ロボットアームガイド

このガイドでは、ロボットアームがどのように機能するのか、プログラマブルロボットアームにはどのような種類があるのか、そして様々なアクセサリーやアドオンを使ってどのように使えるのかをご紹介します。

ロボットアームとは？

ロボットアームは、特定のタスクや作業を迅速、効率的、かつ正確に実行するようにプログラムされた機械です。一般的にモーター駆動で、重作業や高度な反復作業を長時間にわたって一貫して実行するために使用されることが多く、工業生産、製造、機械加工、組立の分野で特に重宝されています。典型的な産業用ロボットアームには、一連の関節、関節機構、マニピュレーターが含まれており、人間の腕の動きや機能に（少なくとも純粋に機械的な観点から）似ています。プログラム可能なロボットアームは、それ自体が完全な機械となることもあれば、より大きく複雑な装置の個々のロボット部品として機能することもあります。

今日、多くの産業や職場で使用されている小型ロボットアームは、卓上に設置され、電子的に制御されています。大型のものでは床置きタイプもありますが、いずれも頑丈で耐久性のある金属製で、多くは4～6個の関節を備えています。繰り返しになりますが、機械的な観点から、ロボットアームの主要な関節は、肩、肘、前腕、手首など、人間に相当する主要部位をまねて設計されています。

産業用ロボットアーム

産業用ロボットアームは、そのスピードとパワーから、プログラミングや使用にあたっては安全性に細心の注意を払う必要があります。しかし、適切に配置されれば、生産率や配置・ピッキング作業の精度を大幅に向上させることができます。

技術が進歩し、ロボット部品の製造コストが年々低下しているため、過去10年ほどの間に、非常に幅広い産業でロボットやロボットアームの利用範囲と価格が急速に改善しました。これは、ロボットやロボットアームが、大量の製品を生産する大規模な生産ラインだけの選択肢ではなくなり、以前よりもはるかに小規模なオペレーションでも使用されるようになってきました。

ロボットアームの種類

今日では数多くの異なるタイプのロボットアームがあり、それぞれが重要な中核能力や機能を備えて設計されているため、特定のタイプは特定の役割や産業環境に特に適しています。大半のロボットアームは、7つのセクションをつなぐ最大6つの関節を持ち、さまざまな形式のステッピングモーターによって駆動され、コンピューターによって制御されます。これにより、アームの「ハンド」またはエンド部分の非常に正確な位置決めが可能になります。一般的に、ほとんどの産業用途では、ある種の特殊なツールやアタッチメントが使用され、非常に特殊な動作や反復可能な一連の関節動作を実行するように設計されています。

ほとんどの場合、ロボットアームの種類を区別するポイントは、関節がどのように動作するように設計されているか、どのような動作範囲や機能を実行できるかということです。このセクションでは、世界中で使用されている、一般的なプログラマブルロボットアームの種類をいくつかご紹介します。

直交ロボット（ガントリー）

直交ロボットアーム（レクティリニアまたはガントリーと呼ばれることが多い）は、17世紀にルネ・デカルトが代数方程式を使って幾何学的な曲線をグラフ上にマッピングする方法として開発した直交座標系にちなんで名付けられました。

直交座標は、X軸、Y軸、Z軸の座標系であり、一般的なグラフではX軸、Y軸、Z軸がマッピングされています。直交座標系とは、X軸、Y軸、Z軸の3軸からなる座標系のことで、一般的なグラフでは必ずと言っていいほどこの座標系が使われています。

ロボットアームにおいては、メカトロニクスの直交ロボットやガントリーロボットは3つの関節から構成され、X軸、Y軸、Z軸の3軸に沿った3次元の直線的な動きを指定するために、X軸、Y軸、Z軸の3つの座標系を使ってプログラムされます。直交ロボットのアームは、さまざまな電気モーターとリニアアクチュエータを使用して、ツールやアタッチメントを3次元空間に配置し、一連の直線運動によって位置を切り替えて操作します。水平、垂直、または頭上に取り付けることができ、部品の加工やベルトコンベアと並行してのピッキングや配置など、さまざまな用途で広く使用されています。

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円筒座標型ロボットアーム

円筒座標型ロボットアームは、上記の直交型とは対照的に、軸が円筒座標系を形成します。要するに、プログラムされた動きは円筒形の空間（上下左右）の中で行われます。このタイプのアームは、組み立て作業、スポット溶接、工作機械のハンドリングなどによく使用され、ロータリージョイントとプリズムジョイントによって回転運動と直線運動の両方が行われます。

極座標／球体ロボットアーム

繰り返しになりますが、上述の円筒形ロボットアームと同様に、極座標または球体ロボットは、球体の「作業範囲」または潜在的な運動軌跡の中で動作するロボットです。これは、複合回転ジョイント、2つの回転ジョイント、およびリニアジョイントによって実現されます。極座標型ロボットアームは、ツイストジョイントを介してベースと接続されており、球状のワークスペースにアクセスできるため、工作機械のハンドリング、スポット溶接、ダイカスト、アーク溶接など、円筒型ロボットアームと同様の役割を果たすことができます。

スカラロボットアーム

スカラロボットアームは、組立やピックアンドプレースのアプリケーションで最も広く使用されています。SCARAとは、Selective Compliance Assembly Robot Arm（またはSelective Compliance Articulated Robot Arm）の頭文字をとったもので、ロボットアームの軸によっては剛性を保ったまま、限られた「コンプライアンス」（ロボット工学でいう柔軟性）を持つことができます。

スカラロボットアームは、ハイテク生産ラインにおいて最も典型的なタイプであり、その選択的なコンプライアンス能力によって、理想的なものとなっています。特定の組み立てや配置作業では、特定の方向には許容できるが他の方向には許容できない柔軟性が非常に有利であり、部品を束縛したり破損させたりすることなく、狭いスペースに部品を挿入することができます。

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ロボットアームの用途

ロボットアームは、あらゆる工業生産、加工、製造の役割に使用できます。

今日、あらゆる種類のロボットアームが、微細な回路基板の組立から自動車生産ラインのような大容量の重工業まで、あらゆる規模の製造業で使用されています。なので、どのタイプのプログラマブルロボットアームがどのような環境や作業に適しているかを知っておくことが重要です。

どのような場合でも、与えられた役割やタスクに適したタイプのプログラマブルロボットアームを選択するには、目的とするアプリケーションの正確な性質や要件を考慮する必要があります。

負荷

どのタイプのロボットアームにも所定の負荷容量があり、このメーカー指定の数値は、アームに期待される作業（ツールやアタッチメントを含む）に関連するペイロードの総重量を常に上回る必要があります。ロボットアームの種類によって、異なる設計のフレームワークでサポートされているため、全体的な負荷容量が増減することがあります。

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オリエンテーション

この基準は一般的に、ロボットアームの設置面積と取り付け位置、そして、ロボットアームが実行することが期待される動作や操作の範囲において、生産ラインの他の機器とどの程度フィットするかによって定義されます。ロボットアームの種類によっては、そのプログラムされた動作範囲を実行するために、より大きな台座や物理的なクリアランススペースが必要なものもあり、これらの要因は、周辺にある他の機器や作業者の観点から考慮する必要があります。

速度

特にピッキングや配置の用途でロボットアームを選択する場合、速度、特に長い距離での加速度について、メーカーの定格に注意を払うことが重要です。速度定格の変更やアップグレードは、使用するベルト、モーター、アクチュエーターの選択を変更することにより、ロボットアームのタイプによっては変更することができます。

移動

アームのたわみやサポートフレームワークの設計の違いにより、ロボットアームの種類によっては、より広い範囲での公差や精度が低下する場合があります。アプリケーションがペイロードや作業エリア間の移動距離を長くする必要がある場合、要求される公差の厳しさによって、どの種類のロボットアームがタスクの実行に適しているか、または適していないかが決まります。

精密さ

ある種のプログラマブルロボットアームは、他のロボットアームよりも動作範囲や関節が精密であるように設計されています。このため、より複雑な機械ではコストが高くなり、設置面積、速度、潜在的な移動距離、方向などの他の要素との妥協が必要になる場合があります。ピッキングや配置などの多くの産業用アプリケーションでは、極めて精密な繰り返し動作が可能なロボットアームは不必要かもしれません。しかし、加工用途においては、精度は他の要因よりも優先される重要な検討事項です。この場合も、ロボットアームの種類によっては、精度を向上させるための変更やアップグレードが可能ですが、すべての機種で可能なわけではありません。

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環境

特定の場所に適切なタイプのロボットアームを選択する際には、作業環境の大気条件や潜在的な危険性（ほこり、汚れ、湿気のレベルを含む）を考慮することが重要です。物理的な設置面積、向き、可動範囲も、他の機器や作業者を考慮した上で、特定のモデルやアームタイプが特定の環境での使用に適しているかどうかに影響します。

ロボットアームのデューティサイクル

これは基本的に、ロボットアームがどの程度集中的に動作するか、また「休息」期間やメンテナンス期間の間隔をどの程度にするかを評価するものです。モデルやアームのタイプによって、潤滑の間隔や部品の交換など、必要とされるメンテナンス体制が異なります。最小限のダウンタイムが重要な環境では、特定の生産工程のためにロボットアームを選択する際には、この点を考慮する必要があります。

上記の基準を総称して、ロボットのLOSTPEDパラメータと呼ぶこともあります。

まとめ

ロボットアームは、反復的で一貫性があり、非常に高い精度が要求される作業や、人間が安全に作業することが困難なアプリケーションに最適です。ロボットアームは、高速で正確かつ信頼性が高く、さまざまな作業をほぼ無限に実行するようにプログラムすることができます。過去10年間で産業用ロボットアームの購入コストが劇的に削減されたことで、ロボットアームは以前よりもはるかに広く使用されるようになりました。デスクトップ型であれ、大量生産ラインの一部として設置されているものであれ、ロボットアームは現在、以下のような幅広い産業や分野で一般的に使用されています。