確かに、ロボットアームを導入するとコスト削減につながったり品質の安定、作業工程の柔軟性や安全性が向上します。しかし、導入にあたって必要な項目を検討しておかないと、想定通りの目的を達成することができません。
今回の記事では、ロボットアームとは何か、その種類や導入のメリット・デメリット、比較項目とおすすめのメーカー企業をご紹介します。
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目次
5種類のロボットアームとその特徴
ロボットアームは、人間の腕のように動き、様々な作業を行うことができる機械です。
一般的には、6軸のロボットアームが多く使われており、3次元空間内での位置と姿勢の制御が可能で、以下のような業界で活躍しています。
- 製造業
- 医療
- 物流
- サービス業など
特に製造業では、溶接、塗装、組み立てなどの作業に使われ、労働者の負担を軽減し、生産性の向上に貢献しています。
また、近年では「協働ロボット」と呼ばれる、人間と協力して作業を行うロボットアームも登場しました。協調ロボットは安全性が高く、人間の作業者と同じ空間で作業を行うことができるため、より柔軟な生産ラインの構築が可能です。
ロボットアームには、以下の5種類が挙げられます。
- 垂直多関節ロボット
- 水平多関節ロボット
- パラレルリンクロボット
- 直角座標ロボット
- 極座標ロボット
垂直多関節ロボット
垂直多関節ロボットは、人間の腕に似た構造を持ち、複数の関節があります。これにより、立体的で自由度の高い動きが可能です。主に6軸のものが一般的で、手先の位置と姿勢を広範囲にわたって制御できます。 このロボットの強みは、以下の通りです。- 人間の腕のような繊細な動きを再現できること
- 汎用性が高いこと
- 設置面積に対して可動範囲が広いこと
これらのメリットにより、省力化、省人化を実現し、生産性の向上や品質が安定します。
垂直多関節ロボットは自由度が高く複雑な作業に適している一方で、高速での動作は苦手であることは理解しておく必要があります。
この種類のロボットアームは、以下のような業界で活躍しています。
- 製造業：特に自動車産業や電子機器産業で組立、溶接、塗装などの工程で活用
- ロジスティクス（物流）業界：物流センターや倉庫でのピッキング、パレット積み下ろしなどに使用
- 医療・製薬業界：医薬品の製造や包装、検査で活躍
水平多関節ロボット（スカラロボット）
水平多関節ロボットは、平面内での3自由度の位置決めと、先端部の上下運動による4軸構成を持つ産業ロボットです。水平方向への特化した動きと、先端部が上下に動くことが特徴で、組立や基盤への部品配置などの作業に適しています。このロボットは他の産業ロボットと比べてコストが低いにもかかわらず、以下のような強みがあります。
- 高速での搬送が可能
- 設置時のスペースが少なくて済む
- 構造がシンプルであるため
- 管理や操作が比較的簡単
高速で精密な水平方向の作業に適しており、組立やピックアンドプレース作業などを含む、以下の業界で使用されています。
- 電子機器・半導体製造業：電子部品の組立や半導体ウエハーの取り扱い、パッケージングなどの工程で使用
- 医療・製薬業界：医薬品の包装やラベリング、検査装置への供給などの工程で活躍
- 食品・飲料業界：食品のパッケージングや、飲料ボトルのキャッピング、ラベリングなどの工程で使用
パラレルリンクロボット
パラレルリンクロボットは、複数のリンクが並列に配置され、それぞれがモーターで駆動されることで、先端部分の動きを高速かつ高精度で制御する産業用ロボットです。天井から吊り下げる形で設置され、ピッキング作業や組み立て作業に適しています。
このロボットの強みは、以下の通りです。
- 剛性が高い
- リンクの変形が少なく、高速作動でも精度が落ちにくい
- 画像処理カメラと連動し、コンベア上の製品を高速にピッキングが可能
- 構成がシンプルで共通部品が多く、メンテナンスや修理が比較的容易
パラレルリンクロボットは、高速で精密な作業に適している一方で、可搬重量や作業範囲が限定されているため、以下のような業界で小型・軽量の製品を扱う場合に最適です。
- 食品・飲料業界：食品や飲料の生産ラインでのパッケージング、仕分け、並び替えなどの工程で広く使用
- 電子機器・半導体製造業：基板への部品配置や検査装置への供給など高精度な位置決めと高速動作が求められる工程で活躍
- 医療・製薬業界：医薬品の包装やラベリング、ピッキングなどの工程で使用
直角座標ロボット
直角座標ロボットは、3方向に自由度のある産業ロボットの一種です。直線的な動きのみを行うこのロボットは、直交型ロボット、ガントリーロボットとも呼ばれます。縦、横、高さの3方向に直交する動きを実現し、「搬送」や「検査」といった作業に活用されています。直角座標ロボットは、スライド機構を利用して3方向に往復運動を行います。このロボットの特徴は多岐にわたります。まず、直線的な動きのみを行うため、高い再現性と精度を維持することができます。また、設置場所に応じて縦・横・高さの動きを調整できるため、柔軟な配置が可能です。
直角座標ロボットは搬送、検査、組立など、多岐にわたる作業に対応でき、以下のような用途で使われることが多いです。
- 電子部品製造業：半導体や電子部品の部品の搬送や組立作業や基板実装
- 食品製造業：食品の包装・梱包において高速なピック＆プレース作業を実現するほか、パレタイジングでも活躍
- 医薬品製造業：剤・カプセルの充填や医薬品原料や中間製品のピッキング作業で使用
極座標ロボット
極座標ロボットは、産業ロボットの中でも初期に開発されたタイプで、中心に旋回軸があり、アームは上下回転と伸縮できることが特徴です。この構造により、広い作業領域を確保できますが、アームの先端の姿勢が変化するため、制御は複雑になるというデメリットもあります。
極座標ロボットは、伸縮するアームと二つの回転ジョイントを持ち、作業範囲が広いです。そのため、特に半導体や液晶パネルの運搬など、以下の業界における比較的単純な作業で活躍します。
- 製造業：特に射出成形機の取り出しや、工作機械への部品供給などの工程で使用
- 自動倉庫・物流業界：商品のピッキングやストレージの管理に利用
- 医療・薬品業界：自動分包機や調剤ロボットとして使用
協働ロボットとして活用されるロボットアーム
ロボットアームは、産業用ロボットにだけではなく、協働ロボットにも活用されています。協働ロボット（Cobot）は、人と同じ作業空間で安全に共働するよう設計されたロボットです。小型で軽量な構造が特徴であるほか、リスクアセスメントを行う事で、安全柵が不要です。そのため、産業用ロボットとは違い、人間の作業者と直接協力して作業を行うことができます。
この種類のロボットの特徴は、以下の通りです。
- 人間との接触時に安全に停止する機能を持ち、人との共働に適する
- プログラミングや設定変更が容易
- 小規模な生産ラインに適しており、小型で軽量のため設置場所を柔軟に選べる
人間と協力して作業を行う環境に適しており、特に以下の業界において、多品種少量生産の自動化に適しています。
- 製造業：特に中小企業や多品種少量生産の組立作業、品質検査、部品供給などで活躍
- ロジスティクス（物流）業界：倉庫内でのピッキングやパッキング作業で活躍
- 医療・ヘルスケア業界：薬品の調剤、患者のケア、手術支援などの医療現場で使用
ロボットアームとは？仕組みを解説
ロボットアームは、主に「ジョイント」、「リンク」、「エンドエフェクタ」という三つの主要部分から構成されています。
ジョイントは、人間の関節に相当し、ロボットアームの可動部分である。これにより、アームは様々な方向に動かすことができる。ジョイントの数が多いほど、アームはより柔軟に動くことが可能。
リンクは、ジョイント間を結ぶ固定部分で、人間の骨に似ており、アームの形状を決定し、動力を伝達する役割を持っている。
エンドエフェクタは、アームの先端に取り付けられる部分で、具体的な作業を行うための工具やセンサーなどが装着される。これにより、ロボットアームは塗装、溶接、組み立てなど、様々な作業を実行できる。
ロボットアームの動作は、電気モーター、油圧、または空気圧によって動くアクチュエータによって制御され、アクチュエータはジョイントの可動をサポートします。
アクチュエータは、速度を落とし、必要なトルクを増加させるために使用される減速機や、ジョイントの位置や動きを正確に測定するエンコーダなど、多くの部品によって構成されています。
ロボットアームを活用するメリット・デメリット
ロボットアームを導入することで作業の効率化やコスト削減などのメリットがあります。その一方で、デメリットもゼロではないので、デメリットを理解した上でリスクを回避する必要があります。
メリット
ロボットアームを導入するメリットには、以下のメリットがあります。- 精密性の向上
- 作業の効率化
- 持続可能性の向上
精密性の向上
ロボットアームを導入することにより、作業の精密性が大幅に向上します。精密性とは、繰り返し同じ動作を行う際の位置決め精度や動作の一貫性のことを指します。ロボットアームはプログラム通りに正確に動作するため、非常に高い精度で作業を行うことができます。精密性が上がると製造するプロダクトの品質が向上したり不良品率が下がったりします。その上、一貫した作業品質を実現できるので、高効率でありながら高品質なプロダクト製造が可能です。
作業の効率化
ロボットアームを導入することで、作業の効率化が大幅に進みます。ここで言う作業の効率化とは、単位時間あたりの生産量を増加させることや、作業のスピードと正確性を向上させることを指します。ロボットアームは24時間稼働可能で、人間の限界を超えた作業を実行できるため、全体的な生産プロセスのスピードと効率が向上します。
24時間365日間稼働できるため、必要以上の人件費を削れる他、人間ではなし得ない一貫性の高い作業が可能です。また、プログラムを改変すれば柔軟に作業プロセスを更新できます。
高い安全性
ロボットアームを導入することで、作業現場の安全性が大幅に向上します。安全性の向上とは、労働災害や事故のリスクを減少させ、作業員の健康と安全を守ることを指します。ロボットアームは危険な作業や重労働を代替するため、人間の作業環境をより安全に保つことができます。ロボットがあれば労働時間を削減できるため、従業員の疲労やストレスを軽減できます。そのため労働災害を回避し、不良品の発生率を下げることができます。
従業員の安全を守れる上、事業運営に必要な安定した製造と供給を実現してくれます。
デメリット
一方で、ロボットアームには以下のデメリットもあるので、念頭に入れておく必要があります。- 初期コストがかかること
- システムが複雑な場合があること
- 自由度を決めることが難しいこと
初期コストがかかること
ロボットアームを導入する際のデメリットとして、初期コストが高いことが挙げられます。初期コストには、ロボットアーム本体の購入費用、導入に伴う設置工事費用、システムのインテグレーション費用、さらに初期のトレーニング費用などが含まれます。これらの費用は一度に大きな出費となるため、特に中小企業にとっては導入のハードルとなります。このデメリットを軽減するのであれば、以下のような手段も検討してみることがおすすめです。
- リースやレンタルの活用
- 政府の補助金や助成金の活用
- 優先順位が高い箇所から段階的に導入
- 中古ロボットもあわせて検討する
システムが複雑な場合があること
ロボットアームを導入する際のデメリットとして、システムが複雑であることが挙げられます。ロボットアームは高度な技術を駆使して動作するため、その導入には専門的な知識と技術が必要です。また、システムのインテグレーションやプログラミング、運用・メンテナンスには高い技術力と時間が求められます。この複雑さが、導入や運用の障壁となることがあります。このデメリットを軽減するのであれば、以下のような手段も検討してみることがおすすめです。
- 社内でロボットを利活用出来る人材を育てること
- SIer企業にサポートを依頼する
- 使いやすいソフトを持つメーカーを選ぶ
自由度を決めるのが難しいこと
ロボットアームを導入する際、どの程度の自由度（DOF: Degrees of Freedom）が必要かを決定するのは難しい課題です。自由度とは、ロボットアームが動作できる方向や軸の数を指します。自由度が高ければ高いほど複雑な動作が可能になりますが、その分、コストや制御の難易度も増加します。適切な自由度を選定しなければ、過剰なコストを負担することになったり、逆に必要な動作が実現できなかったりするリスクがあります。このデメリットを軽減するのであれば、以下のような手段も検討してみることがおすすめです。
5つの選定基準 | ロボットアームの選び方
最適なロボットを選ぶには、以下の5つの項目を検討する必要があります。
- 可動範囲
- 可搬重量
- 動作速度
- 精度
- 価格
可動範囲
可動範囲とはロボットのアームが届く範囲であり、これによりロボットが指定された作業エリア内で効果的に動作し、さまざまな仕事を遂行することが可能になります。可動範囲が広いロボットアームと狭いロボットアームの一般的な可動域は、以下の通りです。
| 水平軸（X軸） | 垂直軸（Z軸） | 回転範囲 | |
|---|---|---|---|
| 可動範囲が広い ロボットの可動域 |
約2,500〜3,000 mm | 約1,500〜2,500 mm | 360度 （多くの軸で回転可能） |
| 可動範囲が狭い ロボットの可動域 |
約500〜1,000 mm | 約500〜1,000 mm | 180度 （もしくはそれ以下） |
可動範囲が広いほど、ロボットアームはより広いエリアで作業が可能になります。また、可動範囲が広いロボットアームは、より複雑な動作や、障害物を避けながらの作業が可能です。
このようなロボットのメリットは、三次元的な動作や複雑な作業が可能になることです。多軸のロボットアームは、異なる方向や位置での作業を同時に行うことができ、作業効率が向上します。これらの特徴は、特に以下のような用途で活躍します。
- 大型組立ライン：自動車のボディや航空機の部品など、大型の製品の組立
- 倉庫内のピッキングと配置：自動倉庫での商品のピッキングや配置に最適
- 建設現場での材料搬送：重機の代替として、広い可動範囲を持つロボットは材料の搬送や設置
逆に、可動範囲が狭い場合のメリットは、軸数が少なくて、比較的安価で導入が容易になることです。また、プログラミングや操作がシンプルになり、使いやすくなります。
可動範囲が狭い場合、以下のように活用されることが多いです。
- 精密組立作業：電子機器や時計など、小型で精密な製品の組立で活用
- 検査・試験工程：特定のエリアでの繰り返し作業が必要な場合に使用
- パレット積み付け：パレットへの商品の積み付けや取り出し作業で活用
可搬重量
可搬重量とは、ロボットアームが安全に持ち上げて動作させることができる最大の重さを指します。この数値が変動すると、ロボットアームの使用可能なアプリケーションや性能が変動します。- 可搬重量が重い場合の可搬重量例：100〜1,500 kg以上
- 可搬重量が軽い場合の可搬重量例：1〜10 kg程度
可搬重量が重い場合のメリットは、より重い物体を扱うことができることです。これにより、大型の部品や製品の取り扱いが可能になる。また、重量のあるツールやアタッチメントを使用する作業にも対応可能です。そのため、以下のような用途で活用されることが多いです。
- 自動車産業：エンジンや大型車体部品の持ち上げや組立作業に利用
- 金属加工業：大型金属部品の加工や溶接
- 建設業：プレハブ構造物のパネルや梁などの重い部材を正確に配置する作業に使用
逆に、可搬重量が軽い場合は、より小型でスペースを節約できる設計になっていることが多く、設置や移動が容易です。また、軽量なため、動作が速く、生産ラインでのサイクルタイムを短縮できる可能性があります。
このようなロボットアームは、以下のような場面で活用されることが多いです。
- 電子機器製造：スマートフォンやコンピュータなどの電子機器の小型部品を組み立てる作業
- 医療機器製造：医療機器や精密機器の製造過程で、小型かつ軽量な部品の取り扱いに使用
- 食品・飲料業界：軽量の食品や飲料のパッケージング作業に利用
動作速度
動作速度が速いほど、一般的に生産ラインの効率が向上します。逆に動作速度が速すぎると、停止時に振動が残り、精度が低下する可能性があります。動作速度が速いロボットは、2〜5 m/s（メートル毎秒）程度で動く場合が多いです。この速度で動くロボットのメリットは、高速動作により、サイクルタイムが短縮され、生産効率が向上することです。
主に、以下のような用途で活用されることが多いです。
- 食品や飲料のパッケージライン：飲料ボトルやスナック菓子のパッケージング
- 基板への部品配置：スマートフォンやコンピュータの基板に部品を高速で配置する工程で使用
- 自動倉庫でのピッキング作業：オーダーに応じて商品を迅速にピッキングし、梱包・出荷する作業において、高速に動作
逆に、動作速度が遅い場合は0.1〜1 m/s（メートル毎秒）で動くことが多いです。これらのロボットは精密作業に適しており、振動が少なくなるため、精度が高い傾向にあります。
主に、以下のような用途で活用されることが多いです。
- 時計や医療機器の組立：ゆっくりとした動作速度で正確に部品を配置
- 自動車部品の溶接：高精度で安定した溶接を行う
- 実験装置や試験装置の操作：化学実験での試薬の取り扱いなど
精度
精度の変動は、ロボットアームの適用範囲や作業の効率、最終製品の品質に大きく影響を与えます。使用目的に応じて適切な精度のロボットアームを選定することが重要です。精度が高い場合のメリットは、繊細な作業や複雑なタスクを正確に実行できることです。これにより、製品の品質が一定に保たれ、不良品の発生率が低下します。
また、同じ作業を何度も正確に繰り返すことができるため、一貫した結果が得られます。
逆に、精度が低いロボットは、ロボット自体の製造コストが低く、導入コストを抑えることができます。また、複雑な機能が不要なため、構造がシンプルになり、メンテナンスが容易になります。
価格
ロボットアームを選定する際には、価格も考慮する必要があります。一般的には、価格が上がればその分ロボットの性能や機能、ブランド、サポート体制などによって大きく異なります。価格は初期投資額に直結し、企業の予算に直接影響を与えるため、慎重に検討する必要があります。
とはいえ、目的に対して必要以上の機能やサービスがあっても、無駄な投資になります。
目的に対して必要十分な機能やサービスに対して十分な投資を行うことがおすすめです。
ロボットアームを製造するおすすめの会社6社
ロボットアームを製造する代表的なメーカーには、以下のものが挙げられます。
- ファナック
- 安川電機
- JAKA Robotics
- ABB
- KUKA
- 川崎重工
ファナック
ファナックは、1956年に設立された日本の大手電気機器メーカーです。工作機械用CNC装置で世界トップクラスのシェアを誇り、1977年からは産業用ロボットの量産を開始しました。現在では、産業用ロボット分野でも世界シェアの約2割を占めており、国内外問わず多くの業界で高い支持を得ています。
同社は、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボット、協働ロボットを主に製造しています。
安川電機
安川電機は、1977年に日本で初めて全電気式の産業用ロボットをMOTOMANブランドで販売開始した企業です。同社はサーボモータを自社開発し、制御ソフトウェア技術やアプリケーション技術を組み合わせて産業用ロボットを開発しています。現在では、IoTやIndustry4.0、AIといった最新トレンドを取り入れた「i3-Mechatronics」を推進しており、生産性の向上や品質の向上に貢献しています。
安川電機は、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボットなど多様な産業用ロボットを製造しています。
その中にはハンドリング、組立て、パレタイジング、半導体ウエハ搬送、アーク溶接、スポット溶接、塗装などの用途に適したロボットが含まれており、協働ロボットも開発しており、人の隣で作業ができる安全装置が組み込まれています。
JAKA Robotics
JAKA Roboticsは2014年に中国で創業した企業です。同社は上海交通大学ロボット研究所が1979年以来培ってきたコア技術と研究開発のDNAを継承し、ロボット開発の分野で権威のある専門家10名以上と経験豊富な技術者100名以上で構成される強力な研究開発チームを形成しました。ドライブ・コントロール・インテグレーション、インテグラル・ジョイント、フリードライブ・プログラミング、ワイヤレス・コネクションなど、さまざまな応用分野で画期的な成果を上げ、ロボット開発のトレンドを常にリードしています。
同社は「ロボットで人々の手を解放する」ことをミッションに掲げ、専門性と独創性を持ち続け、知恵の火を世界中に広げ、企業がインダストリー4.0時代に順調に事業を展開できるよう支援しています。
ABB
ABBは、スイスに本社を置く多国籍企業で、世界有数のロボティクスおよびマシンオートメーションのサプライヤです。同社はロボット、自動化移動ロボット（AMR）、マシンオートメーションソリューションを提供し、50カ国以上に100以上の拠点を持ち、約11,000人の従業員を擁しています。
ABBは、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボット、協働ロボットを主に製造しています。
特に、双腕型の協働ロボットYuMi、単腕YuMi、可搬重量5～12kgのGoFa、産業用ロボット同等の速度で稼働するSWIFTIなど、多様な協働ロボットを展開しており、、マテリアルハンドリング、機械加工や部品の組立て、梱包と検査、ラボの自動化などに適しています。
KUKA
KUKAは、多様な可搬重量やリーチを持つ産業用ロボットを提供する企業です。進歩的なソフトウェアと革新的なコントローラーを組み合わせて、生産プロセスのための個別ソリューションを開発しています。Industry 4.0への要件を満たすための移動型ソリューションや人協調（HRC）工程での使用にも対応していることが特徴です。
同社は、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボット、協働ロボットを主に製造しており、KR AGILUS、KR DELTA、LBR iisy、KR SCARA、LBR iiwa、KR CYBERTECH nano、KR CYBERTECH、KR IONTEC、KR QUANTEC、KR FORTEC、KR titanなど、さまざまな可搬重量、リーチ、特殊仕様の産業用ロボットを提供しています。
川崎重工
川崎重工業は、国産初の産業用ロボットメーカーとして50年以上の歴史を持つ企業です。同社は特に自動車、電機電子、さまざまな業界向けに、溶接、組立・ハンドリング、塗装、パレタイズ用など多数の高品質・高性能のカワサキロボットを開発・供給しています。同社は、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボットを主に製造しており、特に小・中型汎用ロボット、大型汎用ロボット、超大型汎用ロボット、共存ロボット、パレタイズロボット、ピッキングロボット、医薬ロボット、アーク溶接ロボット、シーリングロボット、防爆塗装ロボット、ウェハ搬送ロボットなど、幅広い種類のロボットアームを扱っています。
