力覚センサとは、さまざまな方向から加わる「力」や回転する力のモーメントである「トルク」を、XYZ方向それぞれの成分に分解し、電気信号に変えて検知する電子部品のことです。人間は、指先などの皮膚内部にある感覚受容器によって、押す、引っ張る、ねじるといった力を感じて、モノの硬さや質感、実体感を感じています。力覚センサは、センサを感覚受容器として物理的な力の量とその方向を検知し、人間の触力覚を再現します。
いま、ロボットに触力覚を付与する技術として、力覚センサの活用に注目が集まっています。
生産ライン上の人手で行う作業の中には、手探りで感触を確かめながら行う繊細な作業が多くあります。例えば、電子部品の柔らかい端子を、壊さないような力加減でコネクタに挿し込むといった、一見簡単な作業が該当します。
ロボットでは、カメラや画像認識技術を活用することで、視覚情報を頼りに、扱うモノの形や状態に応じた精密な作業ができるようになりました。ただし、材質の硬さといった外観から判断できないモノの特徴に応じて、制御条件の微調整することはできません。
ロボットハンドに力覚センサを取り付ければ、これまで人手に頼らざるを得なかった作業を自動化できるようになります。その適用先は、端子が柔らかい電子部品やコネクタの挿入、遊びが少ない嵌合、精密なねじ締め、バリ取り、微妙な力加減での研磨、ピッキングなど、極めて多様です。また、協働ロボットや搬送ロボットなどが人やモノに接触したことを検知するためにも利用できます。
さらに、力覚センサの検知精度や得た触力覚情報をロボットの精密制御にフィードバックすれば、経験豊富な職人の匠の技も自動化できる可能性があります。これによって、高品質な製品を低コストで生産できるようにもなります。例えば、ワーク表面のミクロン単位の凹凸を指で確かめながら切削するといった精密機械の部品加工が応用先として挙がります。
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多関節ロボットは高い汎用性と柔軟性があり、多様なシーンで利用されています。
多関節ロボットの利用シーンは、自動車業界での溶接、塗装、組立、部品製造業での工作機の治具交換、バリ取り・研磨、電子部品・機器製造業におけるピッキング、基板への実装、はんだ付け、組立など、非常に多岐にわたります。
自動機への材料投入と取り出し（マシンテンディング）工程の自動化
生産ラインや加工機、検査機などの自動機への材料投入、取り出し一連の作業を、協働ロボットに任せることが可能です。加工機の例では、部品をトレイから取り上げて把持したり、部品を取り出すだけでなく、工程のなかで装置の扉を開けたり、閉じたりすることもできます。人手不足の解消、単純作業からの解放、労災リスク軽減といった効果が狙えます。
画像センサ（カメラ）を利用して、医薬品の6面外観検査を自動化
直多関節ロボットと画像センサを組み合わせ、多面外観検査で不良品出荷を大幅に低減できます。ベルトコンベアに取り付けたトリガセンサによって、流れてくる製品の位置を検出し、その位置情報をロボット側へ伝えます。ロボットは製品を把持し、製品の側面・底面など5面を高速に回転させながら、1台目の固定カメラで検査します。次に製品をコンベアに戻したのち、2台目の俯瞰カメラで製品の上面を検査します。
ここまで紹介してきたように、工場に多関節ロボットを導入することによって、生産工程の省人化だけでなく、人為ミスの削減、高速・高精度な作業による生産性のアップなど、さまざまなメリットを得られることが分かります。ただし工場や生産ラインの最適化には、多関節ロボット以外のさまざまな機器との連携も不可欠です。製品を送るフィーダ、製品の種類の識別、向きや位置を把握する各種センサやカメラ、それらを制御するソフトウェアなど、多くの機器との共同歩調によって、最適化が実現します。
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ロボットビジョンを搭載した協調ロボットを導入する際に考慮すべきポイントを2つ紹介します。
搭載されているカメラの性能
ロボットビジョンにおいて、カメラ性能は非常に重要です。画素数の高さだけでなく、色の違いや、明暗が変化しても正しく認識できるなどの性能が求められます。オムロンのロボットビジョン搭載（ビルトインビジョン）の協調ロボット*であれば、全ての機種に高性能なカメラが搭載されており、幅広い環境においてロボットビジョンシステムの強みを発揮できます。
＊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
キャリブレーションやプログラミングの容易さ
ロボットの使用場所を変更する際は、キャリブレーションが必要になります。キャリブレーション中はラインを動かせないため、この時間の短縮は大きな課題です。そのためには、ロボットビションシステムとロボットを組み合わせたプログラミングのしやすさが重要となります。オムロンの協調ロボットであれば、ロボットビジョンシステムが組み込まれており、1つのツールソフトウェアでロボット動作からビジョンシステムまで直感的なプログラミングができ、柔軟なロボット活用が可能です。 また、ロボットビジョンにより、ラインに設置されたランドマーク（参照点）を認識するため、ラインを移動後も再度のティーチングを行わず短時間で再稼働できます。
オムロンは各種ロボットだけでなく周辺機器や安全機器などのさまざまな制御機器を取り揃えており、ライン全体の自動化をご支援します。
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モーターは基本的に，磁石の「異極が引き合う性質」と「同極が反発する性質」を利用して回転しています。
たとえば，ラジコンなどで利用される小型モーターをイメージしてください。小型モーターのなかには，回転軸がついたコイルとそれを両側から挟むように配置されたN極とS極の永久磁石があります。
モーターに電気を流すと，コイルは電磁石になります。コイルがN極とS極を持った磁石に変化すると考えるとわかりやすいでしょう。
すると，N極の永久磁石とコイルのN極が反発するのとともにS極の永久磁石とコイルのS極が反発します。これは同時に，N極の永久磁石とコイルのS極が引き合い，S極の永久磁石とコイルのN極が引き合うということでもあります。
これによって，コイルは回転軸を中心にして180度回転するのです。
ところが，これだけではコイルは180度回転した状態で止まってしまいます。N極の永久磁石とコイルのS極が引き合い，S極の永久磁石とコイルのN極が引き合った状態のままになってしまうからです。さらに180度まわして回転軸を360度まわすにはどうすればいいでしょうか。
そこでコイルには流す電気の向きを変えることで，N極とS極の位置が入れ替えます。
先ほどの止まったままの状態では，N極の永久磁石とコイルのS極が引き合い，S極の永久磁石とコイルのN極が引き合っていました。そこでブラシを通って，「整流子」と呼ばれる部品によって電気の流れる向きを変え，コイルのN極とS極を入れ替えます。
すると，永久磁石のN極とコイルのN極が反発し，永久磁石のS極とコイルのS極がそれぞれ反発します。それと同時に永久磁石のN極とコイルのS極が引き合い，永久磁石のS極とコイルのN極が引き合います。これによって，コイルはさらに180度回転します。これで360度回転しました。
モーターはこの一連の動きを繰り返すことで，連続的に回転しているのです。
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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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