ロボットによる研磨と研磨の革命:精度を高める力感知材料研磨技術

力感知技術がなければ、研磨やサンディングのアプリケーションを開発することはできません。 （画像：フレキシヴ）

製造業の状況は、高価な手作業を効果的に置き換えることができる、革新的で効率的かつ正確なテクノロジーの必要性によって推進され、変革を迎えています。この記事では、特にサンディングと研磨の用途と力制御技術の有用性に焦点を当てて、Flexiv の材料研磨技術の進歩について考察します。

目に見えないヒーロー:正確で耐久性のある力センサー

材料研磨プロセスの自動化を可能にする特徴的な機能の 1 つは、力センサーです。通常、従来の協働ロボットのアーム先端研磨ツールに組み込まれており、ロボットが接触している表面を感じ、それに応じてワークピースに衝撃を与える力を調整する機能をロボットに提供します。

適応ロボットは同じ基本テクノロジーを使用しますが、アーム端の力センサーのみを使用するのではなく、適応ロボットの 7 つの自由度のそれぞれに埋め込まれた高精度のトルク センサーと、アームの端の力センサーを使用します。この構成により、複数の入力からの力データの処理が可能になり、アーム端のツールがワークピースとどのように相互作用するかをより詳細かつ微妙に理解できるようになります。

これは、適応ロボット オペレータに次の 2 つの重要な利点を提供する独自の変位センシング技術の開発のおかげでのみ可能になります。

• 安定性と精度:熱ドリフトに対する耐性により、精度が向上します。

• 耐久性:数百万回の過負荷サイクルに対応できるように設計されたセンサーは、業界ですぐに使用できます。

従来のひずみゲージ トランスデューサと比較して、これらの重要な特性により、従来のゲージでは対応が困難な熱収縮や熱膨張の変動に直面した場合でも、信頼性の高い性能が保証されます。

力感知技術がなければ、研磨やサンディングのアプリケーションを開発することはできません。物体にどれくらいの力を加えるかを知ることは、表面の凹凸の変化に対応することと同様に重要です。

柔軟性が解き放たれる:7 関節デザイン

力を直接制御するため、ロボットのフランジとサンダー/グラインダーの間に追加のパッシブまたはアクティブ コンプライアンス デバイスを取り付ける必要はありません。これにより、サンディング ソリューション全体がより軽量になり、より信頼性が高く、よりコンパクトになり、コスト効率が高くなります。 （画像：フレキシヴ）

ロボットが肉体労働を効果的に代替するには、人間と同じように柔軟性と順応性がなければなりません。人間の腕は 7 つの関節点を備えた進化の驚異であり、適応型ロボットが一般的に 7 つの自由度 (DOF) を備えているのはそのためです。従来の協働ロボットの 6 自由度と比較すると、この余分な次元の動きにより、複雑な運用環境での柔軟性と操作性が向上します。

各ジョイントに独自のトルク センサーが搭載されているため、ロボットはあらゆる自由度を正確に制御でき、動作の全体的な精度が向上します。この精度は、特にサンディングなどの用途では非常に重要です。

関節構成の最適化により力制御性能もさらに向上します。追加の自由度の助けにより、ロボットは最も効率的な「関節」構成を使用して、可能な限り最高の力制御応答と精度を達成できます。

アーティキュレーションと感性の重要性を説明するには、木片を手で研磨することを想像してください。手首、肘、肩の協調的な動きと触覚フィードバックがサンディングプロセスの基本となります。分厚い手袋をはめたまま、または肘を固定した状態でサンディングを行おうとすると、作業は非常に難しくなり、時間がかかることになります。

全方向のコンプライアンスも重要であり、特にロボットがワークピースを保持するベルトサンダーなどの装置では重要です。ワークピースとベルトサンダー間の継続的な接触を維持するために、ロボットは研磨プロセス中に力の方向を常に変える必要があります。 （画像：フレキシヴ）

本質的に、材料研磨タスクに 7 番目の自由度を組み込むことにより、プロセスの適合が容易になるだけでなく、精度レベルが向上し、運動学的に効率的になります。

直接力制御による精度の革新

材料研磨プロセスの中心となるのは、直接力制御の実装です。この方法では、力のコマンドが関節トルクのコマンドに瞬時に変換され、力の変化に対する応答時間が大幅に速くなります。この方法は、力が関節速度コマンドに変換され、続いて関節トルクまたは電流コマンドに変換される、協働ロボットでよく使用される間接的な力制御に代わるものです。

これらの中間ステップをスキップすることにより、適応ロボットは力の方向の剛性を大幅に軽減でき、それによって力の制御精度が大幅に向上します。この改善は、優れた表面仕上げを達成するために細心の力制御を維持することが不可欠な、細かいサンディングやポリシング作業において極めて重要です。

力を直接制御するため、ロボットのフランジとサンダー/グラインダーの間に追加のパッシブまたはアクティブ コンプライアンス デバイスを取り付ける必要はありません。これにより、サンディング ソリューション全体が軽量になり、信頼性が高まり、コンパクトになり、コスト効率が高くなります。

全方位的なコンプライアンスの利点

全方向コンプライアンスにより、適応ロボットはデカルト空間内のあらゆる方向の力を制御する能力を備えます。これは、軸方向または半径方向の力のみを管理できた従来のソリューションを強化したものです。

従来のロボット ソリューションは、コンプライアンス デバイスに依存しているため、この点で制限があります。それらの固有の設計制限により、特定の軸に沿った、またはその周りの直線運動または回転運動の生成に制限されます。この伝統的なテクノロジーは依然として基本的な研磨作業に使用できますが、現実の製造現場では多方向の力制御が必要になることがよくあります。

全方向性のコンプライアンスは、複数の方向への力を同時に制御する必要がある複雑な材料研磨作業に不可欠です。複雑な曲線や凹凸のある表面を持つ物体を研磨するロボットを想像すると、単に軸方向または半径方向の力を制御する以上のものがあるはずです。複雑な形状では、3 次元デカルト空間の全方向にわたる力の制御に器用さが必要です。

この全方向コンプライアンスを備えたロボットは、あらゆるツール センター ポイント (TCP) フレームで力の適応性を正確に定義できます。この機能により、ロボットのエンドエフェクタに対して加えられる力を動的に調整できるため、複雑なタスクにおける汎用性が高まります。

材料の研磨作業には振動の低減が不可欠です。過度の振動は、特に研削などの高振動用途では、ワークピースに損傷を与え、機械システムの動作寿命を大幅に短縮する可能性があります。 （画像：フレキシヴ）

全方向のコンプライアンスも重要であり、特にロボットがワークピースを保持するベルトサンダーなどの装置では重要です。ワークピースとベルトサンダー間の継続的な接触を維持するために、ロボットは研磨プロセス中に力の方向を常に変える必要があります。これを実現するには、外部 TCP をサンダーに対して設定することができ、その結果、動作中にロボットの姿勢が変化しても、一貫したコンプライアンスの方向が得られます。

全方向コンプライアンスは、ロボットが実行できる材料研磨作業の範囲を広げる強力なツールです。高度な力制御と全方向性コンプライアンスの統合により、柔軟性が向上するだけでなく、キャリブレーションと微調整のプロセスが合理化され、導入と微調整にかかる時間と労力が削減されます。

接触角と輪郭追従

プログラム可能な接触角により、オペレータは表面にかかる平均力を直接定義でき、接触角が力に影響を与える従来の方法よりも改善されています。これは工業用研削作業に重要な意味を持ち、オペレータは力制御設定を変更せずに研削経路に沿って接触角を変更できるため、一貫した圧力を維持できます。

全方向コンプライアンスを活用したもう 1 つの進歩である輪郭追従は、不規則な形状に対して一定の力を維持するのに苦労する従来のシステムとは対照的です。輪郭追跡により、力の方向をリアルタイムで自動調整できるため、表面の輪郭やロボットの動きに関係なく、一貫した力を発揮できます。

これらの 2 つの機能により、材料研磨タスクの出力品質が向上し、軌道調整に必要な時間が短縮されます。簡単に言えば、接触角と輪郭追従により、展開時間を数時間から数分に短縮できます。これにより、展開プロセスが容易になり、定期的な調整の必要性が最小限に抑えられ、以前よりも早く、より高い基準でワークピースを完成させることができます。

振動低減による耐久性の向上

材料の研磨作業には振動の低減が不可欠です。過度の振動はワークピースに損傷を与え、特に研削などの高振動アプリケーションでは機械システムの動作寿命を大幅に短縮する可能性があります。

Flexiv は、関節トルク制御によって振動を約 25 ～ 50 パーセント低減することでこの問題に取り組んでいます。これにより、ロボットが使用する機器の動作寿命が延びるだけでなく、材料除去プロセス中に振動によって引き起こされる可能性のある表面の「渦や渦」が排除され、ワークピース全体の品質も向上します。

今後の展望

ロボット工学の分野は急速に進歩しており、適応型ロボット工学の最近の発展により、従来の協調ロボット技術ではまったく不可能だった画期的なソリューションを作成できるようになりました。

ロボットによる材料研磨には依然として大きな課題があります。ただし、力の直接制御、全方向のコンプライアンス、振動の低減により、効果的なソリューションが実現可能かつ実用的になります。

以前よりも高い精度で検知できるようになり、自動化の新たな可能性が広がります。これを NOEMA 人工知能システムのようなプラットフォームと組み合わせると、自動化できるプロセスに事実上制限はなくなります。

材料研磨の自動化は、ハードウェアおよびインテリジェントなソフトウェア ソリューションの進歩と並行して進化しており、わずか数年前まで一般的であった従来の労働集約的なアプローチや実行方法からの転換を示しています。

将来的には、自動化された材料研磨が、自動化されたネジ締めやピック アンド プレース アプリケーションと同じくらい一般的なものになる可能性があります。

この記事は、Flexiv Robotics (カリフォルニア州サンタクララ) のロボティクス エンジニアリング マネージャーである Ran Xu によって書かれました。詳細については、 ここをご覧ください。