今日の自動車製造におけるロボティクス

産業用ロボットは、他のオートメーションと協調しながら、さまざまな機能を実行する、現代の製造業に欠かせない存在です。実際、1兆ドルの自動車産業は、ロボティクスを大規模に活用する手段を持つ最初の産業であり、ロボティクスに関連する技術も同様に進歩させたのです。自動車は高度に洗練された高額商品であり、何年もROIが得られないような設備投資を正当化することができるのですから、無理もありません。今では、自動車製造拠点の大半がロボティクスを採用しています。梱包、半導体製造、そして比較的新しい分野である自動倉庫で、自動車産業と肩を並べるほどロボットの導入が急がれたのは、ここ20年ほどのことです。

図1: 自動車産業は、おそらく他のどの産業よりもロボット技術の進歩に拍車をかけています。（画像提供：Getty Images）

ロボット本体や産業用オートメーション装置の中には、電気モータ、油圧システム、流体動力システム、ドライブ、制御、ネットワークハードウェア、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）、ソフトウェアシステム、センシング、フィードバック、安全コンポーネントなどがあります。これらの要素は、リアルタイムに変化する状況に即応して、あらかじめプログラムされたルーチンを実行することで、効率化を実現します。消費者の嗜好がかつてないほど急速に変化する中、ロボットのワークセルには、新しい自動車を生産するための再構成機能が期待されるようになってきています。

オートメーションとロボティクスに使用する用語の明確化

オックスフォード英語辞典では、ロボットを 「複雑な一連の動きを自動的に行うことができる機械、特にプログラム可能なもの 」と定義しています。この定義では、洗濯機からCNC機械工具まで、あらゆるものを表現することができるため、混乱が生じます。ISO 8373の定義によれば、ロボットは「自動的に制御され、再プログラム可能で、3軸以上でプログラム可能な多目的マニピュレーター」であり、垂直リフトステーションを備えた倉庫のコンベヤを表現することも可能です。しかし、このような機械は、通常、決してロボットには分類されません。

覚えておくべき実際の差別化要因は、固定された場所で単一の（つまり非常に明確に定義された）用途のために作られた機械は、通常ロボットとはみなされないということです。.少なくとも工業界ではそうです。例えば、一般的なフライス盤は、さまざまな部品を加工するために複雑なプログラムを実行することができますが、スピンドルに取り付けられた回転刃を使って金属を削るように設計されています。そして、耐用年数の間、1つの場所にしっかりと固定されることが多いのです。

図2：ロボットと機械の区別は、自動化された設計の見た目で判断される場合もあります。人間の腕を機械化したような多関節アームをロボットと分類し、リニアスライドを自動化した直交配列（小物部品の組立および検査用のCT4など）を機械と分類する人もいます。（画像提供： IAI America Inc.)

時には、これらの定義さえも矛盾することがあります。例えば、CNC機械工具などの自動機は、フライス盤と旋盤の両方の役割を果たす複合加工機や、コンタクトプローブやレーザースキャナで部品の検査、測定を行うものなど、ますますフレキシブルになっています。このような機械工具は、積層造形を行うための機能を備えていることもあります。一方、フレキシブルな産業用ロボットは、塗装や溶接など特定の作業に特化したモデルとして供給されることが多く、生産ラインの1つのワークセルに固定されて耐用年数を全うすることもあります。

つまり、現在の自動車産業では、ロボットに分類される自動化システムには、搬送、仕分け、組み立て、溶接、塗装など、日々変化する作業を（再構成しながら）実行する高い柔軟性が求められることが多いのです。また、これらの産業用ロボットは、工場内の新しいエリアに再配置可能で、製造システムとして再展開したり、ラインのワークセルアレイを整備するために7軸リニアトラックで連続的に移動したりすることが期待されます。

自動車生産現場向けロボットファミリ

自動車生産現場のロボットは、関節のタイプやリンクの配置、自由度など、機械的な構造によって大きく分類されます。

シリアルマニピュレーターロボティクス は、ほとんどの産業用ロボットを含みます。このデザインファミリのデザインは、一端にベースがあり、もう一端にエンドエフェクタがあるチェーンの各リンクの間に単一のジョイントを持つ、リンクの直線的なチェーンを備えています。多関節ロボット、水平多関節ロボットアーム（SCARA）、協働型6軸ロボット、直交型ロボット（基本的にリニアアクチュエータで構成）、（やや珍しい）円筒型ロボットなどがあります。

図3：自動パレタイジングの恩恵を受けるTier-2自動車部品メーカーの設備では、 協働型ロボット の導入が進んでいます。（画像提供：Dobot）

パラレルマニピュレーターロボット は、高い剛性と動作速度が求められる用途に適しています。多関節アーム（1本のリンクで3次元空間に吊り下げられる）とは対照的に、パラレルマニピュレーターは、リンクの配列によって支持または吊り下げられます。例えば、デルタロボットやスチュアートロボットなどです。

モバイルロボット は、工場や倉庫で資材や在庫品を移動させる車輪付きのユニットです。自動フォークリフトとして、パレットの取り出し、移動、棚や工場フロアへの配置を行う場合もあります。例えば、無人搬送車（AGV）や自律移動型ロボット（AMR）などがあります。

自動車製造における古典的なロボットの活用

自動車製造工場における古典的なロボットの用途は、溶接、塗装、組み立て、（平均的な自動車に搭載される3万点以上の部品の輸送のための）材料ハンドリング作業などです。このような用途で、いくつかのロボットのサブタイプがどのように活用されているかを考えてみます。

6軸多関節アームロボット は、すべての関節が回転関節であるシリアルマニピュレーターです。最も一般的な構成は、可動範囲内で物体を任意の位置や向きに配置できる自由度を持つ6軸ロボットです。さまざまな産業プロセスに対応できる柔軟性の高いロボットです。実は、産業用ロボットといえば、6軸多関節アームロボットを思い浮かべる方が多いと思います。

図4：高性能 バーコードリーダは、1次元と2次元のバーコードを迅速かつ確実にデコードすることができます。また、ロボティクスエンドエフェクタに搭載して、電子部品や自動車部品、サブアセンブリの部品ピッキングをサポートするものもあります。（画像提供： Omron Automation and Safety）

実際、自動車のフレーム溶接やボディパネルのスポット溶接には、大型の6軸ロボットがよく使われています。人手によるアプローチとは対照的に、ロボットは、環境条件に応じて変化する溶接ビードのパラメータに対応しながら、停止することなく3D空間で溶接経路を正確にトレースする能力を備えています。

図5：産業用ロボットをイメージするときに、多くの人が思い浮かべるのがこの 6軸ロボット です。(画像提供： Kuka)

他の場所に、6軸多関節アームロボットが7軸システムに乗り、自動車パネルボディの下塗り、塗装、クリアコートなどのシーリング工程を行うこともあります。これは、外部環境からの細かなごみによって汚染されることない遮断されたスプレーブースの中で行われるため、完璧なまでに安定した結果を得ることができます。また、6軸ロボットは、プログラムで最適化されたスプレー経路をたどり、オーバースプレーや塗料、シーラーの無駄を最小限に抑えながら、完璧な仕上がりを実現します。さらに、自動車工場で働く人たちに、スプレーで材料に塗布する有害なガスを浴びせる必要がありません。

図6： SIMATIC Robot Integratorアプリは、さまざまなサプライヤのロボットのパラメータや、さまざまなアプリケーションの形状や取り付け要件に対応し、自動化設定へのロボットの統合を簡素化します。ただし、これらのインストールには、柔軟な設計適応のための統合I/Oとさまざまな通信オプションを持つ拡張性の高い高性能SIMATIC S7コントローラが必要です。（画像提供： Siemens）

水平多関節ロボットアーム（SCARA）ロボット は、上下方向に平行な回転軸を持つ2つの回転関節を持ち、単一運動平面上でX-Yの位置決めを行います。そして、第3のリニア軸でZ方向（上下方向）の動きを実現します。SCARA（スカラ）は比較的低価格で、限られたスペースでの使用に適しており、同等の直交型ロボットよりも高速な移動が可能です。室内温度制御、モバイル機器との接続、オーディオ/ビジュアル、エンターテインメント、ナビゲーションなど、自動車の電子および電気システムの生産にスカラロボットが使われているのも納得できます。ここでは、これらのシステムを製造するための精密な材料のハンドリングや組み立て作業を実行するために、スカラが最もよく使用されています。

直交型ロボット は、最低でも3本の直線軸を積み重ねて、X、Y、Z方向に運動を行います。実際、Tier-2の自動車部品メーカーが採用する直交型ロボットの中には、最終製品の品質と一貫性を検証するために、CNC機械工具、3Dプリンタ、3次元測定機（CMM）の形態をとるものもあります。このような機械も含めると、直交型ロボットは産業用ロボットの中で最も多い形であることは間違いありません。しかし、前述したように、直交機械が ロボット と呼ばれるのは、組立、ピックアンドプレース、パレタイジングなど、工具ではなく、ワークの操作を伴う作業に使用される場合のみであることが多いです。

また、自動車産業で使われる直交型ロボットのバリエーションとして、自動ガントリークレーンがあります。一部完成車の車台へのアクセスが必要な締結および接合工程に欠かせないものです。

自動車製造における新しく斬新なロボットの活用

円筒型ロボット は、基部に回転ジョイント、高さとアームの延長のために2本の直線軸を持つ3軸の位置決めを行う、コンパクトで経済的なロボットです。特に、自動車部品のマシンテンディング、梱包、パレタイジングに適しています。

協働型6軸ロボット（コボット） は、大型の産業用ロボットと基本的なリンク構造は同じですが、各関節には非常にコンパクトで統合されたモータベースの駆動装置を備えています（通常はギアモータまたはダイレクトドライブオプションの形態で）。自動車では、ブラケットやマウント、幾何学的に複雑なサブフレームなどを溶接する仕事です。高精度、高再現性などの利点があります。

デルタロボット は、3本のアームを持ち、ベースから回転ジョイントを介して作動し、天井に取り付けられ、吊り下げられた状態で使用されることが多いです。各アームの先端にはユニバーサルジョイントを備えた平行四辺形が取り付けられており、これらの平行四辺形はすべてエンドエフェクタに接続されています。これにより、デルタロボットは3並進自由度を持ち、エンドエフェクタはベースに対して回転することがありません。デルタロボットは、非常に高い加速度を実現できるため、小型自動車用のファスナーや電気部品などの仕分け作業やピックアンドプレース作業に非常に有効です。

スチュワートプラットフォーム （ヘキサポッドとも呼ばれる）は、三角形のベースと三角形のエンドエフェクタを6つのリニアアクチュエータで接続した8面体で構成されています。これにより、6自由度の超高剛性構造を実現しています。しかし、構造物の大きさに比べ、可動域が比較的狭いのが特徴です。スチュワートプラットフォームは、モーションシミュレーション、モバイル精密マシニング、クレーンの動き補償、精密物理学や光学系のテストルーチンにおける高速振動補償、自動車のサスペンション設計を検証するためのものなどに使用されています。

無人搬送車 （AGV）は、床に描かれた線、床に張られたワイヤなどの誘導標識に従って、決められたルートを走行します。AGVは通常、ある程度の知能を備えているため、互いに、また人間との衝突を避けるために停止したり発進したりします。自動車生産工場での材料搬送に非常に適しています。

自律移動型ロボット （AMR）は、固定されたルートを必要とせず、AGVよりも高度な判断が可能です。特に自動車メーカーの広大な倉庫では、レーザースキャナと物体認識アルゴリズムで周囲を感知し、自由なナビゲーションを実現しています。衝突の可能性がある場合、AGVのように停止して待機するのではなく、AMRはコースを変更したり、障害物を回避したりするだけでよいのです。この適応性により、自動車工場の搬入口では、AMRの生産性と柔軟性が格段に向上しています。

まとめ

自動車産業は、過去30年間、ロボティクスの分野で大規模な革新を促してきましたが、その傾向は、急成長する電気自動車（EV）市場でも続くと思われます。また、この業界では、あらゆるタイプの用途に対応したロボット設置を強化するために、新しいAIやマシンビジョンの適応の恩恵も受け始めています。