ロボット協働：グローバル・人手不足時代の生産合理化

激しい市場ダイナミクス、グローバル化による競争激化、人口動態の変化、熟練労働者の深刻な不足が、ドイツ生産企業に大きなハードルを突きつけている。これらの変化は、バリューチェーンの最後の工程である組立プロセスに特に影響を与える。

この変化に対抗するアプローチの一つが、いわゆるヒューマン・ロボット・コラボレーション（HRC）の活用だ。しかし HRC システムは、計画の複雑さから、コストと人員の両面で依然として高コストと結びついている。製品複雑性、バリエーション、数量など多様な適用境界条件を持つ多業種企業が、協働組立ワークステーションを導入・立ち上げできる、シンプルで柔軟な手法が求められている。

研究プロジェクト SafeMate

ドイツ連邦教育研究省（BMBF）「明日の生産、サービス、仕事のためのイノベーション」プログラムの助成を受けた SafeMate 研究プロジェクトでは、協働組立ワークプレースの導入と設計に関する戦略とコンセプトを開発した。焦点は、従業員が高いメリットを認識できる安全で受容されたワークプレースに置かれた。Lenze、Lufthansa Sky Chefs、Miele、Sennheiser など著名なドイツ企業に加え、デトモルト拠点の Weidmüller もこの研究プロジェクトに参加した。

Weidmüller Group はグローバルプレイヤーで、電気接続技術とエレクトロニクスを専門とする。顧客とともに、製品、ソリューション、サービスでスマートインダストリアルコネクティビティと産業用 IoT のデジタルトランスフォーメーションを推進している。

製品は主に工作機械、プロセス産業、発電・再生可能エネルギー、輸送技術、ビルインフラ、デバイス製造分野で活用されている。長らくインダストリー 4.0 に取り組み、SafeMate 以外にも他の研究協力に参画している。

すべてが手作業だった頃

最近まで、Weidmüller の電気機械部品組立プロセスは、組立ワークステーションで従業員によって完全に手作業で行われていた。

SafeMate の一環として、Weidmüller プロセスエンジニア Tobias Stuke 氏率いるチームによるポテンシャル分析——人間と機械が行う個別タスクを特定し、タスク最適な分業を構築——が実施された。ロボットは、配置プロセスの単調、反復、力が必要なタスクを疲労なく、一貫した精度で実行するのが非常に得意であることが判明。一方、人間には特別なスキルがある：異なる寸法の小さな部品を山や箱から把持・取り出し、認識・仕分けする能力は人間が優れている。正しい供給とその後の検査プロセスでも人間がロボットより優れている。

これらの知見に基づき、それまで手作業だった組立プロセスを、ヒューマン・ロボット・コラボレーション（HRC）を用いて最初の SafeMate パイロット応用で部分自動化。人間とロボットが並行して働くハイブリッド組立ワークプレースが誕生した。単調で力が必要なタスクはロボットが、認知的に要求の高いタスクは人間が担う。

ヒューマン・ロボット・コラボレーション

協働ロボティクスでは、人間とロボットが一つのワークプレースで手を取り合って働ける。敏感な制御技術により、ロボットは保護柵なしで人間と近接作業できる。アプリケーションには、危険が十分に最小化されているか検証するバリデーションが必要。これは TÜV、業界団体、外部サービスプロバイダー、またはインテグレーター自らによる力と圧力の測定の一環として実施可能。ハンドツール（グリッパーなど）も同様にバリデーションできる。

新しいハイブリッドワークプレース、電気機械部品組立用に、デンマークのロボットメーカー Universal Robots（UR）製コボットが従業員の横に配置され、ともに働くようになった。まず人間がコネクタ要素を組み立て、その後コボットが電気接点を圧入し、コネクタハウジングを接合し、接点をねじ込む。協働ロボットの使用と、それによる組立プロセスの中間ステップや待ち時間の削減により、ハイブリッドワークステーション全体の生産性が向上。この部分自動化の焦点は、機械オペレーターを時間のかかる単調な中間ステップから解放し、人間とロボットのバランスの取れた分業を実現することだ。

Zimmer HRC グリッパー搭載コボット

適切なロボット選定に加え、ワークステーション設計の一環として適切なグリッパーも必要だった。グリッピング技術はあらゆるロボット応用の基本要素だからだ。ラインアウ、ドイツのグリッパー専門メーカー Zimmer Group の HRC-02 グリッパーが比較的早く見つかった。Zimmer Group は現在、世界最大の HRC グリッパーポートフォリオを持つ。選定されたグリッパーは安全で、選定された UR ロボットと完璧に調和する。

MRK 用途向けに特別に設計された HRC-02 全電動サーボグリッパーは、鋭いエッジがなく、全方向に丸みを帯びた形状で、偶発的な引っかかりがほぼ不可能。さらに、ストロークと把持力を柔軟に調整可能で、従来グリッパーよりはるかにセンシティブに把持できる。

これらの特徴と実績ある設計が、このプロジェクトに最大限の安全性を提供する。Zimmer Group のすべての HRC グリッパーは、ISO/TS 15066（HRC 標準）の保護原則に基づく高い要求を満たし、BG/DGUV 認証を取得している。

プログラミングが簡単に

Weidmüller の SafeMate プロジェクトでは、UR コボットを新しいハイブリッドワークプレースで効率的かつ柔軟に活用できることも焦点だった。したがって、ロボットの扱いやすさにも注目した。

コボットの操作容易さは、特に HRC-02 グリッパーとの組み合わせで説得力があった。すべての Zimmer Group グリッパーが UR 軽量ロボットと完璧に動作するのは偶然ではない——UR+ パートナーとして、Zimmer Group は現在 UR+ ウェブサイトで最大の UR 互換グリッパーポートフォリオを公開している。

以前は複雑なプログラミング作業と高度なプログラミングスキルが必要だったが、Universal Robots のコボットとその Zimmer グリッパーは非常に簡単に操作できる。ロボットコントロールパネルで直接制御・プログラミング可能で、直感的に設計されている——スマートフォンアプリに比較できる。

生産性と満足度の向上

Weidmüller 機械工学部門でのコボットパイロット使用が、効率と柔軟性の新たな可能性を開いた。

この新しいハイブリッド分業と、インテリジェントロボットとグリッパーの簡単な操作性と設置容易性により、エレクトロニクスメーカーは増大する熟練労働者不足とグローバル競争に、少しより良く対応できるようになった。生産性向上に加え、エルゴノミクス最適化と従業員の全般的な負担軽減という重要な非金銭的成功もあった。

例えば、接点圧入（ラッチング）などの力が必要なタスクと単調なタスクをロボットに任せられるようになった。この高い従業員受容性は、参加型導入プロセスによっても達成された。つまり、従業員が自分のワークプレース周辺の変革プロセスに最初から関与したのだ。

「Zimmer Group グリッパーの特選理由の一つは、技術的特徴に加え、HRC システムでテスト・認証済みの安全性をすでに備えていたことです。つまり、グリッピング技術プロジェクトで最初から『安全側』にいたのです——文字通りの意味で」と Stuke 氏。

従業員が協働作業から利益を得ることは、同社にとって特に重要だ。コボットとグリッパーは負担軽減を目的としている。