ロボットには、多くの発熱源がある。

　● モーター

　● ギア

　● 減速機

　● バッテリー

　● 制御基板

　● センサー

　● AI演算チップ

　● 通信モジュール

　● 電源回路

これらが同時に動く。

特にロボットは、静止している電子機器とは違う。

動く。曲がる。止まる。加速する。荷物を持つ。人と接触する。

そのたびにエネルギーを使い、熱を発生させる。

ロボットの熱問題で特に重要なのが、関節部である。

関節には、モーター、減速機、センサー、配線、制御部品が集中する。

しかも人間のように自然に動かそうとすると、関節は小さく、軽く、高出力でなければならない。

つまり関節部では、小さい空間に発熱源が密集するという状態になる。

ここがロボット熱問題の本丸である。

ロボットには力が必要である。

重いものを持つ。

素早く動く。

細かく制御する。

長時間稼働する。

これらを実現しようとすると、モーターや制御回路の負荷が上がる。

負荷が上がれば、発熱も増える。

つまりロボットの性能向上は、発熱増加とセットになりやすい。

一方で、ロボットには小型化も求められる。

大きすぎると、人間の生活空間に入れない。

重すぎると、消費電力が増える。

太すぎると、動作範囲が狭くなる。

だからロボットは、できるだけ小さく、軽く作られる。

しかし小型化すると、熱を逃がす空間が減る。

つまりロボットは、高出力にしたいと、小さくしたいが正面から衝突する。

工場の大型ロボットであれば、多少熱くても、人が直接触れる場面は限られる。

しかし協働ロボットや人型ロボットでは違う。

人の近くで動く。

人と同じ空間で働く。

場合によっては人に触れる。

このとき、ロボットの表面が熱いと問題になる。

　● 不快感

　● 低温火傷リスク

　● 安全性低下

　● 信頼感低下につながる可能性がある。

つまり人に近いロボットでは、内部部品が壊れない温度だけでは足りない。

人が安心して触れられる温度である必要がある。

ロボットでは、冷却方法にも制約がある。

大型ファンを使えば冷やせるかもしれない。

しかし、

　● 音が出る

　● 重くなる

　● 消費電力が増える

　● 可動部が増える

　● 故障リスクが増える

　● 防塵・防水性が落ちる　といった問題がある。

特に家庭、医療、介護、オフィス向けロボットでは、騒音は大きな問題になる。

つまりロボットでは、静かに冷やすことが重要になる。

ロボットの熱問題は、単なる放熱問題ではない。

実際には、

　● 熱

　● 軽量化

　● 静音性

　● 安全性

　● 柔軟性

　● 耐久性

　● 防塵・防水

　● 可動性

　● 量産安定性　が同時に絡む。

 

つまりロボットでは、冷やせばよいだけでは成立しない。

動けること。

軽いこと。

壊れないこと。

人に安全であること。

量産できること。

ここまで含めて、熱対策になる。

ロボットの中には、多数の配線やセンサーが入っている。

関節が動くたびに、配線は曲がる。

振動も受ける。

温度変化も受ける。

熱によって材料が硬化したり、粘着材が劣化したり、絶縁性が変化したりする可能性もある。

つまりロボットの熱問題は、モーターだけの問題ではない。

内部にあるフィルム、テープ、絶縁材、緩衝材、固定材にも影響する。

ロボット内部では、部材を固定するためにテープや接着材が使われることがある。

しかし熱がかかると、

　● 粘着力低下

　● 剥離

　● ずれ

　● 硬化

　● 変形

　● 浮き　が起きる可能性がある。

そして浮きや剥離が起きると、熱の逃げ道も変わる。

つまりロボットでは、熱で接着が変わり、接着が変わることで熱も変わるという関係が起きる。

ここはかなり重要である。

ロボットには、さまざまな材料が使われる。

　● 金属

　● 樹脂

　● ゴム

　● フィルム

　● テープ

　● センサー

　● 基板

　● 絶縁材

　● 放熱材

これらは熱膨張の仕方が違う。

温度が変わると、それぞれ別々に動く。

その結果、

　● 浮き

　● 剥離

　● 応力集中

　● 接触不良

　● 異音

　● 変形　が起きることがある。

つまりロボットの熱対策では異種材料の界面が重要になる。

今後のロボットには、さらにAIが搭載されていく。

画像認識。

音声認識。

姿勢制御。

自律移動。

人との対話。

作業判断。

これらを行うには、演算が必要になる。

演算が増えれば、発熱も増える。

つまり未来のロボットでは、モーターの熱と、AI演算の熱が同時に存在する。

ロボットは、筋肉も脳も熱を出す存在になっていく。

ロボットがコードレスで動くためには、バッテリーが必要になる。

バッテリーは、充電時にも放電時にも熱を出す。

特に高出力で長時間動かすロボットでは、バッテリーの熱管理も重要になる。

つまりロボットでは、

　● モーター熱

　● 制御基板熱

　● AIチップ熱

　● バッテリー熱　を同時に考える必要がある。

ロボットは、一瞬動けばよいわけではない。

工場や物流では、長時間稼働が求められる。

介護や医療では、安定して動き続けることが求められる。

長時間動くと、熱は蓄積する。

短時間の試験では問題がなくても、長時間稼働では温度が上がり続けることがある。

つまりロボットでは、瞬間性能より、

連続稼働時の熱安定性が重要になる。

研究開発では、

　● 高効率モーター

　● 軽量放熱材

　● 柔軟放熱材

　● 小型冷却機構

　● 高耐熱絶縁材

　● AIによる温度制御

　● バッテリー熱管理　などが重要になる。

ロボットでは、単に冷やすだけではなく、動きながら熱を制御することが求められる。

ロボットの難しさは、動くことである。

止まった状態では接触していても、動作中に接触状態が変わることがある。

　● 曲げ

　● 振動

　● 衝撃

　● 繰り返し動作

　● ケーブル引き回し

　● 部材のずれ

　● 熱膨張

これらによって、放熱材や絶縁材の状態が変わる。

つまりロボットでは、静止状態で成立する熱対策だけでは足りない。

動作中も成立する熱対策が必要になる。

ロボット内部では、狭い空間に多くの部材を配置する必要がある。

そのため、放熱材、絶縁材、固定材、緩衝材などは、

　● 小さい

　● 薄い

　● 複雑形状

　● 曲面対応

　● 高精度　であることが求められる。

さらに量産では、自動化工程で安定して供給できる形にする必要がある。

つまりロボットの熱対策では、材料そのものだけではなく、

どう加工し、どう貼り、どう供給するかが重要になる。

OTIS視点では、ロボットの熱問題で重要なのは、

　● 薄膜加工

　● 高精度打ち抜き

　● 放熱材加工

　● 絶縁材加工

　● 粘着材加工

　● 高精度ラミネート

　● 異種材料貼り合わせ

　● 曲面追従部材の加工

　● リール供給

　● 自動化対応

　● 量産安定性　である。

特にロボットでは、小さく、薄く、軽く、動いても成立することが重要になる。

OTISでは、

　● 放熱シート加工

　● 絶縁シート加工

　● 粘着テープ加工

　● フィルム加工

　● 高精度打ち抜き

　● 微細加工

　● 高精度ラミネート

　● 異形状積層

　● リール供給対応

　● 自動化工程向け供給形態設計

などを通じて、ロボット向け機能部材の量産成立に貢献できる可能性がある。

特に、ロボットでは関節や狭小空間に使う部材が多くなるため、

高精度加工、柔軟な供給形態、量産安定性　が重要になる。

一方でOTISは、

　● ロボット本体設計

　● モーター開発

　● 減速機開発

　● ロボット制御ソフト開発

　● AIアルゴリズム開発

　● バッテリーセル開発

を専門とする会社ではない。

しかし、ロボット内部で使われる熱対策部材・絶縁材・固定材を量産工程で成立させる

という領域では、重要な役割を担える可能性がある。

★★★★★ 産業用ロボット

★★★★★ 協働ロボット

★★★★★ 人型ロボット

★★★★☆ 物流ロボット

★★★★☆ 医療・介護ロボット

★★★★☆ 自動化設備

ロボットは、動くほど熱を持つ

ロボットは、モーター、制御基板、センサー、AIチップ、バッテリーを持つ。

つまりロボットは、動く発熱体である。

しかも今後、ロボットは小型化し、高性能化し、人に近づいていく。

その結果、熱問題はさらに難しくなる。

ロボットの熱対策では、冷えればよいだけでは足りない。

軽く、静かで、安全で、動作中も安定し、量産でも成立する。

そこまでできて、初めて本当の熱対策になる。

 

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません