関節アクチュエーターの仕組み — モーター・減速機・センサー・駆動回路の4つの部品

モーターは「速いが弱い」、関節は「遅いが強い」。その差を減速機が埋める

ねじる力のことをトルクと呼び、単位はニュートンメートル (N・m) です。長さ1メートルの棒の先に1ニュートン (約100グラムの物の重さ) の力をかけたときのねじる力が1N・mです。重さ3キログラムの物を持って、長さ60センチの腕を水平に伸ばすと、物の重さだけで肩に約18N・m (3 × 9.8 × 0.6) のトルクがかかり、腕自体の重さを合わせると約25N・mになります。

小さなモーターは、このトルクを直接は出せません。そこで減速機を使います。自転車で坂道を上るとき、軽いギアに入れるとペダルを何回も回す代わりに楽に進めます。減速機は同じことをモーターと関節の間で行い、モーターを何十回も回す代わりに関節を強い力でゆっくり回します。

この例では、モーターが1分に3,000回転すれば関節は1分に30回転 (1秒に半回転) になり、力は80倍になります。回転の速さを100分の1にして、トルクを100倍 (効率を掛けて80倍) にしたわけです。電気から見ると、出力 (ワット) はトルクと回転速度の掛け算なので、減速機は出力を増やしているのではなく、速さを力に両替していることになります。

アクチュエーターは4つの部品でできている — モーター・減速機・センサー・駆動回路

4つの部品は一方通行ではありません。駆動回路が電流を送ってモーターが回り、減速機を通って関節が動くと、センサーがその角度と力を測って駆動回路に返します。駆動回路は目標とのずれを見て電流を直します。この輪をフィードバック制御と呼び、関節ごとに1秒に数千回の速さで回っています。

モーターは2種類 — 指に向くコアレスモーターと、関節に向くフレームレス・トルクモーター

コアレスモーターは、銅線を巻く芯 (鉄心) を持たず、巻線だけをカップの形に固めて回します。鉄心が無いので軽く、回り始めと止まるときの反応が速く、磁力の引っかかり (コギング) による振動がありません。小さく作れるので、ロボットハンドの指を動かすモーターによく使われます。

フレームレス・トルクモーターは、外枠と軸受けを持たない、回転子と固定子だけのモーターです。関節の筐体と軸に直接組み込むので、部品の数と長さを減らせます。中心が空洞の輪の形にでき、そこに配線や別の軸を通せます。径を大きくするほどトルクが出るので、肩や股関節のように大きな力が要る関節に向きます。

鉄心の無いコアレスモーターは、磁力の引っかかりが無く、効率は最大で約90%に達します (スイスのマクソンの技術資料)。フレームレス・トルクモーターには、市販の波動歯車にそのまま組み合わせられる寸法で売られている製品もあります (米国のコールモーゲン)。

モーターは作る会社が多く、投稿の筆者は、減速機ほど値決めの力は強くないとみています。一方で、ロボットが1体増えるごとに数十個が確実に増える部品でもあります。投稿が引用した証券会社の採点では、2種類とも13点で、「生産能力の融通」と「人型ロボット向けの上乗せ」はともに満点の3でした。

投稿の筆者は、コアレスモーターの主な会社として中国の鳴志電器・兆威機電・雷賽智能・江蘇雷利・偉創電気を、フレームレス・トルクモーターでは偉創電気と、出荷を急速に増やす雷賽智能を挙げました。欧米では、世界最大のモーター会社のニデック、動きの制御を専業とするオールライエント、精密な部品の RBC ベアリングス・リーガル・レックスノード・アメテックを挙げています。なお、投稿は鳴志電器をコアレスモーターの世界上位3社としていますが、同社の年報で世界上位3社とされているのはステッピング・モーターの事業で、コアレスモーターは「国内首位・世界の第1グループ」という書き方です。

センサーは関節の「いま」を測る — 角度はエンコーダー、力はトルクセンサー

エンコーダーは、モーターや関節の軸がいま何度回ったかを測る部品です。磁石の向きを磁気センサーで読む方式と、目盛りの入った円板を光で読む方式があります。電源を入れた瞬間に今の角度が分かる絶対式が、人型ロボットでは主流です。モーター側と関節側 (減速機の出力側) の両方に付けると、2つの角度の差から減速機のねじれ、つまり関節にかかる力も推定できます。

トルクセンサーは、関節にかかるねじる力を直接測ります。金属のわずかなひずみを測るひずみゲージを使うものが一般的です。力が分かると、人や物にぶつかったときに力を弱めて逃がしたり、卵を割らない強さで握ったりできます。手首や足首には、押す・引く・ねじるの6つの向きの力をまとめて測る6軸力覚センサーが付きます。詳しくは手と感覚の章で説明します。

駆動回路は電池の電気をモーターが使える形に変える — 関節の数だけ要る

電池から来るのは向きの変わらない直流ですが、モーターを回すには、向きと大きさが回転に合わせて変わる3つの相の電流が要ります。駆動回路 (インバーター) は、電力用の半導体を1秒に何万回も入り切りして、直流をこの電流に作り変えます。入り切りのたびにわずかな電力が熱として失われるので、損失の小さい半導体を使うほど電池が長持ちし、熱を逃がす部品も小さくできます。

駆動回路は関節の数だけ必要です。人型ロボットが増えれば、電力用の半導体の数もそのまま増えます。窒化ガリウム (GaN) や炭化ケイ素 (SiC) の半導体は、従来のケイ素の半導体より損失が小さく、ロボットが1日の勤務時間を通して働けるかどうかを左右します。電源の全体は頭脳と電源の章で扱います。

4つの部品を組み上げて検査する「組立」は、自動車部品の会社が担う

モーター・減速機・センサー・駆動回路を1つの筐体に組み上げ、1つずつ検査して出荷する工程がアクチュエーターの組立です。投稿が引用した証券会社の資料は、その担い手として中国の三花智控と拓普集団を挙げています。どちらも自動車部品の大手で、コストと数量を厳しく求められる自動車の供給網で量産の力を身につけました。

投稿が引用した証券会社の採点では、組立は14点で、6つの基準のうち「技術の選択の確かさ」が満点の3でした。波動歯車とローラーねじのどちらが勝つかは分からなくても、組み上げた関節の部品が必ず要ることは確かだ、という評価です。一方で「技術の壁」は最低の1で、参入が比較的しやすい工程でもあります。

投稿は拓普集団の売上の約40%がテスラ向けだと書いていますが、同社の年報は顧客の名前も1社ごとの割合も開示していません。2025年の年報で分かるのは、上位5社の合計が売上高の65.79%を占め、1社で50%を超える顧客は無いことまでです。

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