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産業用ロボットは米国生まれの日本育ち？
日本で初めて産業用ロボットが誕生したのは、もう半世紀も前の話です。1968年、米国のベンチャー企業・ユニメーション社と技術導入契約を結んだ川崎重工は、国産化に着手。1969年に、国産第1号の「川崎ユニメート2000型」を完成させました。
これ以降、日本の産業用ロボットは、自動車産業を中心に、開発が加速。大きな世界シェアを獲得する一大産業に成長し、現在の「ロボット大国」の礎を築きました。産業用ロボットは、「米国生まれの日本育ち」と言えるかもしれません。
産業用ロボットは大きく分けると6種
産業用ロボットは、自動車産業だけでなく、電子・電気産業や食品産業など、幅広い分野で活用されています。それぞれの現場で、溶接、塗装、組み立て、仕分け、運搬など、幅広い使われ方をしており、そうした作業に対応すべく、製品として非常に多くの種類が用意されています。
これだけ様々な分野で活用されている産業用ロボットですが、実は大きく6種類に分類されることをご存じでしょうか。ここでは、その産業用ロボットの「種類」について紹介していきます。
分類のポイントは「関節の種類と構造」
産業用ロボットの分類方法は作業種類別、産業分野別、サイズ別など様々ですが、ここでは「関節の種類と構造」に注目してみましょう。
ロボットの「関節」は、人体の関節とよく似ていますが、異なる部分もあります。ロボットの場合、関節の駆動にはモーターが使われることが一般的です。関節の形態は、人間の肘は手首と同じように動く回転関節と、上下・前後・左右に伸縮することで動く直動関節があります。
「人間の関節」はロボットでいうと「軸」
人間の腕は伸び縮みしないので、関節と呼ぶにはちょっと違和感があるかもしれませんが、ロボットの場合は、回転関節も直動関節も1つの関節としてカウントします。関節の数は「軸」や「自由度」という単位で表し、たとえば関節が5つのロボットは「5軸」「5自由度」と言うことができます。関節の数はロボットを知るうえでの1つのポイントになります。
ロボットの先端には、物を掴むためのハンドや、作業に使う工具などが装着されます。ロボットは、この先端部の位置を移動させることで様々な作業を行いますが、この世界は3次元なので、先端部を空間上の任意の位置に運ぶためには、3つ以上の関節が必要です。さらに、先端の角度まで考慮すれば、最低でも6つの関節が必要になります。
複数の関節をどのように配置するか。これにより、ロボットの種類は以下の6つに分けることができます。
産業用ロボットの元祖は「極座標型ロボット」
砲台のように中心に旋回軸があり、作業を行うアームは上下回転と伸縮が可能なロボットです。ロボットの周りの広い範囲に先端が届くよう考えられており、産業用ロボットの初期に広く普及しました。冒頭で述べた川崎ユニメート2000型もこのタイプです。
50年の長い伝統を持つ「円筒座標型ロボット」
旋回軸を持ち、アームが伸縮するところは極座標型と似ていますが、こちらのアームは上下回転ではなく上下方向に移動するロボットです。特徴は極座標型とほぼ同じで、こちらも初期に多くのロボットで採用されていました。現在でも、液晶パネルの搬送などに利用されています。
制御がシンプルな「直角座標型ロボット」
3次元の動きを回転ではなく、縦、横、高さという3方向の直交するスライドのみで実現するロボットです。動きとしては、ゲームセンターにあるクレーンゲームを想像すると分かりやすいでしょう。作業範囲に対し、設置面積が大きくなりがちですが、精度が高く、制御が簡単という特徴があります。重量物の搬送などに利用されています。
どんな動きも可能な「垂直多関節型ロボット」
現在、最も普及しているタイプの産業用ロボットです。垂直多関節型は、人間の腕の構造に近いスタイルのロボット。動きの自由度が非常に高く、回り込んでの作業も得意ですが、制御はやや複雑になります。自動車の溶接など、様々な用途で使われています。
組立が得意な「水平多関節型(スカラ型)ロボット」
水平方向の動きに特化したロボットです。関節の回転軸が全て垂直に揃っているため、アームの先端は必ず水平面内を移動。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。半導体ウエハの搬送や、基板の組み立てなどで幅広く利用されています。
とにかく早く動ける「パラレルリンク型」
前述の多関節型は関節が直列(シリアル)に繋がったタイプでしたが、パラレルリンク型は並列(パラレル)に配置されたロボットです。一般的には、3本のアームで先端部の位置を制御する方式が多く、ベルトコンベアで流れてくる食品の整列や選定などに利用されます。可動範囲はやや狭いものの、各関節が直接、先端を制御するため、非常に高速に動けるという特徴があります。
適切なロボットを選択することが重要
このように、一口に産業用ロボットと言っても、関節の種類と構造により、可動範囲、精度、速度などの特性が異なり、それぞれに得意な作業があります。自動化したい作業にはどのタイプが適しているのか、産業用ロボットを導入する際には、事前によく検討することがとても重要です。
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日本では、昭和43年頃から本格的に産業用ロボットの開発がはじまり、高度経済成長とともに急激に発展しました。特に自動車・自動車部品業界では、産業用ロボットが積極的に導入され、溶接や搬送などの自動化により生産性向上に大きく貢献。そして少子高齢化によって人材確保が困難になっている現代日本では、その打開策として産業用ロボットによる省人化に注目が集まっています。こちらでは、改めて産業用ロボットを導入するメリットについてご紹介します。
省人化～労働力確保＆運用コスト削減～
産業用ロボットを導入する最大のメリットが「省人化」です。ロボットが人間に代わり生産工程を担当することで作業員を減らし、重要な作業に最適な人員配置ができるので労働力確保＆運用コスト削減につながります。少子高齢化によって人材確保が困難になっている現代日本において産業用ロボットの活用が鍵を握っています。
ロボットなら長時間稼働ができ、労働力確保が容易になる
製造コストの大部分を占める人件費の削減ができ、製造コストの引き下げや利益率拡大につながる
単純作業をロボットに割り当てることで最適な人員配置ができる
過酷な環境、危険な環境での作業をロボットに任せることで労働環境が改善する
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3Dプリンターで使用する材料の選び方
材料を選ぶ時は、作りたい形状(大小・見た目の仕上がりなど)や用途(実用品・装飾品・ビジネス用など)はもちろん以下のポイントもチェックした方が良いでしょう。
●どのくらいの造形精度が必要か
●どのくらいの強度が必要か
●造形物に着色をしたいかどうか
●造形物を研磨したいか
●使用するときの環境はどのような状況か
（室内／屋外・温度は高い／低い など）
3Dプリンターで使用する主な素材と特徴を紹介
材料は3Dプリンターの方式ごとに変わってきます。
5つの方式ごとに様々な材料について紹介します。
▼印刷方式一覧
1.熱溶解積層方式（FFF/FDM）
2.光造形方式（SLA/DLP）
3.粉末焼結方式（SLS）
4.インクジェット方式
5.粉末固着方式（バインダージェッティング）
▼熱溶解積層方式(FFF・FDM)
溶かした樹脂をソフトクリームのように下から上へ一層ずつ材料を積み上げ作品を作り上げていきます。
一般ユーザー・企業向けどちらの用途においても最も多く用いられる一番メジャーなプリント方式です。
また熱溶解方式の材料は一般的に「フィラメント」と呼ばれます。
【PLA】
●特徴
3Dプリンターの材料は溶けた状態から固まる際に熱収縮が起こります。
特に冬場は気温の低下によって熱収縮が大きくなり「反り」が起こりやすくなります。
しかしPLAは、熱収縮や反り等に強いため「安定して造形」ができます。
そのため初心者の方でもお使いいただきやすく人気の材料となっています。
また植物成分由来となっているため、土に埋めると自然に還ります。
環境負担も少なく環境にやさしい素材です。
カラーバリエーションも多く、造形を楽しむことができます。
●注意点
とても固いプラスチックのため、造形品の研磨（ヤスリがけ）がしにくい特徴があります。
また塗装がしにくい（塗料がうまく乗らない）という特徴もあります。
（サーフェイサーで下地処理をすることで塗装はできます）
●どんな造形に向いているか
大きい造形、後加工の少ない造形など
【ABS】
●特徴
ABSも3Dプリンターの材料としてよく使われている人気の材料です。
ABSはPLAに比べて柔らかく、造形後に表面を磨いたり塗装をするなどの加工に向いている材料です。
そのためアート系の方やフィギア作りをしている方など、造形後に後処理加工を行うユーザーに人気の材料となっております。
カラーバリエーションも多いです。
●注意点
ABSは「柔らかい」という大きなメリットの反面で、PLAと比べて造形時に熱収縮が起こりやすい特徴もあります。
そのためプラットフォームを加温できる機種でなければ使用できない材料となります。
（プラットフォームを加温することで熱収縮を小さくして反りを防止する必要があります）
※使用可能機種：
ダヴィンチJr.ProX+ / ダヴィンチ1.0Pro / ダヴィンチ1.0Pro 3in1
●どんな造形に向いているか
後加工が必要なプラモデルのパーツなど
【タフPLA】
●特徴
タフPLAはABSとPLAの「メリット」を組み合わせたような材料です。
（XYZプリンティングのオリジナル商品です）
ABSのメリットである「造形品の研磨、塗装がしやすい」という特徴と、PLAのメリット「造形がしやすい」という特徴を掛け合わせた材料です。
PLAと同様にプラットフォームの加温がなくても造形ができるので全ての機種で使用することができます。
●注意点
カラーバリエーションがホワイトとブラックの2色のみとなります。
●どんな造形に向いているか
強度も見た目の滑らかさもバランスよく作りたいという作品など
【PETG】
●特徴
PETGのもととなるPET（ポリエチレンテレフタレート）は、ペットボトルの材料として、世界で最も利用されているプラスチック材料です。
PETGはPETよりも丈夫で耐久性のある材料となります。
材料の特徴として「耐久性が強く、衝撃に強い頑丈な点」が挙げられます。
また耐候性も高く造形後も黄変しにくいといった特徴もあります。
（フィラメントは通常、紫外線にあまり強くないので造形後の品質低下に繋がります）
タフPLAと同様にABSとPLAの良いところを掛け合わせた特徴を持ち、造形もしやすいので、プラットフォームの加温も不要で全ての機種で使用することができます。
●注意点
PETの特徴を持つため、カラーが透明系のみになります。
●どんな造形に向いているか
消耗品ではなく長期的に使っていきたい作品、クリア色で作りたい作品など
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今回はステッピングモータの運転パターンや励磁方式、マイクロステップ駆動を紹介します。
９－２ ステッピングモータの駆動運転
ステッピングモータの運転パターン
矩形駆動（自起動運転パターン）
加速、減速区間を設けずに、起動、停止させる基本運転パターンです。 しかし、この運転は、自起動領域内でしか使用できません。
台形駆動（速度制御運転パターン）
加速、減速区間を設け、目標定速に達するまでパルス速度を徐々に変化させる運転です。 イナーシャが大きな場合の起動や、精度良く停止位置決めする場合などに用います。
ステッピングモータの励磁方式
各相のコイルへ決まった順番で電流を流す方式を励磁方式といいます。 励磁方式には、1相励磁、2相励磁、1-2相励磁の3種類が基本になります。 この励磁方式を運転用途（シーン）に応じて使い分けします。
1相励磁
主にユニポーラモータで使用します。 1相ずつ励磁位相を進める方式で、フルステップ駆動ともいいます。 消費電力は少なくなりますが、振動が発生し易くなります。
2相励磁
バイポーラモータでのフルステップ駆動方式です。 2相ずつ励磁位相を進める方式です。 ユニポーラモータの１相励磁よりも、 出力トルクが大きくダンピング性に優れており、より滑らかに動作します。
1-2相励磁
1相励磁と2相励磁を交互に繰り返す方式で、ハーフステップ駆動ともいいます。 モータのステップ角分解能は、1相や2相励磁方式の半分になります。 2相励磁よりも更に滑らかに動作します。
マイクロステップ駆動
フルステップ、ハーフステップ駆動が、2つのコイル電流をON/OFFし一定角ずつ回転させるのに対し、 マイクロステップ駆動は、2つのコイル電流比率を階段状に変化させることで、 更に細かいステップ角で回転させることができます。
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一般的な駆動モードには次のものがあります。
・ウェーブドライブ（直接波形駆動）（１相励磁）
・フルステップ駆動（２相励磁）
・ハーフステップ駆動（１－２相励磁）
・マイクロステップ駆動（モータ電流を連続的に変化させる）
ウエーブドライブ／１相励磁では、ある時間内で巻線が１本だけ励磁されます。固定子は、Ａ→Ｂ→／Ａ→／
Ｂ（「／Ａ」はＡの反転論理を示す）というシーケンスに従って励磁され、回転子は位置８→２→４→６と移動
します。同じ巻線パラメータをもつユニポーラおよびバイポーラ巻線モータでは、この励磁モードでは機械的位
置は同じになります。この駆動モードの短所は、定められた時間内にユニポーラモータでは総モータ巻線の２５
％のみ、バイポーラモータでは５０％のみしか使用できないことです。このことは、モータから最大出力トルク
を得られていないことを意味します。
フルステップ駆動／２相励磁では、任意の時間に２つの相を励磁します。固定子は、Ａ・Ｂ→／Ａ・Ｂ→／
Ａ・／Ｂ→Ａ・／Ｂというシーケンスに従って励磁され、回転子は１→３→５→７と移動します。２相励磁で
は、１相励磁と同じ角移動量になりますが、機械的位置は１相励磁の１／２だけオフセットが加えられます。ユ
ニポーラ巻線モータのトルク出力は、バイポーラモータよりも低くなります（同じ巻線パラメータのモータの場
合）。これは、バイポーラモータが巻線全体を使用するのに対して、ユニポーラモータは使用可能な巻線の５０
％だけしか使用しないためです。
ハーフステップ駆動／１－２相励磁は、１相励磁と２相励磁を組み合わせたものです。２番目のステップごと
に、１つの相のみが励磁され、その他のステップでは各固定子の１フェーズが励磁されます。固定子は、Ａ・Ｂ
→Ｂ→／Ａ・Ｂ→／Ａ→／Ａ・／Ｂ→／Ｂ→Ａ・／Ｂ→Ａというシーケンスに従って励磁され、回転子は１→２
→３→４→５→６→７→８と移動します。この結果、角移動量は１相励磁または２相励磁の半分になります。１
－２相励磁によって、１相励磁または２相励磁で見られる共振現象が低減されます。
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