高速ピックアンドプレースアプリケーション向けの包括的な自動化の設計は、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複雑化し、生産率がかつてないほど高まるにつれ、システム設計者は最新の技術に常に追従しなければ、最適な設計とは言えないリスクを負うことになります。そこで、利用可能な最新の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用途で使用されているかを詳しく見ていきましょう。

ロボットアームはコンパクトなデザインに適している

産業用ロボットアームは、一般的に軽快な動作で知られているわけではありません。むしろ、多くのロボットアームは、重いアーム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繊細な用途には重すぎてかさばりすぎます。軽作業に適した軽快なアームを作るため、ドイツ・ケルンに拠点を置くイグス社のエンジニアたちは、ジブの周囲に小さな荷重を旋回させ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用途に最適です。

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。つまり、アームの肩関節からケーブルを駆動するFAULHABER社の小型ブラシレスDCサーボモーターによって、アームの慣性を防ぎ、ダイナミックな動きを容易にし、設計フットプリントを最小限に抑えています。

エンジニアたちは人間の肘関節をモデルに設計を多く取り入れ、回転と旋回という2つの自由度を1つの関節に統合しました。人間の腕と同様に、ロボットアームの最も弱い部分は骨（ロボットアームのボディチューブ）や筋肉（駆動モーター）ではなく、動力を伝達する腱です。そこで、高張力制御ケーブルは、3,000～4,000 N/mm²の引張強度を誇る超高分子量ポリエチレン（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、この関節は軽量​​構造が求められる特殊なカメラ部品、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、各関節には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、動的な使用に適した低移動質量を特徴としています。24Vdcの動作電圧は、モバイルアプリケーションでの使用に不可欠なバッテリー電源向けに設計されており、97mNmのモータートルクは、直径に対応した遊星ギアヘッドをアーム操作に必要な値まで高めます。さらに、これらのブラシレスドライブは、ローターベアリング以外に摩耗部品がないため、数万時間の耐用年数を保証します。

リニアモーションシステムがラボの自動化を加速

ピックアンドプレースは、従来の梱包・組立作業に加え、高速ラボ自動化においても急速に普及しています。毎日何百万個もの細菌サンプルを扱うことを想像してみてください。今日のバイオテクノロジーラボがどのような処理能力を求められているか、お分かりいただけるでしょう。ある実験室では、高度なリニアモーションシステムを搭載したバイオテクノロジー実験用ロボット「RoToR」が、1時間あたり20万サンプル以上という記録的な速度で細胞アレイをピン留めしています。RoToRは英国サマセット州シンガー・インストゥルメンツ社製で、遺伝子、ゲノム、がん研究のためのベンチトップ自動化システムとして使用されています。これらのロボットは、複数の異なる研究室で頻繁に利用されており、科学者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、ロボットのポイントツーポイントのピンニング動作を調整する3つの動作軸とサンプルハンドリング軸を制御し、ロボットのGUIとのインターフェースも提供します。さらに、コントローラはすべてのI/Oチャンネルも管理します。

Baldor社は、コントローラに加え、リニアサーボモーターとドライブ、そして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、搬送元プレートから搬送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、ピンニング動作を制御する2軸ステッピングモーターヘッドをサポートしています。XYZ軸の複合動作により、複雑な螺旋運動でサンプルを撹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、ピンヘッドのローディング機構を制御します。空気圧グリッパーとローテーターは、作業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装置を使用する予定でしたが、この設計では必要な位置決め分解能と速度が得られず、実験室環境で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。バルドー社は、リニアトラックに機械的な改造を施し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、リニアトラックの長さ方向ではなく、両端のみで支持できるようになりました。これにより、モーターのフォーサーはY軸とZ軸を支えるX軸ガントリーとして機能します。さらに、リニアモーターの磁石設計によりコギングが最小限に抑えられ、スムーズな動作が実現します。