スカラロボットの構造

スカラロボット(水平多関節ロボット)とは、水平方向にアームが動く多関節のロボットです。スカラロボットの「スカラ」は、英語名(Selective Compliance Assembly Robot Arm)の頭文字から来ています。

可動範囲に制限はありますが、上下方向の剛性に優れているのが特徴です。

一般的にスカラロボットのマニピュレーター(本体部分)は平面3自由度の位置決めと先端部の上下運動による4軸で成り立っており、主に次の2つの部分から構成されています。

水平に動く部分
スカラロボットはその場の通り水平方向への移動を得意とします。ロボットの胴体部分が水平方向に高速移動をすることでワーク(取り扱う製品・目標物)に狙いを定めます。

垂直に動く部分(先端部分)
スカラロボットの先端部分は垂直に動くようになっています。そのため組立や基盤への部品配置といった「押し込み動作」を再現できます。

また先端部に様々な機能を持つユニットを付加することにより、様々な用途に対応可能です。

たとえば用途に合わせて次のようなユニットを取り付けることができます。

①吸着パッド or チャックハンド(用途:ピック&プレース)
②電動ドライバ(用途:ネジ締め)
③製品に合わせた形状の治具(用途:圧入)
④ディスペンサ(用途:材料塗布)

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エネルギーを動きに変える装置 ~アクチュエーターとは~

「アクチュエーター」は、ロボットやカメラなど、さまざまな精密機器に利用されています。フタを自動的に開閉させたり、チューブの先を曲げ伸ばししたりするなど、機械の精密な動作に欠かせないものです。しかし、見えない場所に取り付けられていたり、別の名称で呼ばれていたりすることも多いので、「見たことない」「初めて聞いた」という人も少なくないかもしれません。アクチュエーターとはどのようなものなのか? どのようなところに使われているのか? アクチュエーターについて解説していきます!

「アクチュエーター」って何?
「アクチュエーター」とは、“エネルギー”を、直進移動や回転・曲げなど、何らかの“動作”に変換する装置のことです。入力されるエネルギーには、電気のほか、空気や油による圧力(空気圧、油圧)、電磁石による磁力、蒸気や熱など、さまざまなものがあります。アクチュエーターを使うことで、物を動かしたり、物の動きを制御したりできます。

例えば、ロボットの関節を動かすことや、ラジコンカーのタイヤを動かして方向を変えるためには、「サーボモーター」という電気で動作するアクチュエーターが使われます。パワーショベルなどの建設機械は、油による圧力で伸び縮みする「油圧シリンダー」というアクチュエーターが使われています。他にも、人の目では見えないほど小さな物を動かすためのアクチュエーターや、アクチュエーターの動作を制御するためのアクチュエーターもあります。

モーターやエンジンも、広い意味ではアクチュエーターに含まれます。また、モーターやエンジンによる駆動力を使って動作するアクチュエーターもあります。アクチュエーターは種類が多く、入力されるエネルギーや信号、それによる動作もたくさんあり、世の中で動作をしている機械には、さまざまなアクチュエーターが数多く使われているのです。

どんなアクチュエーターがある?
代表的なアクチュエーターをいくつか紹介します。

サーボモータ
電気をエネルギーとして動作するアクチュエーターです。モーター、またモーターがどこの位置まで回転したかなどを見分ける検出器、そしてそれらをコントロールする制御装置の、3つの要素がひとつになっています。これにより、指定した速度で、目標の位置に物を動かすことができます。先に説明したロボットやラジコンカーのほか、自動車や工場で動く機械など、さまざまな装置に使われています。

電磁アクチュエーター
電磁石による磁力をエネルギーとして動作するアクチュエーターです。電気を流し、内蔵されたコイルに磁力を発生させ、コイル内に通した鉄芯が動くことで、短い移動量でも前後動作や回転動作が行えます。この電磁アクチュエーターには、ソレノイドアクチュエーターやボイスコイルモーターなどが含まれます。空気や油で動作するシリンダーよりも速く動くので、機械の動きを制御するスイッチや、水や空気の流れを制御するバルブの弁の開閉などに使われます。

ピエゾアクチュエーター
電圧をかけると変形する圧電素子(ピエゾ素子)を使ったアクチュエーターです。動作の移動量は非常に短いものの、高速で動作させることができるので、超音波を発生させる装置などにも使われます。また、人の身体の中に入れることができるような非常に小さな医療機器の駆動装置や、微細なマイクロマシン技術で使われることもあります。

どんな製品にアクチュエーターは使われている?
オリンパスの製品にも、さまざまなアクチュエーターが使われています。

胃や腸の内部を撮影する内視鏡には、人の身体の中で内視鏡の先端に搭載されたレンズを動かすために、髪の毛ほどの細さのアクチュエーターが使われています。これにより、病気の要因となっている部分を素早く拡大して見ることができます。この際、わずか0.5mm程度の動作を行うので、非常に精密な制御が必要です。

さらに、通常のレンズを使って見ることができない、ナノレベルの測定を行う走査型プローブ顕微鏡(SPM)というものがあります。SPMでは、先端を数10nm(ナノメートル。1nmは0.000001mm)程度に鋭く尖らせた顕微鏡用マイクロカンチレバーという小さな針を使います。顕微鏡に設置したマイクロカンチレバーを細かく振動させることにより、測定したい対象物の表面形状を測ることができます。例えば、微細な製品が正しい形になっているのかを確認したり、キズや異物の付着がないかを調べたりすることができます。そうしたマイクロカンチレバーを動作させるために、ピエゾアクチュエーターが使われています。

このように、医療や最新技術を必要とする現場では、精密に動作するアクチュエーターの存在が欠かせません。オリンパスの製品には、独自の技術で開発したさまざまなアクチュエーターが使われています。それらの製品は、日々の生活だけでなく、最新の医療や研究現場で活用され、よりよい未来をつくる力となっているのです。

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産業用ロボットにAIを搭載する4つのメリット

産業用ロボットにAIを搭載することによってどのようなことができるようになるのでしょうか?4つのメリットを紹介します。

ロボットティーチングを自動化できる
従来の産業用ロボットではロボットに作業内容を教えるための「ロボットティーチング」のコストが課題とされていましたが、AIを搭載した産業用ロボットであればAIにティーチング作業を代替させることが可能です。

その結果、人間がティーチングをしなくともロボットが自動的な作業内容を習得する「ティーチングレス」の状態を実現することが可能になります。

AIを搭載した産業用ロボットを導入すれば、AIに備わっている自己学習機能によって製品パターンなどを自動的に学習し、多品種製品を自動で仕分けたり、高い精度でハンドリング・検品したりすることが可能になります。

たとえば2016年に経済産業大臣賞を受賞した「完全ティーチレス/ばら積みピッキングMUJINコントローラ PickWorker」は、最初の簡単な設定のみでティーチングレスを実現できるAI搭載ロボットです。

多品種多変量処理にも柔軟に対応できる
AIを搭載した産業用ロボットを導入することによって、従来の産業用ロボットが苦手としていた多品種多変量の製品を取り扱う作業も効率化することができます。

たとえば、大きさや向きが不揃いな製品の位置や角度などを認識しアームを柔軟に制御して取り出す作業や、熟練工の腕や経験に頼っていた繊細な外観検査などもAI搭載ロボットで再現することが可能となりました。

ロボットの故障を事前予測することができる
AIによってロボットの動作音や振動データを収集、解析して異常を自動検出する仕組みも開発されています。

この仕組みを活用すればロボットの故障を事前に予測できるので、メンテナンスを適切なタイミングで行うことができ、故障防止に繋がります。

従来の産業用ロボットに組み込むことも可能
産業用ロボット向けに開発されたAIは互換性が高く、すでに現場で稼働しているロボットに追加で搭載することも可能です。

導入時の初期コストはかかるものの、上述のティーチングコストの削減など費用対効果が高いので、長期的に見れば先行投資としてAI搭載を検討する価値は十分にあるでしょう。

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それぞれのロボットハンドの特徴

把持ハンドと吸着ハンドはそれぞれ対象物をつかむ方法が異なるため、特異なものや苦手な作業などが異なります。それぞれの特徴について見ていきましょう。

把持ハンドの特徴
指を持つ把持ハンドの特徴としては、次の3つがあります。

指の本数は対象物によって異なる
把持ハンドの指の本数は2本や3本、4本のものがあります。軽いものや小さなものは2本指でつかみ、大きなものや形状が複雑なもの、2本指では安定しないものに関しては3本以上の指を使うことが一般的です。

なお、人間の手のように5本指のものもあり、4本の指を親指に該当する指と向き合う形で配列しているため、他の本数の指を持つロボットハンドと比べて、丁寧かつ対象物に負荷をかけずにつかめるという特徴があります。

デリケートなハンドリングが求められるシーンで使われる
食品や医療機器などの繊細なものを扱う際にも、大抵のケースにおいては3本以上の指の把持ハンドであれば対応できます。

面取りをして指の形状を滑らかにすることで、対象物を傷つけることなく運ぶことができるようになります。また、つかむ力をコントロールすることでもデリケートなものを扱えるようになるので、プログラミングで調整します。

強い圧力が必要なシーンでも使用できる
溶接や切削などの場面では、強い圧力でしっかりと対象物をつかむ必要があります。把持ハンドのつかむ力を強めに設定することで、圧力が必要なシーンでも対応できるようになります。

吸着ハンドの特徴
「つかむ」のではなく吸着させることで対象物を運ぶ吸着ハンドには、主に次の3つの特徴があります。

真空パッドで吸着させるものも多い
真空発生器で真空を発生させ、真空パッドに対象物を吸着させて運ぶタイプの吸着ハンドがあります。吸着するものの材質を問わず使用できるので、幅広い場面で使われています。

ただし、対象物の表面に穴が開いていたり、多孔質の表面のときは使えません。例えば発泡スチロールや外壁用ブロックなどは、多孔質のため真空状態を作ることができず、吸着することは不可能です。

磁力によって吸着させるタイプもある
電磁石の入/切で物体を吸着させるタイプの吸着ハンドもあります。なお、電磁石のオンオフは電流で行います。

鉄やニッケルコバルトなどの磁力に引き付けられる素材のものは吸着できますが、非鉄金属は吸着できないので用途は限定されます。ただし多孔質のものでも吸着できるので、金網や鉄製のスポンジなどには利用できます。

吸着パッドの数は対象物による
吸着ハンドによって、吸着パッド数が異なります。6点式のパッドは安定が高いですが、容易に吸着パッドにくっつくものや小さなものなどは少ないパッド数で運ぶこともあります。

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最適なロボットアームとは?

最適なロボットアームの選択は骨の折れる作業です。市場には膨大な数のロボットアームが存在するからです。また、価格や適用可能な業界、機械が生産に与える影響などが分からないという方もいらっしゃるでしょう。

この記事をお読みいただき、ご自身の事業に最適なロボットを見極めてください。記事ではまず、典型的なロボットアームを見分けるコツをご紹介します。
また、典型的なロボットアームとその適用場面を知ることができます。さらに、ロボットがご自身の事業にどのような影響を与えるか、そしてインテリジェントマシンを使用できる産業を理解することができます。他にも様々なことをご紹介いたしますので是非記事をご覧ください。

・ニーズに合った最適なロボットを選ぶ
一般的なロボットアームは、関節、アーティキュレーション、マニピュレータなどを使って動作します。関節は、連結された2つの部分の相対的な動きを可能にします。2つ以上の関節で構成されているのがアーティキュレーションです。
また、先端が固定されているものと、自由に動くものとがあり、マニピュレータと呼ばれています。ロボットアームを選択する際に考慮すべき点は、使用目的に応じた自由度と精度です。
代表的なロボットアームには次のようなものがあります。

・多関節ロボット
4軸、6軸、7軸のロボットアームは、3次元的な動作を必要とする製造作業に最適です。また、X、Y、Z方向の動作が可能なため、大規模な組立作業に最適です。

・水平多関節ロボット
このロボットアームは、組み立て作業のスピードを重視する場合に適しています。極めて狭い作業スペースでも素早く作業をこなすことができます。これは、放射状の可動域により狭い作業スペースでも効率的に対応できるからです。

・直角座標ロボット
直線的な動きを必要とする組立作業には欠かせませないロボットアームです。X軸方向とY軸方向の両方の動きができるので、決められたストロークの長さに合わせて簡単に調整できます。

・デルタ型ロボット
デルタ型ロボットはドーム型の作業スペースに最適です。スピードと精度が高いため、組み立てラインの作業に適しています。

・価格
最新の業界内の価格では、一般的なロボットアームの価格は25,000ドルから500,000ドルとなっています。コントローラなど、いくつかの要因によって価格差があります。次のような意義があることから、ロボットアームに投資するだけの価値はあるでしょう。

・ロボットアームが与える影響
・従業員への影響
協働ロボットが職場に導入されたことで、多くの従業員の労働環境が改善されています。機械によって作業が簡素化され、従業員がやりがいを感じられる機会が増えました。
従業員の大部分は管理職として様々な役割を担っています。危険で反復的で退屈な作業をせずに済むようになりました。

・円滑な部門間連携
協働ロボットの導入により、さまざまなタスクを柔軟に処理することができます。処理できるタスクには、あらゆるスキルを要するさまざまな種類のものがあります。例えば、組立作業やピック&プレイスなど、製造業の重要な役割を果たすことができます。
協働ロボットは柔軟性に優れているので、組織内のさまざまな役割を担うことができます。これは、ある部門のタスクが他の部門のタスクの完了に大きく依存している場合に特に重要です。
ロボット導入により、部門ごとの遅延が解消できるため、全体の生産量を維持することができます。同様に、協働ロボットの高い精度により、各部門が会社全体の品質目標を確実に達成することができます。

・作業の開始
協働ロボット導入の最も大きな意義は、自動化の推進にあります。最新のロボットアームを使えば、特別なスキルがなくても機械を導入することができます。
簡単なオンラインガイドを参照したり、研修を受けたり、簡易マニュアルに従ったりするだけで、簡単に設置できます。
そのため、生産に遅延が発生することもありません。従来のロボットとは異なり、様々な環境で迅速に導入することができます。数分で生産を開始することができるので、安心して役割の割り当てを変更することができます。

・収益の改善
協働ロボットの導入をお勧めする理由のひとつに、生産コストの大幅な削減が可能になることが挙げられます。例えば、メンテナンスコストの削減です。
協働ロボットには従来のロボットや一般的な生産ツールのように頻繁なメンテナンスが必要ありません。また、ロボットが膨大な数の手動作業を代わりにこなしてくれるので、賃金の削減にもつながります。

・ロボットアームが適用できる代表的な産業
協働ロボットは、さまざまな分野で活用できます。それは、知能と柔軟性が格段に進化したからこそ実現できることです。ここでは、その代表的な導入事例をご紹介します。

・エレクトロニクス
協調ロボットはその精度の高さから、さまざまな電子機器工場での検査・組立・塗布に利用されています。ロボットは動作を瞬時に検知し、それに合わせて稼働します。
それは高い感知能力により実現可能です。また、必要に応じて素早くプログラムを変更することもできます。繊細で微細な電子部品を扱うには、オンデマンド生産が不可欠です。

・農業
世界の人口が増加する一方で農地が減少しているため、高まる消費ニーズに対応するために効率的な食料生産が求められています。
オンデマンドの農業の典型的な例として、垂直農法が挙げられます。垂直農法では植え付け、剪定、大気の制御、収穫などの反復作業を行うために、協働ロボットが重要な役割を果たします。

・自動車
自動車メーカーが従来のロボットを使い始めたのは60年以上前のことです。しかし、産業の質の変化に伴い、市場ではより繊細で小型の自動車製品が要求されるようになりました。
そのため、繊細な役割や部品を扱えるような制御されたツールが必要になります。例えば、小さな自動車部品を組み立てるためには、ロボットアームが必要です。

・梱包
医療や食品加工などの分野では、包装作業に協働ロボットを用いることができます。扱う製品はデリケートなものが多く、破損しやすいものもあります。適切なロボットアームの導入により、迅速かつ安全に生産することができます。
製造ロボットの24時間365日の生産体制、スピード、正確性により、迅速で大量の生産が可能になります。さらに、パレタイズや梱包などの倉庫管理の作業にも対応できます。

・家庭
協働ロボットは、掃除や料理、高齢者の介護など、家庭内での役割を担うのにも欠かせない存在です。IoTのLED照明技術と組み合わせることで、監視機能を向上させて家のセキュリティを強化することができます。

・まとめ
正しい選択をするには、対象となる産業や適切なロボットアームに関する知識を身につける必要があります。そのためには、まずはご自身の業界においてロボット導入がもたらす効果を理解しなければなりません。
また、ロボットアームに何を求めるべきかを明確にする必要があります。そして最も重要なのは、信頼できるメーカーを探し、理想のロボットアームを手に入れることです。

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同期モータの基本原理

誘導モータと同様、三相交流の回転磁界を利用して回転するモータで、左下図のように外側の磁石を回転させると、内側の磁石も追随して回転する原理を利用したものです。誘導モータがうず電流と磁界の作用の複雑な原理を応用しているのに比べ、わかりやすいシンプルな原理といえます。

永久磁石でできている回転子が同期速度nsで回転している状況を表したもので、(a)は無負荷時の回転動作で、回転しているある一瞬の図といえます。コイルの回転磁界によってできたn極、s極に対して、永久磁石のN極、S極が一直線上に重なっています。このとき、モータのトルクは0です。(b)は負荷がかかったところで、回転磁界によってできたn極、s極に対して、永久磁石のN極、S極が角度δ(負荷角)だけ遅れます。

また、停止中のモータに50~60Hzの商用周波数の交流電圧を加えても、モータは回転しません。これは、先月号で解説しました誘導モータと同様、

回転磁界の回転速度(同期速度)ns = 2 x 三相交流の周波数 / コイルの極数

となり、50Hzの商用周波数の電源では、2極の回転磁界は1秒間に50回転していることになり、回転磁界の回転速度が速すぎて、慣性のある永久磁石はこの回転速度に追従できず、右方向と左方向に力を受けてしまい、停止したままになるからです。つまり、同期モータは自力で回転することのできないモータといえます。

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会話ロボットとは

 

サービスロボットの中でも、PepperやRobiのように、会話や仕草を通じて、人とコミュニケーションをとることができるロボットを「コミュニケーションロボット」や「会話ロボット」と呼んでいます。

更に「スマートロボット」という言葉もあります。直訳すると知的なロボットですが、自律的に行動したり、ネットに接続してクラウドによって情報の蓄積や判断を行うなど、IT技術を活用したロボットに使われることが多い言葉です。

Pepperは当初、一般家庭用の市場を考えていましたが、身体が大きくて注目度も高いこともあって、ビジネス現場での導入が進んでいます。
例えば、受付、介護施設、観光案内、顧客からの質問回答、ゲームやクイズなど顧客を和ませる存在として等、多岐に渡って活用されはじめています。

また、Pepper以外でも「PALRO」(パルロ)と「Palmi」(パルミー)、「NAO」(ナオ)、「Sota」(ソータ)、「Tapia」(タピア)など、多くロボットが登場し、ビジネス現場での活用が期待されています。

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