産業用アプリケーション向け空気圧式グリッパの基礎知識

空気圧式グリッパは、物体を把持して持ち上げたり、保持したり、回転させたり、設定した場所に配置したりするために、産業用アプリケーションで使用される電気機械式デバイスです。これらのグリッパは通常、ワークピース加工機や6軸、直交軸、または選択的コンプライアンス多関節ロボットアーム（SCARA）の最端部にエンドエフェクタとして取り付けられ、さまざまなマテリアルハンドリングタスクを実行します。空気圧式グリッパの動作（主に把持と解放）は、過去数十年にわたる制御、センサ、およびフィードバックコネクティビティの進歩により補完されており、通常、グリッパが取り付けられる機械軸またはロボットアームの動作と連動します。

空気圧式グリッパの動作

図1：これは、ロボットアームの先端にある2フィンガー空気圧式グリッパを示しています。ジョーフィンガーは、グリッパが物体を保持したり解放したりするためのもので、把持する物体と物理的に接触します。（画像提供：Kazakov • Getty Images）

図2：産業アプリケーションで最も一般的なグリッパは、平行グリッパ、3フィンガーグリッパ、アングルグリッパの3種類です。この3フィンガー空気圧式グリッパは、フィンガーが120°オフセットされ、Oリングを静かに伸ばして受け手のシャフトに装着することができます。（画像提供：Schunk）

空気圧式グリッパは、ロボットによるピックアンドプレース、工作機械、ワークピースの機械加工、および組立作業などの産業用アプリケーションにおいて、群を抜いてよく使用されるグリッパです。空気圧式グリッパの中にはブラダ型や吸着型のエンドエフェクタもありますが、フィンガーやジョーを備えた空気圧式グリッパが最も広く利用され、他の事情がない場合には一般的にこの使用が想定されます。

ジョー空気圧式グリッパは、圧縮空気を利用して動作します。何らかの指令信号を受けると、バルブが内部チャンネルに空気を送り込み、機械的リンク機構を作動させることで、グリッパのフィンガーが開閉します。この主要なサブコンポーネントのセットをサポートするのが、空気圧ホース、制御用部品と配線、機械やロボットへの取り付けフランジ、フェイルセーフ機構、そしてこれらの部品を包むハウジングです。

通常、解放位置（機械的な圧縮バネで保持）がデフォルトですが、把持位置がデフォルトのグリッパ設計も市場で入手できます。閉（把持）位置がデフォルトの場合、スプリングが把持力を提供し、圧縮空気をグリッパに送り込むことでジョーが開きます。実際、ある種のグリッパは、把持と解放の両方の力を圧縮空気でまかなっています。

動画1：ある一般的なバリエーションでは、空気圧式グリッパが特殊なホースを介して圧縮空気システムに接続されます。圧縮空気の力でピストンを動かすことにより、ギア、トグル、またはスライドリンク機構を介して、外部ジョーがストローク範囲内で作動します。（動画提供：Schunk）

多くの場合、空気圧式グリッパへの空気の制御は、あらかじめプログラムされた把持-解放サイクルや、（より高度なアプリケーションでは）保持された物体を検知するセンサからのフィードバックに依存しています。

空気圧式グリッパの種類

図3：SchunkのPGN-plusシリーズの2フィンガー平行グリッパは、長いジョーストロークを実現し、シール、汚れにくい丸型リニアガイド、高強度アルミ合金ハウジングを備えているので、汚れの多い産業環境にも耐えることができます。（画像提供：Schunk）

ジョー型とフィンガー型の空気圧式グリッパは、以下のものによって分類されます。

• 運動学的配列、フィンガーの本数、動作、マウントの種類
• 物理的サイズと最大把持力
• ジョーとハウジングの構造 — 侵入保護レベルを含む
• 一般的な産業用制御ネットワークへのコネクティビティ

1970年代に初めて商用化された空気圧式2フィンガーグリッパは、今日最も広く応用されており、空気圧式グリッパの全アプリケーションの半分以上を占めています。これらの設計では、フィンガーがピボットポイントでスライドしたりスイングしたりして、ゲートやロブスターの爪のように対象物体を挟み込みます。平行なジョーの動きやアングルフィンガーの動きを利用できます。

平行ジョーで動作する空気圧式グリッパ：平行グリッパでは、2本のフィンガーがグリッパ本体の上部にあるトラックに沿って同じ軸で内側と外側にスライドします（直線運動）。一般的には、内側にスライドする動作で、ワークピースや他の物体を把持します。しかし、多くのアプリケーションでは、2本のフィンガーが外側にスライドすることで、中空や開口部のあるワークピース（例：Oリングやシリンダなど）をその内径から固定します。これらの極めてシンプルなグリッパには、さまざまな利点があります。このようなグリッパのさまざまなサブコンポーネントは、他のものよりも製造が簡単であるため、費用対効果が非常に高くなります。加えて、フィンガーストローク全体にわたって安定した把持力が得られるため、繊細なワークピースまたは圧力に敏感なワークピースを扱うアプリケーション関連の作業が容易になります。さらに、平行グリッパは、数フィート以上の広い範囲でも開閉できるように設計することができます。

アングルフィンガーで動作する空気圧式グリッパ：これらのグリッパでは、フィンガーの作動端が固定ピボットポイントにピン留めされています。空気動力を加えると、ピストン運動と機械式くさび型エレメントにより、フィンガーがフレンチドアのようにスイングして閉じます（他のバリエーションでは開く場合もあります）。開位置では、ジョーがグリッパ本体の外側に開くか、まっすぐ突き出ます。閉（通常は把持）位置では、グリッパフィンガーの先端が内側に傾き、テーパ付きの把持形状へと閉じます。これらのグリッパを使用する際の設計上の注意点として、平行フィンガータイプとは異なり、アングルフィンガーのストロークには制限があり、把持力が作動ストロークに沿って変化します。しかし、ピストン運動が直接作用するアングルフィンガーグリッパは、非常に高い把持力（最大2,300N以上）を発揮することができます。

フィンガー数の増加：3フィンガーおよび4フィンガーのグリッパ

2フィンガーの空気圧式グリッパではワークピースを扱うのに不適切な場合、3フィンガーおよび4フィンガーグリッパ（特殊なヒューマノイド型ロボットアプリケーションでは5フィンガーグリッパ）が、より優れた把持サポートと安定性を提供できます。しかし、はっきり言って、このようなグリッパはすべて、2フィンガーグリッパよりもはるかに非一般的です。産業用アプリケーションで一般的なのは3フィンガーグリッパのみです。高レベルの適用性を実現するにはコストがかかりますが、3フィンガーグリッパは、より複雑で困難な形状のワークピースやアイテムを把持することができます。いわゆるセルフセンタリング方式の3フィンガー空気圧式グリッパは、3本のフィンガーが等間隔（機械チャックでは120°間隔）で配置されているため、操作の変更に際してフィンガーの交換が必要になります。これらは内側に閉じて、中心点でワークピースを把持します。対照的に、いわゆる適応型3フィンガー空気圧式グリッパは、2本のフィンガーを揃えて配置し、3本目のフィンガーを親指のように向かい合わせます。このようなグリッパは、移動ロボットで最も一般的で、特定のワークピース形状のバリエーションに対応するために、複数の方法で物体をピックアップすることができます。

内側把持と複動式

空気圧式グリッパの多くは、部品の外側を把持したり、挟み込んだりするために使用されますが、多くの組立アプリケーションでは内側把持の動作が不可欠です。グリッパフィンガーが開き、中空形状の物体を内側から把持することができます。場合によっては、グリッパに外側と内側の両方の把持動作を割り当てることができます。しかし、そのためには、両方の機能に対応するように設計されている必要があります。

ジョー型とフィンガー型の空気圧式グリッパも、単動式と複動式という形態を取ります。単動式グリッパでは、圧縮空気の力が把持動作と把持力を発生させます。電源を切ると、単純な圧縮バネの動作でフィンガーが元の位置に戻り、その位置を保ちます。一方、複動式グリッパでは、把持動作と解放動作の両方に圧縮空気の作動が必要です。実際、複動式グリッパでは、上記のように内側把持と外側把持の両方が可能である場合があります。

空気圧式グリッパの一般的なアプリケーション

図4：SchunkのPGN-plusグリッパは、楕円ピストン駆動を備えています。（画像提供：Schunk）

空気圧式グリッパは、特に自動化された作業セル、組立ラインや生産ライン、高度な製造に関連したマシンテンディング、危険な工場エリア、物流、自動倉庫業務など、産業環境で広く使用されています。商業用、娯楽用、消費者用のロボティクスアプリケーション（モビリティバイオニクスを含む）でも、わずかながら空気圧式グリッパを使用するものが増えています。

食品・飲料の加工・包装装置におけるマテリアルハンドリングには、空気圧式グリッパをご検討ください。この場合、空気圧のクリーンな動作が利点となります。空気圧で作動するフィンガーグリッパは、箱やワインボトルから卵やキャンディの袋まで、あらゆるものを処理する際に他の空気圧式ブラダ型グリッパや吸着型グリッパを補完します。対照的に、工作機械アプリケーションのグリッパは、通常、1種類のワークピース用に設計されます。場合によっては、それらのワークピースを保持しながら機械加工や他のプロセスを行うこともあります。空気圧式グリッパが組立や分類・選別に使用される場合、その動作を指示するためにセンサやマシンビジョンシステムによってサポートされることがよくあります。それ以外の場合は、グリッパのホール効果センサや近接センサで十分なフィードバックが得られます。

空気圧式グリッパの利点と限界

他のグリッパに対する空気圧式グリッパの主な利点の1つは、数ニュートンから数キロニュートンまで、さまざまなサイズと把持力が用意されており、幅広いアプリケーション（1時間に数千回の繰り返しが必要なアプリケーションを含む）に適応できることです。また、産業用空気圧式グリッパは、精密なオートメーション作業において比類ない再現性を発揮します。さらに、空気圧式グリッパには以下の利点があります。

• コスト効率や電力効率に優れている
• 軽量かつ小型 — 特に特定のモータや油圧ベースの製品と比較した場合

空気圧式グリッパは、油圧式や電動式とは異なり、作業環境の影響をほとんど受けません。これは、湿った環境では誤作動する可能性のある繊細な電子機器を備えた電気駆動のグリッパとは対照的です。

もちろん、空気圧式グリッパには短所や限界もあります。これらは主に、空気圧設計や圧縮空気システム全般の運用コストと複雑さに関連するものです。このようなシステムは、初期設定にコストや手間がかかることがあります。とはいえ、生産工程の他の場所で圧縮空気システムをすでに使用している場合、スケールメリットがあります。

空気圧式グリッパの選定基準

特定のマテリアルハンドリングアプリケーションに応じた空気圧式グリッパのサイズと仕様を決めるには、主要な設計パラメータを明確に定義することから始める必要があります。

サイズと把持力：空気圧式グリッパは、処理対象の物体に対応できるよう十分に開く必要があります。空気圧式グリッパのフィンガーに必要な力は、処理する物体の重さ、フィンガーと物体間の摩擦係数、フィンガーと物の接触面積、対向するフィンガーの力を打ち消す力によって決まります。グリッパフィンガーの素材やコーティングを高度に設計することで、フィンガーと物体間の摩擦係数を高めることができます。もちろん、食品または医薬品アプリケーションに使用される空気圧式グリッパのジョーは、FDAに承認された材料で製造、またはコーティングされる必要があります。

処理する部品のサイズと重量の比率はさまざまです。軽量でもかさばるアイテムは、しばしばグリッパ設計の最大の課題をもたらします。

部品の形状：多くの場合、複雑な形状の処理対象物には、2フィンガーではなく3フィンガーの空気圧式グリッパが必要になります。これは特に、一連のワークピースの形状が微妙に異なる場合に当てはまります。しかし、ワークピースの形状が一定である場合、2フィンガーグリッパにカスタマイズされた表面や形状を組み込んで、その対象物の特定の把持ポイントに対応することができます。2フィンガーグリッパにおけるこうしたコスト削減は、このソリューションが動作要件を満たす場合、しばしばその使用の正当性を示す根拠となります。

作業環境：空気圧式グリッパのベアリング、内部機械要素、ハウジングは豊富に存在し、クリーンな動作環境と汚染された動作環境の両方に対応できます。特に重要なのは、空気圧式グリッパの温度定格（グリッパが最適に機能する範囲の規定）と、侵入に対する保護として耐性粒子状物質と湿度のレベルを規定するIP定格です。

結論

空気圧式グリッパは、生産ラインでのマテリアルハンドリングに不可欠なロボットエンドエフェクタです。これらのグリッパは、加工、他の部品との組立、あるいは品質管理ステーションを通るコンベアからの抜き取りのために、ワークピースなどの物体を保持、方向付け、配置します。空気圧式グリッパの操作に必要な圧縮空気システムには短所がありますが、これらはしばしば最もクリーンかつ高速で、部品ハンドリングに最適な選択肢となります。