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関節アクチュエータ 技術解説

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TECHNOLOGY EXPLAINER

関節アクチュエータ
― モーター・減速機・センサー・制御を1つにした「ロボットの筋肉ユニット」

人型ロボットや脚型ロボットの関節は、モーター、減速機、エンコーダ、ドライバ、軸受を1つにまとめた小さな機械です。この記事は、フレームレスモーターとトルク密度、持続トルクとピークトルクの違いと熱、準直接駆動と直動のアクチュエータ、部品コストの見方を、数値例を交えてやさしく整理します。

素材技術者には、銅・磁石・電磁鋼板・絶縁樹脂・鋼・アルミ・グリース・ケーブルが、1つの関節でどう同時に働くかを見ます。

構成:査読論文(IEEE T-RO、Machines)、arXiv の論文(Berkeley Humanoid ほか)、メーカーの製品ページ(Allied Motion、Harmonic Drive LLC)、ISO・IEC の公式ページを使用/数値例は本稿で計算/確認日 2026年10月25日

ロボットの関節の部品を並べて、手元で測る場面です。実在の製品や施設ではありません。
図1 ImageGen生成の概念画像。ロボットの関節の部品を並べて、手元で測る場面です。実在の製品や施設ではありません。 実在する製品・施設・実測結果ではありません。断面、色、矢印は理解のための表現で、寸法比は説明用です。
この記事の構成
  1. 3行でわかる/読む前に/シリーズの中での位置
  2. 関節の中身
  3. モーター:フレームレスとギャップ半径
  4. 熱:連続とピーク
  5. 設計の考え方:高減速比か準直接駆動か
  6. 直動の関節:遊星ローラースクリュー
  7. 部品コストの見方
  8. 素材技術者から見た関節
  9. 限界と、確認できなかったこと/まとめ
  10. 評価・標準の読み方
  11. 用語集
  12. 参考資料(一次情報)
  13. 主張と出典の対応表(監査)
本記事の表記ルール

事実=公表資料に記載のある内容(出典リンクあり)
本稿の計算=明示した前提をもとに本記事が算出した値
未確定/将来=改訂中・制定途中・計画・目標など、確定していない事項
このほか、材料や設計への読み取りは「解説」として区別しています。推測は太字で示します。たとえ話には、必ず「たとえの限界」を書きます。

この記事の数値の読み方

アクチュエータの質量・トルク・部品代は、Berkeley Humanoid と Berkeley Humanoid Lite(研究用の自作ロボット)の論文の表の値で、少量生産・米国価格です。市販ヒューマノイドの性能や原価、企業の販売価格・量産目標は使っていません。「本稿の計算」は、論文の表の値や明示した仮定からの計算です。フレームレスモーターの値はメーカーの公称です。規格は番号・題名・版・日付の確認にとどめ、本文(有料)は確認していません。ASTM の規格は扱っていません。確認日は2026年10月25日 です。

1. 3行でわかる/読む前に知っておくこと/シリーズの中での位置

  • 関節アクチュエータは、モーター・減速機・センサー・ドライバ・軸受を1つにまとめた「関節の筋肉ユニット」です。Berkeley Humanoid の自作アクチュエータは、減速機(9:1の遊星歯車)を内蔵し、配線を通す中空軸を持ち、クロスローラー軸受でそのまま取り付けられる構造です事実[参考資料1]。
  • 「トルク密度」は、ピークと持続を分けて読みます。同じ研究の 8513 アクチュエータ(756 g)は、ピークトルク 45.3 N·m、持続トルク 18.9 N·m で、重さあたりは約60と約25 N·m/kg です事実本稿の計算。熱はトルクの2乗で増えるので、ピークでは持続時の約5.7倍の熱が出て、短時間しか使えません本稿の計算。
  • 部品代の見方:2つの研究用ヒューマノイドでは、アクチュエータが部品代の約69%と約81%を占めました(少量生産・米国価格の部品表)本稿の計算[参考資料1・2]。市販ヒューマノイドの原価ではありません。
この記事を読む前に知っておくこと

前提知識はありません。モーターは、磁石とコイルで電気を回転に変える機械です。ロボットでは、そのモーターと減速機(「減速機とギア」編)を組み合わせてアクチュエータ(ロボットの筋肉)にします。関節は、これに角度を測るセンサーと、電流を制御するドライバを加えた小さな機械です。トルクは回す力(N·m)、トルク密度は重さあたりのトルク(N·m/kg)です。ロボット全体の説明は「ドローン・ロボティクス概論」編にあります。

シリーズの中での位置

前の「減速機とギア」編が歯車の話なら、この記事は関節全体の話です。磁石は「永久磁石とレアアース」編、人工筋肉は「ソフトアクチュエータと人工筋肉」編、電池は「ロボットとドローンの電源」編、制御は「ロボット制御の基礎」編で詳しく扱います。

2. 関節の中身 ― 何が入っているか

ロボットの関節を開けると、次の部品が詰まっています。①モーター(ステータの銅巻線と、ロータの磁石)、②減速機、③エンコーダ(角度を測るセンサー)、④ドライバ(電池の電気を、モーターに合わせた電流に変える回路)、⑤軸受(出力側の荷重を受ける)、⑥ケース、配線、温度センサーなどです。

関節にはモーターだけでなく、減速機・軸受・角度を読むセンサー・駆動回路が集まります。中空軸は配線経路の例で、放熱・剛性・整備性も合わせて設計します。
図2 ImageGen生成の概念画像。関節にはモーターだけでなく、減速機・軸受・角度を読むセンサー・駆動回路が集まります。中空軸は配線経路の例で、放熱・剛性・整備性も合わせて設計します。 実在する製品・施設・実測結果ではありません。断面、色、矢印は理解のための表現で、寸法比は説明用です。
元のSVG・補足説明・出典を確認
関節アクチュエータ = モーター+減速機+センサー+制御を1つにまとめたもの 断面の模式図(軸方向) 出力フランジ と軸受 減速機 ステータ(銅巻線)+ロータ(磁石) エンコーダ ドライバ基板(インバータ) 赤い点線:中空軸。配線を軸の中に通し、関節の動きによるケーブルの擦れを減らす エネルギーと信号の流れ 電池 ドライバ モーター 減速機 関節(出力) 電流 トルク エンコーダ(角度) 温度センサー

元SVGの説明:概念図(ベクター作図)。関節アクチュエータの概念図。部品の並びと大きさは説明用で、特定の製品の構造ではありません。赤い点線は、配線を軸の中に通す中空軸の考え方を示します。

Berkeley Humanoid の論文は、ほぼすべての部品を自作し、アクチュエータに減速機を一体化し、ほとんどに中空軸を採用したと述べています。理由は、環境との接触で生じる摩擦と振動が、電源と信号のケーブルの耐久性にとって大きな課題だからで、中空軸の中にケーブルを通して、関節の動きによる擦れを減らしたとしています事実[参考資料1]。出力側にはクロスローラー軸受を付け、アクチュエータを関節として直接取り付けられるようにしました。減速比は9:1の遊星歯車(準直接駆動、QDD)で、モーター電流から関節トルクを推定できるため、ひずみゲージを追加していません事実[参考資料1]。

つまずきやすいところ①:「トルクを電流から推定する」とは

モーターのトルクは、流れる電流にほぼ比例します(解説)。だから、電流を測れば、トルクの見当がつきます。減速比が小さくて摩擦の少ない(バックドライブしやすい)関節なら、この推定が使えます。減速比が大きく摩擦の多い関節では、出力側のトルクとの差が大きくなるため、別にトルクセンサーを付けることがあります(解説)。ここでの要点は、「関節の中のセンサーの数」は設計の考え方で変わる、ということです。

3. モーター ― フレームレスと「ギャップ半径」

ロボットの関節では、フレームレスモーターがよく使われます。フレームレスモーターは、外側のケース・軸・軸受がなく、ステータとロータだけを部品として売るモーターです。設計者が、それを関節のケースの中に直接組み込みます。Allied Motion の HT シリーズのページは、フレームレスのトルクモーターを、「部品としてのロータとステータの組み合わせが、ケース付きのモーターよりよい場面」での軸への直接の組み込みに向く、と説明し、内径が最大63.5 mmの中空の穴を持つこと、連続の停止トルクが 0.008〜9.2 N·m の9つのサイズがあることを公称しています事実[参考資料4]。

では、どんな形のモーターがトルク密度に有利なのでしょうか。MIT Cheetah の論文(Wensing ら)は、ギャップ半径(ロータとステータの磁気的な境目の半径)に注目しました。簡単な理論では、トルクは「2π × 半径² × 長さ × せん断応力」で、質量は半径と長さに比例するので、長さは密度に影響せず、半径が大きいほどトルク密度が上がります。Emoteq の HT 系列(フレームレス)のカタログ値では、トルク密度はおおむね半径の0.8乗に比例し、回転部の慣性あたりのトルクは半径の−1.6乗に比例した、と報告しています事実[参考資料3]。

同じ重さなら、太くて短いモーターのほうがトルクが出る フレームレスモーター(外枠・軸・軸受のない部品) r 2r ギャップ半径 r ギャップ半径 2r 外側のリング=ステータ(銅巻線)、 橙=ロータ(磁石)、中央の穴=中空 トルク ≒ 2π r² × 長さ × せん断応力 ギャップ半径を変えたときの倍率(r = 1 を基準) 0 1 2 3 1 1.5 2 2.5 3 ギャップ半径(相対値) 単純な理論 τ/M ∝ r カタログ実測の傾向 τ/M ∝ r^0.8 回転部の慣性あたりのトルク τ/J ∝ r^-1.6 r を2倍にすると:τ/M は約1.7倍、τ/J は約0.33倍 出典:Wensing ら(2017)の解析と、Emoteq HT 系列フレームレスモーターの実測の傾向(r^0.8、r^-1.6)。倍率の計算は本稿。軸方向の長さは、端の効果を除けば密度 に影響しない(同論文)。
図3 本稿の計算を含む作図(ベクター作図)。左は、同じ長さのフレームレスモーターの概念図。右は、ギャップ半径を2倍、3倍にしたときの倍率で、曲線は論文が示した関係(単純な理論と、カタログ値の傾向)を、本稿が描いたものです。

数値で確かめる(本稿の計算):ギャップ半径を2倍にすると、カタログの傾向では、トルク密度は 20.8 ≒ 1.7倍、回転部の慣性あたりのトルクは 2−1.6 ≒ 0.33倍です。大きな半径は、同じ重さでより大きなトルクを出せますが、回転部が重くなり、動きの素早さ(加速のしやすさ)が下がります。論文は、巻線や製造の事情があるため、この傾向だけで設計を決めてはいけないとも述べています[参考資料3]。

素材技術者の視点①:トルクを決めるのは「磁石の磁束」と「冷やせる電流」

論文の式では、せん断応力は「電流 × 磁石の磁束密度 × 導線の数 ÷ 断面積」に比例します[参考資料3]。つまり、モーターのトルク密度を上げるには、①強い磁石(磁束密度)と、②冷却できる範囲で多くの電流を流せる銅巻線・絶縁・放熱の構造が要ります(解説)。磁石の温度による性能低下(保磁力)は、本シリーズ「永久磁石とレアアース」編で扱います。

4. 熱 ― 「連続で出せる力」と「一瞬だけ出せる力」

モーターは、電流を流すと、巻線の抵抗で熱が出ます(ジュール熱、電流の2乗×抵抗)。トルクは電流にほぼ比例するので、発熱はトルクの2乗で増えます(解説)。そこで、モーターの仕様には、熱の限界内で連続して出せる持続(連続)トルクと、短時間だけ出せるピークトルクが別々に書かれます。

「連続で出せる力」と「一瞬だけ出せる力」は別 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 回転の速さ(rad/s) トルク(N·m) ピークトルク 45.3 N·m(短時間だけ) 持続トルク 18.9 N·m(熱の限界内で連続) 最高速 40.7 rad/s(48 V) 発熱の目安:トルクの2乗 巻線の発熱は I²R。 トルクは電流にほぼ比例 するので、発熱はトルクの2乗。 持続 18.9 N·m 1.00 半分 9.45 N·m 0.25 ピーク 45.3 N·m 5.7 ピークでは持続時の約5.7倍の熱。 だから「短時間だけ」しか使えない。 トルクと速さは、Berkeley Humanoid の 8513 アクチュエータ(9:1)の表の値。領域の形は簡略化した概念図(実際の境界は電圧・飽和で曲がる)。発熱の倍率は本稿の計 算。
図4 本稿の計算を含む作図(ベクター作図)。緑の領域は持続トルク内、橙の領域は短時間だけ使えるピークまでの領域です。数値は Berkeley Humanoid の 8513 アクチュエータの表の値(ピーク 45.3、持続 18.9 N·m、最高速 40.7 rad/s)。領域の形は概念で、実際の境界は電圧や磁気飽和で曲がります。

数値で確かめる(本稿の計算):8513 は、持続 18.9 N·m に対してピーク 45.3 N·m です。トルク比は 45.3 ÷ 18.9 ≒ 2.4 倍なので、発熱は 2.4² ≒ 5.7倍。逆に、持続の半分(9.45 N·m)なら、発熱は 1/4 です。MIT Cheetah の論文は、脚の動きでは大きなトルクを使う時間の割合が小さいので、連続トルクの限界が必ずしも制約にならず、短時間のピークで密度を稼げる、と述べています事実[参考資料3]。

よくある誤解:「カタログのピークトルクは、いつでも出せる」

正しくは:ピークトルクは、熱の限界を超えるため、短時間しか出せません。連続して使えるのは、持続(連続)トルクまでです。ピークで長く動かすと、巻線や磁石が熱くなり、絶縁の劣化や磁石の減磁につながります(解説)。ヒューマノイドの仕様に「トルク」とだけ書かれているときは、ピークか持続か、何秒間か、冷却の条件は何かを確認してください。

素材技術者の視点②:熱の通り道は、すべて材料の問題

巻線で出た熱は、絶縁皮膜・含浸樹脂 → 鉄心 → ケース → 構造体の順に逃げます。ここで、絶縁の耐熱温度、樹脂の熱伝導率、ケースのアルミの熱伝導、界面の接触が、持続トルクを決めます(解説)。モーターの定格と性能の規格として、IEC 60034-1 があり、2026年3月に第15版が出ました。この版の変更点の一覧には、熱クラス(絶縁の耐熱区分)の値の更新が含まれています事実[参考資料7]。

5. 関節の設計の考え方 ― 高減速比か、準直接駆動か

Berkeley Humanoid の論文は、人型ロボットの関節を、大きく分けて整理しています。大きな(成人サイズの)研究用ロボットは、減速比の大きな波動歯車のアクチュエータを使うことが多く、歩行や簡単な腕の動作ができる。軽量な(子どもサイズなどの)ロボットは、準直接駆動(QDD)のアクチュエータを使い、より動的な動きができる、という整理です。また、同論文は、Tesla Optimus が直動のアクチュエータと波動歯車を使い、一部にロードセル(力のセンサー)を付けていると、他の文献の記述を引いて述べています事実[参考資料1](会社自身の資料ではなく、論文の記述です)。

考え方減速比得意なこと苦手なこと(解説)一次情報にある例
高減速比大きい(波動歯車・RV)位置の保持、小さなモーターで大きな力反射慣性が大きく、押されても動かない。衝撃に弱い成人サイズの研究用ロボットに多いという整理[参考資料1]
準直接駆動(QDD)小さい(数:1〜十数:1の遊星歯車)衝撃を受けても動く(バックドライブ)。電流でトルクを推定できる同じトルクを出すのに大きなモーターが要り、発熱が増えるMIT Cheetah の脚 1:5.8[参考資料3]、Berkeley Humanoid 9:1[参考資料1]
直動(ローラースクリューなど)ねじのリードで決まる膝や足首など、大きな力を直線で出したい関節ねじの精度と潤滑、重さ、コストが課題(解説)遊星ローラースクリューのレビュー[参考資料5]

分類は、論文の整理と本稿の解説を合わせたものです。製品や会社の優劣を示す表ではありません。

同じ設計の中で、サイズを変えるとどうなるか

Berkeley Humanoid は、すべて9:1で、モーターのサイズが違う4種類のアクチュエータを作りました(5013、8513、8518、10413)。表の質量とトルクから、重さあたりのトルクを計算すると、サイズが大きいほど、ピークで約39〜80 N·m/kg、持続で約18〜34 N·m/kg と大きくなります事実本稿の計算[参考資料1]。モーターの半径が大きいほどトルク密度が上がるという、前の章の傾向と合っています(解説)。

大きなアクチュエータほど、重さあたりのトルクが大きい(1つの研究の例) 0 20 40 60 80 N·m / kg 39 18 5013 251 g 60 25 8513 756 g 73 30 8518 856 g 80 34 10413 1011 g ピークトルク ÷ 質量 持続トルク ÷ 質量 表の値(Berkeley Humanoid) 型番 ピーク/持続 N·m 部品代 5013 9.7 / 4.59 US$422 ピーク1 N·mあたり US$43.5 8513 45.3 / 18.90 US$570 ピーク1 N·mあたり US$12.6 8518 62.6 / 26.10 US$639 ピーク1 N·mあたり US$10.2 10413 81.1 / 34.20 US$676 ピーク1 N·mあたり US$8.3 すべて減速比 9:1。質量は表の値。 部品代は少量生産の値(同論文)。 比(N·m/kg、US$/N·m)は Berkeley Humanoid の論文の表の値からの本稿の計算です。1つの研究用ロボットの自作アクチュエータで、市販品や他社の値ではありません。
図5 本稿の計算を含む作図(ベクター作図)。棒の高さは、論文の表の質量とトルクから計算した値。1つの研究用ロボットの自作アクチュエータで、市販品や他社の値と比べるものではありません。「質量」に何が含まれるか(ドライバなど)は、論文の表の定義によります。

6. 直動の関節 ― 遊星ローラースクリュー

膝や足首のように、大きな力を直線で出したい関節では、回転ではなく直線の力を出すアクチュエータが使われることがあります。そこで登場するのが、遊星ローラースクリューです。ねじ軸とナットの間に、ねじ山のあるローラーを複数並べた機構で、回転を直線の動きに(またはその逆に)変えます。レビュー論文は、荷重を受けて動きを伝えるのにローラーを使うことで、ボールねじより荷重を受ける接点が多くなり、接点の曲率半径を大きくしやすい、と説明しています事実[参考資料5]。

遊星ローラースクリュー:回転を「直線の力」に変える ねじ軸 端から見た図:外側がナット、中央がねじ軸、 間のローラーが荷重を受ける 遊星歯車と似た配置 (ねじ軸=太陽、ローラー=遊星、ナット=リング) 回転 → 直線:数値の例(本稿の計算) ねじのリード(1回転で進む距離)L = 2 mm モーター 3000 rpm(50回転/秒) → 進む速さ = 2 mm × 50 = 100 mm/s 押す力 F = 1000 N、効率 0.8(仮定)のとき 必要なトルク T = F × L ÷ (2π × 0.8) = 1000 × 0.002 ÷ (2π × 0.8) ≒ 0.40 N·m 1 N·m あたり約 2,500 N の力 レビュー論文:ボールねじより荷重を受ける接点が多い ※ 配置と数は概念図です。リードと効率は説明用の仮定で、特定の製品の値ではありません。
図6 本稿の計算を含む作図(ベクター作図)。左は端から見た概念図(ローラーの数は6つの例)。右は、リード 2 mm のねじで、回転を直線の力に変える数値の例です。リードと効率は説明用の仮定で、特定の製品の値ではありません。

数値で確かめる(本稿の計算):ねじのリードを 2 mm、モーターを 3000 rpm(毎秒50回転)とすると、直線の速さは 2 mm × 50 = 100 mm/s。1000 N の力を押し出すのに必要なトルクは、効率を 0.8 と仮定して、T = F × L ÷ (2π × 効率) = 1000 × 0.002 ÷ (2π × 0.8) ≒ 0.40 N·m です。つまり、このねじは、1 N·m の回転から約2,500 N の力を作ります。減速機の「減速比」にあたるものを、ねじのリードが担っている、と考えると分かりやすいでしょう(解説)。

つまずきやすいところ②:なぜ「ボールねじ」ではなく「ローラー」なのか

ボールねじは、ねじ山の間を鋼球が転がる機構です。遊星ローラースクリューは、鋼球の代わりに、ねじ山を刻んだ円柱形のローラーを使います。ローラーは球より長い線に近い面で荷重を受けられるため、同じ大きさで大きな荷重を受けやすい、と説明されます(解説。レビュー論文の「接点が多い」という記述にもとづく整理)[参考資料5]。ただし、ねじ山の精度と潤滑が性能を左右し、疲労やすべり、摩耗が研究課題として扱われています。

7. 部品コストの見方 ― 出典のある範囲で

人型ロボットの「値段」の話は、報道や推計があふれていますが、ここでは、部品表(BOM)を公開している2つの研究論文だけを使います。Berkeley Humanoid(腕なし、少量生産)の部品代は約 US$9,955 で、そのうちアクチュエータ12個が US$6,894、約69%です。Berkeley Humanoid Lite(3Dプリントの部品を多く使う)の部品代は US$4,312(米国価格)で、アクチュエータ22個が US$3,512、約81%です本稿の計算[参考資料1・2]。

部品代の多くはアクチュエータ(2つの研究用ロボットの例) Berkeley Humanoid(腕なし、少量生産) アクチュエータ12個 US$6,894 (69%) 構造(胴体・脚) US$2,358 (24%) 合計 US$9,955。PC・電池・IMU は約7%。 Berkeley Humanoid Lite(3Dプリント、米国価格) アクチュエータ22個 US$3,512 (81%) 合計 US$4,312。電子部品 約10%、構造・3Dプリント 約7%、グリッパー 約2%。 各論文の部品表(Table 3)からの本稿の集計。研究用の自作ロボットの少量生産・米国価格で、市販ヒューマノイドの価格や原価ではありません。「量産で下がる」とは論文 自身の記述(未確定)。
図7 本稿の計算を含む作図(ベクター作図)。各論文の部品表(Table 3)を本稿が区分ごとに合算したもの。小さな区分の色は、図の下の文字にまとめました。研究用の自作ロボットの少量生産・米国価格で、市販ヒューマノイドの価格や原価ではありません。
  • アクチュエータが部品代の大半を占める:研究用の2機では、7割〜8割が関節でした本稿の計算。「ロボットの性能を決める部品」と「部品代を決める部品」が同じ、ということです(解説)。
  • 大きなアクチュエータほど、ピーク1 N·m あたりの値段は下がる:Berkeley Humanoid の表では、ピーク 1 N·m あたり US$43.5(5013)、US$12.6(8513)、US$10.2(8518)、US$8.3(10413)です本稿の計算[参考資料1]。
  • 量産で下がる、は論文自身の記述:論文は、表の多くの費用は量産で下がると述べていますが、どれだけ下がるかは示していません。この記事は、この点を未確定として扱います未確定/将来[参考資料1]。
よくある誤解:「この部品代が、市販ヒューマノイドの原価になる」

正しくは:上の数字は、大学の研究チームが自作した小型ロボットの部品代です。市販のヒューマノイドは、大きさ、性能、安全の要件、量産の規模、人件費、利益などが違います。企業が発表する販売価格や「量産で○万ドルを目指す」という目標は、会社の主張または目標(未確定)であり、この記事では使っていません。

8. 素材技術者から見た関節 ― 材料の組み合わせ

関節アクチュエータの内部を、材料の目で見る場面です。実在の製品や施設ではありません。
図8 ImageGen生成の概念画像。関節アクチュエータの内部を、材料の目で見る場面です。実在の製品や施設ではありません。 実在する製品・施設・実測結果ではありません。断面、色、矢印は理解のための表現で、寸法比は説明用です。
素材技術者の視点③:1つの関節に、いくつの材料が働いているか

関節の中では、銅(巻線)、磁石(ロータ)、電磁鋼板(鉄心)、絶縁樹脂(皮膜と含浸)、鋼(歯車)、アルミ合金(ケース)、グリース、ケーブルの被覆が、同時に働いています(解説)。Berkeley Humanoid の論文は、主要な部品に7075と6061のアルミ合金、歯車と連結部にSKD11鋼を使い、衝撃に耐える軽い構造にしたと述べています事実[参考資料1]。一方、Berkeley Humanoid Lite は、構造と歯車にPLA樹脂の3Dプリント部品を使い、層の境目で壊れるのを防ぐため、ねじの貫通と、埋め込んだ真鍮の六角スタンドで補強したと述べています事実[参考資料2]。同じ「関節」でも、材料の選び方で、強さ・重さ・コスト・作りやすさの釣り合いが変わります。

また、ケーブルも材料の課題です。Berkeley Humanoid の論文は、環境との接触で生じる摩擦と振動によるケーブルの引き裂かれが、信頼性の大きな課題だと述べ、そのために中空軸を採用しました事実[参考資料1]。ケーブルの被覆や導体の屈曲寿命は、関節が何百万回も動くロボットでは、モーターや歯車と同じくらい大事な要素です(解説)。

9. 限界と、確認できなかったこと/まとめ

  • 数値の多くは、1つの研究用ロボットの論文の値です。Berkeley Humanoid と Berkeley Humanoid Lite の自作アクチュエータの表の値で、市販品や他社の値ではありません。サイズも条件も違う製品どうしの優劣は論じていません。
  • 市販ヒューマノイドの関節の構成と部品代は確認できませんでした。企業の資料や発表だけに依拠した数字は、この記事では使っていません。
  • フレームレスモーターの値は、1つのメーカーのページの公称値です。Allied Motion の HT 系列は、トルクの範囲を示すだけで、質量や価格は確認していません。
  • 関節アクチュエータ全体を対象とする国際規格は確認できませんでした。モーター単体の規格(IEC 60034-1)、ロボットの安全の規格(ISO 10218-1)、制御の安全関連部(ISO 13849-1)は、番号・題名・版の確認にとどめ、本文は確認していません。
  • 直動の遊星ローラースクリューは、レビュー論文の記述の範囲で扱いました。人型ロボットでの具体的な採用例と性能は、一次情報では確認していません。
この記事のまとめ
  • 関節アクチュエータは、モーター・減速機・センサー・ドライバ・軸受の一体ユニットです。中空軸やクロスローラー軸受で、配線と取り付けを簡単にします事実
  • トルク密度は、ピークと持続を分けて読みます。発熱はトルクの2乗で、ピーク 45.3 N·m は持続 18.9 N·m の約5.7倍の熱です本稿の計算
  • モーターは、ギャップ半径が大きいほどトルク密度が上がる傾向があります。半径2倍で約1.7倍。ただし慣性あたりのトルクは約0.33倍に下がります本稿の計算
  • 減速比の小さな準直接駆動は、衝撃に強い代わりに、大きなモーターと熱が要ります。直動の関節は、ねじのリードが減速比の役目を担います事実
  • 2つの研究用ヒューマノイドでは、部品代の約69%と約81%がアクチュエータでした。少量生産・米国価格の部品表で、市販機の原価ではありません本稿の計算

10. 評価・標準の読み方

関節アクチュエータの「良さ」は、トルク密度(重さあたりのトルク)、持続トルクとピークトルク、効率、バックドライブ性、帯域(動きの素早さ)、耐久性、コストが組み合わさって決まります。ここで大切なのは、数字が何を含み、どんな条件で測られたかです。たとえば「トルク密度」は、質量にドライバや軸受を含めるか、ピークで測るか持続で測るかで、数倍変わります。以下は、確認できた範囲の整理です(確認日 2026年10月25日)。

評価項目代表的な試験・ベンチマーク(名称・出典)標準・規則・指針(ISO・IEC・JIS など)読み方の注意
トルク密度重さあたりのトルク(N·m/kg)。Berkeley Humanoid の表のピーク・持続トルクと質量から計算[参考資料1]本稿の計算確認できなかった(質量の範囲やピーク・持続の区別を定める国際規格は確認していない)質量に何を含むか(ドライバ、軸受、ケース)と、ピークか持続かを必ず確認する
持続(連続)トルクと温度熱の限界内で連続して出せるトルク(Wensing らの定義)。巻線の発熱は電流の2乗[参考資料3]事実IEC 60034-1:2026(回転機の定格と性能。第15版、2026年3月13日)[参考資料7]事実。ロボットの関節モジュールにそのまま当てはまるかは確認していない冷却条件(周囲温度、取り付け)で持続トルクは変わる。規格本文は有料で未確認
効率動力計での測定。機械効率(歯車だけ)と総合効率(モーター・ドライバを含む)を区別(Berkeley Humanoid Lite)。減速機の効率の依存条件(HD カタログ)[参考資料2][参考資料6]事実確認できなかったどの効率か(機械・総合)、どのトルクと速さの点かを確認する。負荷が小さいと効率は下がる
バックドライブ性衝撃緩和係数(IMF):衝撃時のバックドライブ性を表す指標(Wensing ら、2017)[参考資料3]事実確認できなかった研究論文の指標で、規格ではない。他の論文の値と比べるときは定義を確認する
耐久性60時間の耐久試験(0.5 kg・0.5 m の振り子を 0.5 Hz で持ち上げ、効率とバックラッシュを定期的に測定)、6個のアクチュエータの効率の一致(Berkeley Humanoid Lite)[参考資料2]事実確認できなかった1つの研究チームの試験で、60時間は実用の寿命とは桁が違う。結果は「許容範囲内」という著者の判断
ロボットとしての位置の性能位置決めの精度と繰り返し精度の試験方法(ISO 9283)ISO 9283:1998(2021年に確認、現在見直し中)[参考資料10]事実ロボット全体の性能で、関節の値ではない
関節の安全機能— (適合を示す規格で、性能の数字ではない)ISO 10218-1:2025(産業用ロボットの安全、2025年2月)、ISO 13849-1:2023(制御システムの安全関連部、2023年4月)[参考資料9・8]事実要求事項の中身は未確認。標準は、法令や契約で引用されて初めて拘束力を持つことが多い(解説)
コスト公開された部品表(BOM):Berkeley Humanoid の Table 3、Berkeley Humanoid Lite の Table III[参考資料1・2]事実本稿の計算— (規格ではない)少量生産・研究用・米国価格の値。市販機の原価ではない。量産での低下は論文の記述(未確定)

表の整理は本稿の計算(整理)。番号・題名・版・日付は、ISO と IEC の公式ページで確認(確認日 2026年10月25日)。規格本文は有料のため、題名と適用範囲にとどめています。ASTM の規格は扱っていません。

読み方の注意(素材技術者向け)

  • 実演とベンチマークと現場は、別のものです:研究室の動力計の試験は、温度・荷重・速さを管理した条件です。実際のロボットでは、周囲温度、衝撃、汚れが加わります。
  • メーカー公称と第三者の検証は別です:フレームレスモーターや減速機のカタログの値は、メーカーの条件の値です。研究論文の値も、その研究チームの試験です。
  • 標準は推奨のものと要求のものがあります:IEC・ISO の規格は、一般に、法令や契約で引用されて初めて拘束力を持つ位置づけです(解説)。
  • 計画と達成は別です:「量産でコストが下がる」「次の世代で性能が上がる」は、計画であり、達成された事実ではありません。

11. 用語集

関節アクチュエータ
モーター・減速機・センサー・ドライバ・軸受を1つにまとめた、関節を動かすユニット。
ステータ
モーターの固定側。銅の巻線を持つ。
ロータ
モーターの回る側。磁石を持つ。
フレームレスモーター
ケース・軸・軸受のない、ステータとロータだけのモーター部品。
ギャップ半径
ロータとステータの磁気的な境目の半径。
トルク
回す力。単位は N·m。
トルク密度
重さあたりのトルク(N·m/kg)。
持続(連続)トルク
熱の限界内で連続して出せるトルク。
ピークトルク
短時間だけ出せる最大のトルク。
ジュール熱
電流が抵抗を流れるときの発熱(電流² × 抵抗)。
エンコーダ
回転の角度を測るセンサー。
ドライバ(インバータ)
電池の電気を、モーターに合わせた電流に変える回路。
中空軸
中心に穴のある軸。配線を通せる。
クロスローラー軸受
ころを交互に交差させて並べ、あらゆる向きの荷重を1つで受ける軸受。
準直接駆動(QDD)
小さな減速比で、モーターに近い性質(バックドライブしやすい)を保つ方式。
バックドライブ性
外から出力を押したときに、モーターごと動く性質。
反射慣性
モーターの回転部分が、出力側から見ると減速比の2乗倍の慣性に見える効果。
衝撃緩和係数(IMF)
バックドライブ性による衝撃の緩和を表す指標。
遊星ローラースクリュー
ねじ軸とナットの間に、ねじ山のあるローラーを並べ、回転を直線の動きに変える機構。
リード
ねじが1回転で進む距離。
電磁鋼板
モーターの鉄心に使う、磁気損失の小さい薄い鋼板。
熱クラス
絶縁材料の耐熱温度の区分。
磁気飽和
鉄心が磁気的にいっぱいになり、電流を増やしてもトルクが比例して増えなくなること。
部品表(BOM)
製品に使う部品と数量・費用の一覧表。
直動アクチュエータ
回転ではなく、直線の力と動きを出すアクチュエータ。

12. 参考資料(一次情報)

  1. Liao Q. et al. “Berkeley Humanoid: A Research Platform for Learning-based Control”, arXiv:2407.21781 (2024) — arxiv.org/abs/2407.21781
  2. Chi Y. et al. “Demonstrating Berkeley Humanoid Lite: An Open-source, Accessible, and Customizable 3D-printed Humanoid Robot”, arXiv:2504.17249 (2025) — arxiv.org/abs/2504.17249
  3. Wensing P. M., Wang A., Seok S., Otten D., Lang J., Kim S. “Proprioceptive Actuator Design in the MIT Cheetah: Impact Mitigation and High-Bandwidth Physical Interaction for Dynamic Legged Robots”, IEEE Transactions on Robotics 33(3), 509–522 (2017), DOI 10.1109/TRO.2016.2640183 — dspace.mit.edu/entities/publication/8b15bcc8-c288-43aa-b923-69ce3c13b818
  4. Allied Motion “HT Frameless Direct Drive Torque Motors”(フレームレスモーターの製品ページ。メーカー公称) — alliedmotion.com/brushless-motors/brushless-direct-drive-torque-motors/ht-frameless-direct-drive-torque-motors/
  5. Li X., Liu G., Fu X., Ma S. “Review on Motion and Load-Bearing Characteristics of the Planetary Roller Screw Mechanism”, Machines 10(5), 317 (2022), DOI 10.3390/machines10050317 — mdpi.com/2075-1702/10/5/317
  6. Harmonic Drive LLC “CSF/CSG Component Sets and Housed Units” カタログ(効率の条件、定格の定義) — harmonicdrive.net/_hd/content/documents/csf-csg.pdf
  7. IEC IEC 60034-1:2026 “Rotating electrical machines — Part 1: Rating and performance”(第15版、2026年3月13日。2022年の第14版を置き換え) — webstore.iec.ch/en/publication/89961
  8. ISO ISO 13849-1:2023 “Safety of machinery — Safety-related parts of control systems — Part 1: General principles for design”(2023年4月) — iso.org/standard/73481.html
  9. ISO ISO 10218-1:2025 “Robotics — Safety requirements — Part 1: Industrial robots”(Edition 3、2025年2月) — iso.org/standard/73933.html
  10. ISO ISO 9283:1998 “Manipulating industrial robots — Performance criteria and related test methods”(1998年4月。2021年に確認、段階 90.60「見直し中」) — iso.org/standard/22244.html

13. 主張と出典の対応表(監査)

本文の主張根拠区分
Berkeley Humanoid のアクチュエータ:ほぼ全部品を自作、減速機を内蔵、ほとんどに中空軸、クロスローラー軸受、9:1の遊星歯車(QDD)、電流からのトルク推定(ひずみゲージなし)、ケーブルの引き裂かれが課題で中空軸を採用Berkeley Humanoid の論文
出典 1 https://arxiv.org/abs/2407.21781
事実
4種類のアクチュエータの質量、ピーク・持続トルク、最高速(Table 2)、部品代と数量(Table 3)、合計 US$9,955、腕なしで約 US$10,000、量産で多くの費用が下がるという記述、7075・6061アルミと SKD11 鋼Berkeley Humanoid の論文
出典 1 https://arxiv.org/abs/2407.21781
事実
人型ロボットの関節の整理(成人サイズは波動歯車、軽量型は QDD)と、Tesla Optimus に関する論文の記述Berkeley Humanoid の論文(他文献の引用)
出典 1 https://arxiv.org/abs/2407.21781
事実
Berkeley Humanoid Lite:PLA の3Dプリント、貫通ねじと真鍮の六角スタンド、部品表(Table III)、合計 US$4,312(米国)、アクチュエータ 6512 が10個で US$1,880、5010 が12個で US$1,632、機械効率、60時間試験、6個の効率の一致Berkeley Humanoid Lite の論文
出典 2 https://arxiv.org/abs/2504.17249
事実
ギャップ半径の定義、トルク ∝ 2π r² l σ、トルク密度 ∝ r^0.8、慣性あたりのトルク ∝ r^-1.6(Emoteq HT 系列)、せん断応力 ∝ I B n / A、軸方向の長さが密度に影響しないこと、ピークと連続トルクの領域、デューティ比が小さいことWensing らの論文(2017)
出典 3 https://dspace.mit.edu/entities/publication/8b15bcc8-c288-43aa-b923-69ce3c13b818
事実
HT フレームレスモーター:直接組み込み向き、内径最大63.5 mm の中空、9つの外径、連続停止トルク 0.008〜9.2 N·mAllied Motion の製品ページ(メーカー公称)
出典 4 https://www.alliedmotion.com/brushless-motors/brushless-direct-drive-torque-motors/ht-frameless-direct-drive-torque-motors/
事実
遊星ローラースクリュー:回転と直線の変換、ローラーが荷重と動きを伝える、ボールねじより荷重を受ける接点が多いLi らのレビュー論文(2022)
出典 5 https://www.mdpi.com/2075-1702/10/5/317
事実
定格と効率の依存条件(減速機の効率の依存、定格トルクの定義)Harmonic Drive LLC のカタログ
出典 6 https://www.harmonicdrive.net/_hd/content/documents/csf-csg.pdf
事実
IEC 60034-1:2026(第15版、2026-03-13、2022年版を置き換え)、ISO 13849-1:2023、ISO 10218-1:2025、ISO 9283:1998 の番号・題名・版・日付・段階IEC と ISO のページ
出典 7 https://webstore.iec.ch/en/publication/89961
出典 8 https://www.iso.org/standard/73481.html
出典 9 https://www.iso.org/standard/73933.html
出典 10 https://www.iso.org/standard/22244.html
事実未確定/将来
トルク密度(ピーク 約39・60・73・80、持続 約18・25・30・34 N·m/kg)、ピーク1 N·m あたり US$43.5・12.6・10.2・8.3、熱 5.7倍・1/4、ギャップ半径2倍で約1.7倍と約0.33倍、アクチュエータの費用比 約69%・約81%、構造・電子部品などの区分の合算、リード 2 mm の例(100 mm/s、0.40 N·m、約2,500 N/N·m)本稿の計算(論文の表の値と明示した仮定から。市販品の値ではない)本稿の計算
トルクが電流にほぼ比例すること、発熱がトルクの2乗であること、熱の通り道、材料の組み合わせ、素材技術者の視点、ねじのリードの役割、設計の考え方の表の「得意・苦手」の列一般的な教科書的整理にもとづく本記事の解説解説
市販ヒューマノイドの関節の構成と部品代、企業の販売価格や量産目標、関節アクチュエータ全体の国際規格、遊星ローラースクリューの人型ロボットでの具体例、フレームレスモーターの質量と価格本稿の調査範囲では確認できなかったため記載していない解説

最終更新:2026年10月25日/出典は一次情報(査読論文、arXiv の論文、メーカーの製品ページ、ISO・IEC の公式ページ)に限定しています。調査会社の推計や報道だけの数字は使っていません。「本稿の計算」の数値は、研究用ロボットの論文の表の値からの計算で、市販品の値ではありません。市販ヒューマノイドの関節と部品代、企業の販売価格・量産目標、関節アクチュエータ全体の国際規格については、確認できなかったため記載していません。図のうち図1と図8はImageGen生成の概念画像で、他は説明用の概念図または本稿の計算を含む作図です。