ロボットと人間チームの協働で生産効率を向上：安全性とシナジーの両立

効率的な製造には、現場要員、設備、ソフトウェアの協調システムが必要です。これらのシステムにはロボット技術がますます含まれるようになっています。製造業者がロボットの信頼性、再現性、柔軟性を認識するようになったためです。International Federation of Roboticsによると、世界の産業用ロボット稼働台数は2019年までに約260万台に達し、2015年より約100万台増加見込みです。産業用ロボットの約70%は、自動車、電気/電子、金属・機械産業で使用されています。

安全性はあらゆる製造オペレーションの第一考慮事項です。産業用ロボットの安全な使用には伝統的に、現場要員とロボットの間に一定距離を保ち、ロボット周りにガードとケージを設置して作業員の怪我を防ぐことが求められてきました。人間とロボットのより密接で生産的な相互作用を目指す、多様なロボット、ソフトウェア、導入戦略が増えています。

この関係の制御は、作業員が潜在的に危険なエリアに入ったときにセンサーがロボットの動きを中断させるものから、人間の作業員と安全に並んで稼働するよう設計された完全な「協働」ロボット（コボット）の適用まで多岐にわたります。異なる協働モードにより、製造業者はロボット・システムと現場要員の全能力を活用できます。

単純、危険、汚い作業

米国の熟練労働者不足が、協働ロボット需要の多くを牽引しています。ベテラン現場要員の定年退職と、十分な若年労働者が製造労働力に参入していないことが、工場オーナーに人員不足をもたらしています。

このスキル・ギャップに対処するため、メーカーは繰り返しおよび/または危険なオペレーションにロボットを使用し、作業員をより思考とスキルを要する仕事に移しています。「人員が再配置されているのがわかります」と、Universal Robots USA Inc.（ミシガン州アナーバー）西部地域セールス・マネージャーのCraig Tomita氏。同社は完全協働ロボットのメーカーです。

Tomita氏によると、協働ロボットの導入は比較的シンプルです。人間スケールの作業範囲で動作し、従来の産業用ロボットに必要なガードが不要だからです。工場レイアウトを変更する必要がなく、スペース利用も変わりません。「人間オペレーターが現在作業している場所に協働ロボットを置くだけです」と氏。協働ロボットは安全ですが、リスク・アセスメント（システム内のすべての潜在的危険を特定し、緩和策を見つけること）は不可欠だと付け加えます。

使いやすさは完全協働ロボットの重要な属性です。小型協働ロボットの能力は小型従来ロボットと同等ですが、協働ロボットのトレーニングとプログラミング要件は最小限です。「URシステムのプログラミングの容易さはゲーム・チェンジャーです」とTomita氏。「例えばロボットをより大きな製造システムに統合する場合、Universalのユニットは手持ちタッチスクリーンでプログラミングして実行できます。必要なら、上級ユーザーはPython風スクリプト言語でロボットをプログラミングすることもできます。」

協働ロボットは、統合コストが参入障壁となっていた中小規模工場でも容易に使用できます。「氷山のように、ロボット部分は水面上に見えています」とTomita氏。「水面下にあるのが統合プロセスです。氷山全体を取ると非常に高コストになります。協働ロボットのコストは標準産業用ロボットとほぼ同じですが、統合コストはずっと低いのです。」

ロボット活用は人件費削減にも貢献するとTomita氏。「協働ロボットを使用する企業は、人件費が高すぎて以前は請けられなかった仕事を受注できるようになることがよくあります。」

潜在的用途は無限大です。「我々の協働ロボットの用途の数と種類は、まだ考え尽くされていません」とTomita氏。「ロボットはあそこ檻の中、人はこちら、二度と会わない、という発想に慣れすぎています。それが変わりつつあります。」

Universal Robotsは、ペイロード3.3kg（7.26ポンド）、作業半径500mm（19.7インチ）のUR3から、ペイロード10kg（22ポンド）、作業半径1300mm（51.2インチ）のUR10まで、3モデルの6軸協働ロボットを提供しています。

典型的なUniversal Robots顧客は、CleanLogix LLC（カリフォルニア州サンタクラリタ）で、CO2を洗浄、冷却、その他用途に使用する製品を開発しています。CleanLogix社長のDavid Jackson氏は、「切削ゾーンにスプレーを噴霧し、切削工具の冷却に非常にクリーンでグリーンな手段を提供できます」と語ります。単一ロボットが異なるタスクを実行できることを指摘。例えば、部品をマシニング・センターに配置した後、エンド・エフェクタ・ツーリングを交換してクーラントを供給。「つまりマルチタスク・ロボットで、完全なグリーン・リーン・ソリューションです。これらの小型ロボットに非常に期待しています。」

協働ロボットが人間と安全に協働できる能力により、シナジーを最大化するようオペレーションを構成できます。例えば、ロボットが一連のコンポーネントを組み立てる間、人間作業員は器用さと認知的知覚を必要とする微細なワイヤー挿入を行います。ロボットは、包装、パレタイズ、組み立て、ピック・アンド・プレースなど、反復性、信頼性、精度を要するオペレーションに最適です。

再現性と精度は、ロボット性能の別個だが関連する測定基準です。再現性は、ロボットが与えられた位置に繰り返し戻る能力の尺度です。様々な協働ロボットの謳い文句の再現性は、約±0.02〜±0.1mm（0.0008〜0.004インチ）またはそれ以下の範囲です。

一方、精度は、ロボットが所望の位置や経路にどれだけ近づけて動けるかを測定し、位置決め精度と経路精度に分類されます。ロボットが位置に移動して停止し、そこで穴あけを行うようなタスクには位置決め精度が必要。レーザー切断や塗装のように、ロボットが移動中にプロセスが進行する場合は経路精度が必要です。

アプリケーションが協働を決定する

一般的に、現場要員とロボットの並行作業は、小ペイロードを低速で扱う協働ロボットで実現されます—通常1m/秒（39.4ips）付近です。しかし、ABB Inc.（ノースカロライナ州ケリー）Robotics and Motion Divisionの組立・テスト・ビジネス・ライン・マネージャー、Nicolas De Keijser氏によると、ロボットが搬送する荷重や移動速度だけでは、安全な協働オペレーションを保証できません。非常に軽いが危険なペイロードは、カミソリの刃や注射針かもしれません。低速だが重いペイロードは、現場要員に挟み込み危険をもたらす可能性があります。中程度のペイロードを中程度の速度で移動中にグリッパーが故障すれば、ペイロードが工場内を飛び回る可能性があります。

ロボット・システムは、そのアプリケーションに相対的にのみ協働的です。「オペレーションが危険なら、ロボットがいかに協働的であっても、近くにいたくありません」とDe Keijser氏。完全なソリューション安全性評価があらゆるアプリケーションで必要だと付け加えます。「規格を読めば、常に協働オペレーションについて語られており、協働ロボットについて語られているわけではありません。」

ABBは、作業員とロボットの安全な共存を保証する2つのアプローチを取ります。小型部品組み立てのような真に協働的なアプリケーションは、同社のテーブル搭載型デュアルアームYuMiロボットで一般的に実現できます。38kg（84ポンド）のロボットのリーチは599mm（24インチ）、ペイロードはアームあたり500g（1.1ポンド）。人間スケールのエリアを占有しながら、現場要員と安全に並行稼働します。

一方、ABBは大型標準産業用ロボットの安全運転を、慎重なプログラミングと安全監視ソフトウェアを組み合わせた冗長システムで実現します。ロボットが安全な動作範囲でプログラミングされた後、ABBのSafeMove2安全認証ロボット監視ソフトウェアが、ロボット活動（安全速度制限、停止監視、軸範囲、位置と姿勢監視）を監視することで冗長な安全保護を提供。ソフトウェアはロボット・コントローラに統合され、セットアップ・タイムの節約と生産性向上、総投資コスト削減を実現するとDe Keijser氏。

Yaskawa MotomanのKinetiq Teachシステムは、ISO規格10218-1および10218-2で説明されているハンド・ガイディング・モードの人間/ロボット相互作用の一例です。

組み込み適応制御

別のロボット協働形態は、職人の技能と経験と、危険な領域で動作するロボットの能力を組み合わせます。溶接は一般的にユーザー・フレンドリーなオペレーションではありません。Yaskawa America Inc.、Motoman Robotics Division（オハイオ州マイアミズバーグ）の熱ビジネス開発ディレクター、Zane Michael氏によると、「今日の市場では、協働とはロボット・ゾーンとオペレーター・ゾーンが重なり、密接に協働することを意味します。その意味での『協働』が溶接環境に適用されているのを見たことはありません。」

ロボット溶接を厳密に協働と呼ぶことはできませんが、熟練溶接工とロボットの一種の協働が一貫した性能を支えます。溶接ロボットの運転が過度に難しいわけではありません。「ロボットのプログラミングと運転は簡単です」とMichael氏。「MotomanにはKinetiq Teachというシステムがあり、トーチを持ってロボットを希望の経路に沿って動かし、そのパスを記録しれば準備完了です。」しかし、溶接知識なしで溶接ロボットを運転するのは、「アンダーカットやビード・スルーなどの偶発的な溶接欠陥が発生した場合、苦戦する」と氏。

そんな場合、経験豊富な溶接工がロボットの動作を調整して問題を克服できます。レーザーやその他のセンサーを使用した適応制御システムは基本的なシーム・トラッキングには利用可能ですが、大多数の溶接システムはこうしたシステムなしで出荷されます。「人間の溶接工には、私が『組み込み適応制御』と呼ぶものがあります」とMichael氏。

運用の複雑さと量産能力に応じて、ロボット・セルは異なる形態の自動化と安全システムを備えます。MotomanのArcWorldシングル・ステーションC30セルは、小型部品の少量・単品加工用。セル・ドアが開いてオペレーターが溶接物をセル内のポジショナーに載せるとき、ロボットは非常停止モード。オペレーターが退出しドアが降りると溶接開始。一方、Motomanの大型部品大量生産用6000シリーズ機械は、観覧車のように部品固定具をインデックスするポジショナーを備え、セル外部から装填しながら内部で複数ロボットがアセンブリを溶接します。

溶接企業も他の製造セグメントと同様に労働力不足に直面しています。米労働統計局ベースで、American Welding Societyは2020年までに米国で29万人の溶接工不足と推定。Michael氏によると、先見性のある溶接サプライヤーは専門学校やキャリア・センターと協力して溶接工カリキュラムを作成。例えばMotomanは、高校と成人溶接トレーニング向けの溶接STEMプログラムと対応カリキュラムを作成しました。

ロボットとIoT

クラウド・コンピューティングとInternet of Thingsが、ロボット、ユーザー、ロボット・メーカー間の協働を促進します。メーカーは定期的にロボット稼働率を監視し生産性を記録すると、ロボット・サプライヤーFANUC America Corp.（ミシガン州ロチェスター・ヒルズ）の材料接合セグメント・ジェネラル・マネージャー、Mark Scherler氏。「しかし、それだけではありません。ロボットからデータを収集し、メーカーの稼働率改善を支援するためにインターネットを使用しています。」

FANUCは協働ロボットと標準産業用ロボットの両方を提供。ロボットが収集するデータを最大限活用するため、ゼロ・ダウンタイム（ZDT）診断アプリケーションを開発。ロボットの機械的動作と保守ステータスに関する重要情報を検出・分析します。例えば、メーカー施設のロボットにZDTをインストールすると、特定軸の問題を示唆するトルク・レベル上昇を検知。クラウド技術で、運用情報をFANUCデータ・センターに送信し分析。重大な問題は、ロボット・ユーザーの指定スマート・デバイスに通知を送信。

同時に、FANUCは問題解決に必要な部品の入手可能性を確認。データは、サイクル・タイム改善、エネルギー消費削減、より良い保守によるロボット寿命延長の観点からロボティクス・システムの最適化にも活用できます。

自動化の柔軟性

Morris Group（ノースカロライナ州シャーロット）Morris-South Divisionの東部地域セールス・マネージャー、かつてOkuma America Corp.のTHINCパートナー・ディレクターだったJeff Estes氏によると、大量生産の自動車業界が数十年にわたり自動化導入をリードしてきました。今日、少量生産メーカーも自動化が提供する信頼性と予測可能性を求めていますが、同時に、ある生産ロットから別のロットへの迅速な切り替えを可能にする柔軟性も望んでいます。そのために、ロボット技術により工場はプログラミング詳細とエンド・エフェクタを迅速に変更できます。

Estes氏は、工作機械のロボット自動化が単に部品の積み降ろしだけではないことを指摘。「鍵は、いかに無人または少人運転を実現するかです」と氏。完全自動化セルでは、工作機械、ロボット、ゲージ、ビジョン・システム、マテリアル・ハンドリング機器など多数の要素が統合され、「人間の介入なしに継続稼働し、基本的な判断ができるクローズド・ループ・オペレーション」を構築すると氏。セルの複数要素が個々のオペレーションについて情報を生成しますが、「それらが互いに連携し始めるまで、それらは単なる情報の断片に過ぎません。」インテグレーターがセル要素を選定・配置し、機能を調整します。

一部の工作機械サプライヤーは、ターンキー・システム提供のために社内インテグレーション能力を維持しています。Methods Machine Tools Inc.（マサチューセッツ州サドベリー）は米国内に30名以上の自動化エンジニアを擁し、設計、制御、電気/機械、システム統合、フィールド・サービス/設置要員も配置。工作機械プロバイダーとシステム・インテグレーターとしての活動を補完し、最近ノースカロライナ州シャーロット施設に自動化・統合センターを追加。自動化スペシャリストとシステム統合エンジニアが、セル定義・構築からランオフ実行まで、機器と能力について顧客相談に応じます。新しい10,000平方フィート（929平方メートル）施設の焦点は、「顧客向けのカスタム・テーラード包括的ソリューションの提供」だと、Methods自動化マネージャーのJohn Lucier氏。

全体的な自動化

協働ロボットのような技術が、メーカーの自動化に対する考え方を変えています。Estes氏は、自動化システムが生成・収集するデータの力を活用するようメーカーを促します。

データ分析は、製品品質、工具管理、マテリアル・フロー、ロジスティクスなど、生産の他側面にも貢献できます。ロボット技術を導入する際、メーカーは「より全体的なアプローチを取るべきです」とEstes氏。「単に人を機械の積み降ろしから解放するだけでなく、『このロボットで、よりIOTやインダストリー4.0関連のことができないか？』と自問すべきです。」ロボットと自動化システムには過小評価されている能力があると氏。「我々OEMプロバイダーでさえ、日々どれだけもっと高度にできるかを学んでいます。」

何がロボットを協働的にするか

「協働ロボティクス」という用語は、ロボット動作が人間の作業員に配慮して制御されるあらゆる状況を説明するために頻繁に使用されます。実際には、作業員とロボットの関係は、ロボットとアプリケーションによって大きく異なります。

ISO規格10218-1および10218-2「産業用ロボットの応用における安全規格」は2011年に発行。産業用ロボットの安全な設計、保護措置、応用要件を定めています。規格は、現場要員とロボットの間の安全性に関連する4つの異なる相互作用モードを定義しています。

1つ目のモードは、安全監視停止の実行能力。センサーがロボット周りの所定エリアを監視し、人間がそのエリアに入るとロボット動作が停止。人間の介入が最小限の場合、このレベルの安全監視で十分ですが、頻繁な中断は生産性を低下させる可能性があります。2つ目のモードはハンド・ガイディングで、オペレーターがロボット・アームを把持し、希望の経路上の希望ポイントまで動かしてティーチング・ペンダントでポイントを記録することで、ロボットに希望の経路を教示します。ロボット内の力トルク・センサーがオペレーターの手動ガイダンスを認識。このセンサーは安全システムとして機能せず、ティーチング・モード外では、人間との安全な相互作用を保証する他のデバイスやシステムが必要です。

速度と分離監視モードでは、ビジョン・システムがロボット周りの指定安全ゾーン内の人間を検知。ロボットと人間の距離が縮まるにつれ、ロボットは徐々に減速。一定距離でロボット動作が停止。その後、人間が安全ゾーンを出ると、ロボットは通常速度で作業を再開。この段階的な安全モードは、作業員の介入があっても生産性維持を助けます。

4つ目の協働モードは、ロボットと人間の並行作業を可能にし、保護ガードとケージの必要性を排除します。これらのロボットは「パワー・アンド・フォース・リミッティング・ロボット」と呼ばれます。センサーがロボットへの異常な力（作業員との接触で生じる力など）を検知すると、ロボットは即座に減速、停止、または逆方向に動きます。これらのロボットは一般的に従来の産業用ロボットより小型で低出力で、挟み込み怪我を防ぐため丸みを帯びた形状と覆われた関節を持っています。

2016年、ISOは技術仕様ISO/TS 15066を発行し、ISO規格10218-1および10218-2に詳細と明確化を追加。TS 15066では、協働ロボットを、人間とロボットが同時にタスクを実行できる協働ワークスペースで、人間と直接相互作用するよう設計されたロボットと定義。仕様は、ロボットが人間に与えても痛みや怪我を引き起こさない力のレベルを詳細に規定。力レベルは、人体の特定部位への衝撃テストで決定されました。それでも、実施されるオペレーションと、特定アプリケーションで関わる部品と工具のリスク・アセスメントを実施し、絶対的な安全性を確保することが極めて重要です。