ハーモニックドライブ vs サイクロイドドライブ：トルク・精度・耐久性を徹底比較

同サイズ・同減速比（25:1）の3Dプリント製ハーモニックドライブとサイクロイドドライブを、効率・トルク、精度・バックラッシュ、耐久性で比較検証します。

動画でもご覧いただけます。

両者の設計・組み立て手順、3Dプリントのコツ、失敗例と改善点を詳述。これらはロボット用途に適しており、今後のロボット製作で採用予定です。

動作原理の概要

専用動画で詳細解説済み。要点：両者ともコンパクト・堅牢に高減速比を実現する特殊ギアボックス。入力軸が非円形部品（ハーモニック：ウェーブジェネレーター、サイクロイド：偏心ベアリング）を駆動し、独自機構で大幅減速出力を得ます。

• ハーモニック：減速比 ＝ フレックススプライン歯数 ÷ 2。25:1ならフレックス50歯、サーキュラースプライン52歯。
• サイクロイド：減速比 ＝ リングギアピン数 - 1。25:1なら26ピン。

設計

同サイズ・同減速比で直接比較可能な設計を目指しました。可能な限り小型化。

サイクロイドドライブ設計

基準パラメータ：手持ちのリングギアローラー用ピンφ6mm、ブッシングφ8mmで滑らかに。26ローラー・ブッシング配置スケッチからリングギアピッチ円直径決定。ハウジング径95mm（26ブッシング収容＋M4ボルト用肉厚確保）。

サイクロイドディスク形状生成には、Omar Younis氏（SOLIDWORKS教育ブログ）のパラメトリック方程式を使用。SOLIDWORKS「方程式駆動曲線」ツールで曲線生成。パラメータ：N=26、Rr=3mm、R=36mm、E=0.75mm。t=0〜2π（わずかに未満でギャップ生成→スプラインで閉合）。押し出し後、偏心ベアリング穴と出力ピン穴（径＝ピン径＋2×偏心量＝8+1.5=9.5mm）を追加。ディスク・偏心ベアリング・リングローラーが核心部品、他はこれらに合わせ設計。

ハーモニックドライブ設計

同径目標で設計。長さはフレックススプライン収容でやや長くなる。フレックススプラインは開口端が柔軟、底部（出力側）剛性必要。PLAでは短カップだと薄肉破損しやすく、十分な長さ（30mm、肉厚1.25mm）確保。

SOLIDWORKSツールボックスでスパーギア生成（フレックス50歯、サーキュラー52歯、モジュール1.5）。別部品化後修正。サーキュラースプライン内歯に0.1mmクリアランス（3Dプリント精度対策）。ウェーブジェネレーターは楕円（長軸：フレックス内径+3.2mm、短軸：-3.2mm）に沿って長軸両側に各3個ベアリング配置（市販品は特殊フレキシブルベアリング使用だが高価・入手困難）。他部品はこれら3要素に合わせ設計。

3Dモデル・STLダウンロード

• SOLIDWORKSファイル：リンク
• STLファイル：リンク

3Dプリント

寸法精度には水平展開・穴水平展開が必須。デフォルトだと外形・穴とも小さくなる。基本：水平展開+0.02mm、穴展開+0.04mm。フレックススプラインとサイクロイドディスクはクリアランスフィット必須のため、水平展開-0.01〜-0.02mmで確実に小さくプリント。テストプリントで最適値決定を。

組み立て

要点のみ簡潔に。

サイクロイドドライブ組み立て

部品表：φ6ピン(L=30mm×26、L=22mm×6)、φ8ブッシング(L=20mm×26、L=15mm×6)、ベアリング6807×2、6803×2、6802×2、M4インサート、M3/M4ボルトナット類。

最重要：2枚のサイクロイドディスクを180度位相差で配置。ディスクに小穴を開け、反転合わせで位相合わせ可能。偏心軸に入力カプラ取付（NEMA17用）。ボルト穴小さくタップ切りでガタ防止。サブアセンブリをハウジング挿入→魔法の動作確認。蓋取付（ブッシング・穴位置合わせ）。NEMA17取付ブラケット装着。完成。出力は入力の1/25、逆回転、滑らか。

ハーモニックドライブ組み立て

部品表：ベアリング6807×1、6802×2、M4インサート、M3/M4ボルトナット。出力軸→フレックススプライン→サーキュラースプライン挿入。ウェーブジェネレーター2分割→4本M3ボルト連結（両側ベアリング支持）。ウェーブジェネレーター用ベアリング（φ6内径、φ13外径）をM3皿ネジ＋M4ワッシャーで固定（省スペース）。ウェーブジェネレーターをフレックスに挿入（少し押し込み）。先にウェーブジェネレーター→フレックス→サーキュラーの順で組むと容易。手動回転で動作確認（ややカクつき）。グリス塗布で改善。蓋固定（M4×6）。入力カプラ・NEMA17マウント取付。完成。出力1/25逆回転だがサイクロイドほど滑らかでない。

トラブルシューティング

ハーモニックの動きが悪い原因：

1. フレックススプライン破損。薄肉（1.25mm）で変形耐えられず。カップ長不足も原因（別動画の大型設計では良好）。別フィラメント・肉厚3ライン（約1.2mm）でも即破損。
2. ウェーブジェネレーター上部ベアリングがフレックスに非接触（3個中2個のみ接触）。1個ベアリング構造に変更で改善。
3. フレックス内面粗さ。薄肉でプリント時ウォールライン1本のみ裏面通過→粗面。肉厚4ライン（1.6mm）に増やし裏面スムーズ化で改善。
4. Zシーム位置固定「User Specified」で同一位置に継ぎ目→段差発生。「Random」に変更で滑らかに改善。

ハーモニック vs サイクロイド 比較

バックラッシュ

左：ハーモニック、右：サイクロイド。繰り返し精度は両方良好。負荷時：

• サイクロイド：15cm先で約6.5mm遊び（双方向）
• ハーモニック：15cm先で約8mm遊び（双方向）

微小力ではハーモニックが優位（ガタほぼゼロ感、即抵抗）。サイクロイドは約2mmフリープレイ。しかし大きめ力ではサイクロイド5.5mm vs ハーモニック7mmでサイクロイドわずかに優位。

トルク

サイクロイド初回：15cm先22Nで出力軸破損。白PLA高インフィル・高温プリントで再挑戦：最大32N（15cm）＝4.8Nm。モーター単体約0.3Nmの約16倍増。減速比25:1理想25倍に対し約65%効率。

ハーモニックも同一32N（4.8Nm、約65%効率）。意外な同等性能。

NEMA23（3Nm）に換装テスト：サイクロイドは15cm棒で80N（12Nm）で棒破損。合板棒50cmで30N（15Nm、5倍増）計測。ここでサイクロイドがスキップ開始。内部確認：偏心ベアリング接触部でディスク破損。ウォール4ライン・高インフィルで再プリント：50cm先43N（21.5Nm、約7倍増）まで到達。再びスキップ・大バックラッシュ。ディスク形状変形確認。これが限界トルク。

ハーモニックはNEMA23で即座に破損。薄肉フレックス・PLAではサイクロイド並みのトルク不可。

耐久性もサイクロイド優位。※あくまで3Dプリント品での比較。

結論

「ケースバイケース」が正直な答え。今回の結果ではサイクロイドドライブ推奨：より高トルク、信頼性、耐久性に優れ、バックラッシュ改善余地もあり。

ハーモニックはバックラッシュで優位なポテンシャルあるが、フレックススプライン耐久性が課題。耐久化には大型・長尺フレックス必要→コンパクト性損なう。材料変更（PLA以外）も有効。前回作成フレックスは一晩放置で塑性変形し翌日さらにカクつき発生。

皆様の経験もコメントでお聞かせください。