Collaborative Robot

人との近接作業向けに設計された協働ロボットは、工場の生産現場で一般的になりつつあります。これらのロボットは、人とロボットが共存する環境において、精密、高速、高精度の作業に最適です。カメラ、力覚センサー、その他のセンシング素子を用いて、これらのロボットは人間の存在を感知し、それに応じて反応し、場合によっては人への危害を避けるために完全に停止します。これらのロボットは通常、重量物の持ち上げ、溶接、塗装といった重労働ではなく、小型部品を高い器用さで扱い、家電製品の組み立てといった作業を支援するように設計されています。一般的な協働ロボットの構造は比較的小型で軽量ですが、それでも最大100kgという比較的重いペイロードを持ち上げることができます。

ロボットは、高性能な器用さに加え、部品が正しく組み立てられ、精密に構築されているかどうかを感知する能力も備えていなければなりません。これは、以前の世代の重工業用ロボットでは想像もできなかった機能です。旧来の工場用6関節ロボットは、重いアームをかなりの力で動かすため、接近する人間に深刻な怪我を負わせることがよくあります。

新世代のロボットには、関節、つまり自由度が追加されています。従来の6自由度（6DOF）ロボットと比較して、7関節（7DOF）ロボットは、アームを特定の部位に向けて複数の方向に伸ばすことができるため、人間との衝突を回避しながら作業を継続できます。さらに、運動学的冗長性は、障害物の回避を容易に管理できるため、限られた空間内で複数のロボットを操作する際に非常に役立ちます。

これらのロボットには、力の感知、制御、そして力の制限という付加機能があります。ロボットはわずかな外力も感知し、反応することで衝突を防止します。モーターギアボックスの後段に設置された力センサーは、外力の急激な増加を検出するために使用される場合もあれば、ロボットが荷物を持ち上げてある位置から別の位置に移動させるために必要な力を特定する場合もあります。衝突時など、移動に必要なトルクの増加を認識すると、ロボットは停止します。衝突検知と回避のためのもう一つの機能は、物体または人との予期せぬ接触が検知された際に、制御モードを非柔軟性の全速モード（CSP：周期的同期位置、CSV：周期的同期速度など）からトルクモード（CST：周期的同期トルク）に切り替える機能です。柔らかく柔軟なCSTモードは、ロボットを人の手で簡単に押しのけることができます。ロボットは、接触を検知すると自動的にコンプライアントモードに移行するように設定することも、非柔軟性モードで全速走行するように解除することもできます。

もう一つの重要なモードはティーチモードです。このモードでは、オペレーターがロボットを目的の位置に移動させると、 Elmoコントローラーがそれらの位置を記録し、将来の動作モードでの軌道に利用します。特筆すべきは、ティーチングプロセスにおける驚異的な感度と分解能の精度です。さらに驚くべきは、機能のシンプルさと、プログラミング経験がなくてもほとんどのタスクを実行できるという点です。

Elmoこの困難な課題に対処するため、超小型でパワフルな Ethercat Gold サーボドライブが選択されました。このドライブはロボットの関節に直接取り付けられ、ロボットの小型でコンパクトさを維持するのに最適な選択でした。2 台の超小型のパワフルなGold SOLO GUITARドライブを使用して、ロボットの機械構造全体を支える 2 つのベース ジョイント モーターを駆動しました。50 アンペアの連続電流と最大 100 アンペアの高ピーク電流でモーターを駆動できるため、必要な高速、加速、減速の動作速度に到達できます。さらに 5 台の小型Gold SOLO WHISTLEドライブ (連続電流 20 アンペア、ピーク電流最大 40 アンペアで動作可能) を使用して、追加の 5 つのロボット関節を操作しました。システム内の各ドライブは、最高速度、加速、減速速度で動作しますが、非常に高い精度と精密さで低速で動作する必要もあります。

このような複雑なプロジェクトでは、ロボット関節に直接取り付け可能なほど物理的な設置面積が小さいドライブが唯一の選択肢でした。ドライブをサーボフィードバックの近くに配置することで、配線が最小限に抑えられ、外部ノイズの影響が最小限に抑えられ、EMIとRFIが低減し、システム全体の信頼性が飛躍的に向上しました。ロボット関節への統合を促進したもう一つの要因は、ドライブの堅牢性と、各関節における高い機械的加減速率に耐える能力です。

Elmoの高度でありながら使いやすい設定ツール、 EASII （「すべてをあなたに代わって行う」ツール）は、ネットワーク内の個々のドライブを最高レベルに調整し、サーボ性能を最適化するのを支援しました。システム識別と、機械構造の欠陥を克服するための高次フィルタを使用した適切なコントローラ設計は、システムのサーボ性能を最大限に高めるために実装されたツールのほんの一部です。

さらに、各軸間のクロスオーバー効果を排除するための特別な位置ゲインスケジューリングを備えた、簡素化された高度な同定手法を用いた多軸同定が実装されました。このアプリケーションでは、システムを可能な限り高い帯域幅で動作させ、最速の応答時間を確保しながら、高いマージンで安定性とスムーズなロボット動作を維持するために、他にも多くの機能が活用されています。

システムの各軸は、ギアボックス後のシステムの位置精度を向上させるため、デュアルループサーボ制御アーキテクチャで動作します。ギアボックス前の内側の速度制御ループにはインクリメンタルエンコーダとデジタルホールセンサーを用いた閉デュアルループ制御を採用し、外側の位置制御には19ビットの高解像度アブソリュートフィードバックを用いた閉閉デュアルループ制御を採用しています。これは、すべての製品で利用可能なマルチクロスフィードバック接続オプションの1つにすぎません。 Elmo Goldドライブを標準装備。デュアルループ構造により、ローカルサーボ動作を最高の最適化されたパフォーマンスへと引き上げます。お客様による接続を容易にするため、システム内の各ピンベースドライブにはSOLOボードが内蔵されています。SOLOボードは、EtherCAT、I/O、フィードバック接続を容易にし、お客様による接続と統合を容易にします。

システム全体を制御することはElmoの上級multi axis controller 、 Platinum Maestro (P-MAS) は、250us のサイクル タイムで完全に同期された 16 軸 (完全に制御された 8 つの軸で 100us のサイクル タイムまで短縮) を備えたリアルタイムの決定論的シリアル EtherCAT ネットワークを介して動作します。 Elmoは、 P-MASを使用して、直交座標、SCARA、3 リンク、デルタなどのメカニズムを備えた幅広い組み込みロボット運動学をサポートすることが実証されており、あらゆるロボットの課題に簡単に対応できます。

内蔵の運動学サポートは、MCS（機械座標系）またはPCS（製品座標系）のいずれかで動作し、ターンテーブル、コンベア、その他の外部機器と完全に同期します。さらに、 P-MASにはユーザーアプリケーション用の特別なリアルタイムコードセクションがあります。この特別なコードセクションにより、ロボット開発者は独自のロボット運動学方程式を記述することができ、 P-MASは現在利用可能なあらゆるハイエンドで制限のないロボットタイプをサポートし、ユーザーは独自の運動学を実装できます。

最新の4コア高性能プロセッサを搭載したP-MASは、250µSecのネットワークサイクルタイム内でロボットの運動学および逆運動学をリアルタイムに計算する必要があるこの種のアプリケーションに不可欠です。ユーザー入力リアルタイムセクションに実装された運動学方程式は、システム内のすべての軸の目標位置／速度またはトルクを計算し、EtherCATサイクルごとに出力します。DS-402の各周期同期モードのいずれかでシステムを動作させることは、各DS-402に標準装備されています。 Elmo EtherCAT準拠のサーボドライブ。P -MASとホストコンピュータ、PLC、HMI間の多様な標準および独自の通信プロトコルにより、タッチパネル、ティーチペンダント、PLC、コンピュータなどのサードパーティ製デバイスとの高速かつシンプルな通信が可能になります。

Ethernet、TCP/IP、UDPなどのホスト通信機能に加え、ModbusやEthernet/IPなどの高速バイナリプロトコルにより、システム内のほぼすべての上位ホストとのシンプルで高速かつ効率的な通信が可能になります。ロボットの動作は、主に2つのモードに分かれています。1つは操作ティーチングモード、もう1つは作業モードです。ティーチングモードでは、オペレーターはロボットを目標経路上の主要な位置まで物理的に動かします。

多軸コントローラは、動作モードにおいて全軌跡動作を繰り返すために、関連する位置ポイントを記録します。このモード中、ドライバは周期同期トルク（CST）モードで動作します。トルクコマンドに加えて、多軸コントローラは追加の補償電流（トルク）を出力し、重力やロボットのダイナミクスなどの抵抗要因を克服しながら、スムーズなドラッグプロセスを維持します。このような複雑なロボットソリューションの特長の一つは、プログラマー以外のユーザーにとってティーチングプロセスの実装が簡単であることです。ほとんどのタスクは、プログラミングの経験やスキルがなくても実行できます。

2番目の動作モードは作業モードで、 multi axis controller ロボットの運動学モデル（DH行列の逆運動学解）に基づいて7つの目標位置／速度を計算し、必要に応じて、動力学モデルに基づくトルク補正を総出力トルクに加算します。ドライバは、目標位置／速度コマンドとトルクオフセットコマンドを受信し、周期同期位置（CSP）または周期同期速度（CSV）モードで動作します。