2035年には10兆円市場に成長するといわれているロボット産業。ロボットには自立歩行する人型ロボットから人間の変わりに作業を行う産業用ロボット、家庭用のお掃除ロボットまでさまざまなものがあります。その中でもっとも多く利用されているのが、製造現場向けの産業用ロボットです。
ロボットの定義
前述したようにロボットにはさまざまなものがあり、明確な定義がありません。そこで2006年、経済産業省は「ロボット政策研究会 報告書」の中で、ロボットを「センサ、駆動系、知能・制御系の3つの技術要素(ロボットテクノロジー)を有する機械システム」と定義しました。これには産業用ロボットはもちろん、ヒューマノイドやお掃除ロボットのようなものまですべて含まれています。
今回は、特に利用率の高い産業用ロボットにスポットを当てたいと思います。ちなみに産業用ロボットは、一般的に「3軸以上の自由度があり、プログラムによって自動制御可能なマニピュレーションロボット」のことを指します。
4種類の産業用ロボット
工場の自動化システム(ファクトリーオートメーション)には欠かせない産業用ロボットの種類や特徴についてご説明します。
垂直多関節ロボット
軸数： 4～7軸
人間の腕のような形状で自由度が高く、現在もっとも活用されている産業用ロボットです。ロボットアームとも呼ばれ、その多くは3次元空間作業に必要な6軸機構が主流になっています。汎用性が非常に高く、搬送から溶接や塗装、組立まで幅広い工程に導入されていることも特徴です。
ただし、自由度が高い半面、直交型などに比べて機械剛性が低い傾向にあります。そのため高速で動かした場合にオーバーシュートや振動が発生しやすく、緻密な制御が必要です。ロボット先進国の日本では高い制御技術でこれらの課題をクリアしています。
垂直多関節ロボットのイメージ
水平多関節ロボット(スカラロボット)
軸数： 4軸
水平方向にアームが作動する産業用ロボットです。英語では「selective compliance assembly robot arm」となり、その頭文字を取って「SCARA型ロボット」「スカラロボット」とも呼ばれます。特徴は、4軸構成で上下方向の剛性が高く、かつ水平方向にやわらかさを持っているため、部品の押し込み作業などに適しています。高速のピック＆プレースにも積極的に活用されています。
パラレルリンクロボット
軸数： 4～6軸
パラレルメカニズム(並列なリンクを介して1点の動きを制御する方法)を使った産業用ロボットで、主にピック＆プレースで活用されています。複数モーターの出力を1点に集中させるので、高精度・高出力なことが特徴。そのため、多関節ロボットでは難しいプレス加工にも対応しています。
直交ロボット
軸数： 2～4軸
単軸直動ユニットを組み合わせたシンプルな機構の産業用ロボットです。直線的な移動のみなので作業は限定されますが、構造がシンプルなぶん設計の自由度が高いことが特徴です。そのため近年では、多関節ロボットと組み合わせて使われるケースが増えています。
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産業用ロボットは今後、どのような形で活用されていくのでしょうか。
市場の動向について解説していきます。
市場動向
先述した通り、産業用ロボット市場は今後も長期的に成長を続けていきます。
その中でも従来より需要の高かった自動車や電子デバイスなどの製造分野では今後も多く利用されていくことでしょう。
また、インターネットショッピングなどの需要拡大によって物流においても人手不足解消のためにロボットが活用されています。
更に、技術の高度化により食品や医薬品といった産業においても産業用ロボットは利用されていくことでしょう。
製造業だけでなく様々な業種で需要が拡大していくと予想されます。
今後の成長動向
製造業向けの産業用ロボットは今後も大きく成長が見込まれています。
2017年には前年比23.7%増の1兆821億円と大きく成長しました。
これにはスマートフォン・自動車関連への設備投資が関係しています。
そして産業用ロボットの市場は2025年には3兆3140億円まで成長する見込みです。
後述しますがこの成長には協働ロボットが大きく関係しています。
今までより小型な産業用ロボットが様々な分野で導入されることが予想されているのです。
日本は世界的な産業用ロボット国
2019年の産業用ロボット出荷国は中国が第1位、次いで日本が第2位となっており、日本が世界的な産業用ロボット生産国であることがわかります。
稼働台数においても同様の結果となっており、日本は産業用ロボットの導入が進んでいる国の1つです。
国内の生産台数は右肩上がりで上昇を続けており、日本産の産業用ロボットは世界的なシェアを誇っています。
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双腕ロボットは産業用ロボットの1種です。ロボットの胴体があり、そこに文字通り腕（アーム）が二本伸びています。それぞれの腕に役割を持たせ、自動動作を実施します。双腕ロボットの利点は2つのアームを利用してより複雑な作業を実施することが可能な点です。
似たロボットとして単腕ロボット（1本のアームだけを持つロボット）がありますが、こちらのロボットよりも、より人間らしい動作が実施でき、ものを浮かせた状態で作業したりもできます。
双腕ロボットの使用用途
双腕ロボットには関節部分の構造から2種類に分類されます。1つが垂直多関節型ロボット、もう1つが水平多関節型ロボットです。水平多関節型ロボットに関してはスカラロボットとも呼ばれたりします。
垂直多関節型ロボットは立体的な作業に向いています。実際にどのような作業を行うかというと、加工や研磨、検査、溶接、組立、ピッキング、ハンドリングなどの作業を行います。水平多関節型ロボットは平面上での作業に向いています。実際にどのような作業を行うかというと、検査や組立、搬送、ハンドリングなどの作業を行います。
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垂直多関節ロボットは、自動車や家電製品、食品など使用される分野は幅広いです。生産ラインにおいて、以下の工程で使用されます。
1. 溶接
自動車のボディなどを部材の金属を溶かして接合させる作業です。ロボットが行うことで、正確でばらつきの少ない溶接が可能になり、品質向上が期待できます。
2. 搬送
製品や部品を等間隔で高速に並べたり、高重量の荷物を移動させたりする作業です。
3. 組立
つかんだ部品を別の部品に組付けたり、ねじ締めなどを行う作業です。垂直多関節ロボットは人の手で行う作業も対応できるため、熟練の職人技のような作業を正確に再現することができます。
4. 塗装
垂直多関節ロボットの手先に取り付けたスプレーガンで、自動車のボディなどに色を塗る作業です。
5. 検査
検査用のカメラやセンサの計測範囲内に部品を近づけて、外観や品質の良し悪し (OK/NGなど) を判定させる作業です。
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1. 高速スカラロボット
スカラロボットには高速動作を目的とした製品も存在します。ロボットが高速で動作することで、ライン全体の生産性向上に貢献します。
スカラロボットが早く作業を終えられれば、後工程により早くワークを受け渡すことが可能です。その結果、1つの製品を生産する時間が短くなります。これが、スカラロボットの高速化によってライン全体の生産性が向上する理由です。
高速動作可能なスカラロボットを実現するためには、次のような手段が有効です。
モーターの出力を大きくする
アームを軽量化する
関節の剛性を上げる
2. カメラを利用したスカラロボット
カメラから得られる情報をスカラロボットに送信することで、ロボット自体の性能を上げることができます。スカラロボットでワークに対してネジ締めを行う場合を考えます。ワークは個々に交差を持っており、厳密に言えばそれぞれ微妙に大きさが異なります。
従って、ネジを保持したスカラロボットが教示位置に移動しても、ワーク上のねじ穴とスカラロボット先端のネジ先のポジションが合わない状況が発生しうるのです。このような状況では、多くの場合ネジ締めに失敗します。
ここで、カメラを用いてねじ穴を撮影し、基準位置に対するズレ量を計算します。そしてそのズレ量をスカラロボットに送信し、元々の教示点にオフセットさせることで位置を補正します。
これによって、カメラの撮像範囲内であればどの位置にネジ穴があってもスカラロボットがネジ締め作業をすることが可能になります。このような仕組みは、「画像位置補正」と呼ばれ、工場の自動化に広く利用されています。
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