次世代ロボティクスプロジェクトに最適な3Dプリント駆動装置の選び方

この比較記事では、3Dプリント製サイクロイドドライブ、遊星ギアボックス、ベルトドライブのどれが最適かを検証します。効率・トルク出力、精度・バックラッシュ、耐久性の観点から測定・比較し、さらにコスト、サイズ、重量、製作の容易さについても評価します。

以下の動画をご覧いただくか、記事としてお読みください。

概要

なぜこの比較を行うのか。主な目的は、ロボット関節に最適な駆動装置・減速機を理解することです。今後、ロボットアームの設計・製作を予定しており、この比較結果が皆様の設計判断の一助となることを期待しています。

サイクロイドドライブと遊星ギアボックスの仕組み・設計方法については、専用の動画で詳しく解説しています。そちらも併せてご参照ください。

本記事では、各駆動装置の設計を決める主要な入力パラメータに焦点を当てて解説します。

設計

サイクロイドドライブ

サイクロイドドライブの設計では、目標減速比とローラー（ピン）の種類・サイズが主な入力パラメータとなります。

今回はローラーとして、内径6mm・外径10mmのブッシングを採用しました。以前使用していた外径8mmブッシングより滑らかで、性能向上を期待しましたが、ローラー径が大きいためサイクロイドディスク全体と駆動装置のサイズが大きくなるトレードオフがあります。

設計にはOnshapeを使用しました。OnshapeはプロフェッショナルグレードのCAD/PDMシステムで、エンジニアと企業向けにプロフェッショナル版を最大6か月無料で提供しています。

OnshapeのカスタムFeatureScript「Cycloidal Drive」ライブラリを使えば、サイクロイドディスクの生成が容易です。ディスクの歯数、偏心量、外側ピン（リングギアローラー）と内側ピン（出力軸ローラー）の直径を入力するだけで3Dモデルが更新され、ディスク外径などの派生パラメータも確認できます。ディスク外径は、固定された入力パラメータ（ピン数と寸法）に基づき、できるだけ小さくするのが目標です。

サイクロイドディスクが最も重要な部品であり、他の部品はこれを中心に設計されます。モータータイプ、入力軸の駆動方式、使用可能なベアリング、用途など、他にも多くのパラメータが全体設計に影響します。

遊星ギアボックス

遊星ギアボックスは、過去の動画で詳細に設計プロセスを解説したものと同一です。2段構成で、各段4:1の減速比、総合で16:1となります。

性能向上のため、遊星ギアにはブッシングではなくボールベアリングを使用。各遊星ギアに2個のベアリングを組み込み、ヘリカルギアによるアキシアル力を受け止めつつ、ギアを確実に固定できる構造です。

ベルトドライブ

ベルトドライブも同一の16:1減速比を、2段の4:1で実現します。

GT2ベルトを採用しました。最も普及しており入手しやすく、バックラッシュ性能に優れます。ほぼすべての3Dプリンターで採用されているベルトです。幅10mm、長さ226mmのクローズドループGT2ベルトを2本用意しました。

GT2プーリーも、OnshapeのカスタムFeatureScriptで生成。ベルトタイプ（3M/2M、ピッチ3mm/2mm）と歯数を指定するだけです。入力プーリー20歯、出力プーリー80歯とし、第1段出力（80歯）を第2段入力（20歯）として共用し、2個のボールベアリングで支持します。中間軸は6mmの3Dプリント中空軸にM4ボルトを通して補強しました。

3Dモデル

3Dモデルの閲覧・探索:

• サイクロイドドライブ: https://bit.ly/3RsTa6g
• ベルトドライブ: https://bit.ly/3DZGIb7
• 遊星ギアボックス: https://bit.ly/3XGtTsZ

※STLファイルは近日公開予定です。

3Dプリント

Creality K2 Plusで全パーツをプリントしました。寸法精度を出すには、スライサーの「水平展開（Horizontal Expansion）」機能、Creality Printでは「X-Y輪郭補正」と「X-Y穴補正」が必須です。

デフォルト値のままだと、フィラメントの膨張により穴が小さく、輪郭が大きくなり、CADモデル通りの寸法になりません。これらの設定値が駆動装置の精度・性能を左右します。パーツごとに目的別の値を使用しました。

例えばサイクロイドディスクでは、X-Y穴補正+0.12mm、輪郭補正-0.15mmとし、出力ローラー穴の寸法とディスク外形をリングギアローラーに収まるよう調整しました。

使用した補正値の一例:

パーツ	輪郭補正	穴補正
サイクロイドドライブ
サイクロイドディスク	-0.15mm / -0.20mm（緩め）	+0.10mm / +0.15mm（緩め）
偏心ベアリング	+0.07mm	+0.03mm
シャフトカプラ	+0.07mm	0mm
遊星ギアボックス
リングギア/ハウジング	0mm / -0.10mm（緩め）	+0.05mm
遊星ギア	0mm / -0.05mm（緩め）	+0.05mm
キャリア/出力	+0.07mm（出力ベアリングとのフィット向上）	+0.05mm
ベルトドライブ
GT2プーリー	-0.05mm	+0.05mm

これらの値は参考としてお試しください。最適値はプリンターごとに異なるため、テストプリントで見極める必要があります。比較テストでこれらの調整が性能にどう影響するか確認できます。

Creality K2 Plusは私が使った中で最高クラスの3Dプリンターです。詳細レビューもご覧ください。購入は Creality USAストア、EUストア、Amazon で可能です。

駆動装置の組み立て

3Dプリントパーツと購入部品を用意しました。ベルトドライブが最も部品点数が少なく、サイクロイドドライブはピンやブッシングなどかなり多くの部品が必要です。遊星ギアボックスは中間です。

部品表（BOM）

部品	数量	購入リンク
サイクロイドドライブ
ピン φ6mm L=30mm	16	Amazon | AliExpress
ピン φ6mm L=24/25mm	6	Amazon | AliExpress
ブッシング 内径6mm 外径10mm L=16mm または L=8mm×2	22	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 35×47×7mm (6807)	1	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 17×26×5mm (6803)	3	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 12×21×5mm (6801)	1	Amazon | AliExpress
M3×10mm皿ネジ / M3×10mm	4 / 6	Amazon | AliExpress
遊星ギアボックス
ピン φ6mm L=22mm	6	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 35×47×7mm (6807)	1	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 15×24×5mm (6802)	2	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 6×13×5mm (686)	12	Amazon | AliExpress
M3×10mm / M3×10mm皿ネジ	6 / 4	Amazon | AliExpress
ベルトドライブ
GT2ベルト 226mm	2	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 35×47×7mm (6807)	1	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 15×24×5mm (6802)	1	Amazon | AliExpress
ボールベアリング 6×13×5mm (686)	2	Amazon | AliExpress
M3×10mm / M3×8mm / M3×16mm皿 / M3×25mm皿	4 / 4 / 2 / 2	Amazon | AliExpress
共通
M3グリューブネジ、M3/M4ナット	適量	Amazon | AliExpress

ベルトドライブ組み立て

最終出力プーリーをハウジングのベアリングを通して挿入。第1段入力プーリー用ベアリングを出力プーリーに圧入。入力プーリーをステッピングモーターに固定（M3ナットスロット＋グリューブネジ）。プーリーはモーター面から2mm浮かせる。ベルト2本を通してからモーターをハウジングにボルト固定（狭いスペースでラジオペンチ必須）。中間プーリー（ベアリング2個＋スペーサー）を挿入しベルトを掛ける。中空6mm軸にM4ボルトを通して貫通固定。下側にスペーサー、ベアリングを入れ、ベルトを張って軸を貫通、M4ナットで締め付け。テンショナー（φ13ベアリング＋ブラケット）でベルト張力を調整。カバーをボルトナットで固定、出力軸にインサートナットを入れて完成。手で回すとバックラッシュをほぼ感じない。

サイクロイドドライブ組み立て

過去動画で詳述しているため要点のみ。組み立て中、第2ディスクが入らない問題発生。ルール通り180度位相差で配置してもダメ。原因は減速比が偶数（15:1→16:1）だったこと。サイクロイドドライブは2枚ディスク構成の場合、減速比（歯数）が奇数でなければ正常に動作しない。歯数を15、リングギアローラーを16に変更し、ハウジングとディスクを再プリントして解決。

バックラッシュテスト

遊星ギアボックス

繰り返し精度は良好（20cm先で0.01mm以内）。しかし負荷を掛けるとバックラッシュ顕在化（数mmの遊び）。力計で20cm先に2N負荷を掛け、変位を測定。片側2.9mm、逆側0.75mm。三角関数で角度換算約1度＝約60アーク分。

リングギアを輪郭補正0mm（タイト）にすると約50アーク分（15%改善）。遊星ギアも0mmにすると約30アーク分まで改善。設計時にギア生成FeatureScriptで0.1mmバックラッシュオフセットを入れていたため、0mm印刷でも組み立て可能。オフセットを除けばさらに改善するが、組み立て不能や効率低下・噛み合い不良のリスクあり。

サイクロイドドライブ

繰り返し精度は劣る（20cm先で0.1mm以内）。バックラッシュ約60アーク分（遊星最悪ケースと同等）。手で動かすとフリープレイではなく抵抗感あり。ディスク輪郭補正-0.15mmで組み立て時にかなりキツめ。-0.2mm＋穴補正+0.2mm（緩め）にすると約150アーク分まで悪化、フリープレイ発生。

ベルトドライブ

繰り返し精度良好（20cm先で0.01mm以内、若干オーバーシュート）。バックラッシュ約45アーク分。テンション強化で約25アーク分まで改善。3駆動装置中で最良。

トルク／効率テスト

サイクロイドドライブ

10cm先で約16N（160Ncm）。モーター単体約18Ncmの約9倍。減速比15:1の理想値15倍に対し約60%効率。摩擦大、ディスク嵌合キツいため。緩めディスクでは約18N（180Ncm、約66%効率）だがバックラッシュ大で実用不可。

遊星ギアボックス

10cm先で約36N（350Ncm）。モーター単体約23Ncmの約15倍。減速比16:1に対し約90-95%効率（緩めギア）。リングギア0mmで約310Ncm（84%）、全ギア0mmで約290Ncm（78%）。3Dプリントとして優秀。

ベルトドライブ

ベルト緩めで約260Ncm（70%効率、第2段小プーリーでベルトスリップ）。テンション適正で約360Ncm（95-97%効率）。最も効率が高く、バックラッシュでも最良。

耐久性テスト

DCモーターを重り代わりに、正逆回転を繰り返し負荷運転。約2時間でサイクロイドドライブが故障（負荷動かせず）。ベルトドライブと遊星ギアボックスはさらに8時間継続正常。

テスト後バックラッシュ再測定: サイクロイドドライブは精度完全喪失（20cm先で10mmフリープレイ）。遊星ギアボックスも新たにフリープレイ発生（30→60アーク分）。ベルトドライブは25→35アーク分に微増。

分解検証: サイクロイドディスクのプロファイルと出力穴に顕著な摩耗・変形（PLAの塑性変形）。遊星ギアは目立った摩耗なし（積層ラインの微細摩耗でバックラッシュ増大の可能性）。ベルト裏面にテンショナーベアリング押し当て部分の摩耗（専用アイドラーで解決可能）。ベルトは再テンションで精度回復可能だが、他2つは物理的に修復不能。

以上よりベルトドライブが総合最良。重量・コスト・製作容易性でも勝利。

その他比較

総重量（モーター込み）: ベルト約550g、遊星約600g、サイクロイド約710g。ロボット関節では軽量有利。

サイズ: サイクロイドが最もコンパクト。遊星とベルトは同程度だが配置異なる。

組み立て容易さ: ベルト＞遊星＞サイクロイド（部品点数順）。

コスト（3Dプリント部品除く購入部品のみ）: サイクロイド約$28、遊星約$23、ベルト約$7.5（1/3〜1/4）。

結論

サイクロイドドライブはコンパクトさのみ優位で、その他全項目で劣るため非推奨。遊星ギアボックスとベルトドライブは性能近似だが、全テストでベルトドライブが最優秀（精度・効率・耐久性・製作容易性・コスト）。

今後、遊星ギアボックスとベルトドライブをそれぞれ採用した2台のロボットアームを製作し、実運用シナリオでさらに比較検証予定。