産業用ロボットの最も包括的な分析

I. 産業用ロボット開発の背景

「ロボット」という用語は、1920 年にチェコの劇作家カリロチベクの SF 劇『ロッサムのユニバーサルロボット』の中で初めて使用され、それ以来ロボット工学の同義語になりました。

1938 年 3 月、メカノマガジンはハンドリングロボットのモデルについて報告しました。これは、産業用途を目的としたモデルロボットの最も初期の報告の 1 つです。 1935 年にグリフィス P. テイラーによって設計されたこの装置は、単一の電気モーターによって 5 軸の動作が可能でした。 1954 年までに、最初の電子的にプログラム可能な産業用ロボットが米国の GC Devol によって設計されました。そして 1960 年にアメリカの AMF 社は、点と軌道制御を備えた柱座標型 Versatran ロボットを製造しました。これは工業生産に使用される世界初のロボットでした。{10}

1974 年、シンシナティミラクロンは多関節ロボットの開発に成功しました。- 1979 年までに、Unimation は PUMA ロボットを発売しました。これは、多関節、全モーター駆動、マルチ CPU 二次制御を備え、VAL 特殊言語を使用し、視覚、触覚、力覚センサーを装備できる、当時最も技術的に進んだ産業用ロボットです。現在の産業用ロボットは主にこの構造に基づいています。この期間のロボットは「ティーチイン/プレイバック」（ティーチイン/プレイバック）タイプのロボットに属し、対応するプログラムに従って動作を繰り返すためのメモリとストレージ容量のみを持ち、周囲の環境は基本的に知覚とフィードバック制御機能を持ちません。

80 年代に入ると、視覚センサー、非視覚センサー、情報処理技術などのセンシング技術の発展に伴い、第 2 世代のロボット - が登場しました。動作環境と動作オブジェクトに関する関連情報の一部を取得し、特定のリアルタイム処理を実行し、ロボットが動作を実行するようにガイドすることができます。-第 2 世代のロボットは工業生産に広く使用されています。

現在、各国は「インテリジェントロボット」の研究を進めています。このロボットは、第 2 世代以上の環境認識能力を備えているだけでなく、運用要件や環境情報に応じて自律的に動作するための論理的思考、判断力、意思決定能力も備えています。{0}

II.産業用ロボットの応用シナリオ

1960年代初頭、人類が最初の産業用ロボットを作成して以来、ロボットはその偉大な活力を示し、わずか50年余りでロボット技術は急速に発展し、多くの製造分野で産業用ロボットは自動車および自動車部品および部品製造業の分野で最も広く使用されており、機械加工産業、エレクトロニクス、電気産業、ゴムおよびプラスチック産業、自動車および自動車部品および部品などの他の分野にも絶えず拡大しています。製造業。電気産業、ゴムおよびプラスチック産業、食品産業、木材および家具製造などの分野。工業生産現場では、溶接ロボット、研削研磨加工ロボット、溶接ロボット、レーザー加工ロボット、スプレーロボット、ハンドリングロボット、バキュームロボットなどの産業用ロボットが数多く採用されています。以下に、産業用ロボットの応用シナリオと技術的特徴の一部を紹介します。

Ⅲ．産業用ロボットの現状

産業用ロボットの台頭とともに、「人間のための機械」がトレンドとなるでしょう。 Foxconnは以前、3年間で100万台のロボットを購入すると発表しており、2016年には山西省金城に「世界最大のインテリジェントロボット生産基地」が建設される予定だ。

自動車、エレクトロニクス、食品、化学、プラスチックとゴム、金属製品の6つの製造業が現在の主要分野で産業用ロボットの応用分野とみられており、同庁は年間需要が100万～200万台で、中国の産業用ロボット市場需要の約70％を占めると予測した。

今年9月の時点で、中国のロボット企業全体は420社近くに達している。さらに、現在中国全土で30以上のロボット工業団地が建設中である。

中国市場で産業用ロボットが急増している理由は、第一に、コストの点で言えば、ロボットは通常人件費の 4 分の 1 にすぎないためです。{0}第二に、ロボットは品質、効率、管理の面で多くの新たな付加価値をもたらします。そのため、ロボット技術の急速な向上、価格の大幅な下落、労働力不足、人件費の上昇などにより、中国の産業用ロボット産業はパンク時代を迎えている。

IV.産業用ロボットのキーテクノロジー

1. ロボットの基本システム構成

産業用ロボットは、機械部分、センシング部分、制御部分の 3 つの主要な部分と 6 つのサブシステムで構成されており、6 つのサブシステムは機械構造システム、駆動システム、センシングシステム、ロボット環境インタラクションシステム、ヒューマンマシンインタラクションシステム、制御システムに分類できます。{3}

産業用ロボットシステム構成

(1) 産業用ロボットの機械構造システムは、ベース、アーム、先端マニピュレータの 3 つの主要部分から構成され、それぞれの主要部分は数自由度を持った多数の機械システムを持っています。ベースが歩行機構を備えている場合、それは歩行ロボットを構成します。ベースに歩行および屈曲機構がない場合は、単一のロボットアームを構成します。腕は一般的に上腕、下腕、手首から構成されます。エンドマニピュレーターは手首に直接取り付けられる重要な部品であり、2 本の指または複数の指で握ることができ、また、ペイントスプレーガン、溶接ツール、その他の操作ツールとしても使用できます。{4}}

(2) ロボットを動作させるためには、駆動系である伝達装置上の関節、つまり各運動の自由度に駆動系を配置する必要があります。駆動システムは、統合システムを適用するために油圧、空気圧、電気、またはそれらの組み合わせにすることができ、同期ベルト、チェーン、ホイールシステム、ハーモニックギアおよびその他の機械伝達機構を介した直接駆動または間接駆動にすることができます。

(3) センシングシステムは、内部および外部環境の状態に関する有意義な情報を取得するために、内部センサーモジュールと外部センサーモジュールで構成されます。スマートセンサーの使用により、ロボットの可動性、適応性、知能のレベルが向上します。人間の感覚系は外界に関する情報を感知するのに非常に器用ですが、特定の情報についてはセンサーの方が人間の感覚系よりも効果的です。

(4) ロボット環境交換システムは、最新の産業用ロボットと機器の外部環境を交換可能な連絡および調整システムです。産業用ロボットと外部機器を、加工ユニット、溶接ユニット、組立ユニットなどの機能ユニットに設定します。もちろん、複数のロボット、複数の工作機械や装置、複数の部品保管装置などを機能ユニットに組み込んで、複雑なタスクを実行することもできます。

(5) マンマシン交換システムは、オペレータとロボットがロボット装置（たとえば、コンピュータの標準端末、指令コンソール、情報表示板、危険信号警報器など）を制御および連絡するシステムです。システムは、コマンドを与える装置と情報表示装置の 2 つの主要なカテゴリに要約されます。-。

6) ロボット制御システムはロボットの頭脳であり、ロボットの機能と性能を決定する主な要素です。

制御システムの役割は、ロボットの動作指示プログラムとセンサーから返される信号に従って、ロボットのアクチュエーターを制御して、所定の動作と機能を実行することです。産業用ロボットに情報フィードバック特性がない場合、それは開ループ制御システムです。-情報フィードバック特性がある場合、それは閉ループ制御システムです。-制御原理によれば、制御システムはプログラム制御システム、適応制御システム、人工知能制御システムに分けることができます。制御動作の形式に応じて、制御システムは点制御と軌道制御に分類できます。点位置タイプは、アクチュエータの一点から別の点への正確な位置決めのみを制御し、工作機械のロードとアンロード、スポット溶接や一般的なハンドリング、ロードとアンロードなどの作業に適しています。連続軌跡タイプは、アクチュエータの動作を一定の軌跡に従って制御し、連続溶接や塗装などの作業に適しています。

制御システムの役割は、ロボットの動作指示プログラムとセンサーから返される信号に従って、ロボットのアクチュエーターを制御して、所定の動作と機能を実行することです。産業用ロボットに情報フィードバック特性がない場合、それは開ループ制御システムです。-情報フィードバック特性がある場合、それは閉ループ制御システムです。-制御原理によれば、制御システムはプログラム制御システム、適応制御システム、人工知能制御システムに分けることができます。制御動作の形式に応じて、制御システムは点制御と軌道制御に分類できます。産業用ロボット一式には、ロボット本体、システムソフトウェア、制御盤、周辺機械機器、CCDビジョン、治具/グリッパー、周辺機器用PLC制御盤、デモンストレーター/デモンストレーターボックスが含まれます。

次のセクションでは、ロボットの駆動システムとセンシングシステムに焦点を当てます。

2. ロボット駆動システム

産業用ロボットの駆動方式は、その動力源に応じて油圧式、空圧式、電動式の大きく3つに分けられます。ニーズに応じて、これら 3 つの基本タイプを組み合わせて複合駆動システムを構築することもできます。これら 3 種類の基本的な駆動方式にはそれぞれ独自の特徴があります。

油圧駆動システム: 油圧技術はより成熟した技術です。パワー、力（モーメント）、慣性比が大きく、応答性が高く、ダイレクトドライブの特性を実感しやすいです。耐荷重能力、慣性が大きく、耐溶接環境での作業が可能なこれらのロボットでの使用に適しています。-ただし、油圧システムはエネルギー変換（電気エネルギーから油圧エネルギーへ）、ほとんどの場合スロットル速度調整を使用した速度制御を必要とするため、効率は電気駆動システムよりも低くなります。油圧システムの液体スラッジの排出は環境を汚染する可能性があり、作動音も大きくなります。このような弱点があるため、近年では荷重100kg以下のロボットでは電動化されることが多くなってきています。

完全油圧式の頑丈なロボット-

空気圧駆動は高速、システム構造がシンプル、メンテナンスが容易、価格が安いという利点があります。ただし、空気圧デバイスの作動圧力が低いため、正確に位置決めするのは容易ではなく、通常は産業用ロボットのエンドエフェクタ駆動にのみ使用されます。-エンドエフェクタとしての空圧ハンドグリップ、ロータリーシリンダー、空圧吸盤は、中荷重および軽荷重のワークピースの把持と組み立てに使用できます。{3}}図には空気圧吸引カップと空気圧ロボットグリッパーが示されています。

空気圧吸引カップと空気圧ロボットグリッパー

モーター駆動は、最新の産業用ロボットの主流の駆動モードであり、DC サーボモーター、AC サーボモーター、ステッピングモーター、リニアモーターの 4 つのカテゴリーに分類されます。閉ループ制御を備えた DC サーボモーターと AC サーボモーター。一般に高精度、高速ロボットの駆動に使用されます。-精度と速度の要件を満たすステッピングモーターは、開ループ制御の使用が頻繁ではありません。-リニアモーターとその駆動制御システムは技術的に成熟しており、超高速-速度と極低速-速度の用途への適応、高加速、高精度、空戻りなし、低摩耗、ロボットグリッパーの構造と構造など、従来の伝達装置とは比較できない優れた性能を備えています。空のバックがなく、摩耗が少なく、構造がシンプルで、減速機やギアのネジ結合がありません。パラレルロボットには多数のリニアドライブ要件があるため、リニアモーターはパラレルロボットの分野で広く使用されています。

3. ロボットセンシングシステム

ロボット認識システムは、ロボットのさまざまな内部状態情報や環境情報を、信号からロボット自身またはロボット間で理解および適用できるデータおよび情報に変換します。変位、速度、加速度、力、トルクなど、自身の動作状態に関連する機械量を認識する必要性に加えて、視覚認識技術も産業用ロボットの認識の重要な側面です。

ビジュアルサーボシステムは、視覚情報をフィードバック信号として利用し、ロボットの位置や姿勢を制御するシステムです。この分野の用途は主に半導体およびエレクトロニクス産業です。マシンビジョンシステムは、品質検査、ワークピースの識別、食品の仕分け、包装などのさまざまな側面でも広く使用されています。

通常、ロボットのビジュアルサーボ制御は位置{0}}ベースのビジュアルサーボまたは画像-ベースのビジュアルサーボで、それぞれ 3D ビジュアルサーボおよび 2D ビジュアルサーボとも呼ばれます。これら 2 つの方法にはそれぞれ独自の利点と適用性、およびいくつかの欠点があるため、2.5 次元ビジュアルサーボ方法が提案されています。

位置ベースのビジュアルサーボシステムは、カメラのパラメータを利用して画像情報とロボットエンドエフェクタの位置/姿勢情報の間のマッピング関係を確立し、ロボットエンドエフェクタの位置の閉ループ制御を実現します。{{2}エンドエフェクタの位置と姿勢の誤差は、リアルタイムに取得された画像から抽出されたエンドエフェクタの位置情報と局所ターゲットの幾何学的モデルから推定され、その後、位置と姿勢の誤差に基づいて各関節の新しい位置と姿勢のパラメータが取得されます。-位置ベースの視覚サーボでは、エンドエフェクタが視覚シーン内で常に観察可能である必要があり、その 3D 位置姿勢情報が計算されます。{10}画像内の外乱やノイズを除去することが、位置および姿勢の誤差を正確に計算するための鍵となります。

2D ビジョンサーボは、カメラでキャプチャされた画像の特徴を特定の画像 (3D 幾何学的情報ではない) と比較することによってエラー信号を導き出します。その後、関節コントローラとビジョンコントローラ、およびロボットの現在の動作状態によってロボットを修正し、ロボットのサーボ制御を完了します。 3D ビジュアルサーボと比較して、2D ビジュアルサーボはカメラとロボットの校正誤差に対してより堅牢ですが、ビジュアルサーボコントローラーの設計では、画像のヤコビ行列の特異性や極小値などの問題が避けられません。

3D および 2D ビジュアルサーボ手法の制限に対処するために、F. Chaumette et al.は2.5-次元のビジュアルサーボ法を提案した。カメラの移動変位と回転の閉ループ制御を切り離し、画像特徴点に基づいて 3D 空間内のオブジェクトの向きと撮像深度比を再構築します。移動部分は画像平面上の特徴点の座標で表されます。この方法は、画像信号と画像に基づいて抽出された位置信号を有機的に結合し、それらによって生成される誤差信号を合成してフィードバックすることができ、ロバスト性、特異性、極小値の問題を大幅に解決します。ただし、この方法には、サーボ処理中に基準オブジェクトが常にカメラの視野内に位置するようにする方法や、特異点行列を分解する際の非一意な解の存在など、解決すべき問題がまだいくつかあります。

ビジョンコントローラーをモデル化する場合、ロボットのエンドエフェクターとカメラの間のマッピング関係を記述する適切なモデルを見つける必要があります。-画像ヤコビ行列の手法は、ロボットビジョンサーボ研究の分野で広く使用されている手法です。画像のヤコビ行列は時間変化するため、オンラインで計算または推定する必要があります。-

4. ロボットの主要な基本コンポーネント

ロボットの主要コンポーネントは 4 つあり、本体のコストの 22%、サーボシステムの 24%、減速機の 36%、コントローラの 12% が占められます。ロボットの主要な基本コンポーネントとは、ロボットの駆動システム、制御システム、およびヒューマンマシンインタラクションシステムの構成を指し、ロボットの性能に影響を与える重要な役割を果たし、コンポーネントユニットの汎用性とモジュール性を備えています。{6}}ロボットの主要コンポーネントは、主に次の 3 つの部分に分かれています。高精度ロボット減速機、高性能 AC および DC サーボモータとドライブ、高性能ロボットコントローラです。-

1) 減速機

減速機はロボットの重要な部品であり、現在主にハーモニックギヤ減速機とRV減速機の2種類が使用されています。

高調波伝達法は、1950 年代半ばにアメリカの発明家 C. WaltMusser によって発明されました。-ハーモニックギア減速機は、主にウェーブジェネレーター、フレキシブルギア、リジッドギアの3つの基本コンポーネントで構成されており、ウェーブジェネレーターに依存してフレキシブルギアを作成して制御された弾性変形を生成し、リジッドギアの噛み合いにより運動と動力を伝達し、最大70〜1000の単段変速比を実現し、フレキシブルホイールの変形を利用してバックラッシュ噛み合いなしで逆転することができます。一般的な減速機に比べ、同じ出力トルクの場合、ハーモニックギヤ減速機の体積は2/3、重量は1/2に低減できます。大きな交互荷重に耐えられる柔軟な車輪であるため、材料の疲労強度、加工、熱処理の要件が高く、製造プロセスが複雑であり、柔軟な車輪の性能が高品質の調和歯車減速機の鍵となります。

1926年にドイツのローレンツバラエン社がサイクロイド遊星歯車伝動の原理を提案し、1980年代には日本の帝人精機株式会社が中心となってRV減速機を開発しました。 RV減速機は遊星歯車ヘッドの前段とサイクロイド減速機の後段で構成されています。ハーモニックギヤヘッドと比較して、RV ギヤヘッドは優れた旋回精度と精度保持を実現します。

陳世仙はライブギア伝送技術を発明しました。第 4 世代の振動ローラートランスミッション (ORT) は、多くの工業製品に適用されて成功しています。 ORTに基づいて提案された複合振動ローラトランスミッション（CORT）は、RVトランスミッションと同様の利点があるだけでなく、RVトランスミッションのクランクシャフト軸支持力、低寿命の欠点を克服し、耐用年数と耐荷重能力をさらに向上させます。 CORT の構造により、同じ精度指標の下でのリターン差が小さくなり、動作精度と剛性が高くなるため、高い製造精度が要求される RV トランスミッションの欠点が軽減され、加工要件と製造コストを相対的に削減できます。CORT は中国で独自に開発され、独立した知的財産権を所有しています。鞍山耐摩耗合金研究所と浙江恒豊台減速機製造有限公司はどちらもロボット用 CORT 減速機の開発に成功しました。

ORT レデューサー CORT レデューサー

現在、高精度ロボット減速機に関しては、RV サイクロイド減速機の日本ナブテスコと高性能高調波減速機の日本ハーモニックドライブの日本の減速機 2 社がそれぞれ市場シェアの 75% を独占しています。{2} ABB、FANUC、KUKA、MOTOMANを含む、国際主流ロボットメーカーを含む上記2社の減速機を国内外のロボットメーカーに上記2社の減速機を提供します。 ABB、FANUC、KUKA、MOTOMAN などの国際的な主流ロボットメーカーのギアボックスはすべて上記 2 社によって提供されています。国内ロボット企業が選択する汎用モデルと異なる点は、国際主流ロボットメーカーが上記2社と戦略的協力関係を締結しており、提供される製品のほとんどが汎用モデルをベースにメーカーの特殊な要件に合わせて改良された専用モデルであることです。高精度サイクロイド減速機に関する国内の研究は遅れて開始され、関連する研究を行っているのは一部の大学や研究機関だけでした。現在、産業用ロボットに使用される成熟した製品はありません。近年、浙江恒豊台、重慶大学国立機械伝達重点研究所、天津減速機工場、秦川工作機械工場、大連鉄道研究所など、一部の国内メーカーや機関が高精度サイクロイド減速機研究の現地化と産業化に注力し始めています。{10}高調波減速機に関しては、中国には北京Sinotech Kemi、北京ハーモニックドライブなどの代替製品がありますが、入力速度、ねじり高さ、伝達精度、効率において日本製品との対応製品にはまだ小さなギャップがあり、産業用ロボットの成熟した応用は始まったばかりです。

2) サーボモーター

サーボモーターとドライブでは、現在のヨーロッパのロボットドライブ部品は主にLenze、Lust、Bosch Rexrothなどの企業によって提供されており、これらのヨーロッパのモーターとドライブコンポーネントは過負荷容量があり、動的応答が良好で、ドライブのオープン性が高く、バスインターフェイスを備えていますが、価格が高価です。日本ブランドの産業用ロボットの主要コンポーネントは、主に安川電機、パナソニック、三菱などの企業から提供されており、価格は比較的安価ですが、動的応答が悪く、オープン性が悪く、ほとんどの製品はアナログとパルス制御モードのみを備えています。近年、中国でも、北京のハルビン工業大学や広州の立思CNCなどのユニットで、高出力AC永久磁石同期モーターと駆動部品の基礎研究と工業化が行われており、生産能力は少しありますが、その動的性能、オープン性、信頼性は、より実用的なロボット工学プロジェクトのアプリケーションによって検証される必要があります。

3) コントローラー

ロボットコントローラーに関しては、現在主流の海外ロボットメーカーは、独立した研究開発に基づく一般的な多軸モーションコントローラープラットフォームを使用しています。{0}現在、一般的な多軸コントローラプラットフォームは主に、モーションコントロールカードのコアとしての組み込みプロセッサ (DSP、POWER PC) と、PLC システムのコアとしての産業用コンピュータとリアルタイムシステムに分かれています。これらは、Delta Tau の PMAC カードや Beckhoff の TwinCAT システムに代表されます。-国内のモーションコントロールカードでは、ソリッドハイカンパニーが対応する成熟した製品を開発していますが、ロボットへの応用は比較的小規模です。

5. ロボットのオペレーティングシステム

共通ロボットオペレーティングシステム (ロボットオペレーティングシステム、ROS) は、ロボット用に設計された標準化された構築プラットフォームであり、これにより、すべてのロボット設計者がロボットソフトウェア開発に同じオペレーティングシステムを使用できるようになります。ROS は、ハードウェアとソフトウェアの独立性の方向でロボット産業の発展を促進します。ハードウェア-に依存しない開発モデルは、PC、ラップトップ、スマートフォンのテクノロジーの開発と急速な進歩に大きく貢献してきました。

ROS は、コンピュータのオペレーティングシステムよりも開発が困難です。コンピュータは明確に定義された数学的演算のみを処理する必要がありますが、ロボットはより複雑な実際の動作演算に直面する必要があります。-

ROS は、ハードウェア抽象化、基盤となるデバイス制御、共通機能の実装、プロセス間メッセージ、パケット管理などの標準オペレーティングシステムサービスを提供します。{0}

ROS は 2 つの層に分かれており、下位層はオペレーティングシステム層、上位層はロボットのさまざまな機能を実現するためにユーザーコミュニティによって提供されたさまざまなソフトウェアパッケージです。

既存のロボットオペレーティングシステムの主なアーキテクチャは、Linux ベースの Ubuntu オープンソースオペレーティングシステムです。{0}さらに、スタンフォード大学、マサチューセッツ工科大学、ドイツのミュンヘン大学でもさまざまなタイプの ROS システムが開発されています。 Microsoftのロボット開発チームも2007年に「Windowsロボット版」をリリースした。

6. ロボットの動作計画

作業効率を向上させ、ロボットが特定のタスクをできるだけ短い時間で完了できるようにするには、合理的な動作計画が必要です。オフライン動作計画は、経路計画と軌道計画に分けられます。

経路計画の目標は、経路の長さを可能な限り短くしながら、経路と障害物との間の距離を可能な限り遠くすることです。軌道計画の目的は主に、ロボットの空間運動におけるロボットの関節の動作時間をできるだけ短くするか、エネルギーをできるだけ小さくすることです。時系列情報の追加に基づいて経路計画を行う軌道計画では、ロボットは速度と加速度の計画タスクを実行し、滑らかさと速度制御性の要件を満たします。

デモンストレーション再現は、経路計画を実現する方法の 1 つです。デモンストレーション用の操作空間とデモンストレーションの結果を記録し、作業プロセスで再現します。現場デモンストレーションは、ロボットがアクションを完了するために必要なニーズに直接対応し、経路は直感的で明確です。欠点は、経験豊富なオペレーターが必要で時間がかかり、パスが最適化されない可能性があることです。上記の問題を解決するために、ロボットの仮想モデルを構築し、仮想視覚化を通じて操作タスクの経路計画を達成することができます。

経路計画は関節空間内で実行できます。Gasparetto は関節軌道の補間関数として 5 倍の B- スプラインを使用し、動作時間に対する追加加速度の 2 乗の積分を目的関数として使用して、各関節の動作が十分に滑らかになるように最適化します。 Songguo Liu は、5 回の B スプラインを使用してロボットの関節軌道の補間を計算します。ロボットの個々の関節の速度と加速度の終点値は、滑らかさの要件に従って任意に構成できます。さらに、関節空間での軌道計画により、操作空間での特異点の問題を回避できます。Huo et al.は、タスク中に 6-自由度-アーク溶接ロボットの特定の関節の機能の冗長性を利用し、ロボットの特異点と関節の制限を制約として取り、TWA 法を使用して計算を最適化することで、関節空間の特異点を回避するための関節軌道最適化アルゴリズムを設計しました。

ジョイントスペースパスプランニングには、オペレーションスペースパスプランニングと比較して次の利点があります。

① 動作空間におけるロボットの特異点問題を回避する。

② ロボットの動作は関節モーターの動作を制御することによって制御されるため、関節空間内での多くの順運動学および逆運動学の計算が回避されます。

③関節空間内の個々の関節軌道により制御の最適化が容易になります。

V. 産業用ロボットの分類

1.機械構造の観点から、直列ロボットと並列ロボットに分けられます。

(1) シリーズロボットは、一方の軸の移動により他方の軸の座標の原点が変更されるという特徴があります。位置解では、シリーズロボットは正の解を解くのは簡単ですが、逆の解は非常に困難です。

(2) パラレルロボットはパラレル機構を使用しており、一方の軸を動作させても他方の軸の座標原点は変わりません。パラレルロボットには、大きな剛性、安定した構造、大きな耐荷重、高精度の微小運動、小さな運動負荷という利点があります。正の解は難しいですが、逆の解は非常に簡単です。図には直列ロボットと並列ロボットが示されています。

タンデムロボット、パラレルロボット

2. 産業用ロボットは、オペレータの座標の形式に応じて次のカテゴリに分類されます。（座標の形式とは、動作中のオペレータの腕がとる基準座標系の形式を指します）。

(1) 直交座標型産業用ロボット

その動作部分は 3 つの相互に直交する直線運動 (すなわち、PPP) で構成され、ワークスペースの図形は長方形です。各軸方向の移動距離が各座標軸上で直接読み取れるため、直感的で位置姿勢のプログラムや計算が容易で、位置決め精度が高く、カップリングフリー制御で構造が簡単ですが、本体占有スペースが大きく、動作範囲が狭く、柔軟性に乏しく、他の産業用ロボットと連携して作業することが困難です。

(2) 円筒座標型産業用ロボット

動作形式は、回転と2つの移動運動システム、円筒の作業空間グラフによって実現され、同じ作業空間条件下での直交座標産業用ロボットと比較して、本体の占有体積は小さいですが、可動範囲は大きく、その位置精度は直交座標ロボットに次ぐものであり、他の産業用ロボットとの調整が困難です。

(3) ボール座標型産業用ロボット

ボール{0}}産業用ロボットは、極座標-産業用ロボットとしても知られており、ワークスペース内の球体で構成される2つの回転運動と直線運動（つまり、RRP、回転運動、ピッチ運動、および伸縮運動）によるアームの動きで、上下のピッチング動作が可能で、地面を把握したり、ワークピースの低い位置の座標を教えたりすることができ、位置精度が高く、位置誤差とアームの長さはアームの長さに比例します。

4) 多関節産業用ロボット-

回転座標産業用ロボットとしても知られ、最初の 3 つの関節に似たこの産業用ロボットアームと人間の上肢は回転バイス (つまり、RRR) です。産業用ロボットは一般に支柱と大小のアームで構成され、支柱と大アームは肩関節、大アーム、小アームの間に肘関節が形成され、大アームは回転運動とピッチスイングを行い、小アームはピッチスイングを行います。その構造は最もコンパクトで柔軟性があり、設置面積が最小であり、他の産業用ロボットと連携して動作できますが、位置精度が低く、バランスの問題や制御カップリングがあり、この産業用ロボットはますます広く使用されています。

(5) 面関節型産業用ロボット

可動ジョイントと 2 つの回転ジョイント (PRR) を使用して上下の動きを実現し、2 つの回転ジョイントが前後左右の動きを制御します。この形式の産業用ロボットは、スカラ (Seletive Compliance Assembly Robot Arm) 組立ロボットとしても知られています。水平方向には柔軟性があり、垂直方向には優れた剛性を備えています。単純な構造で柔軟な動作で、主に組立作業に使用され、特にエレクトロニクス産業などの小型部品の挿入組立、幅広い用途での挿入、組立に適しています。

3. プログラム入力方式による産業用ロボットは、プログラミング入力タイプとティーチング入力タイプの 2 種類に区別されます。

(1) プログラミング入力タイプは、RS232 シリアルポートまたはイーサネットおよびロボット制御キャビネットへのその他の通信方法を介して、コンピュータがオペレーティングプログラムファイルにプログラムされているものです。

(2) ティーチインタイプのティーチング方法には、ティーチングボックスティーチングとオペレータによる直接アクチュエータティーチングの 2 種類があります。-

ティーチングボックスは、オペレータが手動コントローラ（ティーチングボックス）を使用して駆動システムに指令信号を送り、必要な一連の動作と運動の軌道に応じてアクチュエータを駆動するティーチングボックスです。産業用ロボットのティーチングにティーチングボックスを使用することは比較的一般的であり、一般的な産業用ロボットにはティーチングボックスティーチング機能が搭載されていますが、塗装ロボットの塗料吹き付け作業の複雑な表面など、状況の複雑な軌跡の場合、ティーチングボックスティーチングでは望ましい結果が得られません。

ロボットティーチングボックス

オペレータがアクチュエータを直接操作すると、ロボットは必要な一連の動作と軌道を実行するように学習されます。同時に教示プロセスでは、ロボットが自動的に作業するプログラムメモリに作業プログラム情報が自動的に保存され、制御システムはプログラムメモリから対応する情報を検出し、駆動機構に指令信号を送り、アクチュエータがさまざまな動作の教示を再現します。

Ⅵ．産業用ロボットの性能評価指標

ロボット特性の基本パラメータと性能指標には、主に作業空間、自由度、可搬質量、動作精度、動作特性、動的特性が含まれます。

産業用ロボットの性能判定指標

1. 作業空間 (Work space) とは、特定の条件下で空間位置収集に到達できるロボットアームの特定の部分を指します。作業スペースの特性とサイズは、ロボットの作業能力のサイズを反映します。ロボットの作業空間を理解する際には、次の点に注意する必要があります。

(1) 通常、産業用ロボットのマニュアルに示される作業空間とは、エンドエフェクタの端点が到達できる範囲ではなく、手首のメカニカルインターフェースの座標系の原点が空間的に到達できる範囲、すなわち手首の先端のフランジの中心点が空間的に到達できる範囲を指します。したがって、ロボットを設計および選択する際には、エンドエフェクタを設置した後にロボットが実際に到達できる作業スペースに注意を払うことが重要です。-

(2) ロボットのマニュアルに記載されている作業スペースは、運動学的意味での最大スペースよりも狭いことがよくあります。これは、到達可能な空間内でアームの位置が異なり、可搬質量、最高速度、最大加速度は同じではないため、アームポールの最大位置で許容される制限値は通常他の位置よりも小さくなります。さらに、特異ビットパターンと呼ばれるロボットの最大到達可能空間の境界で自由度の劣化が発生する可能性があり、自由度の進化は特異ビットパターンの周囲のかなりの範囲で発生し、ロボットの作業中にワークスペースのこの部分を利用できなくなります。

(3) 作業空間の端に加えて、実際の用途における産業用ロボットは作業空間の機械的構造によっても制限される可能性があり、アームの端が到達できない作業空間内部の領域も存在します。これは、しばしば中空またはキャビティと呼ばれます。キャビティは作業スペース内の完全に閉じられた空間であり、アームの先端が到達することはできません。そしてキャビティはアームの全長にわたってシャフトに沿ってあり、スペースに到達することはできません。

2.動作自由度とは、ロボット操作者が空間内を移動するために必要な変数の数を指し、ロボットの動作パラメータの柔軟性の度合いを示すために使用され、一般に軸に沿って移動したり、軸の周りを回転したりする独立した動作の数を示します。

自由オブジェクトには空間内で 6 つの自由度があります (回転に関する 3 つの自由度および移動に関する 3 つの自由度)。産業用ロボットは多くの場合、関節の運動学ごとに 1 つの自由度しか持たないオープンリンケージシステムであるため、通常、ロボットの自由度の数は関節の数に等しくなります。ロボットの自由度が高いほど、ロボットはより強力になります。数日前まで、産業用ロボットには通常 4-6 の自由度がありました。冗長な自由度は、ロボットの関節の数 (自由度) が増加し、エンドエフェクターの方向と位置特定に役に立たなくなる場合に発生します。冗長な自由度の存在により、ロボットの作業の柔軟性が高まりますが、制御もより複雑になります。

産業用ロボットは動作の観点から常に直線運動（略してP）と回転運動（略してR）の2種類に分けることができ、略記記号PとRを適用することでマニピュレータの動作の自由度の特性を表すことができます。たとえば、RPRRはロボットマニピュレータが4つの自由度を持ち、関節が次の順序で動くことを示します。ロータリー-リニア-ロータリー-ロータリー、アームの根元から端まで。また、産業用ロボットの動作自由度には可動範囲の制限があります。

3.ペイロード

可搬質量とは、ロボットのオペレータがアームの先端に運ぶ物体の重量、または動作中に耐えることができる力やモーメントを指し、オペレータの耐荷重を示すために使用されます。

ロボットの位置が異なれば、最大許容質量も異なるため、ロボットの定格質量は、アームが作業空間内のどの位置にある場合でも、手首関節端が最大質量を扱えることになります。

4. 動作精度

ロボット機械システムの精度には、主に位置精度、繰り返し位置精度、軌道精度、繰り返し軌道精度などが含まれます。

位置精度とは、指令位置に同一方向から近づいた場合の、指令位置と実際の位置中心との偏差を指します。繰り返し位置精度とは、同じ指令位置を同じ方向からn回応答したときの実位置のばらつきの度合いを指します。

軌道精度は、ロボットの機械的インターフェースが同じ方向から指令された軌道に n 回接近する度合いです。軌道の再現性とは、指定された軌道と、同じ方向に n 回たどった後の実際の軌道との間の不一致の程度を指します。

5. 動作特性（速度）

速度と加速度は、ロボットの動作特性の主な指標です。ロボットのマニュアルでは、通常、主要な動作自由度の最大安定速度が示されていますが、実際には、最大安定速度だけでは十分ではないと考え、最大許容加速度にも注意を払う必要があります。

6. 構造の動的特性の動的パラメータには、主に質量、慣性モーメント、剛性、減衰係数、固有振動数、振動モードが含まれます。

設計では質量と慣性を最小限に抑える必要があります。ロボットの剛性については、剛性が低いとロボットの位置精度やシステムの固有周波数が低下し、システムの動的不安定性が生じます。しかしながら、一部の作業（例えば、組み立て作業）では、柔軟性を適切に高めることが有利であり、理想的には、ロボットのアームバーの剛性を調整できることが望ましい。システムの減衰を増加させることは、振動の減衰時間を短縮し、システムの動的安定性を向上させるのに有利です。動作周波数範囲を避けるためにシステムの固有周波数を高めることも、システムの安定性を向上させるのに有益です。

Ⅶ．産業用ロボットは技術的な課題に直面している

1、ロボット市場は外資の90％を占める

ロボット市場は繁栄しているが、中国のロボット産業は楽観的ではない。市場統計によると、中国本土の産業用ロボット市場は外国メーカーが独占しており、日本ブランドメーカーが52％、欧州メーカーが30％、残り約10％が中国本土メーカーとなっている。

ロボット業界への参入敷居は非常に高いため、世界のロボット市場ランキングでは上位 4 ベンダーが日本ファナック、安川電機、ABB、KUKA となり、合計で 50% の市場シェアを獲得しました。

一方、今後 30 年間、中国本土の産業用ロボット市場は急速な成長の少なくとも 30% を維持すると予想されます。このため、ファナック、安川電機、ABB、KUKAなどの世界的ブランドのロボットメーカーが中国本土市場でのロボット事業の売上規模を積極的に拡大し、積極的に中国本土に工場を設立している。

現在、中国本土の産業用ロボットは、ある程度の初期の工業化は進んでいるものの、精度、速度などの面で外国メーカーの類似製品に比べて、これらの製品の工業化は低い応用度にとどまっており、市場シェアは非常に小さい。外国の技術レベルの製品の中には、前世紀の 90 年代半ばのレベルにしかならないものもあります。

中国ロボット産業同盟データ統計センター所長のリー・シャオジャ氏は、2013 年に中国は約 37,000 台の産業用ロボットを購入し組み立てており、そのうち外国資本によるロボットは一般的に 6{5} 軸以上のハイエンド産業用ロボットであり、自動車製造、溶接、その他のハイエンド産業をほぼ独占していると述べました。{9} セクターで96％を占めています。家庭用ロボットの主な用途は依然として、業界のローエンド分野でのロボットのハンドリングと積み下ろしが主です。

現在、中国のロボット産業が外国と発展しており、その差がさらに拡大するリスクがあることは注目に値する。現在、中国のロボット産業は全般的にまだ初期段階にあり、産業用ロボットのブランド認知が不足しており、最大手のロボット企業の年間ロボット生産台数はわずか数千台にすぎない。海外のロボット企業が中国を生産拠点とすることで、産業用ロボットの独立ブランドの開発はさらに加速するだろう。

同時に、主要な中核部品が他者の影響を受けるため、産業空洞化のリスクが拡大しました。産業用ロボットの 3 つの主要コンポーネント (モーターとサーバー、ギアボックス、制御システム) は主に海外から調達されており、中国本土のメーカーは競争力のある研究開発および製造能力が比較的不足しており、長年輸入に依存してきました。産業チェーンの上流は中核部品メーカーによってサポートされていないため、長期的な制約を受けることになります。-

2、産業用ロボットは技術的な課題に直面している

私たちは中国の産業用ロボット産業の発展が直面している大きな課題を冷静に見る必要がある。

まず第一に、ロボットのトップレベルのアーキテクチャ設計と基本技術は先進国によって管理されており、ロボットのコスト構造では、減速機、サーボモーター、コントローラ、CNC システムの大部分が輸入に大きく依存しており、国産ロボットには大きなコスト上の利点がありません。{0}

次に、ローエンドロックのリスクがあります。{0}}一方で、先進国は、ミドルエンド市場とハイエンド市場の障害に参入するために、国際標準の開発、技術協力、研究開発への参加を通じて、中核となるロボット技術、特許、中国のロボット企業を簡単に中国に移転または認可することはないだろう。-その一方で、地方政府の業界へのやみくもな投資により生産能力が余剰となり、建設の重複や低価格競争が生じる可能性があります。-

繰り返しになりますが、ロボットの研究開発、製造、応用の間には効果的なつながりが不足しています。主要な大学や研究機関のロボット関連技術の研究開発には市場を開拓する能力がなく、企業の基本的な研究開発投資は依然として非常に低く、国内の産学研究の結合と多くの制度的障壁の存在により、研究開発と製造のリンクが切断されています。

現状維持のための国内市場の外国独占に対し、専門家はさまざまな方法を通じて「ブレークスルー」を模索し、追いつくことを示唆している：まず第一に、国際的なロボット研究の追跡、中国の「ロボット工学ロードマップ」の実際の開発の開発と導入、技術開発の明確なステップ、ブレークスルーに焦点を当てる、ロボット工学ロードマップの開発、ロボット工学ロードマップの開発を強化する必要がある。技術開発のステップ、主要なコア技術、プロセス、コンポーネントにおける重要なブレークスルー、および工業化の道筋が明確に示されています。

第二に、中国の実際の発展に即したロボット開発モデルを確立する必要がある。産業セグメントの統合応用を強化し、産学、研究、共同研究の利用を強化し、主要なコアコンポーネントのブレークスルーに焦点を当て、ロボット本体、主要コンポーネント、システムインテグレーター、その他のロボット産業チェーンをできるだけ早く形成し、全体を推進します。

さらに、産業用ロボットの有力企業やブランドの育成を加速する必要がある。中国経済のアップグレード版を構築するための重要な課題として、中国は産業用ロボットの独自ブランドを育成、開発する必要がある。産業用ロボット産業ディレクトリの導入、産業用ロボットのローカライゼーションを実施するための共同推進。