産業用ロボット：完全エキスパートガイド

産業用ロボットとは？

産業用ロボットとは、製造現場で専用に使用されるロボットのことです。自動化され、プログラム可能で、3軸以上の動作が可能です。簡単に言えば、あらゆる方向に回転できるロボットアームを備えています。これらの産業用ロボットが担う典型的な作業には、溶接、塗装、組立、梱包、ラベリングなどがあります。

2020年時点で、世界中の様々な産業で約164万台のロボットが稼働しています。産業用ロボットの歴史は1937年に遡り、最初のロボットはメカノパーツで組み立てられたクレーンのような装置で、モーターで駆動されていました。

2030年までには、産業用ロボットが2000万以上の人間の仕事を置き換えると推定されています。ロボット製造企業は、この実現に向けて新たなイノベーションの開発に取り組んでいます。

産業用ロボットの定義

産業用ロボットとは、ロボットアームを備えたプログラム可能な機械装置で、人間に代わって危険すぎる作業や単調すぎる作業を、より高い精度で実行するために使用されます。それぞれが独自の機能を果たす可動部品で精巧に設計された機械です。

産業用ロボットの製造コストは高いものの、人間を使うよりも大きなメリットがあります。人件費が不要になるだけでなく、疲れることがないため、メンテナンス期間を挟んで数日間連続稼働が可能です。

産業用ロボットの種類

前述の通り、産業用ロボットは特定の役割向けに設計されています。溶接用にプログラムされたロボットが塗装や梱包を担うことはできません。機能の違いにより、産業用ロボットはいくつかの主要タイプに分類されます。

1. 多関節ロボット（アーティキュレートロボット）

多関節ロボットは、産業用ロボットの中で最も一般的なタイプです。人間の腕のような形をした工場用ロボットアームが、ツイストジョイントで接続されています。アームのリンクは回転ジョイントで連結され、通常2〜10個の関節を持ちます。

これらの関節により自由な動きが可能となり、ロボットアームが折れることなくあらゆる方向に回転できます。要するに、多関節ロボットアームは6軸を持つため、全産業用ロボット中最も柔軟性が高く、最も広く使用されています。

メリット

• 高速動作が可能で、高精度を維持しながらスピードが求められる産業作業に最適
• 床面積をあまり占有しない
• 複数平面の位置合わせが他タイプより容易
• 多軸構造によりあらゆる方向への移動が可能で、高い柔軟性を実現
• 設計された主要機能以外の複数タスクにも対応可能で、製造プロセスの効率化に最適

デメリット

• 専用のロボットコントローラーが必要で、構成が複雑
• プログラミングが非常に複雑で、経験豊富なオペレーターでないと運用困難
• 高度なキネマティクス（運動学）が関わる
• 製造コストが高額

産業用途

• 食品包装
• 溶接ロボットアーム
• マテリアルハンドリング
• マシンテンディング
• 鋼材切断
• 鍛造・鋳造用途
• 自動車組立
• 鉄橋製造

2. 直交ロボット（カーテシアンロボット／ガントリーロボット）

直交ロボットは、ガントリーロボットとも呼ばれ、直交座標系で構成される産業用ロボットタイプです。3つのプリズマチックジョイントを備え、3つの垂直軸上をスライドすることで直線運動を実現します。場合によっては回転運動を可能にするリスト（手首部）を装備します。産業用自動化メーカーに広く採用されている理由は、そのシンプルさと柔軟性により、特殊なタスクに最適だからです。

メリット

• 高い位置決め精度
• シンプルな構造で操作が容易。基本的な知識があれば誰でもセットアップ可能
• プログラミングが容易
• 高度にカスタマイズ可能で、タスク切り替えに最適
• 重量物の搬送が可能
• 製造コストが比較的安価

デメリット

• サイズと可動範囲の関係で、広い設置・作業スペースが必要
• 操作はシンプルだが、組立が複雑
• 一度に一つの方向にしか動けない

産業用途

• 重量物の積み下ろし
• ピックアンドプレース作業
• 組立・サブ組立
• マテリアルハンドリング
• 接着剤塗布
• 核物質の取り扱い

3. SCARAロボット

SCARAは「Selective Compliance Assembly Robot Arm」（選択的コンプライアンス組立ロボットアーム）の略で、ドーナツ型のワークエンベロープを持つ産業用ロボットです。SCARAロボットアームは2つの平行ジョイントを持ち、一方向にコンプライアンス（柔軟性）を備えます。回転軸は垂直に配置され、エンドエフェクターは水平移動するアームに取り付けられています。

SCARAロボットは横方向の動きを得意とし、主に組立ロボットとして使用されます。円筒型や直交型ロボットと比較して高速で、システム統合も容易です。

メリット

• 高速・反復的なポイントツーポイント移動に最適で、自動車組立ラインロボットとして最適
• 広いワークスペース
• 高精度

デメリット

• 専用の産業用ロボットコントローラーが必要
• 設計・形状の都合上、平面的な面での作業に限定される
• オフラインプログラミングが困難

産業用途

• 組立用途
• 半導体ウェーハの取り扱い
• バイオメディカル用途
• 梱包・ラベリング
• パレタイジングロボットアーム
• マシンローディング

4. デルタロボット

デルタロボットは、共通ベースで接続された並列リンク機構で構成されます。パラレルリンクロボットとも呼ばれ、各ジョイントがエンドエフェクターに対する相対位置で制御されるため、制御が容易です。この構造により高速動作が可能で、大量生産ラインに最適です。

デルタロボットはドーム型のエンベロープを持ち、アームの軽量化により高速化を実現しています。主にピック＆プレース自動化に使用され、コンベアなどの周辺機器と完璧に同期して動作するようプログラムされます。

メリット

• 高速動作。一般的なデルタロボットはSCARAロボットより30%高速
• 高速でも高い動作精度を維持
• 高い生産性。毎秒最大3パーツ処理可能
• 人間にとって危険な高速・反復作業を安全に実行可能

デメリット

• 可動部品が多く、構造が複雑
• 専用ロボットコントローラーが必要

産業用途

• 食品業界
• 医薬品業界
• 電子機器業界
• 自動車業界
• 光ファイバーアライメント

5. 極座標ロボット（ポーラロボット／球面ロボット）

極座標ロボットは、ベースとアームを接続するツイストジョイント、2つの回転ジョイント、1つの直線ジョイントで構成されます。球面的なワークエンベロープを持つため球面ロボットとも呼ばれます。中央のピボットシャフトと伸縮・回転するロボットアーム、ガンタレット構造を備え、動作時には非常に広い空間をカバーします。

メリット

• 360度スイング可能な広いリーチ
• 真上・真下の物体にも到達可能
• 大量の作業を処理可能
• 必要床面積が少ない

デメリット

• 上方向へのリーチは限定的で、コントローラーなしでは自力で到達不可
• 精度が低く、反復作業に不向き
• 高度な制御システムが必要
• 徐々に淘汰されつつある

産業用途

• ガラスの取り扱い
• ダイカスト
• スタッキング・アンスタッキング
• 鍛造
• 溶接ロボット
• マテリアルハンドリング
• 射出成形

6. 円筒座標ロボット（シリンドリカルロボット）

円筒座標ロボットは、ベースに単一の回転ジョイント、リンク接続にプリズマチックジョイントを1つ持ちます。円筒状のワークスペースを持ち、ピボットシャフトと垂直スライドする伸縮ロボットアームを備え、垂直・水平両方向の移動が可能です。

アームは狭いワークエンベロープにも速度や繰り返し精度を落とさず到達できる設計です。円筒座標ロボットは、床からの部品ピッキングなど、高度なピックアンドプレースロボットアームを要するタスクに最適です。

メリット

• 操作・設置がシンプル
• 最小限の組立で稼働開始可能
• 全方向へ到達可能
• 必要床面積が少ない
• 重量物の搬送が可能

デメリット

• 精度が低い
• 急速に旧式化が進んでいる

産業用途

• LCDパネルの搬送
• ロボット組立システム
• 塗布用途
• ダイカスト
• 鋳造・鍛造用途
• マシンのロード・アンロード

7. 協働ロボット（コボット）

近年登場した産業用ロボットとして、協働ロボット（コボット）があります。厳格な安全柵なしで人間と共同作業が可能な産業用ロボットです。丸みを帯びた設計と特殊センサーにより、常に人間の位置を検知し、作業者を支援するスペースを確保します。

メリット

• 人間の作業者と並んで作業可能で、効率向上に寄与
• 用途変更が容易で、別の作業へ迅速に移行可能
• 他タイプと比較して製造コストが低い

デメリット

• 人間の安全確保のため速度を犠牲にしており、動作が遅い
• 安全性確保のため、可搬重量が低い

産業用途

• マシンテンディング
• 可動部品の組立
• 梱包
• ビジョンシステム

ロボットアームの仕組み

ロボットアームは人間の腕を模して設計され、ほぼ同様の仕組みで動作します。動作原理は設計目的によりますが、一般的にすべてのロボットアームは共通の原理で機能します。すべて関節を介して動き、センサーなどの機能を備えています。

仕組みを理解するには、ロボットアームを構成する産業用ロボット部品を知る必要があります。

コントローラー

産業用ロボットコントローラーはロボットの「脳」です。ロボットアームの動きを決定する実行プログラムを保持するプロセッサーです。自動プログラミングまたは資格を持つ技術者による手動操作のいずれかに対応します。大規模なコンピューターシステムの形をとることもあれば、シンプルなジョイスティックに集約されることもあります。

アーム

実際の作業を行う部分で、人間と同様に肩、肘、手首の3つの主要部分で構成されます。これらはすべて軸とジョイントで連結され、中央プロセッサーであるコントローラーで制御されます。各部品は互いに連動して動くことで効率を発揮します。

エンドエフェクター

手の機能を果たす部分です。多くの場合、ロボットエンドエフェクターは2本の爪で構成され、自動開閉で物体を把持します。中には把持・移動時に回旋や複雑な動作が可能なタイプもあります。

ドライブ

ジョイント間にあるモーターで、ロボットアームの操作と動きを制御します。通常、自動車エンジンにあるものと類似のベルト駆動方式を採用します。

なぜロボットアームが必要なのか？

産業用ロボティクス企業は過去20年間で急成長し、技術進歩も加速しています。近い将来、あらゆる作業をロボットが担うようになるでしょう。人間の労働への影響は無視できませんが、ロボットが生活を大きく改善した事実も否定できません。

以下は産業用ロボットアーム導入の主なメリットです。

作業者の安全性向上

建設現場は重労働かつ重機が多く、作業員の危険が伴います。有害化学物質への曝露も健康被害の原因となります。産業用ロボットアームは無生物であるためあらゆる環境で作業でき、このリスクを大幅に低減します。集中力を切らすことなく反復作業を継続できます。

コスト削減

ロボット導入の初期コストは高いものの、長期的メリットは大きいです。給与・休暇・福利厚生が不要なだけでなく、ヒューマンエラーによる機械・製品破損損失も過去のものとなります。

生産性の向上

以前は数日かかった作業が数時間で完結します。人間は燃え尽き症候群になりやすく休息が必要ですが、24時間稼働にはシフト制が必要です。ロボットなら休憩なしで数日間稼働可能です。インテリジェント組立ワークセルなら、4人分の作業を1台でこなせます。

製品品質の向上

人間ではロボットレベルの精度・正確さを再現できません。製造用ロボットはレーザー誘導技術でガイドされるため、すべての切断・測定が完璧です。例えば多関節ロボットはロボット界における精度の体現者です。高精度＝高品質製品に直結します。

信頼性

製造現場でロボットを活用する産業では生産性が飛躍的に向上しています。定期メンテナンスさえ実施すれば、過酷な環境下でも一貫した作業を継続できます。病気や疲労で出力が変動する人間とは異なります。

産業用ロボットを活用する産業

多くのメーカーが生産プロセスの完全自動化に移行済み、または移行中です。理由は多岐にわたりますが、主因はロボットの信頼性、人件費削減、コスト削減による他分野への資金振り向けです。以下はロボットアーム用途を製造プロセスに採用する主要産業です。

自動車産業

自動車製造におけるロボティクスは、産業用ロボティクスの分野で最も早期に採用された分野です。現在、どの自動車メーカーも生産の75%以上で自動車製造ロボットを採用しています。自動車産業は全産業用ロボットアーム導入の約30%を占めます。自動車メーカーで最も一般的なのはABB IRB 6640で、車体フレームの溶接に適しています。

航空宇宙産業

自動車産業同様、航空機製造にも大量のロボットパワーが必要です。世界的な航空需要の増加に対応するには、より多くの航空機をより速く製造する必要があります。産業用ロボットがその解決策となり、あらゆるタスクをプログラム可能で高速に処理できます。モーター部品塗装、シーリング、穴あけ、溶接などが自動化されています。

電子機器産業

電子機器は生活必需品です。その製造には多数の部品が関わり、人間による組立では見落としがちです。産業用ロボットは、電気製品の微細・敏感な部品の取り扱いに長けており、電子機器製造に大量導入されています。クリーンルームロボットの活用により、組立時に埃が内部に接触するのを防ぎ、品質が大幅に向上しました。

食品産業

食品包装は現在、ロボットが専門に担っています。一部では、包装・倉庫管理というセンシティブな工程へのロボット導入が必須要件とされています。ロボット活用の利点は、精度と速度により汚染リスクが低いことです。適切な分量・サイズへの詰め分けも、ロボット食品加工の標準となっています。

医療・製薬産業

薬剤の仕分け・充填・調剤・検査は産業用ロボットの専門分野です。ロボットはミリグラム単位で正確な薬量を計量できるようプログラムされています。医療・製薬分野でのロボット活用により、薬剤の無駄と汚染を防ぎ、より適切な取り扱いが可能になりました。

手術器具などの精密医療機器も、世界を変える医療用ロボットにより要求通りの精密サイズで製造されています。医療ツールの品質低下は、医師の適切な治療を妨げます。

ロボットアームの価格

かつてロボットは現在より高価でした。大量生産により価格は低下傾向にありますが、依然として予算の上位に位置します。現在の市場における平均的な産業用ロボット価格は約25,000ドル（約370万円）ですが、モデル・サイズにより400,000ドル（約6,000万円）を超えることもあります。

ロボットアーム価格は、周辺機器や追加機能を加えるとさらに上昇します。衝突センサーや安全柵など、アプリケーション固有の追加装備（必須となることが多い）で、初期価格が倍増するケースもあります。

購入検討者は、新品ロボットか、中古の安価な産業用ロボットアームかを選択できます。中古の利点はコスト削減ですが、多少のトラブルは覚悟が必要です。

2020年ベスト プログラマブルロボットアーム

ロボットアームの全産業への普及に伴い、各メーカーの用途固有タスクに対応したモデルが開発されています。以下は2020年のベスト プログラマブル産業用ロボットアームです。

DOBOT Magician 教育用プログラミングロボット

マルチタスク向けに設計されたロボットアームです。3Dプリント、レーザー彫刻、ピックアンドプレース、描画、書字機能を搭載。20以上のコーディング言語に対応しながら、初心者でも扱えるシンプルさを両立しています。

LewanSoul LeArm 6DOF フルメタルロボットアーム

サーボ駆動で柔軟な動作を実現。全方向対応の強力なメタルクローを装備。ワイヤレス制御とスマートフォン操作の両方に対応しています。

QJRB800-1 ロボットアーム

EVS製で、最大ペイロード約1,700ポンド（約770kg）。ロボット本体を含む総重量約5,600ポンド（約2,540kg）で、製造現場で一般的な重量物搬送タスクに安定した基盤を提供します。

Owi Robotic Arm Edge

有線5スイッチコントローラーで遠隔操作可能な5関節を装備。単3電池またはAC電源で駆動可能。ベース回転270°、ギアボックスの長寿命化を実現しています。

産業用ロボットアームの選び方

ロボットアーム選定時には、以下のポイントを事前に検討する必要があります。

用途

ロボットアームだからといって何でもできるわけではありません。各ロボットアームは特定の用途向けに設計されています。塗装用アームを研磨用に転用することはできません（逆も同様）。マルチパーパスタイプでない限り、単一機能に限定されます。

ペイロード（可搬重量）

ロボットアームが扱える最大荷重です。産業用包装など重量物を扱う場合は、シンプルなピックアンドプレース自動化で重量物を扱える大型ロボットアームが必要です。

自由度

ロボットアームの可動範囲は軸数に依存します。軸数が多いほど動きの自由度が高まります。大型ロボットアームは回転により多くの力を要するため、より多くの軸が必要です。

速度

反復作業が主体なら、可能な限り高速なハイスピードロボットアームが最適です。多関節ロボットは高速・高精度でこの用途に適しています。コントローラー側で速度調整可能なモデルもあります。

コスト

予算内で収まるものを選ぶのが鉄則です。製造現場のような大量生産なら複数台必要で、コストは膨らみます。家庭用の簡易装置なら低コストロボットアームで十分です。

結論

産業用ロボット技術は時間の経過とともに不可欠なものになりつつあります。製造業における人間の労働は、もはや過去のものとなりつつあります。残された人間の役割は、メンテナンスと必要に応じたロボット制御程度です。将来的には、ロボットが世界中のあらゆる産業で標準装備となるでしょう。