4軸SCARAロボットアーム試作機向けの制御ユニットと姿勢ティーチングソフトウェア: 工場のピック&プレース作業、タイの政府助成プロジェクト

課題の背景

本事例の課題は、国内で開発され、工場の担当者がプログラミングなしで自ら設定できるロボットアーム制御ユニットでした。輸入ロボットアームはプログラム設定に専門家が必要で、制御ユニットも単一メーカーのモーターに縛られることが多いため、本体価格と修理費が中小規模の工場（SMEs）の負担能力を超えています。

本件は、科学技術省事務次官室 技術振興・移転局が助成し、公的機関と共同で実施した2018年の技術製品開発プロジェクトの一部です。ある民間企業が試作機のユーザーとして共同出資しました。契約期間は2018年3月30日から11月30日までの8か月です。

要件と制約

試作機は、一般のユーザーが設定できる小型のピック&プレース用ロボットアームであり、かつ機械周辺の人にとって安全でなければなりません。主な要件と制約は次のとおりです。

• SCARA型4軸ロボットアーム1式。重量1kg以下のワークに対応し、作業半径は400mm以上
• 技術者、電気技術者、または基本的なコンピュータ操作ができる従業員が、画面から設定・操作できること
• ロボットアームは高速かつ強い力で回転するため、非常停止ボタン（Emergency Stop）、エリアの区画、作業半径周囲の警告表示が必要
• 電源は十分な電流を供給できる必要があり、不足するとロボットアームが十分に動作しません。
• プロジェクトの要件には、サイズ、形状、重量が近いワークのピッキングを学習するAIモード、ROS（Robot Operating System、ロボット開発向けの共通ソフトウェア群）への対応、LANネットワーク内のコンピュータからの設定・操作、Cloud Serverへのステータス履歴保存も含まれます。

なぜ画面上で姿勢を教示し、実機を動かす前に3次元モデルで試すのか

画面上での姿勢教示を選んだのは、プロジェクトの対象ユーザーがロボットのプログラミングを行わない技術者や従業員だからです。また、先に3次元モデルで試す方式を選んだのは、ロボットアームが高速かつ強い力で回転するため、実機が動く前にシミュレーションシステム上で誤った姿勢を見つけるべきだからです。

制御盤はNVIDIA TX1処理ボードを使用し、UART（制御ボードとモータードライバの間のシリアルデータ通信チャネル）経由でモータードライバに指令を送ります。マニュアルに基づく使用手順は次のとおりです。

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   制御ユニットをロボットアームに取り付ける

   操作マニュアルに従って、制御盤をロボットアームのモータードライバに接続します。

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   ロボットアームの3次元モデルを読み込む

   プログラムを起動し、ロボットアームの図面（Drawing）をシステムにアップロードします。画面に、シミュレーションシステムとして使用する3次元モデルが表示されます。

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   ロボットジョブの作成と姿勢教示

   Robot Jobメニューでは、ジョブの追加、編集、削除ができます。姿勢ごとに名前を付け、関節位置スライダーを軸ごとに動かし、姿勢の時間をミリ秒で設定してから、TEACHを押して保存します。

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   シミュレーションシステムで動作を試行

   教示した姿勢シーケンスどおりに3次元モデルを動かし、実機のロボットアームを動かす前に姿勢が正しいことを確認します。

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   実機のロボットアームを動かす

   シミュレーションシステムで姿勢シーケンスが正しいことを確認してから、ユーザーは同じシーケンスでロボットアームを動作させます。

納入物

当社は、4軸SCARAロボットアーム試作機1式を、制御盤、ソフトウェア、プロジェクト文書とともに納品しました。納品物は次のとおりです。

• NVIDIA TX1処理ボードを使用した制御盤付きロボットアームの試作機
• Dashboard、Configuration、Robot Jobメニューを備え、姿勢教示画面と3次元モデルを含む制御ソフトウェア
• 進捗報告書と最終報告書
• 操作・保守マニュアル
• プロジェクトに参加した民間企業への使用方法の移転

試作機の評価結果とテスト結果

2019年3月15日のプロジェクト評価シートには、試作機の部品の組立が完了していること、規定の機能どおりに動作テストができること、危険防止システムを備えていることが記録されています。同じ評価シートでは、グラウンドと信号の問題を修正して再テストすることも提案されています。

プロジェクト期間中、当社は参加民間企業の工場でロボットアームのプログラムを鉄板プレス機と連携させてテストし、プロジェクトを共同実施した機関のチームに動作をデモしました。当社は契約どおりプロジェクトを完了しました。試作の次の段階は、生産ラインの機械から実際のワークをピッキングするテストです。

私たちが学んだこと

本件からは、ロボットアーム試作機と制御ユニットの開発について3つの原則が得られます。

• すべての機能のテスト方法を要件の段階で記載しておく必要があります。本件の受入基準は電力、作業半径、非常停止ボタンを対象としていましたが、AIモード、ROS、Cloud Serverは対象外でした。すべての機能に最初からテスト方法があれば、関係者全員が目標とテスト済みの結果を同じ認識で区別できます。
• 試作機の電気系統は、初期段階から実際の現場で確認する必要があります。評価当日のグラウンドと信号に関する提案は、デモだけでは不十分で、ロボットアームが連携する機械とのテストが必要であることを示しています。
• 高速かつ強い力で回転するロボットアームは、実際に動かす前に毎回シミュレーションシステムを通すべきです。また、テスト初日から非常停止ボタンとエリアの区画を用意する必要があります。

この手法をお客様の工場に適用する方法

お客様の工場に軽量ワークの反復的なピック&プレース作業があり、技術者が自ら姿勢を調整できるようにしたい場合は、本事例と同じ手法、つまり画面上で姿勢を教示し、実機を動かす前にシミュレーションシステムで試す方法を利用できます。調整が必要なのは、作業規模、ロボットアームの種類、お客様の機械との接続です。

• ワークのサイズ、形状、重量、およびロボットアームが届く必要のある距離を準備します。
• ロボットアームが連携する機械と、相互に送受信する信号を特定します。
• 作業半径周囲の区画エリア、非常停止ボタンの位置、十分な電流を供給できる電源を計画します。
• 機械の停止時間を減らすため、予備モーターと、マニュアルに沿った電気系統の点検周期を準備します。