高速ピックアンドプレース用途向けの包括的な自動化設計は、モーションエンジニアが直面する最も困難な課題の一つです。ロボットシステムがますます複雑化し、生産速度が上昇するにつれ、システム設計者は最新技術を常に把握しておかなければ、最適とは言えない設計になってしまうリスクがあります。ここでは、利用可能な最新技術とコンポーネントをいくつか紹介し、それらがどのような分野で活用されているかを詳しく見ていきましょう。

ロボットアームスーツはコンパクトなデザインです

産業用ロボットアームは、一般的に軽快な動きで知られているわけではありません。むしろ、ほとんどのロボットアームは、重い先端工具を支えるために頑丈な構造になっています。頑丈な設計という利点があるにもかかわらず、これらのロボットアームは重くかさばり、繊細な作業には適していません。より軽作業に適した機敏なアームを実現するため、ドイツのケルンに拠点を置くigus社のエンジニアたちは、小さな荷物をジブの周りで旋回させることができる多軸ジョイントの開発に着手しました。この新しいジョイントは、必要に応じてグリッパーの力を調整できる繊細なピックアンドプレース作業に最適です。

柔軟性と軽量性は、プラスチックとケーブル制御で構成されるこの新しい関節の重要な設計パラメータです。簡単に言うと、FAULHABER製の小型ブラシレスDCサーボモーターによってアームの肩関節からケーブルが駆動されるため、アームの慣性を防ぎ、ダイナミックな動きを可能にし、設計上の設置面積を最小限に抑えることができます。

エンジニアは設計の大部分を人間の肘関節に基づいており、回転と旋回という 2 つの自由度を 1 つの関節に統合しています。人間の腕と同様に、ロボットアームの最も弱い部分は骨 (ロボットアームの本体チューブ) や筋肉 (駆動モーター) ではなく、動力を伝達する腱です。ここでは、高張力制御ケーブルは、3,000 ～ 4,000 N/mm2 の引張強度を持つ超強力な UHMW-PE ポリエチレン素材で作られています。ピックアンドプレースなどの従来のロボットアーム機能に加えて、この関節は、軽量構造が求められる特殊なカメラフィッティング、センサー、その他のツールにも適しています。高精度を実現するために、各関節に磁気角度位置センサーが組み込まれています。

電子整流式サーボモーターは、可動質量が小さく、ダイナミックな使用に適しています。24Vdcの動作電圧はバッテリー電源用に設計されており、モバイルアプリケーションでの使用に不可欠です。また、97mNmのモータートルクは、直径に適合する遊星歯車機構をアーム動作に必要な値まで高めます。さらに、これらのブラシレス駆動装置は、ローターベアリング以外に摩耗部品がないため、数万時間の長寿命を実現します。

直線運動システムがラボの自動化を加速させる

従来の包装や組み立て作業に加え、ピックアンドプレースは高速ラボオートメーションでも急速に普及しています。毎日何百万もの細菌サンプルを操作することを想像すれば、今日のバイオテクノロジーラボがどのような作業をこなす必要があるかがわかるでしょう。あるシステムでは、高度なリニアモーションシステムにより、RoToRと呼ばれるバイオテクノロジーラボ用ロボットが、1時間に20万サンプル以上という記録的な速度で細胞アレイを固定しています。RoToRは英国サマセットのシンガー・インスツルメンツ社製で、遺伝子、ゲノム、がん研究用の卓上型自動化システムとして使用されています。これらのロボットの1台が複数のラボで稼働することが多く、科学者たちは細菌や酵母のライブラリの複製、交配、再配列、バックアップのために短い時間枠を確保しています。

リアルタイムコントローラは、ロボットの点間ピン留め動作を調整する3つの動作軸とサンプル処理軸を制御し、ロボットのGUIとのインターフェースも担います。さらに、コントローラはすべてのI/Oチャネルも管理します。

コントローラーの他に、Baldor社はリニアサーボモーターとドライブ、および3つの統合型ステッピングモーターとドライブモジュールも供給しました。ロボットは、機械の幅に沿って走るリニアサーボモーター軸に沿って、供給元プレートから供給先プレートまでポイントツーポイントで搬送を行います。この軸は、ピン留め動作を制御する2軸ステッピングモーターヘッドを支えています。実際、XYZ軸の組み合わせ動作により、複雑ならせん運動を用いてサンプルを攪拌することも可能です。独立したステッピングモーター軸は、ピンヘッドのロード機構を制御します。空気圧グリッパーと回転装置は、作業の開始時と終了時のピンヘッドのピックアップと廃棄など、その他の機械動作を制御します。

シンガー社は当初、主横軸に空気圧駆動方式を採用する予定でしたが、この設計では所望の位置決め分解能や速度が得られず、また実験室環境には騒音が大きすぎました。そこでエンジニアたちはリニアモーターの採用を検討し始めました。バルドール社は、リニアトラックに機械的な改良を加えたカスタムブラシレスリニアサーボモーターを開発しました。これにより、トラックを全長にわたって支持するのではなく、両端のみで支持することが可能になりました。つまり、モーターの駆動部がX軸ガントリーとして機能し、Y軸とZ軸を支える仕組みです。さらに、リニアモーターの磁石設計によりコギングを最小限に抑え、スムーズな動作を実現しています。