製造業におけるロボットの知能化と安全性の向上

パンデミックが浮き彫りにした製造業の悲しい真実：人間は病気になる

COVID-19は製造業者に貴重な教訓を与えました：人間が病気になると、工作機械と設備が遊休状態になります。もちろん彼らはすでにそれを知っていました。従業員が昼休みや休暇を取り、車が動かなくて遅刻し、時給50セント高い隣の工場に転職することも知っていました。こうした理由から、工場オーナーや管理者は長年自動化への圧力にさらされてきました。今、世界的パンデミックの直面で、彼らは自動化に躍起になっています。

「米国は長年熟練労働者不足に悩んできましたが、人間オペレーターへの依存が特に困難になっています」と、産業用自動化プロバイダーAcieta LLC（ウィスコンシン州ウォーケシャ）のセールス&マーケティング担当副社長マーク・サムナー氏は語ります。「長年、『自動化を検討している。収益改善にどう役立つか教えてほしい』という問い合わせを受けてきました。しかしCOVID-19以降、『ロボットが必要だ。どう始めればいいか？』という問い合わせに変わりました。」

新たな常識

この変化には多くの理由があります。ウイルス感染を懸念する世界において、工作機械同士は通常十分に離れているためソーシャルディスタンスは問題になりません。しかし昼休みに作業員が集まって週末の話やスポーツチームの愚痴を共有するときはどうでしょう？

マスク着用の義務化、アクリル板の仕切り、入口での検温、6フィート離れるよう促す看板が従業員の士気にどのような影響を与えるでしょうか？同僚が陽性になった際に避けられないシャットダウンについてはどうでしょう？運良くこれらが一時的なもので、免疫学者がすぐにワクチンを開発し、来年には2020年を異常事象として片付けられるかもしれません。しかしワクチンが開発されなかったら？次のパンデミックが来たら？こうした疑問が製造業者を躊躇させ、多くが「もう十分だ。可能な限り自動化しよう」と決断しています。

朗報は、それを実現するのがこれまでより容易になったことです。サムナー氏は、ソーシャルディスタンスにより作業員の間にロボットを配置するスペースが増えたと指摘します。またAcietaのオペレーション担当副社長スティーブ・アレクサンダー氏は、ビジョンシステムなどの高度な機能がロボットのコストと柔軟性に好影響を与えていると付け加えます。

「ますます多くのお客様が、パレット上、棚上、コンベア上にランダムに配置された部品を特定するためにカメラを使用しています」と同氏。「ロボットは部品の向きを判断してピックアップし、穴あけやバーコードなどの特徴の有無を判断して、それに応じた判断ができます。これにより治具の必要性と関連コストが削減され、ロボットの導入も容易になります。」

カメラでクリアに見る

Acietaで最も人気のビジョンシステムはFANUCのiRVisionで、アレクサンダー氏によるとあらゆるFANUCロボットのオプションとして利用可能です。しかしサードパーティ製やOEMカメラが実質的にあらゆるブランド、あらゆる世代のロボットで利用可能であることも素早く指摘します。カメラをどう活用するかを決めるのが、ビジョン導入で最も難しい部分であることが多いのです。

「確かにエンジニアリングが必要です」と同氏。「正しい物理レイアウト、視野、適切な照明などを確立する必要があります。そしてソフトウェア側では、カメラが何を認識しているか、それらの画像が作業とどう関連するかをロボットに教える必要があります。カメラをボルトオンするだけでは簡単ではありません。」

この分野に精通しているのが、FANUC America Corp.（ミシガン州ロチェスターヒルズ）のエンジニアリングマネージャー兼ロボットビジョンエキスパート、デイブ・ブルース氏。同僚のグレッグ・ビュエル氏（コボットエキスパート、FANUCマテリアルハンドリング部門シニアエンジニア）とともに、ビジョンシステムがより普及し高性能になっている一方で、その活用には追加の宿題が必要だと警告します。

「ビジョンは近年大きく進歩しました」とブルース氏。「過去3世代のコントローラで利用可能で、直近2世代では3Dビジョン（3DV）に大きく注力してきました。これは非常に高速なポイントクラウドベースのカメラを使用してロボットの周囲をマッピングします。産業用ロボットと協働ロボットの両方が今後数年で大幅に増加すると予想しています。」

もう一つの技術は力覚センシングで、ロボットをより安全かつ高機能にします。例えばFANUCのフォースコントロールは、同社のビジョン製品と併用してバリ取りや組立作業に使用され、スマートソフトウェアのサポートでこれらの作業がさらに容易になります。「『インテリジェント・デバリ』という製品もあります」とビュエル氏。「ユーザーが部品のCAD図面をアップロードすると、ソフトウェアがバリ取りの最適な動作パスを生成します。このレベルの人工知能が、自動化投資のROIを最速で実現するのに役立ちます。」

リアルタイムでの意思決定

ロボットによる人類支配の未来を恐れる人でない限り、決定論的AI（人工知能）は自動化業界で最もエキサイティングな分野かもしれません。AIを搭載したロボットはより高機能なだけでなく、運用コストが大幅に削減されるからです。

「ロボットの継続コストの40%はプログラミングにあります」と、ボストン拠点のRealtime Robotics Inc.のチーフコマーシャルオフィサー、ジェイソン・バートン氏。「AIでこれを最大70%削減できます。Realtime Roboticsは、ポイントAからポイントBへの最も効率的な経路を自動的に決定し、それに基づいてプログラムを生成することでロボットプログラミングを自動化します。さらに、特定の条件が発生するとそのプログラムを動的に変更できます。これは自律走行車が市街地をナビゲートする技術と似ています。」

「かつて車やスマホにGPSがなかった頃、ドライバーは見知らぬ場所への詳細な道順を印刷していました」とバートン氏。「しかし道路閉鎖や渋滞が発生すると、その場でルート変更できず困りました。それが今の従来型ロボットプログラミングの現状です。必要なすべての動作について個々のウェイポイントをプログラミングし、複数のロボットが協働する場合はそれぞれを調和させてプログラミングしなければなりません。これは骨の折れる時間のかかる作業で、私たちが排除できるものです。」

周囲を認識する自己プログラミングロボットはゲームチェンジャーとなり得ます。そのためRealtime Roboticsは三菱電機オートメーション株式会社（イリノイ州バーノンヒルズ）を含む複数のロボットメーカーと提携しています。同社のロボティクス製品マネージャー、アダム・ウェルチ氏は、高度な3Dビジョンシステムにより、セルや作業エリア内のすべてのロボットが効率的に動作し、現在位置と将来位置を空間的に認識できると指摘します。

リスクアセスメントと能力

「この技術は自動車や食品・飲料業界を含むさまざまな高密度ロボットアプリケーションで活用されています」とウェルチ氏。「システムが各ロボットの役割と責任を直感的に理解するため、ロボット1がロボット2より優先されるなどの階層を作成できます。高度なプログラミングなしで、厳格な製造プロセスも効率的に管理できます。」

もちろん、従来のプログラミングシステムと安全装置がすぐになくなるわけではありません。三菱電機オートメーションのビジネス開発マネージャー、ベン・セーガン氏は、同社のMELFA SafePlusソリューションが産業用ロボットラインを補完し、エリアスキャナ、ライトカーテン、安全マットなど多様な安全装置とインターフェースすることで、これらのアクセサリからのフィードバックに基づきロボット速度を低下させたり動作を制限したりすると説明します。

「大きくて醜いケージを撤去してこうしたシステムに置き換えよう」と考える方もいるでしょうが、そう簡単ではありません。業界の専門家同様、両氏ともあらゆるロボット導入前にリスクアセスメントを実施すべきだと述べます。「これは協働ロボットでも同様です」と同氏は付け加え、三菱電機オートメーションが初のコボット「MELFA ASSISTA」を今秋リリース予定であることを明かしました。「セルレイアウト、工作機械、コンベア、その他マテリアルハンドリング機器、人間とのインタラクションの程度に関連して、あらゆるロボットアプリケーションを分析することが極めて重要です」とセーガン氏。

パンデミックが更なる自動化を加速

Universal Robots USA Inc.（ミシガン州アナーバー）の戦略的マーケティング&アプリケーション開発担当シニアマネージャー、ジョー・キャンベル氏は、コボットを含むロボティクスの積極的導入を完全に支持しています。「パンデミック前から状況は明確でした」と同氏。「少なくとも50万の製造業ジョブが未充足。毎日1万人以上のベビーブーマーが引退し、製造業労働者の27%が55歳以上。そして若者が職業訓練に進む意欲が過去最低でした。」

この状況だけでも自動化の着実な推進力になっていました。そこに世界的パンデミックが加わりました。その結果、あらゆる規模の工場がコボットとロボットを購入し、ソーシャルディスタンスを保った人間の労働力と組み合わせて、パンデミック前の水準まで生産を回復しようとしています。これにより、よりスマートで高性能なロボットで低コスト労働の競争環境を均衡させ、可能な限りリショアリング（国内回帰）したいというニーズが生まれています。

その一例が、Universal RobotsのActiNavです。昨年4月に発表された自律型ビンピッキングシステムで、EC倉庫やフルフィルメントセンターの「ピック&ドロップ」型ビンピッカーとは異なり、ActiNavは「ピック&プレース」を実現します。CNCマシンテンディングに十分な精度を持ち、非常に深いビンからランダムに配置された物体をピックアップできる賢さを備えています。この能力の多くは、Photoneo Inc.（ケンタッキー州アーランガー）供給の高解像度ビジョンシステムと、Universal Robotsが社内開発したソフトウェアによるものです。

「これがActiNavの真の魔法です」とキャンベル氏。「従来のビンピッキングではあらゆるシナリオをプログラミングする必要があり、小さな金属部品で満たされたビンでは事実上不可能です。ActiNavなら部品、ビン、部品の配置先を示すだけで、ソフトウェアが残りを処理します。ゼロから新しい部品をセットアップするのに2〜4時間で完了し、従来なら数ヶ月かかっていた作業が簡素化されます。」

安全な動作

キャンベル氏によると、COVID-19は製造業を海外に委ねたときに何が起こるかを皆に示しました。「パンデミックや同様の混乱があれば即座に停止します」と同氏。「このため、あらゆる企業が仕事を国内に取り戻し、今すぐやりたいと考えています。しかし労働力不足のため、導入が容易で、プログラミング・操作が簡単、適切な安全プロトコルがあれば人間と共存できる柔軟な自動化以外に効果的な方法はありません。協働ロボットはこれらすべてのニーズに適合します。」

ABB Robotics U.S.（ミシガン州オーバーンヒルズ）の副社長兼ゼネラルマネージャー、ジョー・チュディ氏も業界の自動化要請を聞いていますが、提案するソリューションは少し異なります。「お客様は、ロボティクスと自動化の導入加速が従業員の健康保護と事業継続性向上の両面で極めて重要だと伝えています」と同氏。「多くはグローバリゼーションとローカリゼーションのバランスを変え、生産を身近に戻す『ニアショアリング』を望み、生産柔軟性の向上とサプライチェーンのレジリエンス強化を求めています。」

このニーズに応えるには、ユーザーがより良い意思決定をできる直感的なツールが必要です。その一つが同社のSafeMoveソフトウェアスイートで、適切な安全センサ、レーザースキャナ、ライトバリアがあれば、実質的に囲いなしの限られたスペースでオペレーターがロボットとより自由に協働できるとチュディ氏は説明します。ABBの産業用ロボット全機種で使用可能で、設定可能な電子的な動作検知・防止機能により、人が近づくとロボットの速度、動作、位置を制限することで「すべてのロボットをコボット化」します。

同氏はまた、シミュレーションとオフラインプログラミングソフトウェアの必要性にも言及し、同社のRobotStudioを例に挙げます。前者は、実際の生産ラインを止めることなく、仮想3D環境で完全なロボット設置を作成、シミュレーション、テストできます。「新しい製品ラインをより速く設置し、コミッショニング時のサプライズなしでフルスピードに到達できます。今日のマスカスタマイゼーションと短い製品ライフサイクルを考慮すると、これは製造業者にとって極めて重要な能力です」と同氏。「CAMソフトウェアとCNC工作機械と同様に、オフラインロボットプログラミングは手動プログラミング方式で発生するダウンタイムと工場フロアの混乱を排除します。」