ロボティクス向けスマートシリアルサーボモーターの実用比較

スマートシリアルサーボは、ロボットアーム、ロボット犬、その他のコンパクトな機構を含む、手頃な価格のDIYロボティクスプロジェクトで広く採用されるようになった。モーター、ギアボックス、エンコーダー、コントローラー、シリアルインターフェースを一体化したパッケージにより、単体モーターと外部ドライバーの組み合わせよりもはるかに容易に統合できる。

入手可能なモデルは数多いが、サーボを実際の機構に組み込んだ際に重要な疑問に対して、データシートが必ずしも答えを提供するわけではない。公開されているトルク、速度、電流の定格値は出発点として有用であるが、消費電力、負荷時の温度上昇、定格トルク近傍での動作、あるいは過熱やシャットダウンなしに定力を保持できる時間については、十分な情報を与えてくれない。

今回の比較では、低コストからより高性能なオプションまでをカバーする5つの人気モデルをテストした：

• STS3215
• STS3235
• STS3250
• HLS3930M
• HLS3950M

目標は実用的なトレードオフを評価することだ：最大トルク、電流消費、負荷時の温度上昇、定格トルク時の動作、バックラッシュ、そして真鍮vs全鋼ギアやプラスチックvs金属ケースといった構造上の詳細。定力動作には特に注目した。メーカーのドキュメントでは、データシートだけでその動作を判断するには情報が不足しているためだ。

仕様比較

主な共通点は、5つのサーボすべてが同じ制御コンセプトで構築されていることだ：デュアルシャフト出力、磁気エンコーダーフィードバック、デジタルパケット制御、内部PIDループを持つTTLシリアルスマートサーボ。また、1/345のギア比、0.5度以下というバックラッシュ限界の仕様、25Tホーン形式、ほぼ同一の外形寸法も共通している。つまり、少なくとも外形の観点からは、ロボット関節の設計においてメカニカルに類似したものとして扱える場合が多い。

最大の相違点は、トルククラス、構造、速度、モータータイプにある。STS3215とSTS3235は下位の30 kg·cmクラス、HLS3930Mは中間の35 kg·cm、STS3250とHLS3950Mは50 kg·cmクラスに位置する。より高速なモデルはSTS3250とHLS3950Mで、いずれも75 RPMと表記されており、他は45 RPMと記載されている。50 kg·cmクラスのモデルはコアレスモーターを採用しており、高速かつ強力な応答が必要なアプリケーションでより魅力的な選択肢となる。

構造面も実用的な分岐点となる。STS3215はこのグループで最軽量のサーボであり、PA+GFプラスチックケースを採用する唯一のモデルだ。また、全鋼ギアではなく銅/金属ギアを使用している。他の4つのサーボはアルミケースと鋼ギアを採用しており、高負荷関節、過酷な使用条件、数グラムの軽量化よりもギアボックスの耐久性が重要な場面でより優れた候補となる。

電流定格を見ると、高トルクが表記電流の単純な線形増加に直結していないことがわかる。STS3250は最高のストール電流4.2 Aを誇るが、HLS3950Mは同じ50 kg·cmトルククラスにもかかわらず2.4 Aと表記されている。この差異がベンチテストを重要とする理由の一つだ：データシートの数値はモーターが単なるスケールアップ版ではないことを示唆しており、負荷時の実際の電流消費は直接測定する必要がある。

以下のメーカー仕様は、テスト前に候補を絞り込む際に役立つ。

モデル別仕様

共通仕様

仕様	共通値
サイズ	45.22 × 24.72 × 35 mm
タイプ	TTLシリアルサーボ、デュアルシャフト、磁気エンコーダー
エンコーダー分解能	12-bit磁気エンコーダー；4096カウント、0.088°/パルス
制御タイプ	デジタルパケット、半二重非同期シリアル；PID制御
ホーンタイプ	25T / OD 5.9 mm
ギア比	1/345
バックラッシュ	≤0.5°
保護機能	過負荷、過電圧、過温度、過電流

定力サーボと力覚フィードバック

本記事における定力サーボとは、位置アクチュエーターとしてだけでなく、制御された力のアクチュエーターとして使用できるスマートサーボを指す。小型のシリアルサーボにおいて、これは通常、較正されたロードセルを用いた実験室レベルの力制御を意味するわけではない。コントローラーがモーターの出力を電流またはトルク関連パラメーターを通じて指令または制限でき、機構が目標角度に向かって全力で駆動するのではなく、負荷に対して反応できることを意味する。

STSシリーズのモーターは主にトルク制限付きの位置サーボだ。Torque Limit設定によって出力を低減でき、機構を保護するのに役立つが、制御モデルは依然として位置コマンドを中心としている。HLSシリーズのサーボは、力覚応用においてより興味深い。トルクをモーションコマンドの一部として直接入力でき、電流センシングの感度が格段に高い。そのため、負荷の微小な変化をソフトウェアで観察・利用しやすい。

この動作はグリッパーで有用だ。グリッパーでは多くの場合、接触するまで閉じ、その後対象物を押しつぶすのではなく制御された保持力を維持することが目標となる。また、リーダーアームや教示ハンドルでも有用であり、人が手で機構を動かしながらコントローラーが位置、負荷、または抵抗をフィードバックとして読み取る。その役割において、サーボは単に関節を動かすだけでなく、入力デバイスの一部となる。

その他の実用例としては、外骨格関節、補助ブレース、触覚ノブ、遠隔操作ハンドル、ロボットハンド、ケーブルテンション機構、コンプライアントロボットアーム、エンドエフェクターの接触検知、ばね式テスト治具、安全制限付き教育用ロボットなどが挙げられる。これらの用途では、予測可能な力特性と読み取り可能な電流フィードバックが、最高のストールトルクよりも重要になる場合がある。

トレードオフは熱だ。定力アプリケーションでは、出力シャフトがほとんど動いていない状態でもモーターが通電され続ける可能性があり、保持中に電力が熱に変換される。電流消費、温度上昇、ケース材質がこの比較の中心的な要素となる理由がここにある：力制御の動作は、モーター、ドライバー、ギアボックス、ケースが想定されるデューティサイクルに耐えられる場合にのみ有用だ。

テスト環境と手法

各サーボを3つの実用的なベンチテストで評価した：短時間の最大トルク・最大電流テスト、50%負荷での2分間の温度上昇テスト、サーボが位置保持中のバックラッシュ測定。これらのテストを合わせることで、ピーク出力、持続負荷時の熱特性、電流需要、出力軸の機械的ガタを網羅できる。

最大トルク・電流テスト

最大トルクテストでは、3Dプリント製フレームを用いてデジタル吊り秤をサーボ正面に固定した。10cmのレバーアームをサーボホーンに取り付け、秤に対して垂直になるよう設定した。中立位置では、予圧なしでレバーを秤に接続した。

スクリプト制御の動作シーケンスでサーボを秤に対して押し付け、モーターが発生できる最大トルクまで負荷をかけた。レバーアームが10cmであるため、秤の読み値を直接トルクに換算できる：kg·cm単位のトルクは、kgf単位の秤の読み値に10を乗じたものだ。同じ結果をNm単位で表すと kgf × 0.9807 となる。

このテストは短時間のピークトルク条件を表すものであり、通常の動作点ではない。各サーボがストール、飽和、または実用的な電流限界に達する前にどれだけの力を発生できるかを比較するための参照値として有用だ。定格トルクと混同してはならない：定格トルクはサーボが継続的に扱うことが期待される負荷であり、最大トルクまたはストールトルクは短時間の限界であり定格値よりはるかに高い。例えば、10 kg·cm定格のサーボが30 kg·cmのストールトルクを宣伝していても、30 kg·cmを継続的な関節負荷として安全に保持できるわけではない。

すべてのモーターは、10 A負荷に対応したWaveshare Servo Motor Driver HATボードを介して給電した。ベンチ電源は12 V、電流制限10 Aで設定した。各テストシーケンス中、サーボのログとビデオの両方を記録したため、測定されたトルクと電流をスタンドの目視動作と照合できる。

50%負荷時の温度上昇テスト

2番目のテストでは、サーボが約50%負荷を2分間保持した際の温度上昇を測定した。このテストは最大トルクテストよりも実用的な継続負荷シナリオに近い。多くのロボット関節は、短時間のストールトルクに達するよりも、負荷を保持または抵抗する時間の方が長いためだ。

このテストでは、2つのソースから温度データを収集した：サーボの内部温度センサーと外部サーモグラフィーカメラだ。内部センサーはテレメトリーを通じてサーボが報告する値を示し、サーモグラフィーカメラはケースと表面の加熱を独立した視点で捉える。両方の読み値を比較することで、熱がモーター/ドライバー内部に集中しているか、ケースを通じて広がっているかを識別できる。

このテストは持続的な部分負荷下での熱特性を表す。ピークトルクだけでは答えられない、より実用的な問いに答える：サーボが過度な加熱、電流増加、または熱ストレスの兆候なしに、短い稼働時間中に意味のある負荷を保持できるかどうかだ。

バックラッシュ測定テスト

3番目のテストでは、サーボが指令位置を積極的に保持している間のバックラッシュを測定した。10cmのレバーを2方向に機械的に負荷をかけ、モーターに動作を指令せずに保持位置周囲に小さな振動を与えた。このプロセス中、エンコーダー位置誤差を含むログデータを記録した。

バックラッシュは、テスト中に観察された最小と最大の位置誤差の差から算出した。ノイズと単一サンプルのスパイクの影響を軽減するため、生の最小値と最大値のみを使用するのではなく、各方向での数回の振動から平均値を用いて計算した。

最終的なバックラッシュ値は、エンコーダー分解能を用いてエンコーダーカウントから度に変換した。12-bit磁気エンコーダーでは1カウントが約0.088°であるため、度単位のバックラッシュは位置誤差カウント × 0.088° で計算される。このテストは、サーボが小さな外力に対して固定位置を保持しようとする際に出力に現れる機械的ガタ量を表している。

テスト結果

トルクと電流

最初の結果セットは、短時間ピーク負荷時の動作を、熱テストに使用した50%負荷点と比較したものだ。秤の読み値はデジタル吊り秤から直接得られるためkgf単位で示す。10cmのレバーでは、kg·cm単位のトルクは秤の読み値 × 10 となる。

2つのサーボファミリー間で負荷制御の方法が異なった。STSシリーズのモーターでは、Torque Limit設定を通じて出力トルクを制限した。HLSシリーズのモーターでは、電流値をモーションコマンドのパラメーターとして直接入力した。

Motor	Load	秤の読み値 (kgf)	トルク (kg·cm)	電流 (A)
STS3215	100%負荷	3.3	33.0	2.8
STS3215	50%負荷	2.2	22.0	0.75
STS3235	100%負荷	3.0	30.0	2.4
STS3235	50%負荷	2.2	22.0	0.75
STS3250	100%負荷	5.2	52.0	4.7
STS3250	50%負荷	3.5	35.0	1.6
HLS3930M	100%負荷	2.8	28.0	2.4
HLS3930M	50%負荷	2.2	22.0	0.75
HLS3950M	100%負荷	6.3	63.0	6.0
HLS3950M	50%負荷	3.5	35.0	2.4

HLS3950Mはピーク測定トルク63.0 kg·cmで最高値を記録したが、ピーク電流も6.0 Aで最大だった。このテストセットで最も強力なモーターだが、電気的・熱的なヘッドルームも最も必要とする。

STS3250もトルク52.0 kg·cmと強力な値を示し、50%テスト点では35.0 kg·cmを記録した。

最も明確な観察の一つは、電流消費がサーボのモデル名よりも実際の負荷レベルに従うことだ。同程度の22.0 kg·cm負荷点では、STS3215、STS3235、HLS3930Mはいずれも約0.75 Aを消費した。より高い35.0 kg·cm負荷点では、STS3250とHLS3950Mがより高い電流域に移行した。実際には、異なるファミリーのサーボが同様の機械的作業を行う際に非常に近い電流を消費することを意味する。これはまた、データシートの電流値がより有利であるにもかかわらず、HLSシリーズのモーターがこれらの測定でより効率的には見えなかったことも意味する。同等の機械的負荷では、その電流消費はSTSシリーズのモーターと同様の実用的な範囲内だった。

100%負荷テストを繰り返す中で、温度管理と冷却を行ったにもかかわらず2つのモーターが損傷した。STS3215はコントローラー基板の焼損で故障し、STS3250はモーターの焼損で故障した。これは重要な実用的結果だ：最大トルクテストは短時間の参照測定として扱うべきであり、安全な継続動作モードとして扱ってはならない。

トルクテスト録画

温度上昇結果

温度テストは50%負荷点で実施した。以下の表は、同様のテスト中に取得した内部サーボ温度テレメトリーとサーモグラフィーカメラの読み値を組み合わせたものだ。

Motor	内部開始温度 (°C)	内部終了温度 (°C)	内部温度差 (°C)	カメラ開始温度 (°C)	カメラ終了温度 (°C)	カメラ温度差 (°C)
STS3215	31.0	41.0	10.0	30.0	33.5	3.5
STS3235	31.0	36.0	5.0	30.0	34.5	4.5
STS3250	30.0	55.0	25.0	30.0	54.0	24.0
HLS3930M	33.0	35.0	2.0	30.0	31.7	1.7
HLS3950M	31.0	39.0	8.0	30.0	35.6	5.6

STS3250はこのテストで明確な熱的外れ値だった。内部テレメトリーは30 °Cから55 °Cに上昇し、サーモグラフィーカメラも表面温度が30 °Cから54 °Cへと同様の上昇を示した。これは同じ50%負荷テスト条件下の他のモデルと比べてはるかに高い。

HLS3930Mは取得データの中で最小の上昇を示し、内部テレメトリーはわずか2 °C、サーモグラフィーカメラは1.7 °Cの上昇だった。

STS3215は別の理由で注目される：内部温度は10 °C上昇したが、外部サーモグラフィーカメラの読み値は3.5 °Cしか上昇しなかった。サーモグラフィー画像では熱がボディ内部に集中していることがわかる。PA+GFプラスチックケースでは放熱性がアルミケースサーボよりもはるかに劣るため、外部ケース温度は持続保持中の内部加熱リスクを過小評価してしまう。

全体的に、温度データは電流測定結果を支持している：同様の機械的負荷は複数のモデルにわたって同様の電気的・熱的ストレスを生じさせるが、ケースの構造はその熱がどのように逃げるかに強く影響する。長時間負荷を保持するコンパクトなロボット関節では、温度マージンとケース材質が公称トルク値と同様に重要だ。

温度テスト録画

バックラッシュテスト結果

バックラッシュは、各サーボが位置を保持している間の正負のエンコーダー誤差プラトーの選択値から算出した。

Motor	正方向平均 (カウント)	負方向平均 (カウント)	バックラッシュ (カウント)	バックラッシュ (度)
STS3215	3.75	-5.00	8.75	0.769
STS3235	4.00	-1.00	5.00	0.439
STS3250	1.50	-1.67	3.17	0.278
HLS3930M	2.00	-2.00	4.00	0.352
HLS3950M	3.20	-3.25	6.45	0.567

STS3250はこのテストで最小のバックラッシュ0.278度を記録し、続いてHLS3930Mが0.352度、STS3235が0.439度だった。この3モデルは0.5度の仕様限界を下回った。

STS3215は最大のバックラッシュ0.769度を示し、明確に規定の0.5度限界を超えた。HLS3950Mも0.567度で限界を超えていた。

結果はトルククラスに直接対応しない。トルクテストで最強のサーボだったHLS3950Mがバックラッシュで最良の結果を出さず、一方でSTS3250がこのセットで最良を記録した。位置決め感触が重要な関節では、最大トルクから推測するのではなく、ギアボックスの動作を直接確認すべきだ。

結論

テストにより公開仕様のほとんどが確認されたが、サーボをロボット用に選定する際にデータシートだけでは不十分な理由も明らかになった。テスト前には信頼しにくい値もいくつかあった。バックラッシュはその一例だ：いくつかのモーターは規定限界に近かったが、STS3215とHLS3950Mは0.5度の仕様より悪い結果となった。電流も同様だ：データシートの値は大きな効率差を示唆していたが、同様の機械的負荷では消費電流がほぼ同じことが多かった。

STS3215はこの比較で最も基本的なモーターだ。軽量で安価だが、限界も明確だ：プラスチックケース、放熱性の低さ、持続負荷時の温度懸念、最悪のバックラッシュ測定値。単純な低コストアプリケーション、特に高い定力が不要な場面では依然として有用だ。また、低コストと容易な統合が最大出力よりも重要なリーダーアーム、教示リグ、その他の手動操作機構にも適している場合がある。

STS3235は同様のトルククラスにとどまりながら、STS3215よりも実用的に優れた選択肢だ。公称トルクと速度の仕様は近いが、STS3235はスチールギア、アルミケース、より良いバックラッシュ測定値を持つ。STS3215の外形は魅力的だがプラスチックケースとギアボックスの動作が懸念される多くのコンパクトなロボット関節では、より安全な選択になりやすい。

STS3250はグループ内で最も有力な候補の一つだ。高トルク、高RPM、全金属構造、テストで最良のバックラッシュ測定値を持つ。力と位置決め感触の両方が必要なロボット関節において強力な利点となる。主な注意点は熱特性だ：50%負荷テスト中に異常な温度上昇が観察された。これは特定のテスト条件またはこのモーターサンプルに関連する可能性があるため、モデルに関する広範な結論を出す前に再テストすべきだ。

HLS3930Mは興味深い選択肢だが、これらの測定では他のモデルよりやや弱く見えた。ピークトルク結果は同等のSTSオプションより低く、最大出力のみが目標であれば明確な選択ではない。その利点はHLSの制御動作だ：直接トルクコマンドとより感度の高い電流フィードバックにより、グリッパー、リーダーアーム、力覚フィードバック実験、接触や負荷変化の検知が重要な機構で有用だ。

HLS3950Mは最高の測定ピークトルクを記録したため、このテストセットで最強のモーターだ。しかし、バックラッシュ結果は期待外れで、高負荷時には深刻な電気的ヘッドルームも必要とする。最大力が最優先事項の場合は良い候補だが、出力ガタが重要な精密関節には説得力に欠ける。

全体的に、最良の選択はアプリケーションによって異なる。安価でシンプルな機構にはSTS3215で十分な場合がある。より堅牢な低コスト関節にはSTS3235が魅力的だ。バックラッシュ測定値が良好な高トルクにはSTS3250が最有力候補だが、熱特性の検証が必要だ。グリッパーやリーダーアームなど力覚応用には、HLSシリーズの制御動作が生の効率より価値がある場合がある。最大トルクにはHLS3950Mがリードするが、バックラッシュは慎重に考慮すべきだ。