ロボットハンドの種類と特徴

挟んで持つ
挟んで持つタイプのロボットハンドは把持ハンドといいます。指の数はさまざまで、2本であったり、多いときは4本以上あったりします。関節部に設置されたモーターなどが、ロボットハンドの指を動かします。また、関節部に6軸力覚センサーなどを設置し指先の摩擦力や圧力を推定します。これによって把持力の制御を行っています。

把持ハンドは、対象物をつかんで同じ動作を繰り返す場合に向いているので、大ロットの生産工程でよく使われています。

デメリットは、機構が少し複雑になりコストが高い点です。

空気で吸引する
吸引タイプのロボットハンドは、空気を吸い込んで対象を吸着して持ち上げることができます。真空吸着ともいい、真空状態を作り出すことで吸着する仕組みです。

吸引タイプのロボットハンドは、空気で吸い込むので機構が単純です。大きな鋼板などであっても吸着できれば運ぶことができます。また、対象物とロボットハンドが擦れることがないため、傷がつきにくいです。

 中空シャフト ステッピングモーター

一方で、対象物に水や油が付着していると吸着しきれずに落としてしまう場合があります。また、対象物に凹凸や穴があると空気が抜けてしまい吸着できません。

吸引タイプのロボットハンドは、真空発生器やコンプレッサーなどが必要なので装置全体が大きくなる場合が多いでしょう。

磁力で引き付ける
マグネットグリッパーという、磁力で引き付けるロボットハンドもあります。磁石は電磁石を使っており、流す電流のONとOFFを切り替えて持ち上げと離す動作を制御しています。

一体型サーボモーター 

マグネットグリッパーは、機構が単純で設計しやすく、真空吸着できないような穴や、凹凸がある形状も持ち上げられます。

デメリットは、非鉄金属を持ち上げられないことや、磁石の仕様を超える重量の対象物は持てないことです。

クーロン力（静電気力）で引き付ける
クーロン力で持ち上げるロボットハンドは、電極に電圧をかけて対象物との間に電位差を作って引き付けます。

プラスチックフィルムや通気性のある繊維などを吸着する場合に適しています。また、真空環境であってもクーロン力は発生するので、半導体の製造工程で基板を搬送する場合によく使われます。

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ロボットのティーチングとは？

産業用ロボットを動かす際には、あらかじめロボットにどのような動作をさせるのか記録する必要があり、これをティーチングと呼びます。一般的な産業用ロボットは記録された動作を再生するティーチングプレイバック方式を採用しているため、動作を記憶したプログラムを設定しておかないと、導入した産業用ロボットを動かすことができません。

ティーチングの方法は、大きくわけて4つに分類されます。それぞれの特徴について解説します。

オンラインティーチング
オンラインティーチングは、産業用ロボットを導入するライン上で行うティーチングです。専用のティーチングペンダントというコントローラとロボットをオンラインで接続し、ロボットに実際の動作をさせながら記憶させます。ティーチングに関する専門的な教育を受けた「ティーチング作業者」が必要となり、誰でもオンラインティーチングをできるわけではありません。
ティーチングは生産ラインを止めながら行う必要があるため、短時間でティーチングを完了しないと生産のロスや新規ラインの立ち上げが遅れてしまいます。

 

ステッピングモータドライバ

オンラインティーチングを効率よく実施する方法として、ダイレクトティーチングがあります。ダイレクトティーチングとは、ロボット作業者がロボットを直接触って動かすことで、その動きを再現するプログラムを作成する方法です。
専門知識や特別なスキルを必要とせず、直感的にプログラムを生成できる点がダイレクトティーチングの特徴です。ダイレクトティーチングでは教示しきれない軌道の微修正は、プログラムによって可能です。

オフラインティーチング
オフラインティーチングは、ロボットを導入するライン上ではなく、机上で作成したプログラムをロボットに読み込ませる方法です。生産ラインを停止する必要がなく、新規ラインの立ち上げ時にもライン立ち上げ準備と並行して実施できるため、生産ロスの発生を避けられます。

ステッピングモーターバイポーラ平行軸ギアボックス

一方で、机上では問題ないと思って構築したティーチングデータでも、実際にロボットで再生すると位置がずれていたり、動作速度が期待通りとならず、調整が必要になる場合があります。

オフライン+オンラインを組み合わせたティーチング
最後に、オンラインとオフラインを組み合わせたAIティーチングを紹介します。予めオフラインティーチングで実現したい作業をプログラミングし、それを元にライン上でロボットを稼働させると、ロボットに搭載されているAIが実際のライン上での稼働データを分析し、動作精度を向上させていきます。

通常のティーチングではプログラム通りの動きしかできませんが、AIによるティーチングを行えば、ロボットに入力される画像などの外部情報を元に、柔軟な作業を行うことが可能です。ライン上でのティーチング作業を省人化できることから、今後はAIによるティーチングが可能なロボットの普及が進んでいくと考えられています。

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ロボットハンドの種類と利用シーン

ロボットハンドには、持つモノのサイズや重さ、利用シーンに応じて、いくつかの種類があります。現在利用されているロボットハンドの種類とそれぞれの利用シーンを紹介します。

先述したように、ロボットハンド（エンドエフェクタ、グリッパーとも呼ばれます）の部分は、現時点では作業内容に応じて付け替えて利用することが一般的です。代表的なものを紹介します。

ユニポーラステッピングモータ

人間の指と同様に、電動機構でモノを挟んで把持する機能を持つのが、電動グリッパーです。把持するモノの大きさや重量、形状に応じて、指の本数や大きさ、開く幅などが異なるさまざまな種類があります。近年では、不定形のモノや壊れやすいモノなどをつかめる、柔らかいシリコン成形グリッパーもあります。

また、エア駆動によって指を動かすエアグリッパーと呼ばれるものもあります。モノを挟んで把持する点では電動グリッパーと同様ですが、機構が単純なため、小型・軽量化が可能です。

一方、空気の吸引力を利用して、モノを吸着し支える機能を持つのが、吸着グリッパーです。比較的軽いモノのピック&プレース（拾い上げと特定の位置までの搬送）や、パレタイジング（荷積み／荷降ろし）などで多く使われています。より大きく重いモノを支えるため、吸着口を増やしたグリッパーもあります。

電磁石でモノを吸着して支える機能を持つのがマグネットグリッパーです。適用対象が磁力に反応するモノに限定されるのですが、穴あきや凹凸などがある複雑な形状のモノに適用可能で、しかも比較的重たいモノも把持できます。グリッパー自体もコンパクトです。

中空ステッピングモータ

ここまで紹介してきたロボットハンドは、モノを把持する機能を備えたものですが、ロボットアームの先端には、ハンドに加え特定機能の機器を取り付けて利用する場合もよくあります。例えば、カメラを取り付けて、撮影した映像を解析して自動検査に応用するような場合もあります。

また、ロボットハンドにはグリッパーのほかに、ねじ締め用のドライバを取り付けて組み立て作業に、塗料などを吐出するノズルを取り付けて塗装作業に利用するような特定用途に特化したハンドもあります。

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サーボモータの用途や活用事例

サーボモータは、いまや産業機械の構成要素として必要不可欠なものとなっています。自動車製造、工作機械、半導体・液晶製造、電子部品の実装、射出成形、ラベル包装、プレス加工、食品ピッキング、医療機器など、さまざまなシーンで活用されています。

たとえば、以前は材料のプレス加工といえば油圧でしたが、最近は加圧部の動きをNC制御とサーボモータを利用する「サーボプレス」という技術が登場しています。サーボモータで駆動部の速度や停止位置を制御することで複雑なプレス加工に対応し、NC制御と組み合わせることでマグネシウムなどの難加工材や複雑な形状のプレスにも対応できます。

ステッピングモータ用ドライバ
　
金属の切削、穴開け、研磨など、さまざまな機械加工では、高速・高精度な動作が求められます。そこで、滑らかな回転と加速性能を発揮できるサーボモータが使われます。工作機械の送り軸に使われるほか、工具や治具の交換といった移動装置にも使われています。

工場での製造ラインでねじを締める際に、ねじやワークの種類によっては、速度やトルクなどを微妙に制御できるサーボモータが使われます。ねじ締めは簡単に思われますが、樹脂やアルミといった材料のねじ留めでは、ねじを寸止めし、優しくねじ込み、増し締めし、ねじ浮きを確認するなど、繊細な制御が求められます。

ギヤードクローズドループステッピングモーター 

また部品同士の突当てや嵌合といった接触を伴う作業でも、サーボモータ各軸からフィードバックされる力（負荷）を制御に利用し、位置ずれを上手く吸収することができます。これは「コンプライアンス制御」と呼ばれるもので、押し当て力を調整し、過大な力の負荷から保護できます。

コンベアから流れてくる部品をピックアンドプレースする際にも、協調動作でサーボモータが利用されます。生産性を向上させるために、いかにタクトタイムを短縮するか、動作のタイミングも重要です。また完成品の箱詰めをして、出荷する際のパレタイジングでもサーボモータが活躍します。

このようにサーボモータは製造工程で多用されています。産業用機械、特にロボットの関節部に組み込まれ、自由度の高い多関節ロボットとして大活躍しています。

高度なサーボモータの活用で製造ラインの自動化が進められていますが、複雑な作業の自動化を実現するためには、サーボモータだけでなく、ロボットやセンサなどの周辺機器をシームレスに統合制御する必要があります。 統合制御により、作業精度やタクトタイムの短縮を実現できます。

オムロンは、普及著しい産業用ロボットはもちろん、安全柵なしで人との協働作業が可能な協働ロボット*や、走行ラインの敷設が不要で、人を避けながら安全にモノを運べる自律走行搬送ロボットと呼ばれるAMRのロボットを取り扱っています。

また、これらロボットに加え、制御機器や安全機器を幅広く取り揃えており、ライン全体の自動化をご支援します。

＊オムロンは、「人と機械の新しい協調」を実現するロボットとして、協働ロボットの商品名称を「協調ロボット」としています

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協働ロボットの導入事例2選

協働ロボットの活用方法は、会社の事業によって変わる。続いては、協働ロボットの導入事例をいくつか紹介する。用途や事例を知れば自社に協働ロボットを導入するイメージも湧きやすくなるだろう。

ユニポーラステッピングモータ

事例1．作業時間を一定にできる
作業者ごとに時間がばらつく工程があると、全体の作業時間に影響を与えてしまう。協働ロボットを導入すれば、一定時間で作業が完了するようになり、結果としてタクトタイムの安定にもつながる。

中空シャフトステッピングモーター 

事例2．複雑な作業を一任できる
食品を扱うために繊細な設計が必要である場合、従来の産業ロボットの導入が難しいケースもある。工程を分析したうえで適切な設計の協働ロボットを導入すれば、料理を完成させるまでの複雑な工程について、味を落とさずに一任できる。

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産業用ロボットとは

（１）産業用ロボットの定義
産業用ロボットとは、工場での作業を人間の代わりに行ってくれるロボットです。
2つ以上の関節と、そこにつながる3つ以上の軸を持ち、ロボットの動きを指示するための制御プログラムを搭載したマニピュレーションロボットをさします。

工場で使われるロボットがすべて産業用ロボットと呼ばれるわけではなく、構造上の定義を満たすものだけが産業用ロボットと呼ばれます。
人間が行っていた作業をロボットが行ってくれるため、人間はロボットができない部分とロボットの運用だけに集中することができ、人件費の削減が見込めます。

産業用ロボット投入の効果は金銭面だけではありません。
人間は状況に合わせた細やかな作業ができますが、疲れやむらがあるため、作業の効率や精度にばらつきがあります。

ステッピングモーター平行軸ギアボックス

一方で、産業用ロボットを活用できれば一定品質の作業を継続できるため、品質の均質化を図れます。
重労働も、ロボットであれば難なくこなしてしまうので、従業員の負荷低減も大きなメリットです。

インクリメンタルロータリーエンコーダ

（２）産業用ロボットとサービスロボットの違い
産業用ロボット以外で、特に人間と接しサポートを行うロボットのことを、サービスロボットと呼びます。

構造上の定義はなく、使われる場所で定義が異なるため、仮に工場で産業用ロボットとして使われているものと同じであったとしても、飲食店で使われる場合にはサービスロボットと呼ばれます。

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産業用ロボットの種類

産業用ロボットは、それぞれの構造によって得意な動きや特徴があるため、目的や用途にあわせたロボットを選ぶことが大切です。

ここでは、ロボットの構造による分類を紹介します。

ステッピングCNCキット

垂直多関節ロボット
汎用性が高く、様々な用途で使用されているロボットです。現在、最も使用されているロボットです。
 
７つの軸をもつといわれる人間の腕の動きに近く、自由度が高いため複雑な動作が可能です。

用途別の専用機種もあるため、バリエーションも豊富です。

一方で、動きの制御が複雑になる面もあります。

スカラロボット（水平多関節ロボット）
日本で開発されたロボットです。スカラ（SCARA）は、Selective Compliance Assembly Robot Armの略です。
平面で位置決め可能な2つの回転軸とアーム、上下方向は直線軸、ハンドの向きを調整する回転軸で構成されたものが一般的です。

真上からの作業が主で、組立が得意なロボットです。

パラレルリンクロボット
アーム質量当たりの剛性が高いため、軽くて剛性のあるアームです。

高速動作が得意で、主にピッキングの用途で使用されます。

ユニポーラステッピングモーター 

直交ロボット（単軸ロボット）
単軸のロボットを複数組み合わせることによって必要な動作を実現したロボットです。

シンプルな構造で、安価なことが特徴です。

円筒座標ロボット
上下および前後の動作は直線軸で、全体を旋回する回転軸が一つあるロボットです。

スギノマシンの「CRb」はこの分類に含まれます。

極座標ロボット
アームを上下左右に回転させる回転軸をもち、アームが伸縮するロボットです。

世界初の産業用ロボットである米国ユニメーション社（世界初の産業用ロボット製造会社）「ユニメート」はこれに含まれます。

スギノマシンでも、同様のロボットを1969年に開発しており、エア駆動ロボット「サブマン」として発表していました。

協働ロボット
構造による分類とは別に、近年では「協働ロボット」と呼ばれる産業用ロボットが登場しています。

一般的な産業用ロボットは、安全柵やセーフティ機器が必要ですが、協働ロボットは、人や物に触れると停止するなど、安全性が高く、人と同じ空間で作業が可能なロボットです。

人と協業でき、柔軟な作業が可能な一方で、出力の制限などから重量物の運搬や剛性の求められる加工などの作業は苦手な面があります。

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