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産業用ロボット業界において2021年現在最も高いシェアを誇っている垂直多関節ロボット。その人気の秘密や基本特徴、用途などを紐解いていきましょう。

垂直多関節ロボットを取り扱っているメーカーも紹介しているので、ぜひ検討材料にしてみてください。

垂直多関節ロボットとは

「垂直多関節ロボット（Vertical Articulated Robot）」とは2021年現在主流となっている産業用ロボットで、下記の例のように人間の腕と似た動きを再現できるのが特徴です。

多関節と幅広い可動領域を兼ね備えていることによって自由度が高い作業に対応できる反面、制御やメンテナンスはやや複雑になります。

汎用性が高く作業範囲に対して設置面積が小さいことで導入しやすいため、2021年現在産業用ロボット業界で最も高いシェアを誇っています。

垂直多関節ロボットの構造とは

垂直多関節ロボットに限ったことではありませんが、産業ロボットは一般的に次の3つのシステムから構成されています。

• マニピュレーター
• コントローラー
• ティーチペンダント

一つずつ見ていきましょう。

マニピュレーターとは

産業用ロボットの性能や稼働を左右するのがマニピュレーターといわれるアーム部分です。マニピュレーターとは、Manipulate（操作する）の派生語で、産業用ロボットの動きの象徴的な腕の動きをあらわしています。

ロボットマニピュレーターは、動かす装置そのものを指す場合や、大きくて複雑なロボットの一部を指す場合があります。回転や動力を伝達する接続部はジョイントで繋がれており、この部分を「軸」といいます。

さらにロボットアームの先端に取り付けられるものはロボットハンドと呼ばれ、人間の手のような働きをし、掴む・回すなどのハンドリング作業を行います。

関連リンク：産業用ロボットのマニピュレーターとは？機能や選び方を解説

ジョイント（軸・関節）

垂直多関節ロボットのジョイント（軸・関節）には人間の腕のように肘や手首を曲げたり回転させたりするような動作を担う「回転関節」に加え、ロボット特有の関節である「直動関節」が使われています。「直動関節」は上下、左右、前後に伸縮できる点で人間の腕以上に柔軟性の高い動きを可能にします。

またロボットの関節数は「軸」という単位で表されますが、垂直多関節ロボットの関節数は6軸で構成されるのが一般的です。軸の数が多いほどなめらかで自由度が高い作業が可能になります。

シリアルリンクメカニズム

産業用ロボットはリンクの並び方が直列であるか並列であるかの違いにより、「シリアルリンク」と「パラレルリンク」に大別されます。

このうち、垂直多関節ロボットには人間の腕の形状に似た「シリアルリンク」が採用されています。

コントローラーとは

コントローラーはマニピュレーターとティーチペンダント（後述）を繋ぐ役割をする装置です。ティーチペンダントから入力されたデータをコントローラーが記憶し、そのデータを基に「インターフェース回路」を使ってマニピュレーターの動きを制御します。

最先端の技術ではコントローラーにAI（人工知能）を搭載し動作データを解析することで作業の自動化をサポートする試みも進んでいます。

関連リンク：産業用ロボットのコントローラとは？役割や命令方法について紹介

ティーチペンダントとは

ティーチペンダントとはマニピュレーターに作業の順序・動作・条件などを教えるための「ティーチング」をおこなう装置です。

ティーチングの手法には、リモコンを使ってロボットをその場で動かし、その動きを記憶させる「オンラインティーチング」や、ロボットを動作させるためのプログラムを事前に作成しておき、そのプログラムを使ってロボットを動かす「オフラインティーチング」などがあります。

関連リンク：ティーチペンダントとは？仕組みやメリット・デメリットを解説

ティーチペンダントを使用するメリットとデメリット

メリット

ティーチペンダントの操作はそれほど難しくありません。そのためロボットのティーチングの経験が浅い方であってもティーチングを習得できます。

ロボットティーチングの教育の場として利用できるため、ロボットの扱いに慣れていない工場現場ではおすすめの手法です。

デメリット

ティーチペンダントの操作は簡易であっても、実際のティーチングにはそれなりの時間を要することになります。すぐにロボットを稼働させたい現場では、不向きな手段といえます。

また、ティーチング時には生産ラインを停止させる必要があるため、一時的な生産ロスも生じます。

ティーチペンダントの機能

ティーチペンダントでロボットを動かすための基本機能を紹介します。

非常停止

ティーチング中にロボットが想定外の動作を起こし、アクシデントに発展しそうな場合に押す非常停止ボタンです。

事故を防ぐための大事な機能なので、どの種類のティーチングペンダントにも必ず赤色で大きく目立つように配置されています。

表示盤

入力情報メニューやロボットのティーチングの記録、異常時のエラーメッセージなど、ロボットのコンディションを表示するディスプレイです。

表示盤を見ながらロボットの各種設定、速度や加速度、位置データや作業データを入力したり調整したりします。

イネーブルスイッチ

本体機器の裏側にある安全装置にあたるスイッチです。

スイッチを押してイネーブル（enable＝操作可能）状態にしてから、ロボットの軸操作を行います。強く押すか完全に離すことで電源が遮断され、ロボットが停止する仕組みです。

動作軸キー

ロボットの細かい動きを指示するキーです。

左右・前後・上下の基本3軸に加え、曲げ・ひねり・回転の手首3軸、さらには動きの方向を制御する「+」と「-」にそれぞれ対応するボタンキーです。イネーブルスイッチを押しながら、この動作軸キーを押してロボットを操作します。

軸の種類や動きの量を少しでも誤るとミスや事故のもとになるため、必ずボタンを目視で確認しながら押す意識が大切です。

マニピュレーターを搭載したロボットの種類

マニピュレーターが搭載された代表的なロボットを紹介します。

垂直多関節ロボット

マニピュレーターが6軸の垂直多関節のロボットです。

ロボットハンドやリンクはサーボモータで回転する軸で直列に繋がっています。このようなマニピュレーターの構造から、垂直多関節ロボットは「シリアルリンクロボット」ともいわれます。

汎用性が高く、自動化を検討するときに様々な用途で使えるロボットです。同じ6軸構造でも、対象物を持ち上げられる最大の重さはメーカーによってさまざまです。

たとえば、可搬質量が500グラムのモデルの場合、本体質量が7キログラムであり、おおよそ片手で運べる重さになります。数台を組み合わせることで、それぞれが連携して細かい作業を精密に実行することができます。

スカラロボット

スカラロボットはマニピュレーター軸とリンクはすべて水平方向に動作するものです。

一般的に、スカラロボットの軸数は4軸であり、アームが水平方向に旋回する動作と、先端部分が垂直方向に上下する動作を組み合わせた動きをします。このアームの構造から、スカラロボットは「水平多関節ロボット」とも呼ばれます。

先端部は上下方向に動きながら、対象物に対して作業をします。上下方向の剛性が高く、水平方向にはしなやかな動きが可能です。

構造がシンプルなため高速動作が可能で、先端部分が上下に動作する特徴を生かして、プリント基板への電子部品の実装などが得意といわれています。

パラレルリンクロボット

パラレルリンクロボットは、リンクと軸で構成するアームを並列に複数配置したマニピュレーター構造になっています。

リンクと軸を組み合わせることで、多様な動作が可能です。また、並列なリンクを介して複数のサーボモータの出力を1点に集中することができます。

本体から伸びた3本のアームが先端で一体になった構造をしており、ロボットハンドはその一体になった部分に取り付けられます。アーム自体が非常に軽量であるため、高速に動かすことができますが、可動範囲は狭い特徴があります。各モーターが同期して先端を動作させるため、可搬質量に対して非常に高速な作業が可能です。食品工場などの細かい製品を扱う現場で多く使用されており、生産ラインで流れてくる製品の整列、充填、締め、包装、箱詰めなどを行うのに役立っています。

直交ロボット

直交ロボットは、直角に組み合わせた直線のマニピュレーター軸で構成されたロボットです。

一般的には直動する案内機器とボール型のネジなどからなる1軸動作のユニットを組み合わせて構築します。1軸（単軸）～4軸などと、工場現場の用途に応じて軸数を増やせます。

複雑な動作はできませんが、シンプルで安価なロボットといえます。設備をより小さく高密度で配置ができるため、工場のラインレイアウトの自由度が高まります。

ロボットのマニピュレーターの選定ポイント

マニピュレーターロボットの中枢機能を踏まえたうえで、選定するポイントを紹介します。

選定ポイント：自由度（可動範囲）とは

軸数は、人間の関節に相当します。軸数に比例して、自由度が高まり可動範囲も増加します。

このことから、軸数が多いほど3次元空間の作業に適したロボットになります。

そのため、生産現場では自由度の高い垂直多関節ロボットが主流になっています。

一方で、直交ロボットは軸数が2〜4が標準的であり、自由度が低いため、基本的に単純な動作が想定されています。しかしながら、動作速度が速いことや、精度が高いというメリットがあるため、垂直多関節ロボットを補佐する作業には適しているといえます。

選定ポイント：可搬重量（ペイロード）とは

ロボットアームが持ち上げることが出来る最大重量は、メーカーによって設定された可搬重量（ペイロード）により異なります。そのため、運搬対象物の重量を考慮しながら、適切なロボットアームを選択する必要があります。可搬重量は、ロボットアームの軸数やリンクの接続方式に関連していることを覚えておきましょう。

たとえば、水平多関節ロボットや垂直多関節ロボットの構造では、モーターの先にモーターが繋がっていることから、根元の軸に近い部分に大型のモーターが必要となります。

このような構造であることから、ロボット本体のサイズや重量に対して、可搬重量は小さくなるという傾向があります。

一方、パラレルリンクロボットの構造は、複数のモーターが根元にあることから、ロボットの先端部分のみを動かします。そのため、ロボット本体のサイズや重量に対して、可搬重量が大きく高速で動作することが可能です。

選定ポイント：駆動方式とは

ロボットアームには、電動、油圧、空圧、手動などの駆動方式があります。駆動方式が異なることで、マニピュレーターの精度や速度、強度なども異なります。

最も使用されている駆動方式は電動です。電気による駆動の特徴として、制御が容易で高速な動作に向いていることから、装置を小さくできるというメリットがあります。

油圧や空圧の駆動方式は、大きな力を発生させることができ、外部からの衝撃に強いことから、重量物の取り扱いに向いています。

手動の駆動方式は、小規模な操作、または緊急時に使用されることが多くなります。

空気圧の駆動方式は、電気駆動に比べて高精度な位置決めなどの精度は劣りますが、空気の圧縮性を利用した柔らかな力の制御が可能です。また、油圧ほどではありませんが大きな力を発生させることができる点もメリットです。

駆動方式は、コストだけでなく、エネルギー効率やメンテナンス性といった多くの要因から選択する必要があります。ロボットアームの性能を最大限に引き出すためには、適切な駆動方式の選択が非常に重要です。

選定ポイント：速度とは

ロボットアームの作業速度は、速い方がタイムラグなく作業できます。

ただし、ロボットの速度は生産ラインの速度に合わせて選定することが大切です。ロボットの動作が遅いことの問題はわかりやすいですが、必要以上に速い場合も前後の工程でのタイムロスの増加や、無駄な在庫の発生する場合があります。

適切に速度に設定しないと処理量の増加効果が相殺されてしまいます。

これらのロボットには、動作速度に制限があります。ロボットハンドが対象物に触れる点の中心であるTCP（ツール・センター・ポイント）速度は、最大でも250mm/s以下とされています。

ロボットを高速で作業させる場合には、安全柵で囲んで、誤って人が立ち入らないように対策する必要があります。安全柵を設置することで、ロボットを高速で動作させても人への安全性を確保することができます。

作業効率を上昇させることができるので、安全柵の設置も重要です。

選定ポイント：精度とは

マニピュレーターの精度を判断する指標として「繰り返し位置決め精度」と「絶対位置決め精度」があります。産業用ロボットを用いた生産では、動作を繰り返すので精度が重要です。

基本的にはロボットの関節数に比例して精度は低下する傾向がありますが、関節数を増やしたとしても、精度を向上させることもできます。

ただし、関節数と精度の両立には、剛性やサーボモータの品質の向上が必要なため、高い精度を備えた多関節ロボットは高価になる傾向があります。

つまり、関節数の増加を伴いながらも、高い精度を必要とする場合は、コストとのトレードオフであることを考慮する必要があります。

精度と価格の相反する条件の解消策としては、「センサーフィードバック」という技術が注目されています。

センサーフィードバックの技術では、まず、ロボットハンドの先端に画像センサーを取り付けます。

取り付けた画像センサーからの位置情報を読み取り、ロボットアームやロボットハンドの制御を行います。これにより、ロボットアームやロボットハンドの制御精度が高まり、品質向上や生産性向上が期待できます。

さらに、センサーフィードバックは、高性能ロボットへの買い替えと比較すると、低コストで精度不足を補えるといったメリットもあります。使用中のロボットシステムにも導入できるので、効率的な改善が可能となります。

垂直多関節ロボットの特徴

垂直多関節ロボットには次の4つの特徴があります。

• 多軸構造
• 汎用性が高い
• 稼働範囲が広く設置面積が少ない
• 組み込み系技術が充実

一つずつ見ていきましょう。

多軸構造

垂直多関節ロボットは多軸（多関節）構造によって人間の腕に近い繊細な動きを実現できます。そのため、高温や騒音の激しい製造ラインでの搬送・組み立てなど、人間にとって過酷な作業を自動化できるというメリットがあります。

さらに従来のロボットでは困難であった熟練工の繊細な腕の動きも再現可能です。熟練工のスキルをロボットで再現することで、産業界の人手不足や作業員の高齢化による技術継承問題を解消することができるというメリットがあります。

関連リンク：多軸ロボット8種類とロボットメーカー・導入事例・価格と導入のポイントをわかりやすく解説！

汎用性が高い

垂直多関節ロボットのマニピュレーターの先端部分には人間の手に相当する「エンドエフェクタ」と呼ばれる部分があります。エンドエフェクタには様々な形状があり、用途に応じて付け替えることができます。

そのため一台のロボットを使って搬送、組み立て、溶接など幅広い作業に対応することが可能です。

可動範囲が広く設置面積が少ない

垂直多関節ロボットはアームを360度回転させたり伸縮させたりと設置面積に対する可動範囲が広いため、製造ラインのレイアウトに合わせて設置しやすいのが特徴です。そのため限られたスペースしかない製造現場でも導入を検討しやすい点がメリットです。

組み込み系技術が充実

近年、垂直多関節ロボットにAIなどを組み込むことでロボットにパターンを学習される技術などが進化しています。自動でティーチングを行ったり、先端に高機能センサーやカメラを取り付けることで検品作業に活かすことも可能です。

垂直多関節ロボットとAIなどの技術をうまく組み合わせることによって生産効率が大きく向上することが期待されます。

多関節ロボットのメリット・デメリット

ここでは、多関節ロボットの4つのメリットと2つのデメリットについて解説します。

メリット

• 作業効率が向上する
• 自由度が高い動きができる
• 可動範囲が広く設置面積が少ない
• 汎用性が高い

デメリット

• 運用・メンテナンスにコストがかかる
• 誤操作・故障の可能性がある

詳しく見ていきましょう。

メリット

作業効率が向上する

最初のメリットとして、産業用ロボットを導入することで、生産ラインにおける作業効率を向上させることができます。

例えば、ロボットは営業時間外でも24時間365日稼働できるため、生産性を維持しながら作業員の時間外労働を減らすことが可能です。

自由度が高い動きができる

多関節ロボットのメリットには、人間の腕のように自由度が高い動きを実現できる点も挙げられます。自由度が高い理由として、多関節（多軸）構造により可能となっています。

従来のような単純な構造のロボットと異なり、繊細な技術を再現することができます。

熟練工のような繊細な技術をロボットで再現することによって、少子高齢化で問題となっている技術継承の問題解消につながります。

熟練工の技術は熟練度によって評価されていましたが、同様に多関節ロボットも技術力での評価が出来ます。

これにより、技術継承問題を解消することができる点も大きなメリットといえます。

可動範囲が広く設置面積が少ない

多関節ロボットは、可動範囲に対する設置面積が少ないという特徴があります。

そのため、省スペースでの設置が可能な点もメリットだといえます。省スペースでの設置によって、工場内のスペース効率を向上させることができます。

特に、垂直多関節ロボットは、アームを360度回転させることもできることから、広い範囲のカバーが行えます。

スペースが限られた工場内ですが、製造ラインのレイアウトに合わせて柔軟に設置できることから、生産性向上につながります。

これらのメリットから、多関節ロボットは産業界で広く利用されています。

汎用性が高い

多関節ロボットには、「エンドエフェクタ」と呼ばれる先端部分を作業内容に応じて付け替えることができます。

そのため、同じロボットを使用して、先端部分を付け替えることで、搬送や組み立て、溶接などの複数の作業を行うことができる点もメリットだと言えます。

デメリット

運用・メンテナンスにコストがかかる

ロボットの導入には、運用コストだけでなく、定期的なメンテナンスなどの時間的コストや金銭的コストが必要になります。

また、ロボットを動かすためにはロボットティーチング（プログラミング）に関する専門知識が必要で、ロボットティーチングを業者に委託することも可能ですが、その分の費用が必要となります。

このことから、企業は早い段階で専門知識を備えた人員の育成や確保に注力する必要があります。

誤操作や故障の可能性がある

ロボットや機械には誤操作や故障の可能性があるので、損害を未然に防ぐために、定期的なメンテナンスだけでなく、日頃から社内で作業点検の体制を整えておくことが大切です。

垂直多関節ロボットの用途・活用事例

垂直多関節ロボットは汎用性が高いので、自動車や家電製品、食品生産ラインなど、多種多様な用途で使われています。ここでは、様々な産業分野における垂直多関節ロボットの活用事例を3つ紹介します。

ダイレクトメールの加工システム

従来手作業でおこなっていたダイレクトメールの箱詰工程に垂直多関節ロボットを導入しました。その結果、生産数が従来に比べ2倍となり、作業にかかる人員を2名削減することが可能となりました。

事例の引用元：『ロボット導入実証事業 事例紹介ハンドブック2018』p.80

次世代マイクロニードル化粧品の高度精密生産システム

手作業で生産していたマイクロニードル化粧品製造に垂直多関節ロボットを導入しました。その結果、製造プロセス中の人間の関与を少なくすることが出来、製造時の衛生環境が向上しました。

事例の引用元：『ロボット導入実証事業 事例紹介ハンドブック2018』p.30

食品の重量検査作業とパレタイズ作業

多品種少量生産、多種多様製品の品種認識、重量検査、パレタイズ作業を1台の垂直多関節ロボットで自動化・一元化しました。その結果、生産性が5倍に増え、作業員の身体的負荷の軽減にもつながりました。

事例の引用元：『ロボット導入実証事業 事例紹介ハンドブック2018』p.16

垂直多関節ロボットを取り扱っているメーカー

垂直多関節ロボットを取り扱っている主な国内・海外メーカー（全23社；2021年現在）を一覧表にまとめました。

垂直多関節ロボットの主要メーカー23社

実際の現場にロボットシステムを導入する場合は、ロボットの付帯設備の設計・製作・設置が必要です。付帯設備には以下のようなものがあります。

• 安全柵
• 制御盤
• 架台
• エンドエフェクター（ロボットハンド）
• 搬送装置

こういった付帯設備を含むシステムの設計・制作・設置はロボットシステムインテグレーター（ロボットSIer）に依頼するのが一般的であり、その費用が別途発生します。その他にもロボットティーチングやメンテナンスといった時間的・金銭的コストも想定しておく必要があります。

垂直多関節ロボットについて

今回は垂直多関節ロボットの構造や特徴、活用事例について解説しました。

垂直多関節ロボットはマニピュレーター（本体部分）にシリアルリンクや多関節構造などが採用されていることによって人間の腕のように自由度が高い動きを再現できるのが強みです。

その汎用性の高さから自動車や家電製品、食品生産ラインといった様々な産業分野で活用されており、現在最も高いシェアを占めている垂直多関節ロボット。産業用ロボットの導入を検討中の方はぜひ選択肢の一つに加えてみてください。