ロボットハンド設計の5つのポイント

設計
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こんにちは!今回はロボットハンドの設計時に気を付ける上記の点について記事を作成しました!

僕は機械エンジニアとしてロボットシステムの設計をしているのでそこで経験した内容を盛り込んでいます。

産業ロボットを購入してもロボットは半完成品なので動かすためには色々な周辺部品を用意しなくてはなりません。ロボットハンドも用意しなければいけない部品の1つです。

ロボットハンドも市販のメーカー品をそのまま使用できればいいのですが、場合によっては自分で設計したりメーカーのハンドを複数個組み合わせて一つのロボットハンドにするようなこともあります。

ロボット本体に目が行きがちでハンドは地味に見えますが、ロボットハンドの設計はこんなことを考えながら設計するのでかなり設計力が上がります!

  • どんな機能を持たせるか
  • 購入できる部品はないか
  • 強度は十分か
  • 許容モーメント以下か
  • 動作時の取り回しは可能か

では、詳しく見ていきましょう!皆さんの設計のお役に立てれば幸いです。

どんな機能を持たせるか

まずはどんな機能が必要か考えます。ロボットは何らかの自動システムの一部のはずなので機器仕様や要求仕様書から装置全体に必要な機能を大まかに把握しましょう。

その機能の中からセンサーなどを使ってハンドに盛り込むことができそうな機能をピックアップします。例えばこんな感じです。

  • ワークを吸着する → 吸着パッド
  • ワークをピックする → グリッパー
  • ワークの位置を特定する → ビジョンセンサ
  • ワークの重量を測定する → 質量計
  • ワークとの接触を検知する → 力覚センサ、リミットスイッチ

こういった機能の中でどの機能をハンドに持たせてどの機能をハンド以外の部分で処理するかを決めましょう。

全てをハンドでしようとする必要はありません。例えば、重量測定の機能は電子重量計などにロボットで置いて計測するようなこともできます。

ちなみに僕は上記の機能すべて満たすハンドを設計したことがありますが、結構苦労しました笑

購入できる部品はないか

ハンドに必要な機能が明確になったらセンサーなどの部品の選定です。センサーなどは購入することが多いと思いますが、把持などの機構部品は設計したりする場合もありますよね。

全てを設計するのは手間もかかりますし、リンク機構やスライドなどの駆動機構がついたようなハンドだと寿命などの検証も大変です。

そこで購入できる部品は購入してしまおうというのが僕の考えです。ロボットハンドをカスタムで設計している時点で自社での量産効果なんてものはないと思います。会社や部署のルールなんかもあると思いますが、コストと納期、品質の観点から購入したほうが良いと思います。

日本メーカーの部品は高品質なものばかりなので遠慮なく頼りにさせてもらっています!

ちなみに僕はこの使えそうな部品を探している中で、面白い部品やメーカーに出会うことが多々あり自分の中の引き出しが増えていっています

強度は十分か

センサーなどの部材の種類が明確になるので、どこに何を取り付けるか配置を考えたり、どのように固定するか考えたりできます。

この段階でハンドのおおよその重量を計算しておきましょう。そして搬送系の場合、対象となるワークの重さを考慮してもハンドが壊れたり、たわんで性能が出なくなるようなことがないか確認します。

ロボットハンドは「片持ち梁」のような構造をしている場合が多いので、搬送物が重量物の場合は重心の位置にも気を付けましょう。

把持機構などの場合は、グリップの先端だけでなく取り付け部分の強度も確認が必要です。

ワークを把持したときにたわんでしまってオンハンドカメラの撮像位置がずれてしまうなんて言うこともありました。

許容モーメント以下か

強度の面で苦労するのは可搬重量よりもモーメントであることが多いです。

可搬重量を満たしていてもモーメントがNGとなることはよくあります。ハンドとワークを合わせたときの重心の位置はできるだけ早めに確認しておきたいところです。3DCADを使用しているのであればおおよその位置はCAD上ですぐに確認できるかと思います。

ロボットのフランジ中心軸に重心を持ってくるような設計ができればよいのですが、できるのはよっぽどシンプルなハンドの時ぐらいですね。

モーメントを計算して許容モーメントと安全率の観点から使用できるか検討しましょう。

力覚センサやロボットの許容モーメントは仕様書でしっかり確をしておきましょう!

動作の時の取り回し

そして設計時に見落としがちなのが動作時の取り回しです。ハンドの設計者とロボットのプログラム作成者や現場でティーチングする人が異なるような場合は設計段階である程度モーションを決めてしまいましょう

機能を盛り込んだハンドを使用する場合はロボットの動きも複雑になることが多々あります。ロボットのフランジ座標を回転させたり、ワークによってアプローチの仕方が変わったりする場合、要注意です。

特にセンサー類のケーブルや空気チューブは見落としがちです。どの経路で這わせるのかも含めて考えておきましょう!

まとめ

ロボットハンドを設計する時のポイントは以下の5つになります。

  • どんな機能を持たせるか
  • 購入できる部品はないか
  • 強度は十分か
  • 重量は許容範囲内か
  • 動作時の取り回しは可能か

ロボットハンドの設計にはこのように検討すべきことが盛りだくさんなので、見た目以上に設計力がつきます。

購入品のハンドが使用できればそれに越したことはありませんが、ぜひ機会があれば設計に挑戦してみてください!

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