ロボット位置決めシステムは、倉庫、航空宇宙、自動車工場などに設置される長尺のレールで、1台のロボットが複数の作業を実行できるようにするものです。ロボット搬送ユニット（RTU）または7軸システムとも呼ばれるこれらのモーション設計は、組立、大規模溶接、倉庫作業などでますます一般的になっています。

ロボットを床に固定する一般的な構成とは対照的に、RTUはロボットをワークセルや工場内を移動させ、ステーション間をシャトルします。RTUに最適な構成は、建設中のもの、またはプロセスと関連機械を一直線に並べることができるものです。RTUが6軸ロボットを移動させる場合、直線トラックは7番目の軸（または、ロボット自体が7自由度を持つ場合は8番目の軸）と呼ばれることもあります。これらのトラックがフレームの一部である場合、ロボットが吊り下げられるフレームを含め、それらは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加えることです。これにより、作業範囲が拡大したり、ロボットがワークピースや工具を搬送したりすることが可能になります。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することができます。後者の場合、一般的な用途としては、梱包、溶接、プラズマアーク切断、その他の機械作業が挙げられます。

ここでは、RTUの駆動方式に焦点を当てます。ただし、エンジニアは、ガイドとベアリングの配列（通常はカムフォロワーまたはプロファイルガイドの形）についても決定する必要があることに注意してください。

RTUの設計および駆動方式の選択肢は豊富である。
ガントリーの中には、ロボットを反転させて吊り下げ、上から機械にアクセスしやすくするためのフレームを備えているものもあるが、床にボルトで固定してロボットを直立させるRTUが最も一般的である。これらのRTUは平均的にペイロードが大きく、数千ポンドの重量のロボットアームや掴んだ荷物を運搬できる。

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社内でRTUを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上のロボットが高精度な作業（例えば、複数の軸の関節運動を同期させる必要がある切削作業や、加工のために鋳造品をさまざまな工作機械に通す作業など）を行う場合には、専門のインテグレーターに依頼しています。

ロボット搬送ユニット（RTU）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運動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できるようにすることです。

長時間のストロークに必要な身体的要件を満たす
RTUの設計において、速度が最優先事項となる場合がある。特に、RTUがロボットを数百フィート、あるいは特殊な構成ではそれ以上の距離まで移動させる場合はなおさらだ。ロボットの移動、特に数千ポンドの重量を持つアームとそのペイロードを移動させる場合、高速性は相対的なものだ。しかし、一部のRTUは10フィート/秒以上の速度で、最大1Gの加速度で移動できる。

しかし多くの場合、RTUの設計において最も重要な目標は精度です。例えば、ロボットが協働作業セルの機械加工を支援するアプリケーションを考えてみましょう。このような場合、速度やロボットの作業範囲の拡大は、周囲のフレームワークが精度をしっかりと維持できる場合にのみ有効です。このような設計では、トラック移動中に0.02mm程度の精度と0.2mm程度の位置決め再現性が求められることがよくあります。

対照的に、適応制御を駆使する用途でロボットアームを使用する場合、絶対的な精度への依存度は低いため、他の構成でも機能する可能性があります。例えば、輸送コンテナの荷降ろしを行うために、ロボットアームを搭載した移動車両を用いるといった形も考えられます。

設計に関わらず、すべてのRTU（遠隔端末装置）システムにとって、低メンテナンス性と長寿命は極めて重要です。なぜなら、RTUは通常、複数のプラント機能や他の複数の機械設備と連携して動作するからです。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。

統合的な安全性も重要です。なぜなら、多くのRTUは、工作機械などの高価な設備や作業員が配置されている現場をロボットを移動させるからです。特に、組立作業員がいる区域の周辺で作業する場合はなおさらです。

RTU用ベルト、ねじ、空圧部品
中距離を直線的に移動するロボットガントリーでは、ベルト駆動とモーターを組み合わせたシステムが用いられることが多い。これは、電動モーターで駆動するプーリーを用いてベルトに張力をかけ、高速で加速させる比較的シンプルなシステムである。しかし、ストロークが長くなると、システムがベルト全長にわたって張力を維持できない場合、ベルトのたるみが生じる可能性がある。ここで重要なのは、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よる動作ロスのリスクである。

拡張性に関する注意点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される）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長ストロークのロボット位置決めにおいて精度を維持できます。ベルト駆動式RTUの成功例の多くは、フレームとリニアトラックを相補的な向きで使用することで、ベルト駆動方式からより高い精度を得ています。ベルト駆動式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る場合でも、±0.001インチの繰り返し精度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）、ベルト駆動式アクチュエータは、他の方式よりも安価で柔軟性の高いRTUを実現します。

第7軸のもう一つの選択肢は、ボールねじ駆動軸です。この構成では、ベルト駆動で発生する振動やバネの反りを解消できます。基本的に、固定された機械要素が正確な停止と位置決めを制御する役割を果たします。

ボールねじは、断続的なベアリングサポートを用いることで、長さ約6メートルまでの装置では概ね良好に機能します。しかし、より長い軸では、特に十分なサポートが得られない場合、高速回転時にねじが激しく振動することが主な問題となります。これは、ボールねじの軸が自重で曲がるためです。そして、臨界速度（ねじ軸の直径、真直度、アライメント、およびサポートされていない長さによって決まる）に達すると、その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、最大回転速度は低下します。

一部の構成では、分離して折り畳まれ、その後スクリューを支えてより長い鞭状の動きのない伸長を実現するベアリングブロックを使用します。ただし、非常に長いボールスクリュー駆動トラックの場合、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（通常は形状の歪みを避けるために溶接ではなく接着剤を使用します）。そうしないと、鞭状の動きの問題に対処するために、スクリューの直径が非常に大きくなければなりません。このようなボールスクリューベースの構成の中には、ストロークが10メートルに達し、回転数が4,000rpmに達するものもあります。もう1つの注意点として、ロボットトラックのスクリューは、汚れや破片から保護する必要があります。しかし、ボールスクリューと組み合わせた電動モーターを使用するRTUは、ベルト駆動軸よりも大きな負荷を処理できます。

長ストローク構成向けの流体動力も存在する。このような空気圧式RTUは、往復2ストップ位置決めのみを必要とする用途において、通常は低コストなソリューションとなる。平均的な製品は2m/秒で移動し、他のロボット制御システムと統合可能である。

高精度RTU向けリニアモーター
長ストロークRTU（例えば、実験室用ロボットに使用されるもの）は、リニアモーター駆動方式を採用できます。こうしたRTUの多くは、最先端の電子機器、アブソリュートエンコーダ、および軸追跡のためのモーションコントロール機能を備えており、エラーやシャットダウン後でも動作を継続できます。

リニアモーターの一般的な到達距離は4メートル程度です。このような到達距離は、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、機械的な精度を維持しながら重いペイロードを運搬する必要があるため、特に難易度が高いと言えます。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使用する必要があるのです。

例外もあります。タンデムリニアアクチュエータを備えた世界記録のRTUは、最大12mの精密な動作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サポートレールは、2つの6列リニア再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の力を出力します。

RTU用ラックアンドピニオンセット
市販のRTUはラックアンドピニオンセットを使用するものが最も一般的です。標準的な長さは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サーボモータと遊星歯車機構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ます。他の構成では、ブロック内の頑丈なローラーで片側レ​​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。これらのレールは、曲線セグメントと接続することで、レイアウトが便利になります。

移動プラットフォーム上でロボットを移動させるRTUの中には、硬化鋼製の平面レールとカムフォロワーユニットを組み合わせたものもある。また、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もある。さらに、長いシャトル軸には、ラックに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る。

シミュレーションおよびプログラミングRTU
エンジニアがRTUの経路を計画し、それをロボットの機能と連携させるためのツールが存在する。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モジュールを使えば、エンジニアは経路を計画し、その結果得られたソフトウェアをコントローラにロードし、その単一のハードウェアでロボットとRTUを制御できる。

もう一つの選択肢は、ロボット開発キットを販売す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、API を介してほとんどすべてのブランドのロボットをプログラミングできます。これらのソフトウェアツールやその他の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または CNC の経験を持つチームにとって、ロボットのセットアップがこれまで以上に簡単になります。最初の設計反復は通常、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 を設置すると、プログラミング ソフトウェアがコントロールにロードされ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に沿って RTU とロボットを駆動し、問題がないかテストします。次に、設置者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 エフェクタを作業固有の空間上のポイントに配置し、コントローラーがその動きを記録します。あるいは、設置者は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微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とロボットの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、再現性はあるものの精度が低い動作をすることが多く、その結果、出力動作がシミュレーションによる近似値と異なることです。単体の場合、産業用ロボットの単方向の再現性は平均で0.1 mmから0.01 mmです。一般的な軸は、バックラッシュのないギアヘッドとモーターで構成され、コントローラが高分解能エンコーダでそれらすべてを追跡します。ギアなどのアセンブリやコンポーネントによって（主に機械的なコンプライアンスによる）動作ロスが発生するため、出力動作の精度をさらに向上させると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生じることがよくあります。

従来のロボット校正では、高価なレーザーアライメントが使用されます。これにより、出力誤差を20分の1にまで低減できる場合もあります。また、ロボットメーカーは工場での校正サービスを提供しています。ロボット校正専門の企業では、RTUの追加がロボット全体の精度に与える影響を考慮したサービスも提供しています。さらに、デュアルカメラセンサーを使用すれば、光学系と特殊照明を通して、プロービング検査や動的測定を行うことができます。機械的な校正方法も選択肢の一つですが、長尺トラック上のロボットへの適用はより困難です。