有用な重量を持ち上げることができるロボットアームを構築したい（約1.25メートルまで伸びることができるアームで3〜6kgなど）。これを達成するために利用可能なアクチュエータ。主な要因と設計ポイントは次のとおりです。

• 高くない
• 5〜6自由度
• まだ設計されていないモバイルプラットフォームに搭載される
• バッテリ駆動
• 趣味のサーボよりも強い（少なくとも「肩」および「肘」関節の場合）
• 作動が遅くない

どのアクチュエータがアプリケーションに適しているかは、どの種類のロボットアームを構築するかに大きく依存します。どの種類のアームが必要かを決定したら、各軸に適したアクチュエータを決定できます。

アーム

説明から、ガントリーロボットは実行不可能であると仮定して、特定のアプリケーションに応じて、関節アーム上のスカラアームを検討することができます。これは、ほとんどの人がロボットアームを考えるときに考えるものです。

スカラアームの大きな利点は、その持ち上げ強度の大部分がベアリングにあることです。メインの肩、肘、手首（ヨー）関節は平らな平面にあります。つまり、モーターは必要な横方向の力を発生させるのに十分な強度があればよく、残りの軸の重量を支える必要はありません。

Z軸、ピッチ、およびロール（およびグリップ）はすべて重力に逆らって動作する必要がありますが、Z軸は十分な重量を支えることができるほど十分にギア調整しやすく、ピッチ、ロール、およびグリップ軸はサポートするだけですペイロードの重量であり、他の軸の重量ではありません。

これを、アームの多くがキネマティックチェーンのさらに下のすべての軸の重量を支える必要がある関節アームと比較してください。

アクチュエータ

ガントリーロボット

通常、ガントリーロボットは、メインのX、Y、Z軸にリニアアクチュエータを使用します。これらは、低性能、低精度、サーボまたはステッピングドライブ付きの親ねじなどの高力アクチュエータ（力と性能はトレードオフできますが、精度は常にバックラッシュによって制限されます）、高性能、高精度まで可能です精密エンコーダを備えたダイレクトドライブリニアモーター。

残りの3自由度マニピュレーターは、通常、ピッチ、ロール、ヨーの精密な回転運動を必要とするため、通常は電動モーター（ステッパーまたはサーボ）が最適です。かなり高いギアを備えた小型モーターでさえ、非常に高い負荷に対して重力に耐えることができます。

サーボモーターとステッピングモーターの違い

サーボ^（1）とステッパーの違いは、複雑さと制御の確実性のトレードオフです。

サーボモーターには位置フィードバック用のエンコーダーが必要ですが、ステッパーには必要ありません。これは、ステッパーが電気的にはるかに単純であることを意味し、低パフォーマンスが必要な場合は制御の観点から単純です。

ただし、モーターを最大限に活用したい場合（限界に近づいた場合）、ステッパーは予想どおりの制御がはるかに難しくなります。サーボの位置フィードバックを使用すると、パフォーマンスをより積極的に調整できます。目標位置または速度に到達できない場合は、サーボループがそれを見つけて修正します。

あなたができるように、ステッパーを使用すると、チューニングするシステムを持って保証することができることを常にかかわらず、ペイロードの移動や重量の所望の速度の、一歩を踏み出します。ステッパーモーターのステップの欠落を検出するためにエンコーダーを追加することを提案する人もいることに注意してください。

スカラアーム

スカラアームでは、おそらくZ軸が唯一の直線軸ですが、残りの軸はすべて回転モーターで行うことができるため、ステッピングモーターまたはサーボモーターでも可能です。これらのモーターの多くは、搭載される重量がそれほど重要ではないため、これらのモーターのサイジングは比較的簡単です。負荷の慣性を克服するために必要なモーターは、重力を克服するためにサイジングするよりもかなり小さいです。

関節アーム

関節アームでは、負荷の移動と持ち上げの両方に応じたサイズのアクチュエータがほとんどの軸に必要となるため、計算はより複雑になりますが、電動モーターは制御と使用が最も簡単です。

グリッパー

最後に、グリッパーがあります。これは、私が最も多様なアクチュエータを見た場所です。用途に応じて、さまざまなアクチュエータを簡単に使用できます。

従来のモーター駆動グリッパー、リニア作動グリッパー、ピエゾフレクチャーグリップ、空気圧作動グリッパー、真空ピックアップ、および単純なスロットまたはフックを備えたシステムを使用しましたが、その多くは用途に固有のものでした。あなたの典型的なペイロードは、あなたに最適なアクチュエータを大きく変える可能性があります。^（2）

計算をする

以下のようRocketmagnetが示唆最終的に、あなたの電卓を抜け出すために持ってしようとしています。

システムの運動学、各モーターの最大負荷（アーティキュレートアーム設計を使用している場合はアームが完全に伸びている最悪の場合を考慮）、速度（ギアが大きく、モーターが小さい場合は、速度なしで必要な力ですが、より頑丈なモーターは、より低いギアリングとより高い速度などでより高いトルクを与え、必要な位置精度を提供します。

一般に、問題に投じるお金が多いほど、パフォーマンス（速度、精度、消費電力）が向上します。しかし、仕様を分析し、スマートな購買決定を下すことは、ロボットの価格/性能を最適化するのに役立ちます。

^{（1）私の経験は工業用サーボ、通常はロータリーエンコーダー付きのブラシ付きまたはブラシレスDCモーターに関するものであるため、これは趣味のRCサーボに適用される場合と適用されない場合があります。}

^{（2）別の質問を投稿することをお勧めします。}

アクチュエータを選択する場合、エンドエフェクタで必要な電力を計算することから始めるのが有益です。「遅すぎない」と言うときは、特に異なる負荷条件下で、これが何を意味するかを理解する必要があります。

たとえば、0.2m / sで6kg、0.5m / sで0kgと言います。

次に、腕の推定重量を追加します。0.2m/ sで10kg、0.5m / sで4kg

次に、電力を計算します：100N * 0.2m / s = 20Wおよび40N * 0.5m / s = 20W

したがって、エンドエフェクタでのピーク電力出力は20Wです。20W以上を快適に生成できるアクチュエータが必要になります。

私はあなたがアクチュエーターとして電気モーターを使用することに決めたと仮定するつもりです。これらは、依然として強力な電動ロボットシステムに最適なアクチュエータです。（ワークショップを燃やさずにこのロボットをマッスルワイヤで正常に動作させることができたら、マウスを食べます）。

電気モーターを使用しているため、ほぼ確実に何らかの種類のギアを使用することになります。モーターのギアトレインが約50％効率的であると仮定します。つまり、最低40Wの定格の電動モーターが必要です。これを信頼性の高いアームにしたい場合は、定格が少なくとも60Wのモーターを指定します。

次に、ギアトレインを指定する必要があります。必要なトルクは？100N * 1.25m = 125Nm。ただし、通常どおり、ギアトレインにはこれよりも多くのトルクを指定する必要があります。特に、負荷を上方に加速するには予備のトルクが必要になるためです。定格以上の負荷をかけることができる歯車列を選択してください。

最後に、モーターのトルクにギア比を掛け、効率を掛けた値が、最大ギア負荷ではなく、トルク要件を超えていることを確認してください。

モバイルプラットフォーム：電気機械式リニアアクチュエータは、モバイルプラットフォームに搭載できる軽量アクチュエータに適しています。

バッテリー駆動：リニアアクチュエータは移動中にのみ電力を消費し、その位置を保持するために電力を必要としないため、電気機械式リニアアクチュエータはサーボモーターよりも適切な選択です。

5-6 DoF：電気機械式リニアアクチュエータを使用してこれを達成することは、機械的に複雑であり、可動範囲が限られているため、難しい場合があります

www.firgelli.comからリニアアクチュエータを試すことができます。小型リニアアクチュエータも搭載されており、小規模アプリケーションに適しています。

リニアアクチュエータを使用したアームの機械設計コンセプト：ほとんどの土木機器には油圧リニアアクチュエータがあります。リニアアクチュエータのジョイントの一部は、このラインで実装できます。

考慮すべき要素がさらに2つあります。複雑さとコストです。

そのような産業用ロボットアーム

産業用ロボットアームhttp://halcyondrives.com/images/robotic_arm.pngの
^{からの画像http://halcyondrives.com}

通常、ギアボックスのトルクを使用してジョイントを直接駆動しますが、ギア減速がサポートするトルクとサイズ/重量について考えますか？それは単純で巨大で高価であり、その材料は巨大なトルクをサポートする必要があります。

$600Kgf/cm$

業界が使用するソリューション

ストレインウェーブギアリングまたはハーモニックドライブ

^{http://commons.wikipedia.orgからの画像}

$200:1$$~ 10:1$。

しかし、このタイプのギアは非常に高価で複雑です。

スプリングとカウンターウェイト

^{http://www.globalrobots.aeからの画像}

他の単純なソリューションでも、画像に見られるようなカウンターウェイトを追加します。これには、前腕（名前は忘れます）と腕の両方に作用するリンケージがあります。スプリングも役立ちます。ジョイントの同じ軸上に少しオフセットして取り付けた場合、アームが伸びるにつれて力がかかります。

機械駆動システム用の低コストで複雑さの少ないソリューション

コストを削減し、ソリューションを簡素化するために、ギアドライブの高トルクを取り除くことで、安価な材料を使用できるようになります。純粋な電子ドライブの場合、これはリニアアクチュエータです。

さまざまなリニアアクチュエータがあります。しかし、アイデアは、それがより少ない力を必要とするということです（それが取り付けられている腕のどのポイントに依存します）。

• 「ナット」および親ねじタイプ

このタイプのアクチュエータには多くのサブタイプがあり、効率、摩耗、力などに大きく影響します。しかし、一般に、それらは高い力と比較的遅いから中程度の速度を持っています（これは再びタイプに依存します、いくつかのモーションプラットフォームシミュレータで使用されるもののように、それは速く変化することができます）。

6 http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F電動リニアアクチュエータの動きプラットフォームDOF。

電動リニアアクチュエータは、このアプリケーションで油圧式リニアアクチュエータに取って代わり、高速かつ強力である必要があります。一部のシミュレータは2トンを超える重量を容易にかけます。

• ベルトまたはチェーンドライブ

より高速で他の簡単な方法については、そのようなベルトまたはチェーンドライブです

^{http://images.pacific-bearing.comからの画像}

もちろん、これは工業用のものであり、DIYであり、アプリケーションのためにもっとあります：（はい、それは多くの改善のためのスペースを持っていますが、このデザインでもどれだけ速くて強いかを示す良い形です）。 http://bffsimulation.com/linear-act.php

これにより、モーターが出力できる場合、使用するギアを少なくすることができます $50Kgf/cm$ 直径2 cmのプーリーを使用すると、 $50Kgf$ （損失を考慮しない）フルストロークで。

また、このアクチュエータのベアリングは、ほとんどの半径方向の力をサポートする必要があります。「親ねじとナット」では、ベアリングがほとんどの軸方向の力を受けます。したがって、力に応じて、スラスト玉軸受を使用する必要があります。

あなたの最善の策は、通常の趣味のサーボだと思います。十分なトルクがない場合は、同じジョイントで複数のサーボを並行して使用します。Robotisのダイナミクセルサーボは良い選択肢ですが、趣味のサーボよりも高価であり、ttl / rs232 / rs485によって制御されるため通信プロトコルをハックするか、usb2dynamixel（またはusb2ax）コンバーターを使用する必要があります。利点は、トルク、速度、精度です。