ロボットポジショニングシステムは、倉庫、航空宇宙、自動車工場などにおいて、1台のロボットが複数のタスクを実行できるようにするための長いレールです。ロボットトランスファーユニット（RTU）、または7軸システムとも呼ばれるこれらの動作設計は、組立、大規模溶接、倉庫保管などでますます一般的になっています。

ロボットを床にボルトで固定する一般的なセットアップとは対照的に、RTUはロボットを作業セルや工場内を移動させ、ステーション間を往復させます。RTUに最適なセットアップは、建設中の施設や、工程と関連機械を一直線に並べられる施設です。RTUが6軸ロボットを移動させる場合、直線軌道は7軸目と呼ばれることもあります（ロボット自体が7自由度の場合は、あまり一般的ではありませんが8軸目と呼ばれます）。これらの軌道がフレームの一部である場合（ロボットが吊り下げられているフレームを含む）、ガントリーと呼ばれます。

ロボットやトラックの形状に関わらず、追加軸の目的は並進運動を追加することです。これにより、作業範囲が拡大するか、ロボットがワークピースや工具を運搬できるようになります。前者の場合、ロボットは複数の機械を操作したり、列からパレットをピックアップしたり、非常に大きな部品を加工したりできます。後者の場合、梱包、溶接、プラズマアーク切断、その他の機械作業が一般的な用途です。

ここでは、RTUの駆動オプションに焦点を当てます。ただし、エンジニアは、ガイドとベアリング（通常はカムフォロアまたはプロファイルガイド）の選択肢も選択する必要があることに注意してください。

RTUの設計と駆動オプションは豊富
一部のガントリーには、ロボットを反転させて吊り下げ、上から機械へのアクセスを容易にするためのフレームが組み込まれていますが、床にボルトで固定し、ロボットを直立させるRTUが最も一般的です。これらのRTUは平均してペイロードが高く、数千ポンドにも及ぶロボットアームやグラブされた荷物を運ぶことができます。

エンジニアは、既製のRTUを購入することも、モーションシステムの専門知識を活用してRTUを自社で構築することもできます。最もシンプルなのは、ロボットがボルトで固定されるプラットフォームを備えたリニアトラックのペアです。しかし、多くのOEMは、RTUに搭載されたロボットが高精度な作業を実行する場合、例えば、複数の軸の関節動作を同期させる必要がある切断作業や、様々な工作機械を通して鋳物を移動させて加工する作業など、専門のインテグレーターと連携しています。

ロボット搬送ユニットの設計における最大の課題は、搭載するロボットアームの関節と同期するようにプログラミングすることです。次に大きな課題は、RTUが数メートルにわたって正確な直線運動を維持することです。

ロングストロークの身体的要件を満たす
RTUの設計目標において、速度が最優先となる場合があります。特に、RTUがロボットを数百フィート、あるいは特殊なセットアップでさらに遠くまで運ぶ場合には、その傾向が顕著です。移動ロボット（時には数千ポンドのアームとペイロードを搭載することもある）における高速性は相対的なものです。しかし、1Gまでの加速度で10フィート/秒以上の速度で移動できるRTUもあります。

しかし、多くの場合、精度はRTUの設計目標の最優先事項です。例えば、ロボットが協働ワークセルの加工を支援するアプリケーションを考えてみましょう。この場合、ロボットの速度と作業範囲の拡張は、周囲のフレームワークが精度を厳密に維持できる場合にのみ有効です。このような設計では、多くの場合、0.02mmの精度と、トラック移動中の0.2mm程度の位置決め再現性が求められます。

一方、適応制御を厳密に実行する必要があるものの、絶対的な精度への依存度が低いアプリケーションにロボットアームを使用する場合、他の構成でも対応できる可能性があります。例えば、輸送コンテナの荷降ろしなど、ロボットアームを搭載した移動車両といった形態も考えられます。

設計に関わらず、RTUは通常、複数のプラント機能と複数の機械と連携するため、メンテナンスの容易さと長寿命があらゆるRTU設備にとって不可欠です。そのため、RTUのダウンタイムは、他のステーションの稼働停止につながることがよくあります。

多くの RTU は、工作機械や作業員などの高価な機器が設置されたフィールド、特に組み立て作業員がいるゾーンの周辺でロボットを移動させるため、統合された安全性も重要です。

RTU用ベルト、ネジ、空気圧機器
中距離の直線移動を行うロボットガントリーでは、モーターとベルト駆動の組み合わせがよく使用されます。これは、電動モーター駆動のプーリーを用いてベルトに張力を発生させ、急加速させる比較的シンプルなシステムです。しかし、ストロークが長くなると、システムが全長にわたって張力を維持できなくなり、ベルトのたるみが発生する問題が発生する可能性があります。明確に申し上げますが、問題はペイロードの制限ではなく、ベルトのコンプライアンスに起因するロストモーションのリスクです。

スケーラビリティに関する警告には例外があります。一部のRTUでは、ベルト軸（共通のドライブシャフトから駆動）がハーモニッククランクを駆動します。この場合、ベルト駆動は適切な条件下では、ロングストロークのロボット位置決めの精度を維持できます。成功しているベルト駆動RTUのほとんどは、フレームとリニアトラックを相補的に配置することで、ベルト駆動構成からより高い精度を得ています。ベルト駆動レールアクチュエータを備えたRTUの中には、1トンのロボットを数十フィート移動させながらも、±0.001インチの再現性を維持できるものもあります。この場合（適切なレールのおかげで）、ベルト駆動アクチュエータは、他の選択肢よりも安価で柔軟性の高いRTUを実現します。

7番目の軸のもう一つの選択肢は、ボールねじ駆動軸です。この構成は、ベルト駆動で発生する可能性のある振動やバネ振動に対処します。基本的に、固定された機械要素が制御を維持し、正確な停止と位置決めを実現します。

ボールねじは、通常、断続的なベアリング支持を用いることで、長さ約6メートルまでのセットアップで良好に機能します。軸が長くなると、特に十分な支持がない場合、ねじが高速で振動することが主な問題となります。これは、ボールねじ軸が自重で曲がってしまうためです。そして、臨界速度（ねじ軸の直径、真直度、アライメント、支持されていない部分の長さによって決まります）に達すると、動きによって軸の固有振動数が励起されます。そのため、ボールねじの長さが長くなるにつれて、最高速度は低下します。

一部のセットアップでは、分離して同時に折り畳み、スクリューを支えてより長いホイップフリーの伸長を実現します。しかし、ボールねじ駆動のトラックが非常に長い場合、メーカーは複数のスクリューを接合する必要があります（通常は溶接ではなく接着剤を使用し、形状の歪みを防ぎます）。そうでなければ、ホイップの問題に対処するために、スクリューの直径を非常に大きくする必要があります。このようなボールねじベースのセットアップでは、ストロークが10メートルに達し、回転速度は4,000rpmに達することもあります。もう一つ注意すべき点は、ロボットトラック内のスクリューを汚れや破片から保護する必要があることです。しかし、実際に動作する場合、ボールねじと組み合わせた電動モーターを使用するRTUは、ベルト駆動の軸よりも大きな負荷を扱います。

ロングストロークセットアップ用の流体動力も存在します。このような空気圧式RTUは、往復2ストップの位置決めのみを必要とするアプリケーションでは、通常、低コストのソリューションとなります。平均的な製品は2m/秒で移動し、他のロボット制御と統合できます。

高精度RTU用リニアモーター
ロングストロークRTU（例えば、実験用ロボットなど）では、リニアモータードライブを使用できます。このようなRTUの多くには、最先端の電子機器、アブソリュートエンコーダ、そしてエラーやシャットダウン後でも軸をトラッキングするためのモーションコントロールが搭載されています。

リニアモーターのリーチは一般的に4メートル程度です。このリーチは、より重量のあるRTU用途よりも、ピックアンドプレースや半導体ウェハのハンドリングに適しています。つまり、RTUにおけるリニアモーターは、機械的な精度を保ちながらも重いペイロードを運ぶ必要があるため、特に難しい課題を抱えています。そのため、リニアモーターの優れた性能を支える高価な永久磁石をより多く必要とします。

例外もあります。世界記録を樹立したタンデムリニアアクチュエータを搭載したRTUが1台、12mまでの精密移動を必要とする自動化システム向けに特注で製作されました。剛性の高いアルミニウム製支持レールは、2つの6列リニア循環ボールベアリングとガイドウェイアセンブリと連動します。2つのスロット付き同期リニアモーターは、最大4,200Nの推力を出力します。

RTU用ラックアンドピニオンセット
ラックアンドピニオンセットを使用した市販のRTUが最も一般的です。典型的な長さは15メートルに達します。リニアユニットの制御は、ロボットコントローラに数学的に結合された軸として統合されているため、追加のコントローラは不要です。このようなRTUの多くは、ブラシレスACサーボモーターと遊星ギアボックスを研磨されたヘリカルラックアンドピニオンセットと組み合わせることで、30メートルのストロークでも精度を維持しています。他のセットアップでは、ブロック内の頑丈なローラー上の片端レール上を移動するキャリッジを使用します。この場合、レールは通常長方形で、内側のエッジにラックが切り込まれています。レイアウトが便利な場合は、これらのレールを曲線セグメントに接続できます。

ロボットを移動プラットフォーム上で移動させるRTUの中には、硬化鋼製の平面レールとカムフォロワークラスターを組み合わせたものや、ヘリカルベベル減速機とベルトを備えた電動モーターでプラットフォームを駆動するものなどがあります。また、長いシャトル軸には、ラックと噛み合うピニオンを駆動する電動ギアモーターが搭載されています。

RTUのシミュレーションとプログラミング
エンジニアがRTUの経路を計画し、ロボットの機能と連携させるためのツールが存在します。ロボットシミュレーションソフトウェアや一部のモーションコントローラーモジュールを使えば、エンジニアは経路を計画し、作成したソフトウェアをコントローラーにロードすることで、ロボットとRTUを単一のハードウェアで制御できます。

もう 1 つのオプションは、ロボット開発キットを販売している専用ソフトウェア会社のソフトウェアです。これにより、ほとんどすべてのブランドのロボットを API 経由でプログラミングできます。これらのソフトウェアやその他無数のソフトウェア ツールにより、特に中程度のモーション コントロールや CNC の経験があるチームでは、ロボットのセットアップがこれまでになく簡単になります。初期の設計の反復は、通常、オフラインの PC プログラミングで行われます。次に、担当者がロボットと RTU をインストールすると、プログラミング ソフトウェアがコントロールにロードするコードを生成します。ソフトウェアは、プログラムされたパスで RTU とロボットを駆動し、問題がないかテストします。次に、インストーラーはペンダントを使用して、ロボットのグリッパー、カッター、またはエンド エフェクターを空間内のジョブ固有のポイントに配置し、コントローラーが動きを記録します。それ以外の場合は、インストーラーがセットアップ全体にペンダントを使用し、バックエンドで軌道を調整することもできます。これはますます一般的になっているアプローチです。

注意: RTU はロボットのキャリブレーションを複雑にします
物理的なセットアップ後、RTUとロボットはキャリブレーションが必要です。問題は、RTUと組み合わせた産業用ロボットは、再現性のある動作はするものの正確ではない場合が多く、シミュレーションの近似値とは異なる出力動作を生成することです。産業用ロボット単体では、一方向の再現性は平均0.1mm～0.01mmです。一般的な軸は、ゼロバックラッシュのギアヘッドとモーターを組み合わせ、コントローラは高解像度エンコーダでそれらすべてを追跡します。出力動作の精度をさらに高めるには、ギアなどのアセンブリやコンポーネントによってロストモーション（主に機械的なコンプライアンスによる）が発生するため、コストが高くなります。そのため、場合によっては、制御によってミリメートル単位の位置誤差を補正する必要があることがよくあります。

従来のロボットキャリブレーションでは、コストのかかるレーザーアライメントが用いられます。これにより、出力誤差を20分の1に低減できる場合もあります。そうでない場合は、ロボットメーカーが工場キャリブレーションを提供しています。ロボットキャリブレーション専門の企業では、RTUの追加がロボット全体の精度出力に与える影響を考慮できるサービスも提供しています。また、デュアルカメラセンサーは、光学系と特殊照明を用いてプロービング検査と動的測定を可能にします。機械式キャリブレーションも選択肢の一つですが、長い軌道を走行するロボットには適用が困難です。