ロボットの背後にあるもの：インダストリ4.0におけるセンシング、安全性、制御

最新の産業用ロボティクスシステムは、進化する人工知能（AI）および機械学習（ML）機能、シームレスな相互接続性、工場フロア全体での拡張可能な導入をサポートするために、ますます高度化されたインフラに支えられています。これらのシステムには、高帯域幅、リアルタイム応答性、厳しい機能安全規格の要求を満たすセンサ、安全ハードウェア、回路保護、制御コンポーネントが必要です。

この記事では、インダストリ4.0ロボティクスの背後にある基盤技術について、SICKのセンサと安全ソリューション、およびEatonの産業用制御コンポーネントが、安全なモーションコントロール、適応型システム動作、および決定論的意思決定にどのように貢献しているかに焦点を当てながら解説します。トピックには、センシングアーキテクチャ、機械安全基準、フォールトトレランス制御戦略、および分散型エッジオートメーションネットワークの統合など、回復力のあるインテリジェントな自動化を実現する主要な要素が含まれます。

ダイナミックな工場環境向けの高度なセンシングシステム

図1に示すように、インダストリ4.0ロボットは、工場フロアで安全かつ効率的に動作するために高度なセンサを活用しています。これらのセンサは、変動する照明、浮遊微粒子、機械的振動などの過酷な環境でもリアルタイムデータを迅速に処理し、人間、移動ロボット、高速で動く組立ラインを正確に追跡する必要があります。

図1：インダストリ4.0多軸ロボットアームは、統合されたセンサとリアルタイムフィードバックを使用して、正確かつ迅速に動作します。（画像提供：Igus）

ロボットプラットフォームは複数のセンサ形態を統合し、空間認識とミリ秒単位の応答性をサポートします。センサフュージョンアルゴリズムは、これらの入力を組み合わせて、ロボットの動作環境に関する一貫性のあるリアルタイムモデルを生成します。ビジョンシステムは、物体の検出と位置特定を管理し、安全規格に準拠したレーザースキャナは、制限区域の接近違反を監視します。低遅延の飛行時間（ToF）センサは3次元空間データを取得し、反応経路の調整と状況に応じた行動を可能にします。

ロボットはまた、モーションコントロールとインタラクションを精緻化するために、内部センサと接触型センサにも依存しています。力/トルクセンサやリミットスイッチを含む触覚センサは、握る、アセンブリ、順応性のあるタスクのためのフィードバックを提供します。誘導型、静電容量型、超音波型近接センサは、接触することなく近接する物体を検出します。通常、ToFシステムよりも短い距離での検出に適しています。エンコーダとポテンショメータは、関節位置と速度を追跡し、精密な動作計画を実現します。一方で慣性計測ユニット（IMU）は、加速度と角速度を計測し、姿勢とバランスを維持します。最後に、電気センサは電流と電圧を監視し、モータの負荷を評価し、故障を検出します。

産業用ロボティクスにおける標準準拠の安全性

インダストリ4.0ロボットは、人間と設備を保護するため、厳しい国際安全基準に準拠する必要があります。ISO 13849、IEC 62061、およびISO 10218の3つの主要規格は、工場現場のロボットシステムを管理する機能および制御システムの安全要件を定義しています。

ISO 13849は、制御システムの安全関連部品の設計および検証基準を規定しています。これはリスクベースの方法論に従い、危険の重大性、暴露頻度、回避可能性に基づいてシステムの完全性を分類するパフォーマンスレベル（PL）を使用しています。IEC 62061は、電気、電子、プログラム可能な制御システムの機能安全を対象とし、必要なリスク低減を定量化するために安全度水準（SIL）を適用します。これらの規格は、安全が重要なアプリケーションにおいて、センシングおよび制御機能をどのように設計、実装、検証すべきかを定義しています。

ISO 10218は、これらの原則を産業用ロボットに具体的に適用しています。ロボットの設計、作業セルのレイアウト、システムの統合、および操作に関する安全要件を規定しています。これには、緊急停止、安全保護、および動作監視のための安全規格準拠のセンサの使用が含まれます。これらのコンポーネントは、定義された性能および信頼性の閾値を満たす必要があり、通常は構造化されたテストおよび検証によって実証されます。

ISO 13849、IEC 62061、およびISO 10218は、ロボット安全規格の中核をなしています。電気安全に関するIEC 60204-1や、人間とロボットの協働に関するISO/TS 15066を含む追加規格は、安全な導入と統合のための基本的な枠組みを拡張します。

人間とロボット協働のための統合安全システム

工場の作業者は、機能安全および機械安全規格に準拠するために、SICKやEatonなどのサプライヤから安全ソリューションを導入しています。たとえば、SICKのSafe EFI-Proシステムは、統合されたセンサ、コントローラ、アクチュエータを使用して、固定型ロボットと移動型ロボットの両方で安全機能のリアルタイム制御をサポートしています。図2に示すように、システムの主要コンポーネントであるmicroScanセーフティレーザースキャナは、動的環境において状況に応じた適応的な動作検出を可能にします。

図2：SICKのmicroScan3セーフティレーザースキャナは、保護領域を監視し、動的に動作を検出することで、産業環境における適応型安全保護をサポートします。（画像提供：SICK）

作業者は、SICKのEOAS（End-of-Arm Safeguard）を導入し、ロボットツールヘッド周辺の動的な保護領域を維持します。EOASはToF技術を活用し、110ミリ秒未満の応答時間で安全かつ非接触の人間とロボットの協働を実現します。

これらの自動化システムを補完するために、SICKは手動および周辺安全コンポーネントも提供しています。ES21緊急停止スイッチは、作業者が緊急時に機械を迅速に停止させることができます。STR1非接触セーフティスイッチは、RFID技術を採用し、耐タンパガード監視を実現し、高いコーディングレベルとEN ISO 14119への準拠をサポートします。

サージおよび電圧制御のための保護戦略

協調的なロボットの安全戦略には、動作レベルでの安全対策と信頼性の高い電力制御の両方が必要です。Eatonの過渡電圧サプレッサは、敏感なコンポーネントを保護するために一時的なサージと電圧スパイクを制限します。図3に示すように、FAZ-C10/2-NAなどのFAZ-NAミニチュアサーキットブレーカは、制御配線と補助コンポーネントを過電流から保護します。

図3：EatonのFAZ-C10/2-NAミニチュアサーキットブレーカは、産業オートメーションシステムの過電流から制御配線および補助コンポーネントを保護します。（画像提供：Eaton）

電気安全性およびシステム完全性をサポートするために、Eatonは、BP-SRR ロッカ 、M22S-WKV-K11セレクタ 、およびBP-STEトグルなどの幅広い 回路保護デバイス およびマニュアルスイッチも提供しています。

EatonのPower-NTC突入電流リミッタ（ICL）とリセット可能なPTCヒューズは、電源投入時や故障時に回路を高い突入電流から保護します。TJD温度ヒューズのような熱保護デバイスは、過熱や危険な熱の蓄積を防止するために電流の流れを遮断し、緊密に統合されたロボットシステムに重要な安全機能を追加します。

フォールトトレランスおよび分散制御システム

工場のロボティクスシステムは、センサの故障、アクチュエータの誤動作、ネットワークの障害が発生した場合でも、安全に動作し続ける必要があります。メーカーは、ダウンタイムを最小限に抑え、システムの耐障害性を向上させるために、分散型障害検出、分離、回復（FDIR）アーキテクチャに依存しています。FDIRは、制御ロジックを複数のノードに分散させ、局所的な故障対応を可能にすることで、個々のコンポーネントの故障の影響を軽減し、広範な障害の発生を防止します。

これらのフォールトトレラント戦略は、リアルタイム診断と組み込み冗長性を備えた分散制御システムを通じて実装されます。分散制御システムは、統合診断を使用して、重要なコンポーネントの健康状態と性能を継続的に監視します。冗長化されたセンサと通信経路は、主要システムの故障時にも制御の完全性を維持し、エラー処理ルーチンは制御されたシャットダウンや定義された安全状態への移行を可能にします。

FDIRおよびFlexi Softセーフティコントローラ

これらの戦略は、SICKのFlexi Softセーフティコントローラにより、明らかにされます。図4に示すように、Flexi Softは、モジュール拡張と特定のシステム要件に対応するように設計された設定可能な機能により、分散型安全ロジックを可能にすることで、FDIRベースのインダストリ4.0ロボティクスをサポートします。

図4：SICKのFlexi Softセーフティコントローラは、インダストリ4.0ロボティクスシステムにおけるフォールトトレラントのある分散制御を実現するため分散型安全ロジックとモジュール拡張を可能にします。（画像提供：SICK）

SICKの 産業用センサ（エンコーダ、圧力トランスデューサ、光電センサ、Ranger3などのマシンビジョンカメラなど）は 、分散型ロボットシステム全体で重要なフィードバックを提供します。これらのセンサは、主要な制御ポイントに統合され、リアルタイムの監視、動的位置決め、物体検出、システムレベルの診断をサポートします。これにより、分散環境において早期の障害発見、局所的な対応、継続的な運用が可能になります。

エッジベースのセンシングと監視によるスマートな自動化

インダストリ4.0ロボティクスは、システムの洞察力、応答性、自律性を向上させるために、エッジレベルのセンシングと監視をますます活用しています。高度なロボットシステムは、すべてのデータを集中管理されたプラットフォームに送信して処理する代わりに、センサまたはデバイスレベルに近いエッジで重要な分析を実行するようになりました。これにより、ネットワークの切断時にも、より迅速な障害検出、より効率的な意思決定、および回復力の向上が可能になります。

産業用カメラや回路モニタなどのエッジ対応デバイスは、制御ロジックを超えた局所的なインテリジェンスを拡張します。これらのデバイスは、リアルタイムの環境データと運用データを収集し、安全性、品質、稼働率に影響を与える条件に関するマシンレベルで可視性を提供します。これらのプラットフォームは、遅延を低減し、帯域幅の要件を緩和し、分散型ロボットシステム間の協調を改善します。

エッジコンピューティングと組込みインテリジェンス

こうしたエッジベースの戦略は、インダストリ4.0ロボティクス向けにエッジレベルの画像キャプチャと解析を提供するSICKのSensingCAM SEC100などの製品に反映されています。図5に示すように、物体認識、プロセス監視、品質検査のために、高解像度のストリーミングとイベントトリガによるビデオ録画を実現します。

図5：SICKのSensingCAM SEC100は、エッジレベルの画像キャプチャと解析を実現し、ロボット検査アプリケーションにおけるリアルタイムの監視と視覚的診断を可能にします。（画像提供：SICK）

産業用カメラは、死角や動的な検査領域をリアルタイムで可視化し、トリガイベントの前後で画像データを取り込むことで根本原因分析をサポートします。

SEC100は、既存のマシンビジョンシステムと容易に統合でき、中央リソースに過負荷をかけることなく継続的な監視をサポートします。また、パッケージの検証やコンポーネントのアセンブの追跡など、品質文書化用の視覚的な記録も生成します。マシンレベルに組み込まれたSEC100は、視覚的インテリジェンスを作業現場に近づけます。

局所的な処理とリアルタイムの洞察への移行は、施設レベルのエネルギー監視にも拡大しています。図6に示されるように、EatonのPXBCM-DISP-6-XVタッチスクリーンディスプレイはPower Xpert Branch Circuit Monitorとインタフェースし、パネルレベルでの電圧、電流、および電力データのリアルタイム可視化を提供します。

図6：EatonのPXBCM-DISP-6-XVタッチスクリーンディスプレイは、電圧、電流、および電力データのリアルタイムパネルレベルの可視化を提供し、予知保全とエネルギー最適化をサポートします。（画像提供：Eaton）

ロボット作業セルを含む産業用システムで広く採用されており、作業者が異常を検出、故障を検知、エネルギー使用を最適化するのに役立ちます。このディスプレイは、回路レベルの診断への現場アクセスを可能にすることで、予知保全を支援し、運用の可視性を向上させます。

インダストリ4.0ロボティクスのシステムレベル戦略

安全かつ効率的に運用するため、インダストリ4.0ロボットシステムには、センシング、安全性、制御、ネットワークを統合する展開戦略が必要です。センサと安全コンポーネントは、分散環境で適応性のある安全保護とリアルタイムの応答性を実現しながら、厳しい基準を満たす必要があります。多様な工場システムで一貫した性能を発揮するには、相互運用性と拡張性を確保するためのオープン規格とマルチプロトコル通信が不可欠です。

制御コンポーネントは、エッジで大容量のデータを処理し、監視システムとの安全で低遅延な接続を確立する必要があります。分散ノード間で処理とフィードバックを調整するには、正確な同期とタイミングが不可欠です。決定論的プロトコル、低ジッタ信号経路、および時間を意識した制御ループは、動的な条件下でも予測可能な動作を維持するのに役立ちます。フォールトトレラントアーキテクチャは、安全なフォールバック状態と継続的な運用をサポートし、局所的制御と集中監視を組み合わせたシステムは、柔軟で再構成可能な製造プロセスを可能にします。

まとめ

センサフュージョンや機能安全から、エッジコンピューティングやフォールトトレラント制御まで、インダストリ4.0ロボティクスは、複雑な環境において安全で信頼性が高く、応答性の高い動作を保証する緊密に統合されたシステムに依存しています。DigiKeyのサプライヤであるSICKやEatonのソリューションは、センシング、電源保護、制御インフラストラクチャの統合し、スケーラブルな展開、規格への準拠、適応性能の向上を促進します。