なぜローラースクリューはロボット工学で最高の性能を発揮するのか

ローラースクリューには馴染みがないかもしれませんが、この小型で高効率な直動機構は、日常の機器や製品の製造に欠かせない技術です。実際、あなたの車の製造や組み立てには、プレス、パイプ曲げ、リベット打ちなどの作業を担う20本以上のローラースクリューが使われている可能性があります。

しかしローラースクリューは、射出成形や機械加工などの自動車業界や重工業だけのものではありません。むしろ、ローラースクリューはあらゆるねじ技術の中で最も小さな変位（動き）を実現でき、同時に非常に静かで滑らかな動作を保つため、さまざまなロボット工学の用途に理想的です。

ロボットに求められるもの：高効率とコンパクトなサイズ

精密ねじ技術には、主に3つの選択肢があります。リードスクリュー、ボールねじ、ローラースクリューです。リードスクリューは構造と材料の汎用性が高いものの、効率と耐荷重は比較的低めです。ボールねじは効率が良好ですが、ねじの径が小さくリードも小さい用途では、荷重を支えるボールも非常に小さくなるため、耐荷重が低下します。 

一方、ローラースクリューは小型の寸法で優れた推力を持ち、さらに効率は考えうる中で最高です。例として、同じ径（すべてリード1 mm）のさまざまなねじ技術について耐荷重と効率を比較すると、ローラースクリューの耐荷重はボールねじの4倍であり、効率はリードスクリューの2倍になります。 

このような性能と構造の組み合わせにより、ローラースクリューは多くのロボットおよび関連用途にとって理想的な選択肢となります。例えば、関節の連結に直動アクチュエーションを用いるロボット（上腕二頭筋が前腕の動きを制御する仕組みに似ています）は、ローラースクリュー駆動の高い耐荷重と軽量さの恩恵を受けます。

ロボットのグリッパー用途では、ローラースクリューは確実なクランプに必要な非常に高い保持力を、最小限の入力トルクで実現できます。高い力と低い入力トルクを両立させる鍵は、非常に小さなリードのねじを使用することにあります。

ローラースクリューは、アームエンドのロボットツールにも使用できます。これらの用途では、小型の筐体内で大きな力を生み出せるローラースクリューの能力が、他の方式に対して優位性をもたらします。これは、ロボットのアーム先端にある部品にとって低重量を維持することが極めて重要だからです。 

ロボットのアーム先端に載る重い荷物は大きな慣性を生み、動きの正確な制御を難しくし、場合によってはより大型のモーターや他の伝動部品を必要とします。この優れた出力重量比こそが、スポット溶接ロボットやリベット打ちロボットの大多数がローラースクリューを駆動に使用している主な理由です。

ロボット工学のトレンド

現代のコンピューティング、製造方法、バッテリー技術は、自動化と電動化の急速な進歩をもたらし、わずか数年前には不可能だったロボットやモバイル用途を数多く生み出しました。その一例が、手足を失った人の動作と機能を大きく改善するアクティブ義手（モーターで駆動する義手）の開発です。

各関節に専用のモーターと減速機を備える大型の産業用ロボットとは異なり、多くのアクティブ義手はねじ駆動のリニアアクチュエーターを使用し、より小型で軽量かつ堅牢な設計を可能にしています。アクティブ義手にはさまざまな種類のねじが使われ得ますが、ローラースクリューには他の技術に対する重要な利点があります。それは、比類のない性能とサイズの比率です。 

例えば、直径わずか3.5 mmのローラースクリュー（手のひらに乗るほど小さい）は、最大227 kgの荷重を押し動かすことができ、人間の関節や指をより忠実に模倣するためにマイクロメートルからサブマイクロメートルの範囲で動作できます。

電動外骨格も、急速に発展しているもう一つのロボット技術です。予測によると、外骨格市場は2021年から2026年にかけて46%以上成長し、その成長の大きな部分はパッシブ外骨格に比べてアクティブ外骨格が占めるとされています。

人にとって重すぎたり危険すぎたりする手作業のあらゆる課題をロボットにプログラムできればよいのですが、住宅の庭で木の枝を剪定するような多くの作業では、変数が多すぎて実用的ではありません。その解決策が、人が操作する外骨格、または能動的に制御されるロボットです。 

これは人による判断と、リスクの低減、負傷の減少、耐荷重の向上を兼ね備えています。義手と同様に、外骨格も重量、サイズ、複雑さに関する設計上の制約に直面します。そして、ここでも非常に高い力とサイズ・重量の比率を持つローラースクリューが理想的な解決策となります。

ロボット用途が小型化・可搬化するほど、消費電力、サイズ、重量といった特性が制約要因となります。ドローン、自律型水中航走体（AUV）、宇宙探査車のいずれであっても、要求は同じです。最小限の占有面積で、高効率、高強度、高信頼性を実現することです。