高効率・高減速ギヤを備えた高出力アクチュエータの研究開発
平成２９年１月２４日
於モーションコントロール委員会
横浜国立大学
藤本康孝、小布施大志

研究目的・概要：従来のロボット用アクチュエータの課題
従来のロボット用アクチュエータ：• サイクロイドギヤ（中～大容量）、または、ハーモニックギヤ（小～中容量）、または、遊星ギヤ（小～中容量）＋ サーボモータの組み合わせ
課題①：出力密度• モータの体格は最高回転数に逆比例• ギヤの入力回転数が低いため、高回転型モータと組合せられない（モータとギヤのミスマッチ）
課題②：エネルギー回生• 回生動作時には、減速機でエネルギーが消失してしまうため、電源にエネルギーを回生できない
課題③：バックドライバビリティ• ロボットのタスクに必要なトルクを実現するために1/100程度の減速機を用いると、バックドライバビリティ（逆駆動性）が低下• 低バックドライブなアクチュエータは、人との接触を想定した協働ロボットやパワーアシストロボットで安全性が問題
本プロジェクト：これら課題を解決するアクチュエータの開発
1

研究目的・概要：減速機の比較減速機

減速比

トルク容量

伝達効率

入力
回転数

特徴

単純遊星歯車機構（１段）

1/4～1/10程度

小高高

減速比が低いラビニヨ遊星歯車機構（１段）

1/10程度

減速比が低い複合遊星歯車機構

1/100程度

設計が難しい不思議遊星歯車機構

1/100程度

転位歯車使用損失大ハーモニック歯車機構

1/30～1/200

ノンバックラッシ
高コスト

サイクロイド歯車機構

1/60～1/200

大低低

高コスト

2研究目的・概要：減速機のバックドライバビリティ
モータ軸から力を加えたとき出力軸に伝わる力（順駆動）
𝐹𝐹2𝑡𝑡 = 𝐹𝐹1𝑡𝑡 − 𝜇𝜇′ 𝐹𝐹𝑛𝑛 摩擦力

External Force

Motor Force

1 − 𝜇𝜇𝜇tan 𝜙𝜙
𝐹𝐹2 = ′
𝐹𝐹1𝜇𝜇 + tan 𝜙𝜙µ’≪1, tanφ≪1なので力が伝わるµ’>tanφ の場合，力が伝わらない

F2t可動部

F1nF1

減速機の模式図F1tφEfficiency

Fn
伝達効率

出力軸から力を加えたときモータ軸に伝わる力（逆駆動）𝐹𝐹1𝑡𝑡 = 𝐹𝐹2𝑡𝑡 − 𝜇𝜇′ 𝐹𝐹𝑛𝑛tan 𝜙𝜙 − 𝜇𝜇𝜇
𝐹𝐹1 =𝐹𝐹2′
1 + 𝜇𝜇 tan 𝜙𝜙F2F2n10.90.80.70.60.50.40.30.20.10Forward
Efficiency

順駆動
伝達効率
逆駆動
伝達効率
050

ギヤ比

Backward
Efficiency

バックドライバビリティ低下
100
Gear Ratio = 1/tanφ150µ’=0.01の場合の伝達効率

2003

研究目的・概要：ブレイクスルー技術（提案減速機）
複合遊星歯車機構• 動力伝達効率を考慮し、複合遊星歯車機構の歯数を選定• ほぼ任意の減速比を実現可能（1/10～1/1000）• 複合遊星歯車機構の動力伝達効率を最大化する設計手法を提案• 2K-Hギヤおよび3Kギヤに適用

固定出力

入力2K-Hギヤ

固定出力

入力

2K-Hギヤ

3Kギヤ
4

研究目的・概要：ブレイクスルー技術（減速機設計法）
動力伝達効率の最大化：• 目的関数： 減速機順駆動効率※𝜂𝜂(𝑧𝑧𝑝𝑝𝑝 , 𝑧𝑧𝑖𝑖𝑖 , 𝑧𝑧𝑝𝑝𝑝 , 𝑧𝑧𝑖𝑖𝑖 , 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑖 , 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑖 , 𝑋𝑋𝑟𝑟𝑟𝑟 )• 状態変数： 第１遊星歯車の歯数 zp1 ∈ Z
第１内歯車の歯数 zi1 ∈ Z, その転位係数 xi1 ∈ R
第２遊星歯車の歯数 zp2 ∈ Z
第２内歯車の歯数 zi2 ∈ Z, その転位係数 xi2 ∈ R
軸間距離 Xrc ∈ R• 制約条件： 𝑔𝑔𝐿𝐿 ≤ 𝑔𝑔 ≤ 𝑔𝑔𝐻𝐻 減速比𝑔𝑔−2 ≤ 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑖 ≤ 2−2 ≤ 𝑥𝑥𝑖𝑖2 ≤ 2
正面かみあい率条件、かみ合い圧力角条件、歯先円条件、
正面歯先円歯厚条件、トロコイド干渉条件、歯先干渉条件、同軸条件、組立条件、隣接条件※順駆動効率が最大化されれば、逆駆動効率も最大化される

5

1009590858075
7065605550

w/o optimization

w/ optimization

94.41495.41495.50795.7
95.97796
96.24296.37396.42996.55296.93197.14797.28997.33597.56698.33898.98699.28999.86799.868100.984
101.143103.846

減速比1/96、最大トルク120N.m
効率92%、非常に高効率！
小さな力で出力側から駆動可能

動力伝達効率 [%]研究の内容と成果：【高効率減速機】

減速比

最適化により向上した効率

バックドライブの様子（https://youtu.be/LRE9R0kUDfI）

減速機の内部
6

研究の内容と成果：【高効率減速機】
先導研究
達成目標

赤字：優位な性能

先導研究で開 達成度
発した減速機

ハーモニックギヤ（CSG25軽量ユニット型）

順駆動効率

90 %

93 %

100 %

70 %

逆駆動効率

―

92 %

―

60 %

減速比

―

1/97.1―

1/100

実現可能な減速比

1/50～1/400

1/49～1/379

100 %

1/30～1/160

許容入力回転速度

15,000 rpm

16,500 rpm

110 %約7,000 rpm

定格トルク

―

90 N.m

―87 N.m

逆駆動起動トルク―

0.034 N.m―

11 N.mバックラッシ―23 arcmin―0.15 arcmin

サイズ―

φ94×62 mm―

φ86×46 mm

質量―

1.1 kg―

1.1 kg

効率マップ：92～93％の効率を実現

試験装置

7

研究の内容と成果：【高効率減速機】
0.96

0.96

0.94

0.94

0.92

0.92

0.9

0.9
Efficiency

Efficiency• 効率・トルク容量を改善したモデル

0.880.86
次期改善モデル順駆動効率
次期製作モデル逆駆動効率
今回製作モデル順駆動効率
今回製作モデル逆駆動効率

0.840.82
0.80.78050100150200250
Gear Ratio

0.880.86
次期改善モデル順駆動効率
次期製作モデル逆駆動効率
今回製作モデル順駆動効率
今回製作モデル逆駆動効率

0.840.820.8
300

350

効率改善モデル(遊星数2; 90N.m）

4000.78050

100150200
250
Gear Ratio

300

350

400

トルク容量改善モデル(遊星数3; 120N.m）• 1/370のモデルでも逆駆動可能• ただし、出力軸からみた慣性モーメントが大きい⇒ キャリアの軽量化が課題

8

研究の内容と成果：【高効率減速機】
開発減速機

ハーモニックギヤ（CSG17軽小型化モデル量ユニット型）

順駆動効率

89.9 %

65～80 %

逆駆動効率89.2 %

40～75 %

減速比1/102.1

1/100

許容入力回転速度

15,000 rpm

7,300 rpm

定格トルク@2000rpm

40 N.m31 N.m

平均負荷トルクの許容最大値

40 N.m51 N.m

瞬間許容最大トルク

40 N.m143 N.m

逆駆動起動トルク未計測

11 N.mバックラッシ

未計測

0.17 arcmin

角度伝達誤差

1.5 arcmin

ヒステリシスロス

1.0 arcmin

サイズ（突起部を除く）

φ54×27 mm

φ63×37 mm

質量223 g460 g

https://youtu.be/vQqyGsqPwb0

赤字：優位な性能
9まとめ• 3Kギヤ(約1/100)により動力伝達効率>90%(設計値)を実現⇒ 逆駆動が可能• ロボットの柔らかい制御が可能に（安全なロボットの実現）• 小型高回転型モータと組み合わせることで高効率、高バックドライバビリティ（高い安全性）、低コスト、小型、大出力の特長をもつアクチュエータを実現する
今後の課題• 減速機の効率・トルク容量の改善、バックラッシの低減

10