November 20, 2025
ロボットの構造部品に「最適な」材料という問いは複雑です。最適な選択肢は単一の材料ではなく、性能要件、重量制限、コスト、製造可能性の間の慎重なバランスです。静的構造とは異なり、ロボットは動的システムであり、すべてのグラムの重量とすべてのミリ秒の動きが重要です。構造部品（シャーシ、フレーム、アーム、ジョイント）は、位置精度を維持するために剛性があり、動作負荷に耐えるために強く、多くの場合、速度とエネルギー効率を最大化するために軽量でなければなりません。
このガイドでは、ロボットの構造ハードウェアの主要な候補を探り、金属、ポリマー、複合材料の長所と短所を分析し、設計者がロボットの特定の用途に基づいて情報に基づいた決定を下せるようにします。
金属は、多くのポリマーと比較して優れた剛性と強度対重量比のため、高性能および産業用ロボット工学の基盤であり続けています。
アルミニウムは、現代のロボット工学で最も一般的で用途の広い材料と言えるでしょう。その優位性は、優れた特性の組み合わせに由来しています。
長所：
優れた強度対重量比：軽量でありながら高い強度を提供し、ロボットアームなどの可動部品の慣性を低減するために重要です。
被削性： アルミニウム合金、特に一般的な6061-T6グレードは、CNCプロセスを使用して容易に機械加工でき、ロボットジョイントに必要な複雑な設計と高精度公差を可能にします。
耐食性： 自然に酸化層を形成し、腐食から保護します。
費用対効果： チタンなどの材料よりも大幅に安価で豊富です。
短所：
低い剛性（vs. 鋼）： 軽量ですが、アルミニウムは鋼よりも剛性が低いため、大きな部品では、負荷がかかったときの不要なたわみを防ぐために、より厚いセクションが必要になる場合があります。
溶接性： 特定の高強度合金（7075など）は、効果的に溶接することが難しい場合があります。
6061-T6合金は、汎用フレームとブラケットのロボット工学の主力であり、はるかに強力な7075-T6合金は、ジョイントやエンドエフェクタなど、重量削減が最優先される高応力用途に限定されています。
最大の剛性と耐荷重能力を必要とする用途では、その密度にもかかわらず、鋼が依然として最良の選択肢です。
長所：
高い剛性（ヤング率）： 鋼はアルミニウムよりも大幅に剛性が高いため、全体的な重量が安定性ほど重要ではない大型産業用ロボットのベースフレームや非可動構造サポートに最適です。
優れた強度と耐久性： 巨大な静的および動的負荷に耐えることができます。
疲労強度： 繰り返し応力サイクルを受ける部品に最適です。
短所：
高密度： 鋼はアルミニウムの約3倍の重さであり、慣性が大きくなり、移動に必要な電力が増加します。
腐食： ステンレス鋼グレードを使用しない限り、メッキまたはコーティングが必要です。ステンレス鋼グレードはより高価です。
鋼は、振動減衰と純粋な強度を優先する、高負荷溶接または組み立てロボットのコアフレームによく使用されます。
チタン合金は、航空宇宙グレードのロボット工学またはコストが性能に次ぐ非常に特殊な用途向けのプレミアムな選択肢です。
長所：
最高の強度対重量比： 一部の鋼と同等の強度を持ちながら、約40％軽量であるため、手足の重量削減がエネルギー効率の大幅な向上に直接つながる、高性能、モバイル、または脚付きロボットに最適な材料です。
優れた耐食性： ほぼすべての腐食性環境に自然に耐性があります。
高温耐性： 極端な熱条件下で動作するロボットに適しています。
短所：
高コスト： 金属オプションの中で最も高価です。
困難な機械加工： 特殊な工具と低速の機械加工速度が必要であり、製造コストが増加します。
小型、非産業用、教育用、およびサービスロボットでは、ポリマーと繊維強化複合材は、コスト、重量、およびカスタム製造の容易さの点で利点があります。
高性能プラスチックは、特に主要な構造負荷を担わない部品でますます使用されています。
長所：
低コストと迅速な製造： 射出成形と3Dプリンティング（付加製造）に適しており、迅速で安価なプロトタイピングと大量生産につながります。
電気絶縁： 金属とは異なり、ポリマーは自然に絶縁性があり、電気部品の近くで有利です。
低摩擦： ナイロンなどの材料は、自己潤滑性があるため、内部ギアリングとベアリング表面によく使用されます。
短所：
低い剛性と強度： 金属よりも大幅に剛性と強度が低く、剛性を維持するために非常に大きなセクションサイズが必要になるか、低負荷用途に制限されます。
クリープ： プラスチックは、時間の経過とともに持続的な機械的応力下でゆっくりと変形する可能性があり、これはクリープとして知られています。
炭素繊維複合材は、軽量ロボット工学の最新の構造材料科学の頂点を示しています。
長所：
極端な剛性対重量比： CFRPは、他のどの材料よりも単位重量あたりの剛性と強度を提供します。これにより、たわみを最小限に抑え、高い固有振動数が必要な、長くて高速に移動するロボットアームに最適です。
カスタマイズ可能な異方性： 設計者は、炭素繊維を配置して、部品に必要な場所に最大の強度と剛性を正確に配置できます。
低い熱膨張係数： さまざまな温度での優れた寸法安定性。
短所：
高コストと複雑さ： 特殊な製造プロセス（レイアップ、硬化、オートクレーブ）と熟練した労働力が必要であり、ワンオフまたは複雑な形状には高価になります。
損傷許容度： 繊維方向に垂直に負荷が加わると、壊滅的に破損する可能性があります。
最適な材料の選択は、ロボットの意図された機能に完全に依存します：
産業用ロボット工学（高負荷、反復タスク）： ベースと主要な柱には鋼、アームとボディにはアルミニウム（6061）。優先事項は剛性と費用対効果の高い強度です。航空宇宙/高性能モバイルロボット工学（重量が重要）：サービス/教育用ロボット工学（低負荷、低コスト）：
シャーシと非クリティカルジョイントにはABSまたはナイロン、高応力ジョイントまたは取り付けポイントにはアルミニウム（6061）。優先事項はコストと製造の容易さです。 最終的に、最適なロボットハードウェアは、単一の材料で作られることはめったにありません。最適な設計は、ベースの鋼の巨大な強度と剛性、中範囲の可動部品のアルミニウムの軽量性と被削性、および最外セグメントの炭素繊維の優れた剛性を利用して、特定の用途で可能な限り高速で正確かつエネルギー効率の高い動きを実現するハイブリッド構造です。
