A 多関節ロボット多関節ロボットとも呼ばれる、2 つ以上の回転関節を備えた産業用ロボットの一種です。 これらの関節により、ロボットは人間の腕やその他の四肢システムに似た方法で移動し、動作することができます。 多関節ロボットは、標準的な単関節ロボットよりも高い柔軟性と器用さを提供します。
多関節ロボットの仕組み
他のロボット設計と異なる多関節ロボットの主な特徴は、回転関節の存在です。 これらは、1 つ以上の回転軸の周りの動作を可能にするジョイントです。 ロボット工学で使用される一般的な回転ジョイントは次のとおりです。
-回転ジョイント: 単一軸を中心とした回転を可能にします。 回転ジョイントにより、曲げたり折りたたんだりする動作が可能になります。
- 直動ジョイント: 単一軸に沿った直線運動を可能にします。 直動ジョイントにより、伸縮動作やスライド動作が可能になります。
- 球面ジョイント: 垂直 3 軸を中心に回転できます。 球面ジョイントによりひねり運動が可能です。
複数の回転ジョイントを剛体リンクを介して接続することで、人間の腕の可動範囲を模倣した多関節ロボット アームを構築できます。 ジョイントはサーボ モーターによって駆動され、制御信号に基づいて接続されたリンクを回転またはスライドさせます。 多関節ロボットには、ロボットの現在の構成に関するフィードバックを制御システムに提供するセンサーも組み込まれています。
一般的な構成
多関節ロボットまたは多関節ロボットには、いくつかの一般的な構成があります。
- デカルト ロボット: ピック アンド プレイスやその他の直線運動に使用されるデカルト ロボットには、軸がデカルト座標系と一致する 3 つの直動ジョイントがあります。 これにより、X、Y、Z 次元での動きが可能になります。
- スカラ ロボット: 選択的コンプライアンス アセンブリ ロボット アーム (スカラ) ロボットは非常に一般的です。 コンプライアンスを提供する 2 つの平行なロータリー ジョイントに加えて、垂直方向の動きのためのプリズム ジョイントを備えています。 平行ジョイントにより、スカラロボットは水平面内で効率的に移動できます。
- 擬人化ロボット: 人間の腕の動きを模倣するように設計されたこれらの多関節ロボットは、回転する肩、肘、手首の関節を備えています。 多関節の手を組み込んだものもあります。 彼らは人間のような姿をしているため、人間が行うべき仕事に取り組むことができます。
- 円筒形ロボット: 回転ジョイントを備えた中央の「スパイン」の周りに構築された円筒形ロボットは、「肩」ジョイントによって円筒の周りを回転できるため、広い作業範囲をカバーできます。
アプリケーション
回転の柔軟性のおかげで、多関節ロボットは非常に多用途であり、次のようなさまざまな産業用途を自動化できます。
- タスクの選択と配置
・梱包・パレタイジング作業
・部品の組み立て
-射出成形
-CNCマシンのメンテナンス
-自動車の車体や電化製品の溶接
・曲面の塗装
-モーションとスキャンによる品質検査
本質的に、多関節ロボットは、さまざまな位置と向きでツールやエンドエフェクターを動かす必要があるほぼすべてのタスクに取り組むことができます。 重要なのは、作業範囲を拡張し、衝突を自動的に回避する機能により、複雑な環境や混雑した環境と動的な方法で対話する場合に非常に役立ちます。
単関節ロボットと比較した利点
単関節ロボットは非常に高い速度と精度を達成できますが、柔軟性が限られています。 たとえば、単純なデカルト ガントリー ロボットは 3 軸の直線運動しか実現できません。
対照的に、多関節ロボット アームでは次のことが可能です。
- 障害物の周りに手を伸ばす: 邪魔にならないように曲げたり回転させたりすることで、狭い空間でも操作できます。
- ツールの向きを変更する: ロボットのリストまたはフランジに取り付けられたツールは、タスク中にほぼすべての方向に回転したり傾けたりできます。
- 自己衝突回避: 多関節アームには、自分自身やワークスペース内の他のアイテムの邪魔にならないように自動的に効果的にカールできるソフトウェアが搭載されています。
- 連続パスモーション: 中間位置を経由してスムーズに「旋回」することができ、大きな曲面の溶接などの作業が可能になります。
基本的に、適切に実装された多関節ロボットは、より剛性の高いロボットと比較して、より優れた自律性、効率性、生産の柔軟性を提供します。
多関節ロボットの制御システム
多関節ロボットに存在する多数の関節や軸にわたる動きを調整するには、高度なコンピューター制御システムが必要です。
- 運動学: 数学的座標変換では、複数の回転ジョイントの角度位置に基づいてロボットのツールチップの 6D 位置を継続的に追跡する必要があります。
- 経路計画: 衝突を回避して効率を最大化するには、最適な動作経路を事前に計算するか、タスクの完了時に動的に生成する必要があります。
- 補償アルゴリズム: アームの柔軟性とジョイント/ギアのバックラッシュによる目標経路からの逸脱は、アクチュエーターに送信される補償信号によって感知され、対処される必要があります。
- 多変数制御: 複数の結合偏微分方程式が多関節アームの複雑なダイナミクスを制御するため、精度と速度を高めるために複数のアクチュエーターの非常に応答性の高いリアルタイム制御が必要です。
その結果、多関節ロボットのプログラミングは、基本的な座標入力、動きのプリセット、ツールの向き、エンドエフェクターの動作に至るまで制御を簡素化するソフトウェアに依存しています。 これにより、エンジニアは複雑な数学や力学計算を手動で解決する必要がなくなります。
協働ロボットのメリット
多関節ロボット工学における比較的新しい分野は、協働ロボット、つまり「コボット」の分野です。 協働ロボットは、共有ワークスペースで人間と物理的に対話しながら、危険や安全保護を必要とせずに安全に動作するように設計されています。 内蔵センサーにより、ロボットアームまたはハンドが人間と接触すると自動的に停止します。
この共同アプローチには、次のような多くの利点があります。
- 直観的なプログラミング: コボットはコーディングの代わりにガイド付き教育を通じて手動でトレーニングできるため、非常にユーザーフレンドリーです。
- 導入が簡単: 軽量設計により、協働ロボットをほぼどこでも素早くセットアップできます。 頑丈なフェンスや基礎は必要ありません。
- より安全なインタラクション: 敏感な触覚スキンや各関節のトルク感知により、協働ロボットは人間の接触に対して適切に反応します。
- 柔軟な自動化: ワークセル スペースを共有することで、オペレータは効率的に調整してロボットとタスクを交互に実行できます。
- より手頃な価格のソリューション: 安全バリアを排除すると、システム全体のコストと設置面積が大幅に削減されます。
- 労働力の強化: 人間は複雑な認知タスクを処理し、協働ロボットは退屈で人間工学的に負担のかかる活動から人間を解放します。
これにより、コボットは中小企業におけるロボット導入の障壁を下げるとともに、既存の施設における人間と機械のより安全なコラボレーションを促進します。 直感的で手頃な価格の自動化におけるこの新しいパラダイムは、多くの業界で革新的な協働ロボット ソリューションを推進し続けています。
多関節ロボットの未来
コンピューターの処理能力が向上するにつれて、多関節ロボットとその制御インターフェイスの機能も向上します。 アプリケーションの拡大とプログラミングの容易化により、多関節ロボットはより多くの業界でますます普及することになります。
そして、多関節設計の柔軟性と人工知能および拡張された感覚認識を融合することにより、明日のロボットははるかに優れた自律性を実現するでしょう。 広い作業スペースのロボットも、ポリマー、拡張された運動学、さらにはケーブルの使用を通じて、硬い金属の塊から、より柔軟で応答性の高い「ソフト ロボット」に移行しつつあります。
最終的には、多関節ロボットの身体能力とインテリジェントな応答性が向上するにつれて、人間のパートナーと協力して役割を拡大し、第 4 次産業革命の主要な推進力となるでしょう。
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