ロボットとは?

当社は、仕事をするロボットを産業用ロボットと位置付け、開発・生産・販売を行っています。
溶接やハンドリング、組立、塗装、それにクリーンルーム内における液晶・有機ELディスプレイ・半導体製造分野などでのハンドリング・搬送など、あらゆる産業分野で活躍しています。

近年、ロボットはさらなる高速化や高精度化、複雑な動作への対応や人共存に向けた安全機能の強化によって、産業用にとどまらず様々な分野に活躍の場を広げています。今後も、より人に近い分野で活躍するロボットの開発がますます進んでいくでしょう。

ロボットの構成部分を見てみよう

産業用ロボットは、
・ 動作を行い作業をする「マニピュレータ」
・ マニピュレータを動かし、制御する「コントローラ」
・ マニピュレータに動作を教える「プログラミングペンダント」
の3点で構成されており、安川電機ではこれら重要なコンポーネントを全て自社で開発・生産しています。

構造と特徴

そもそも、「産業用ロボット」とはなにか?

「産業用ロボット」は、日本工業規格JISで、「自動制御によるマニピュレーション機能または移動機能をもち、各種の作業をプログラムによって実行でき、産業に使用される機械」と定義されています。
さらに、「産業用マニュピュレーティングロボット」は、「三つ以上の軸をもち、自動制御によって動作し、再プログラム可能で多目的なマニピュレーション機能をもった機械」と定義されています。
つまり、産業用ロボットは、形ではなく大まかな機能が定義されています。

「産業用ロボット」に求められるものは?

産業用ロボットの使命は、「作業に適した専用(または汎用)の道具を、作業を実行する場所まで早く移動して、その道具を効果的に作動させる」という行為を何度でも繰り返すことができることです。

例えば、アーク溶接作業では、ロボット(マニピュレータ)の先端に取り付けた溶接トーチ(道具)を溶接するワークまで移動させ、溶接機に指令を与えながら溶接開始位置から終了位置まで早く正確に移動させることが求められます。

また、ハンドリング作業では、ロボット(マニピュレータ)の先端に取り付けた、品物を掴むツール(道具)を、搬送する品物が置かれている場所まで移動し、指令をツールに与えることで品物を掴み、決められた場所までを移動し、ツールを開いて品物を置くことを早く正確に行う必要があります。

このため、産業用ロボットには、早く移動するための「スピード」、正確な位置で止まったり、移動中にぶれたりしないための「精度」、そして作業できる領域の「広さ(可動領域)」が基本的な能力として求められます。(これに加えて、コストや周辺装置との効率的な連携、ロボットの使いやすさなどの能力も重要ですが、ここでは、基本的な能力だけに着目します。)

「産業用ロボット」の種類と特徴

ロボットの種類は、「スピード」、「精度」、「可動領域」のうち、何を最も重視するかで変わります。

産業用ロボットの代表的な機構には、「直交座標型」、「円筒座標型」、「極座標型」、「水平多関節型」、「垂直多関節型」、「パラレルリンク型」があります。それぞれの特徴を紹介しましょう。

・直交座標型ロボット

直交座標型 2軸もしくは3軸の直交するスライド軸により構成される。

直交座標型ロボットは、スライドする軸を組合せたシンプルな構造です。複雑な動作はできませんが、精度が高く、制御しやすい特長があるので、小さな部品の組立、電子回路の実装など、半導体、医療、薬品の分野に適しています。

 

・円筒座標型、極座標型ロボット

極座標型
旋回軸を中心にアームが上下に回転し、さらに伸縮する。

円筒座標
旋回軸を中心にアームが上下方向に移動し、さらに伸縮する。

円筒座標型や極座標型は、初期の産業用ロボットに採用された構造で、ロボットを中心とした「可動領域」は広いのですが、回り込みが必要な複雑な作業にはあまり向いていません。

 

・水平多関節型・垂直多関節型ロボット

垂直多関節
複数の関節(軸)をもち、関節とリンクが垂直で直列に繋がり、アーム先端が垂直面内を広範囲に移動。

水平多関節
複数の関節(軸)をもち、関節とリンクが水平で直列に繋がり、アーム先端が水平面内を広範囲に移動。

水平多関節型や垂直多関節型は、複数の関節がリンクで繋がり、各リンクが関節の周りで回転運動を行います。関節の数が多いほど自由度が高く、回り込み作業など複雑な動きができます。このため、今のロボットの多くはこの多関節型を採用しています。また、垂直多関節型ロボットは人間の腕の構造に似ているので、「人の代わりに」作業を行うには最も合理的な形と言えるでしょう。
多関節型は、モータで動く関節とリンクが直列に繋がった構造となっているため、シリアルリンク型と呼ぶこともあります。シリアルリンク型は、モータの先にモータが繋がった構造となっているため、根元の軸に近いほど大型のモータが必要となり、持ち上げられる力(可搬重量)に比べて、ロボット本体の重量が重くなってしまいますが、「広い可動領域」と「高い自由度」を得ることができます。

・パラレルリンク型ロボット

パラレルリンク型
先端を複数の軸で並列に同時に動作。

シリアルリンク型に対して、ロボットの先端を複数の軸(モータ)で並列に動作する構造はパラレルリンク型と呼びます。パラレルリンク型は、シリアルリンク型に比べて動作範囲が物理的に制限されてしまうため、可動領域は狭くなりますが、根元にある複数のモータが力を出し合ってロボット先端だけを動作させるため、可搬重量が大きく、非常に速い「スピード」が得られるのが特徴です。
当社の新製品、食品・化粧品・薬品など小物搬送用ピッキングロボットMOTOMAN-MPP3はこの構造を採用しています。

 

用途最適化をコンセプトに進化しつづけるMOTOMAN

アーク溶接用途から出発した当社の産業用ロボットMOTOMANは、様々な生産現場の用途に応じて発展してきました。

求められる「スピード」、「精度」、「可動領域」に応え、今日では当社は「アーク溶接」だけではなく、「スポット溶接」、「ハンドリング・組立て」、「シーリング・切断」、「塗装」から、「液晶ガラス・パネル搬送」、「半導体ウエハ・太陽電池用ガラス基板搬送」まで、あらゆる作業用途に最適な様々なロボットを開発・販売しています。

関節の数と運動学計算

人間の腕の自由度はいくつ?

みなさんは自分の腕の自由度がいくつあるかということを考えたことがありますか?
(ここでいう“腕”とは、肩から手首までで、指のある手は含みません。)

答えは、「7つ」です。肩から順番に数えてみます(図1)。

1.肩の前後の自由度
2.肩の左右の自由度
3.上腕(二の腕)を捻ることができる自由度
4.肘を曲げたり伸ばしたりすることができる自由度
5.前腕を捻ることができる自由度
6.手首を掌方向に曲げる自由度
7.手首を横に動かす自由度

垂直多関節型産業用ロボットの自由度はいくつ?

では、工場でアーク溶接などの作業を行う一般的な垂直多関節型産業用ロボットの自由度数はいくつでしょうか?(手先のグリッパなどの自由度は含みません。

答えは、「6つ」です【S軸、L軸、U軸、R軸、B軸、T軸の6つ】(図2)。

だから「6軸垂直多関節型」なのです。でも、人間の腕の自由度(7つ)よりも一つ少ないのはなぜでしょうか?

3次元空間で動く自由度はいくつ?

人間が生活する空間は3次元空間です。

3次元空間で物体の位置と姿勢をXYZ軸の直交座標系で表すと、X軸方向の1自由度、Y軸方向の1自由度、Z軸方向の1自由度、それから、X軸周りの1自由度、Y軸周りの1自由度、Z軸周りの1自由度の合計6つとなります。

一般的な産業用ロボットの自由度6つと、3 次元空間で物体の位置姿勢を表す自由度6つとが一致します。つまり、3 次元空間でロボットの機構は最低で6自由度で構成すれば、ロボットの手先は自由な位置と姿勢で動くことができます。このため、6自由度すなわち6つの関節を持つ産業用ロボットは、いろいろな場所にいろいろな角度で部品が置かれていても作業ができるのです。(作業範囲に制限はあります。)

多関節をどう動かすか?-運動学計算

各関節を動かすと手先はどう動くか、逆に手先の目標を設定したときに、各関節の角度をそれぞれ何度にすればよいかは、運動学計算で求めることができます。

この運動学計算とは、ロボットの各関節の角度とロボットが作業する手先の位置姿勢(直交座標系)の関係を求める計算で、キネマティクス(kinematics)とも言います。例えば工場の製造ラインで部品をピックアップし、その部品をある方向に正確に10mmだけ移動したいという場合に、各関節角度を何度にすればよいかをこの運動学計算で求めることができます。

運動学計算の中でも、ロボットの各関節【図3のθS、θL、θU、θR、θB、θT】から手先の位置姿勢【図3のP(x,y,z,RX,RY,RZ)】を求める計算を「順運動学計算」*といいます。
逆に、手先の位置姿勢からロボットの各関節角を求める計算を「逆運動学計算」*と呼びます。

この運動学計算、特に、逆運動学計算のおかげで、産業用ロボットのプログラミングペンダントの操作で簡単にロボットの先端を平行に動かしたり、一点を中心に回転したりすることができるのです。この動作のときに、ロボットコントローラが一所懸命にsinやcosなど複雑な関数を用いて、逆運動学計算を行なっているのです。

*運動学計算はキネマティクスとも呼ぶことから、専門家は順運動学・逆順運動学計算のことを略して「順キネ」・「逆キネ」と呼ぶことがあります。

PAGE TOP