エンドエフェクタの統合

ツールはタスクのために存在する

エンドエフェクタは特定の作業を解決するために設計されています。協働ロボットのアームは多種多様な作業に対応できますが、エンドエフェクタは通常、ひとつのことを非常にうまく実行するために設計されています。段ボール箱搬送用ツール、TIG溶接用ツール、高トルクねじ締め用ツールなど、非常に具体的な作業に特化したツールが存在します。

ひとつの作業を非常に高いレベルで解決できる高度に特化したツールを選ぶか、類似作業をある程度こなせる汎用ツールを選ぶかにはトレードオフがあります。さまざまな段ボール箱に対応できるエンドエフェクタも存在しますが、すべての箱が1kgで同一素材・固定寸法であると分かっている場合は、その作業により最適化されたツールを選択することが可能です。特化型と汎用型の間にトレードオフがあるとはいえ、適切なツール選定は常に具体的な作業内容を前提に行われる必要があります。

多くの場合、汎用ツールをカスタマイズすることで、より特定用途に適した性能を実現できます。例として、グリッパーのジョー、指先、吸着パッドのカスタマイズがあります。カスタマイズもまた、具体的な作業内容を前提にしてのみ可能です。

唯一の正しいツールというものは存在しません。存在するのは「その作業に適したツール」だけです。

すべてのツールに共通して重要な要素

各ツールは特定用途向けですが、協働ロボットと組み合わせる際に共通して重要な要素があります。

**ツールセンターポイント（TCP）：**エンドエフェクタを使用する場合、特定の位置へ移動させたり、直線軌道で移動させたりします。このとき作業上重要なのは、ロボットのツールフランジではなく、ツール上の「作業点」です。そのため、協働ロボットにはツール中心点（TCP：Tool Center Point）を設定する必要があります。

TCPは、ツールフランジに対する位置（X、Y、Z方向の移動量）と回転（RX、RY、RZ）で定義されます。MoveLの直線移動ができない場合は、TCPが正しく設定されていない可能性があります。

**荷重：**エンドエフェクタを装着すると、アーム先端に荷重が加わります。ツール自体の質量に加え、グリッパーの場合は把持するワークの質量も加算されます。ツールおよびワークの質量は必ず設定する必要があります。フリードライブモードで挙動が不自然な場合や、予期しない保護停止が発生する場合は、荷重設定が誤っている可能性があります。一般に、荷重が大きいほど制御上の課題も増加します。高荷重用途における注意点はこちらもご参照ください。

**重心 (CoG)：**荷重の質量分布も重要です。これを設定するためにツールの重心（CoG）を構成します。協働ロボットが重心周りで回転する場合、質量そのものよりも質量分布が影響します。その指標が慣性モーメントです。直交座標空間では3×3の慣性行列で表され、対称性により6つの値（Ixx、Iyy、Izz、Ixy、Ixz、Iyz）で表現されます。質量分布はツールとワーク双方の影響を受けます。

TCP、荷重、重心はティーチペンダントで設定します。ツール設定の手順は Eラーニング・コアトラックでも紹介されています。標準ツールを購入した場合、これらの値が提供されることが多いですが、提供されない場合は推定、測定、計算が必要になります。

外部からの力

多くの用途では、エンドエフェクタが周囲環境と接触し、その結果として外力が発生します。部品搬送、ねじ締め、研磨などが該当します。溶接、画像検査、塗装では通常環境に接触しないため該当しないことが多いです。

広義には外力として扱えば十分ですが、外力には物理的な力（ニュートンで測定）とトルク（回転力）など複数の要素が含まれます。

エンドエフェクタ使用時に考慮すべき力は以下の通りです。

衝突による力: 環境との衝突は力を発生させます。力が十分に大きい場合、保護停止を引き起こし、アプリケーションの信頼性を損ないます。また、エンドエフェクタや協働ロボットアームの機械的損傷の原因にもなります。

ワーク搬送時の力: ワークを把持することも、外力のもうひとつの発生源です。ワークの質量は当然ながらツールに力を加えます。また、「ワークを持ち上げる」「ワークを配置する」「ワークを落とす」「CNC機のチャックを作動させる」といった動作や類似の工程でも、外力の変化が発生します。これらの力の変化が正確にいつ発生するかを把握することは困難である場合が多く、そのため対処が特に難しくなります。特に、それらの力が大きく、保護停止や重大な機械的損傷を引き起こす場合は注意が必要です。この課題の影響を受けやすいツールの例としては、高ペイロードのパレタイジング用グリッパーや、CNC機などでチャック固定中のワークを保持するツールが挙げられます。

高トルクがかかる工程: 高い力を発生させるために設計されたツールも存在します。代表例が高トルクねじ締めツールです。この種のツールでは、寸法、取付方法、およびその結果として設定されるツール中心点（TCP）が極めて重要になります。慎重に選定された取付角度を持つ長いドライバーを使用すると、ロボットアームへ伝わる力を最小限に抑えながら、締結中のボルトへ大きな力を加えることが可能になります。これはレンチやスパナでボルトを締める原理と同じで、工具が長いほどより大きな力を加えることができます。高トルクねじ締めに関する技術記事も参照してください。

振動を伴う工程: 振動という形で力を発生させるツールもあります。サンダーやグラインダーがその例です。これらのツールについては、協働ロボットアームへ伝わる力を低減するために、ツール自体またはツールの取付部に減衰機構を組み込むことを推奨します。

当社の一般的な推奨事項は、外力を可能な限り最小化することです。ツールの使用によって保護停止が頻発する場合は、どのような外力が発生しているのかを検討し、それらをどのように最小化できるかを考えてください。ウェイポイントは正しく設定されていますか。ペイロードの変更は適切なタイミングで設定されていますか。ツール先端で高い力が必要な場合は、ツールのTCPや減衰機構を活用して、協働ロボットアームへ伝わる反力を最小限に抑える方法を検討してください。

設計するか、カスタマイズするか、購入するか

ツールを設計しますか、カスタマイズしますか、それとも購入しますか。その答えは、対象となる作業によって決まります。

特化した作業では、設計またはカスタマイズのいずれかが必要になります。ただし、非常に特化したツールであっても、真空エジェクタ、ポンプ、ピストン、モーターなどの既製部品を活用することで、すべてを一から開発するよりも開発期間を短縮し、より信頼性の高い結果を得ることができます。

ワークに合わせたフィンガーのカスタマイズ: 一般的なカスタマイズのひとつに、標準グリッパー用の専用フィンガーを製作する方法があります。これにより、エンドエフェクタを特定のワークに最適化できます。多品種生産用途では、同一ツールに対して複数のフィンガーセットを用意することも検討できます。

既存のツールを取り付けるマウントの製作: 別の方法として、手作業用に設計された既存ツールを出発点とすることも可能です。この場合、既存ツールを再利用し、ロボットに接続するためのマウント部分（ツールと協働ロボットを接続する部分）および入出力の統合（ツールが作動する場合）をカスタマイズします。

参考事例を探す: エンドエフェクタを設計、カスタマイズ、購入するいずれの場合であっても、参考事例を探すことを推奨します。類似の作業をエンドエフェクタで解決した事例を持つ人に相談してみてください。また、ユニバーサルロボット認証製品も参考になります。 (https://www.universal-robots.com/plus/).

ツールの接続

アクティブツールには、信号（通信）と電源の両方を供給する必要があります。ユニバーサルロボット認証製品（UR+）の統合済み製品を購入する場合、接続方式はツールメーカーによって選定されていることが一般的です。協働ロボットで利用可能な選択肢は以下のとおりです。

ツールコネクタ: 協働ロボットには、エンドエフェクタ専用のM8ツールコネクタが搭載されています。このコネクタを使用することで、
1）アーム沿いの外部配線を回避できる
2）最大48ワット（ピーク）の電力供給が可能
3）アーム先端で2つのデジタル入力、2つのデジタル出力、2つのアナログ入力にアクセスできる
4）アナログ入力をRS485通信に使用できる（オプション）

といった利点があります。多くのユニバーサルロボット認証製品がこの方式を採用しています。

コントロールボックスの入出力、Ethernet、USB: コントロールボックスで利用可能なすべての接続オプションを使用してツールを接続することもできます。この方法の主な制約は、協働ロボットのアーム沿いに外部配線が必要になる点です。

外部電源: 外部圧縮空気や外部電源などの外部電源を使用することも可能です。これらの方法では、エンドエフェクタ統合に追加のハードウェアが必要になります。その結果、ツール構成のコストや複雑性が増す可能性がありますが、場合によっては最も簡単かつ低コストな解決策となることもあります。当然ながら、この方法でも外部配線が必要になります。

エンドエフェクタの制御

ツールを制御する方法は主に2つあります。拡張ソフトウェア（URCap）を使用する方法と、使用しない方法です。どちらの方法もティーチペンダント上の操作環境に統合されています。

マニュアルで設定して制御: コントロールボックスの接続オプション（入出力およびフィールドバス）の多くは、インストール設定で構成でき、プログラムノードおよびURScriptを使用して制御できます。

URCapによる制御: ユニバーサルロボット認証パートナーから提供されるエンドエフェクタには、ツール制御を容易にするための拡張ソフトウェア（URCap）が付属していることが一般的です。通常、URCapには、プログラム実行中の制御用プログラムノード、設定用のインストール／アプリケーションノード、プログラムが実行されていない状態でツールを操作するためのツールバーが含まれています。

何らかの理由でユニバーサルロボット認証製品をURCapなしで使用したい場合でも、通常は方法がありますが、ツールメーカーに相談する必要がある場合があります。

コントロールボックスのUSBおよびツールコネクタ経由のRS485通信: これらのインターフェースを使用する場合、ツールを制御する常駐プロセスを含むURCapが必要になります。ツールメーカーに確認してください。独自ツールを開発している場合は、自身でURCapを開発する方法を学ぶか、開発支援が可能なパートナーを探してください。

参考事例の活用と支援の活用

まとめると、協働ロボットでエンドエフェクタを活用する方法は数多く存在し、最適なアプローチは解決しようとしている作業内容に大きく依存します。常に参考事例を探し、類似の作業を解決した経験のある人に相談することを推奨します。まずはフォーラムをご活用ください。