Collaborative Robot

人と近い距離で作業するよう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る。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、精密で高速かつ高精度の作業に完璧に適応している。カメラ、力センサー、その他の感知要素を使用して、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、時には完全に停止して、人間の怪我を避ける。これらのロボットは通常、小さな部品を器用に扱えるように設計されており、重い材料を持ち上げたり、溶接や塗装などの重労働を行うのではなく、家電製品の組み立てなどの作業を支援する。典型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の比較的重いペイロードを持ち上げる能力を持っています。

高性能な手先の器用さとともに、ロボットは部品が正しく組み立てられているか、正確に組み立てられているかを感知する能力も必要であり、これは旧世代の重工業用ロボットでは想像もできない機能である。旧式の工場用6関節ロボットは通常、重いアームをかなりの力で動かすため、接近した人間に大怪我を負わせる。

新世代のロボットには、関節（自由度）が追加されている。従来の6自由度（6-DOF）ロボットと比較して、7関節（7-DOF）ロボットは、アームが複数の方向で特定の部品のために伸びることができるため、人間との衝突を回避しながらタスクを継続することができる。さらに、運動学的な冗長性は、障害物を簡単に管理できるため、限られたスペースで複数のロボットを操作するのに非常に便利です。

これらのロボットの追加機能は、力の感知、制御、制限である。ロボットはわずかな外力を感知して反応し、衝突防止を可能にする。モーターギアボックスの後に設置された力センサーが外力の急激な増加を検知する場合もあれば、ロボットが荷物を持ち上げ、ある位置から別の位置に移動させるために必要な力量を識別する場合もある。衝突時など、移動に必要なトルクの増加を認識すると、ロボットは停止する。衝突検出と回避のためのもう一つの特徴は、物体や人間との予期せぬ接触が検出されたときに、制御モードを柔軟性のないフルスピードモード（CSP-周期的同期位置や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）に変更する機能である。ソフトでコンプライアントなCSTモードにより、ロボットは人間の手で簡単に押しのけることができる。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入るよう待機させることも、全速力で柔軟性のないモードで動作するよう待機を解除することもできる。

もう一つの重要なモードはティーチモードで、オペレータがロボットを希望する場所に移動させ、エルモコントローラがその位置を記録し、将来の軌道をオペレーショナルモードで作成する。特筆すべきは、ティーチング時の驚異的な感度と分解能の正確さである。さらに驚くべきは、機能がシンプルで、プログラミングの経験がなくてもほとんどの作業を達成できることです。

エルモの超小型で強力なイーサキャット・ゴールド・サーボ・ドライブが、この難題に採用されました。このドライブはロボットの関節に直接取り付けられ、ロボットの小型化とコンパクトさを維持するための完璧な選択でした。強力な超小型ゴールドSOLO GUITARドライブ2台が、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の駆動に使用されました。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、要求される高速、加速、減速の動作速度に達することができた。さらに、連続電流20アンペア、ピーク電流最大40アンペアの駆動が可能な小型のゴールド・ソロ・ウイストル・ドライブ5台が、追加の5つのロボット関節の操作に使用されました。システム内の各ドライブは、最高速度、加速度、減速度で動作しますが、極めて高い精度と精度で低速度でも動作する必要があります。同じドライブを使用したこのような正反対の動作は、1:2000という非常に優れたダイナミック電流レンジと、ドライブの非常に広い帯域幅の応答によって可能になりました。

このような複雑なプロジェクトでは、ロボットの関節に直接取り付けられるような、物理的な設置面積が十分に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、ケーブル配線を最小限に抑え、外部ノイズの影響を最小限に抑え、EMIとRFIを低減し、システムの信頼性を全体的に飛躍的に向上させることができました。ロボット・ジョイント内への統合を促進したもう1つのドライブ特性は、生来の頑丈さと、各ジョイント内の高い機械的加減速率に耐える能力です。

エルモの非常に高度でありながら使いやすいコンフィギュレーション・ツール、EASII（「あなたのためにすべてやってくれる」ツール）は、サーボ性能を最適化するために、ネットワーク内の個々のドライブを最高レベルにチューニングするのに役立ちました。機械構造の不完全性を克服するために高次フィルタを使用したシステム識別と適切なコントローラ設計は、システムを可能な限り最高のサーボ性能に引き上げるために実装されたツールのほんの一部に過ぎません。

さらに、様々な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と簡略化された高度な同定方法を使用し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、可能な限り高い帯域幅、最速の応答時間でシステムを動作させ、同時に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、その他多くの機能が使用されました。

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高めるために、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デジタルホールセンサとともにインクリメンタルエンコーダを使用してデュアルループ制御を閉じる一方、外側の位置制御には19ビットの高分解能アブソリュートフィードバックを使用して閉じることは、標準機能としてすべてのエルモゴールドドライブに用意されている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。デュアル・ループ構造により、ローカル・サーボ動作は最高の最適化された性能を発揮します。顧客との接続を容易にするため、システムの各ピンベースドライブには統合SOLOボードが付属している。SOLOボードは、簡単なEtherCAT、I/O、フィードバックの接続を可能にすることで、顧客による簡単な接続と統合を可能にします。

システム全体を制御するのは、エルモの先進的な多軸コントローラPlatinum Maestro(P-MAS)です。リアルタイム決定論的シリアルEtherCATネットワーキングにより、16軸を250usのサイクルタイムで完全に同期させます（8軸を完全に制御した場合、サイクルタイムは100usに短縮）。P-MASを使用して、デカルト、スカラ、3リンク、デルタなどの機構を持つ幅広いビルトイン・ロボット・キネマティクスをサポートするエルモの実証された能力により、あらゆるロボットの課題に簡単に答えることができます。

内蔵のキネマティックサポートは、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て、MCS（機械座標系）またはPCS（製品座標系）のいずれかで動作します。さらに、P-MASはユーザーアプリケーションのための特別なリアルタイムコードセクションを持っています。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方程式を記述することができ、P-MASは現在入手可能なハイエンドで制限のないあらゆるタイプのロボットをサポートすることができます。

最新の4コア強力な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と逆運動学のリアルタイム計算を必要とするこの種のアプリケーションに不可欠です。 ユーザー入力のリアルタイムセクションに実装された運動方程式は、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、各EtherCATサイクルで出力します。DS-402周期同期モードの1つでシステムを動作させることは、Elmoの各EtherCAT対応サーボドライブの組み込み標準動作です。P-MASとホストコンピュータ、PLC、HMI間の標準化された通信プロトコルや独自の通信プロトコルの多様性により、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要素との高速でシンプルな通信が可能です。

イーサネット、TCP/IP、UDPなどのホスト通信機能 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シンプルで高速かつ効果的な通信が可能です。ロボットの動作は主に2つのモードに分けられます；1つ目は動作ティーチングモード、2つ目は作業モードです。ティーチングモードでは、オペレータはロボットを目的の軌道に沿った主要な位置ポイントに物理的に移動させます。

多軸コントローラは、作業モードで全軌跡運動を繰り返すために、関連する位置点を記録する。このモードでは、ドライバは周期的同期トルク（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、スムーズなドラッグプロセスを維持しながら、重力やロボットダイナミクスのような抵抗要因を克服するために、追加の補償電流（トルク）を出力します。このような複雑なロボットソリューションのハイライトの一つは、ノンプログラマーのためのティーチングプロセスの実装が簡単であることです。

第2の動作モードは作業モードであり、多軸コントローラはロボットの運動学モデル（DH行列の逆運動学解）に従って7つの目標位置/速度を計算し、必要に応じて動的モデルに基づくトルクの補正を総出力トルクに加えます。ドライバは周期同期位置（CSP）または周期同期速度（CSV）動作モードで動作し、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け取ります。