの歯周辺とケースのベアリング周辺のみ充填率 100%とし，その他の部分は充填率 37%，充填形状は三角形とした．実験はグリース（マルテンプ AC-N，協同油脂）を塗って行った．

4

一脚試験機を用いた歩行模擬実験

試作したトロコイド減速機の歩行ロボットへの適用性を調べるため，TITAN-E1[7] の一脚試験機にトロコイド減速機を搭載し歩行模擬実験を行った．TITAN-E1 は，Yaw-Roll-Roll の関節配置を持つ爬虫類型 4 足歩行ロボットである．Yaw 軸は減速機の出力からタイミングベルトを介して駆動される．Roll 軸は化学繊維ロープを用いたワイヤ干渉駆動で，ロープの巻きついたテンショナを減速機の出力からタイミングベルトを介して駆動している．アルミフレームに取り付けた一脚試験機の概要を図 1 に示す．脚は背面でリニアガイドに固定されており，Z 軸方向に直動稼働するようになっている．また，脚先の下にはリニアガイドでX 軸に沿って移動可能な L 字板が取り付けられており，脚先をこの板の上に乗せることで歩行を模擬した動作が可能となる．一脚試験機の質量は電装部品を含めて 3.5 kg であり，実験はさらに 6 kg のペイロードを載せて行った．歩行のパラメータは表 3に示す通りである．

4.1 モータの温度上昇
一脚試験機の関節の内，最も大きなトルクを発生する第二関節について，モータの温度上昇を測定した．測定にはサーモカメラ（サーモギア G100，日本アビオニクス）を用いた．歩行を始めて約 25 分後の測定結果を図 3 に示す．モータコイルの温度は約 57C◦ ，リングギアのモータ周辺部は約 45 C◦ となった．POTICONのガラス転移温度は 60 C◦ であり，樹脂部品の温度はそれよりも十分低いため，25 分程度であれば冷却なしで歩行を続けられることがわかった．
4.2 長時間動作による耐久性
長時間の歩行動作による耐久性試験を行った．実験はファンにより冷却をしながら行った．実験の結果，10000 歩 (7 時間 13 分)壊れることなく動作することを確認した．

5

結言

3D プリンタ造形による樹脂製トロコイド減速機を四足歩行ロボットの一脚試験機に適用し，6 kg のペイロードを載せた状態で歩行模擬実験を行った．その結果，10000 歩（7 時間 13 分）壊れることなく動作することを確認した．また，25 分の動作後のモータ温度は樹脂材料のガラス転移温度以下であった．今後は実際の四足歩行ロボットに適用し歩行実験を行う．

6

謝辞

本稿執筆にあたり，大塚化学株式会社の材料や情報のご提供，ならびにご助言，株式会社グーテンベルクの 3D プリントに関するご協力やご助言を賜りました．ここに深甚なる謝意を表します．
貴重なコメントと議論をいただきました武居直行教授（東京都立大学）太田裕介教授（千葉工業大学），高木健教授（広島大学）に感謝いたします．

参考文献[1] Yamato, H. et al., A Partner Robot Transforming to a Vehicle: CanguRo - Design, Development and Evaluation of Its
In-Wheel Drive Unit with Cycloid Gear -, IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII) (2020),pp.1205–1211.
[2] Iizuka, K. et al., Evaluation of Compliant Robot Arm with
Quasi-DD Motor and Gravity Compensation Mechanism,The 7th International Conference on Advanced Mechatronics(ICAM) (2021), pp.88–89.
[3] POTICON TISMO Reinforced Compound, Otsuka ChemicalCo., Ltd., (Online). available from https://www.otsukac.co.
jp/en/products/chemical/poticon/.
[4] Markforged, Inc., MATERIAL DATASHEET Composites(Online), available from https://www-objects.markforged.
com/craft/materials/CompositesV5.2.pdf.
[5] Ultimaker ABS TDS, Ultimaker (Online), available fromhttps://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/
360012759139-Ultimaker-ABS-TDS.
[6] Ultimaker Tough PLA TDS, Ultimaker (Online), available
from https://support.ultimaker.com/hc/en-us/articles/360012759599-Ultimaker-Tough-PLA-TDS.
[7] 角田柊平ら, 熱溶融積層方式による樹脂構造材を用いた四足歩行ロ
ボット TITAN-E1 の開発, ロボティクス・メカトロニクス講演会
講演概要集 (2022), 2A1-Q07.