双腕ロボットには2種類ある

ヒト型双腕協働ロボット

ヒト型双腕協働ロボットとは垂直多関節ロボットとも呼ばれ、一般的には人間の腕に近い構造となっています。

特徴

ヒト型双腕協働ロボットは、まさにヒト型の造形をしています。人間で言う腰のあたりにも関節を持ち、前かがみの姿勢を取ることができます。

双腕型のため両手を駆使して、従来の垂直多関節ロボットよりも複雑な組み立て作業ができるのが特徴です。また可搬質量が大きいため、金属部品も扱うことができます。

動きの自由度が高い分、動作を入力するティーチングが難しくはなる点は課題といわれています。しかし技術革新とともに、作業者の負担を軽くするために直感的に扱える専用のソフトウエアも開発が進んでいます。

解決できる課題

ヒト型双腕協働ロボットは自由に動かせる関節が多いため、立体的な作業に向いています。

双腕部分は人間の腕の構造に似た設計をしているため、人間の代替作業をさせるロボットとして合理的な形になっています。

ギヤードクローズドループステッピングモーター

また稼働範囲に比べて設置面積が少ないため、工場現場などでレイアウトしやすく、水平多関節ロボットと比較し上下方向の動作範囲の全てに手先が届く事が特徴です。

従来、仕分け・箱詰め作業 など細かくて複雑な作業は、ロボットによる自動化が難しく、人が作業しなくてはならない課題を抱えていました。ヒト型双腕協働ロボットは複雑な現場であっても、人の作業の代替が担える存在として注目を浴びているのです。

スカラ型双腕協働ロボット

スカラ型双腕協働ロボットは、水平多関節ロボットとも呼ばれ、水平方向の作業に適した構造になっています。

防水ステッピングモーター

特徴

スカラ(SCARA)とはSelective Compliance Assembly Robot Armの略です。スカラ型双腕協働ロボットは、平坦な人作業の置換えのために開発されました。

スカラ型ロボットの双腕に旋回する腰軸を加えることで、部品などを持った腕の姿勢を維持したまま、腰軸で姿勢を変えることができる構造となっています。このため同じ型で複数の場所へのアクセスが安定的に行えることが特徴です。

名前の通り、水平方向の動きに特化したロボットで、関節の回転軸が全て垂直に揃っています。高速に移動して平面上の位置を決めてから、先端部を上下に動かす仕組みになっており、平面的な作業に向いています。

解決できる課題

スカラ型双腕協働ロボットは他の産業用ロボットと比べると小型な造りです。広いスペースを確保しなくても導入できるため、製造現場の限られたスペースを有効に活用しつつ生産性を高めることが可能です。

一般的には作業工程が一方向の半導体ウエハの搬送や、基板など起訴部品の組み立てなどで幅広く利用されています。またスカラ型双腕協働ロボットは他の産業用ロボットに比べて構造が単純なため、制御がしやすくなっています。その分、価格も他の大型ロボットと比べて安価です。

ロボットの運用パワーや導入コストが課題だった中小企業においても、スカラ型双腕協働ロボットは注目を浴びる存在です。

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双腕ロボットの導入事例

協働ロボットと人工知能技術を組み合わせた多品種油圧機器外観検査作業の省コスト化

建機用の多品種油圧パイロット弁の外観検査を、画像認識できるAIと双腕ロボットで自動化しました。

これまで、作業者が目視で傷や刻印の検査を行っていましたが、熟練者でないと困難な作業でした。

ユニポーラステッピングモータ 

そこで、AIと双腕ロボットを活用します。3台のカメラが搭載された画像認識機能付き双腕ロボットを導入したことにより、良品の判定が行え、生産性を向上することができました。

免疫検査抗体製造における凍結真空乾燥準備工程へのロボット導入

インフルエンザの診断に代表されるイムノクロマトという方法の製造工程で凍結真空乾燥があります。

その準備工程で多種のチューブ状容器と濾紙状シートを目視検査を行いながらトレイの上に整列させ、試薬を分注するという複雑な作業を作業者がしなければなりませんでした。

そこで、双腕ロボットと検査カメラをユニット化したシステムを構築し、多種の部材に対応できるようにします。

PM型リニアステッピングモータ

結果、目視検査と整列をロボットに任せることで、作業者は部材の投入と試薬塗布分注された部材の取出しを行うのみとなり、作業時間の削減と品質の安定化が実現できました。

少量多品種化粧品のパウチビニール袋詰め工程のロボット化

化粧品の受託生産では受託先の形状・規格に合せた工程が必要で人手作業が求められており、化粧品パウチビニールの袋詰めを3名で行っていました。

過去にロボットや専用機を導入したことはありましたが、少量多品種であるため、設備に合わせた商品の修正ができず、一般的な産業用ロボットでは自動化が困難でした。

そこで、双腕ロボットと周辺設備を導入し、自動化を行います。結果、双腕ロボットによる多品種変量のビニール袋詰めが実現できました。

作業者も3人から1人になり、人件費も削減可能に。数量の入れ間違いも亡くなり品質向上もできるようになりました。

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単軸ロボットの用途・導入事例

主な用途は搬送

複数台組み合わせることで工場の自動化を進める単軸ロボットと単軸ロボットの主な用途はワークの搬送です。

導入事例

ここでは単軸ロボットの導入事例を2つ紹介します。
バイポーラステッピングモーター

現金（釣銭）出荷作業の自動化システム

釣銭作成機運搬工程において紙幣搬送を行うロボットを導入しました。

単軸ロボットと直交ロボットを組み合わせることでロボットの剛性を高めた結果、労働生産性が1.4倍に向上。

さらに、生産過程で生じていた不要物（ビニール）を削減することができ、環境にも優しいシステムを構築することができました。

1軸ステッピングCNCキット 

球型冷凍おにぎりの成型システム

冷凍球型おにぎりの成型、計量工程にロボットを導入しました。

単軸ロボットと水平多関節ロボットを組み合わせることで作業員への腕への負担を軽減されるとともに生産数はおよそ6,000個/日から21,000個/日へ上昇。成型不良率は1％から0.1％以下に減少させることができました。

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多関節ロボットを導入するときに同時に導入したい周辺機器

多関節ロボット、とりわけ垂直多関節ロボットは非常に汎用性が高く、精密さや繊細さが要求される作業にも対応が可能です。

汎用性が高いために多種多様な現場に応じた周辺機器が普及していますが、ここではシステム構築の上でより一般的な周辺機器を紹介します。

ステッピングモーターバイポーラ 平行軸ギアボックス

安全柵およびエリアセンサー

安全確保のため作業スペースにおいてロボットの稼働空間を仕切り、人間が立ち入りできないようにする柵です。同時に、もしもロボットの稼働空間に人間が存在した場合、それを感知するセンサーを併用してロボットの稼働を停止します。

産業用ロボットの稼働における安全確保は法令で義務づけられており（労働安全衛生規則第150条の4）これは必須の周辺機器です。

ロボット用走行装置

作業スペースにおいてロボット自体を移動させるための装置です。自動車製造のラインや複数の工作機械間でロボットを移動させます。

床面を走行するのみならず、天井からロボットを吊るして移動させるタイプのものもありますので、作業スペースの大きさや形状に応じた導入が可能です。

ブラシレスDCモータ

コンベア

上記のロボット用走行装置とは反対に、ロボットは据え置きにして対象のワークを自動搬送する装置です。連続的な搬送によっていわゆる流れ作業を実現します。

またコンベアはただ単に一定速度でワークを流し続ければよいというものではありません。たとえば不規則な間隔でワークが運ばれてきたり、あるいはコンベア上でのワークの位置や向きがまちまちであるような場合には、それをフィードバックしてロボットの動作が追従するように調整する仕組みが必要になります。

これをコンベアトラッキングと言います。多関節ロボット＋コンベアの導入にはこうしたトラッキングのためのセンサーも必須です。

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金属3D積層造形の造形方式

パウダーべッド方式(PBF：Powder Bed Fusion)

金属粉末を敷き詰め、造形する部分にレーザや電子ビームを照射し溶融・凝固させ積層させる方法です。複雑形状の高精度製品を造形するのに向いています。

金属積層造形においては最もよく利用されている方式で、航空宇宙分野では、ジェットエンジンの噴射ノズルやタービンブレード、ロケットのエンジン部品などへの適用が進むといわれています。

また、医療分野では、カスタムメイドが可能なためインプラントへの適用が進んでいます。さらには、自動車分野における試作品や小ロット部品、産業機器分野におけるタービンなどの部品への適用が進みつつあります。

※近畿大学次世代基盤技術研究所には、このパウダーベッド方式の金属3Dプリンタ(SLM Solutions社製SLM280HL)や、国家プロジェクトにおける要素技術研究機も設置されています。

イメージ

デポジション方式(DED：Direct Energy Deposition)

金属などの材料粉末とレーザまたは電子ビームを造形部分に同時に照射し、溶融・積層して造形する方法です。既存製品の補修や、比較的単純な形状で大型の造形品の製造に向いています。

デジタルステッピングドライバ

ジェットエンジンのブレードや種々な部品の補修に利用されています。また、ロケットエンジンの配管部品などへの適用も進められています。

最近では、溶接と同様にアーク放電を利用する方法も注目されています。

LMDとは…材料粉末とレーザーを同時照射するイメージ

LMDとは…任意の部分を溶融・積層させるイメージ

バインダージェッティング方式(Binder Jetting)

金属粉末などにバインダー(液体結合剤)を噴射して選択的に造形する方法です。現在は主に砂を材料としたものに利用されていますが、最近では金属粉末へも適用され始めています。

ギヤードクローズドループステッピングモーター

金属粉末射出成形(MIM)法のように成形体を成形した後、バインダーを除去し、焼結して造形体を作製します。

パウダーべッド方式やデポジション方式に比べ、密度は低くなりますが、微細形状の小型部品に向いています。

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