491産業用ロボット(多関節)　 Industrial Robot (Articulated type)

　組立工場の自動化に使用される代表的なロボットには、直行型,スカラー型、多関節型があります。3次元の空間作業をする場合には、6自由度を持った多関節型が必要となります。ここでは、多関節ロボットの構造について機械設計者の視点で記載します。

　Typical robots used for assembly plant automation include Cartesian coordinate type, SCARA type, and Articulated type. When doing three-dimensional spatial work, an Articulated type with six degrees of freedom is required. Here, the structure of articulated robots is described from the viewpoint of a mechanical designer.

　生産技術部門の自動化設備の設計担当であったころ、構造が違う2種類の多関節ロボットを設計した経験があります。多関節ロボットとは、旋回3軸、揺動3軸から構成され、ロボット据付面から1番近い軸をθ1(旋回)、2番目をθ2(揺動)、3番目をθ3(揺動)といって空間XYZの位置が決まります。さらに4番目をθ4(旋回)、5番目をθ5(揺動)、6番目をθ6(回転)といって空間αβγの姿勢が決まります。各軸の基本要素はモーター、エンコーダー、ハーモニックドライブ®(減速機)です。ロボット設計するに当り、モジュールタイプとユニットタイプの2つがあります。

　When I was in charge of designing automation equipment in the production engineering department, I had the experience of designing two types of articulated robots with different structures. The articulated robot consists of 3 axes of turning and 3 axes of swinging, and the position of space XYZ is determined by calling the axis closest to the first axis from the robot mounting surface θ1 (turning), the second axis θ2 (swinging), and the third axis θ3 (swinging). Furthermore, the attitude of the space αβγ is determined by calling the fourth one θ4 (turning), the fifth the θ5 (swinging), and the sixth the θ6 (rotation). The basic elements of each axis are a motor, encoder and harmonic drive ® (reducer). When designing robots, there are two types: module type and unit type.

　モジュールタイプは、基本要素のモーター、エンコーダー、ハーモニックドライブ®を一つのモジュールとしてθ1～θ6まで積み重ねた構造になります。モーターから出力までに余分な動力伝達機構が無いのが特徴です。

　The module type has a structure in which the basic elements of motor, encoder, and harmonic drive ® are stacked as one module up to θ1 ~ θ6. It is characterized by the absence of an extra power transmission mechanism from the motor to the output.

ユニットタイプは、θ1～θ3を第1アーム、θ4～θ6を第2アームの2つのユニットで構成されます。第１アームは第２アームを取り付ける構造になります。駆動源となるモーター、エンコーダーはユニットの固定側に配置されます。従動側となるハーモニックドライブ®との間には動力伝達機構があります。

The unit type consists of two units: θ1~θ3 for the first arm and θ4~θ6 for the second arm. The first arm has a structure to attach the second arm. The motor and encoder that will be the driving source are located on the fixed side of the unit. There is a power transmission mechanism between the harmonic drive ® that is the dependent side.

この2つのタイプについて、下記のように機械設計の視点で比較してみます。

＜設計難易度＞モジュールタイプは、各軸の3要素がモジュールとなっているので、構造がシンプルとなり、設計難易度は高くありません。しかしながら、各軸までの動力用の電源線やエンコーダーからの信号線の配回しが厄介となります。特にロボット本体に配線を収納しようとするとどうしてもロボット自身が大きくなってしまいます。一方ユニットタイプは、モーターからハーモニックドライブ®までの伝達機構の設計が大変となります。伝達機構にはシャフトとギアが必要となります。特にギアとギアのバックラシュをなくすため、ばねによる与圧機構を考える必要があり、設計難易度は高くなります。

Let's compare these two types from the viewpoint of mechanical design as follows.

< Design difficulty > module type has three elements of each axis as modules, so the structure is simple and the design difficulty is not high. However, it is troublesome to distribute the power supply line for power to each axis and the signal line from the encoder. In particular, if you try to store wiring in the robot body, the robot itself will inevitably become larger. On the other hand, for the unit type, it is difficult to design the transmission mechanism from the motor to the harmonic drive ®. The transmission mechanism requires a shaft and gears. In particular, in order to eliminate the backlash of gears and gears, it is necessary to consider the pressurization mechanism by springs, and the design difficulty is high.

＜動特性＞　モジュールタイプは、ロボットの先端が大きく重くなる傾向があるため、高速化に向いていません。また、θ4～θ6は配線が邪魔をして回転領域が広くとることができませんでした。しかし、余分な伝達系がないため、制御のしやすさはよかったと思います。ユニットタイプはロボットの先端が軽くなる様に重量配分の設計ができたおかげで高速化が可能となりました。また、配線の邪魔がないため、θ4、θ6は360度以上の回転領域がありました。伝達系があるためバックラッシュを取り除く与圧の調整を適切に行わないとイナーシャの変動が大きくなり制御性がよくなくなってしまいます。

< Dynamic Characteristics> The modular type is not suitable for high speed because the tip of the robot tends to be large and heavy. In addition, in θ4~θ6, the wiring interfered and the rotation area could not be widened. However, since there is no extra transmission system, I think the ease of control was good. The unit type has been able to increase speed thanks to the weight distribution design so that the tip of the robot is lighter. Also, since there was no interference of wiring, θ4 and θ6 had a rotation area of more than 360 degrees. Because of the transmission system, if the pressurization to remove the backlash is not properly adjusted, the variation of the inertia will increase and the controllability will not be good.

＜繰り返し精度＞ 両タイプとも最終段にハーモニックドライブ®を使用しているため、大きな違いはなかったと記憶しています。

<Repeatability> Both types use a harmonic drive ® for the final stage, so I remember that there was not much difference.

　自動組立の権威でSCARAロボットの産みの親ある牧野先生の著書の中に「機械を高速化するには」といった下記の記載があります。

　よく聞かれる質問に「機械を高速化するにはどうすればいいでしょうか」というのがある。エアシリンダをやめてカム駆動に換えるとか、サーボモータ―で動いている装置なら制御の形を変えるとか手段はいろいろある。しかし、それ以上に利くのは機械の構造そのものを高速向きに設計することである。高速向きの機械構造とはどのようなものか…それは「ガッチリとスッキリ」という言葉になる。～中略～　駆動側(駆動部、カム機構の例でいえばカムより前)はなるべくガッチリと、そして動かされる側(従動部、カム機構の例でいえばカムより後)はなるべくスッキリと作る。…それが「ガッチリとスッキリ」である。

　In Professor Makino's book, an authority on automatic assembly and the creator of SCARA robots, there is the following description such as "How to speed up machines".

　One of the most frequently asked questions is, "How can I speed up a machine?" There are various means, such as abandoning the air cylinder and replacing it with a cam drive, or changing the method of the control if the device is operated by a servo motor. However, what is more useful is to design the structure of the machine itself in a high-speed direction. What is a high-speed mechanical structure? It becomes a word " Tightly and Lightly ". ~Omitted~ The drive side (in the case of the drive part and cam mechanism in the case of the cam mechanism) is made as tight as possible, and the side to be moved (in the case of the moving part after the cam in the case of cam mechanism) is made as light as possible. ... That is what makes it "Tightly and Lightly "

「ガッチリとスッキリ」といった点ではユニットタイプがそれにあたると思います。

In terms of " Tightly and Lightly ", I think the unit type corresponds to that.