特に、初めてロボットを導入する企業にとっては、どのようなステップを踏んで導入まで至るのか、見通しが立つと動きやすいのではないでしょうか。
この記事では、一般的なスカラロボットの特徴と価格帯、構造の解説から、メリット・デメリットと用途例、選び方のポイント、そして主要なメーカー一覧までを紹介しています。
スカラロボットの導入を検討前に情報を整理しておくことで、最適なロボット選びが可能となるので、ぜひ最後までご一読ください。
監修者プロフィール
目次
スカラロボットとは？ 特徴・仕組みと価格帯を紹介
スカラロボットは、機械構造の特徴の英語名がSelective Compliance Assembly Robot Arm（セレクティブコンプライアンス）となり、その頭文字を取るとSCARAとなることからスカラロボットと呼ばれている、産業用ロボットです。
ここからは、スカラロボットの基本的な特徴・仕組みと価格帯について説明します。
基本的な特徴・仕組み
スカラロボットは水平内面で回転する2軸と垂直方向に直道する1軸、先端に取り付けたハンドを回転させる1軸の計4軸で成り立っており、上下方向の作業しかできませんが、構造がシンプルなため比較的低価格で導入できます。スカラロボットは電気製品の組み立てに適したロボットとして1978年に山梨大学の牧野洋教授によって考案されました。スカラロボットの名前の意味するセレクティブコンプライアンとは、方向によって機械剛性が選択的に異なることを意味しており、水平方向を剛性は低いが動作は速い回転軸で構成し、垂直方向を剛性が高く力を出しや直動軸で構成した機械構造に由来しています。当時の電気製品の組み立てはネジ締めや部品挿入など上下方向の作業が多いことに着目して考案されました。
当初は、電気製品の組み立てに適したセレクティブコンプライアンスを特徴としたロボットがスカラロボットですが、現在の用途としては、水平方向の高速性と低価格を活かしたピックアンドプレースが圧倒的です。そのため、スカラロボットは一般的には水平関節ロボットと呼称されています。水平関節ロボットは、機械技術的にも制御的にも垂直関節型と比べて容易なため、製品化に取り組みやすく、国際ロボット連盟の統計値で、水平関節型ロボットは2020年代では全世界出荷台数の20%を占めるまで普及しています。
スカラロボットで対象物をピックするときには、次のような一連の流れで動作します。
- 2軸の回転軸によって先端部分を水平方向に移動し、対象物の真上に高速移動し、同時に先端の回転軸でハンドを対象物が掴めるように回転させる
- 垂直軸を用いて先端部分を対象物に真上からアプローチする
- 対象物を掴む
スカラロボットの価格帯
スカラロボットの価格は、大きさや性能によって異なりますが、現状は安価な小型が60万円から、大型で高額なものだと300万円ほどで運用されていると考えられます。ただし、価格帯は変動が大きく、定価からの値引き率も大きいため、明示はしにくく、導入を検討するときに応じて、スカラロボットを取り扱っている販売会社から見積もりをとることを推奨します。
ここまで、スカラロボットの基本的な特徴・仕組みと価格帯について説明しました。次の章では、スカラロボットの基本構造を解説します。 基本的な特徴と仕組みを押さえた上で構造を理解することで、種類別の特徴が理解しやすくなります。
スカラロボットの基本構造を解説
ここからは、スカラロボットの基本的な構造を紹介します。スカラロボットは一般的に以下の要素から構成されています。
それぞれの機能は以下のとおりです。
ベース
ロボット全体を支える基盤機構で、ロボットコントローラなどと接続する配線配管用のコネクタなどが配備されています。ロボットの設置に関わる機構です。設置に際しては、ロボットの動作時の振動に耐えられる架台にしっかりと固定する必要があります。水平アーム回転軸
ロボットアームの動きを支える重要な構成要素で、2つの回転軸で構成されています。1軸目はベースに取り付けられており、第1アームを駆動し、2軸目は第1アームの先端に取り付けられ、第2アームを駆動しています。この2つの回転軸により、第1、第2アームは水平方向に旋回し、エンドエフェクタを所定の位置へ移動させることができます。各回転軸は、腕の関節に相当する部分で、高精度なサーボモーターと減速機によって駆動しています。この部分の設計と性能がロボットの動作性能に直接影響を与えるため、非常に重要な部分です。
水平アーム
第1回転軸が駆動する第1アームと、第2回転軸が駆動する第2アームの2本のアームが回転軸を介して接続されています。アームの長さや構造は、ロボットのリーチと作業範囲を決定する重要な要因です。垂直駆動軸（Z軸）
アームの先端部分に位置し、垂直軸（Z軸）方向の直動と、先端に取り付けたハンドなどのエンドエフェクタの回転を実現するための機構です。このメカニズムにより、対象物を上げ、下げする動作とエンドエフェクタの向きを対象物に合わせることができます。ボールねじなどの直動機構が用いられ、作業の要件に応じた力と速度で垂直方向の作業を行います。
エンドエフェクタ
「手」に相当する部分で、垂直駆動軸の先端に取り付ける作業を実行するためのツールやデバイスです。例えば、吸着パッド、チャックハンド、電動ドライバ、ディスペンサなどを取り付けることができます。エンドエフェクタの選択と設計は、用途と要件に大きく依存します。例えば、ネジ締めや接着剤塗布などの作業の場合は電動ドライバやデンスペンサなどの施工工具を取り付けますが、ピックアンドプレースの場合は吸着パッドかチャックハンドの選択になります。吸着パッドは、対象物へのダメージと作業精度面での注意が必要ですが、安価で動作が速いです。チャックハンドは吸着パッドに比べて高価で動作は遅くなりますが、対象物、対象作業に応じた設計をすることができます。
以上、スカラロボットの構造について解説しました。次の章では、他のロボットと比べた時のスカラロボットのメリット、デメリットと、それを踏まえた上でふさわしい用途例を紹介します。
他のロボットとの違いは？ スカラロボットのメリット・デメリットとふさわしい用途例
ここからは、他のロボットと比べた時のスカラロボットのメリット、デメリット、そしてスカラロボットにふさわしい用途について解説します。
メリット
スカラロボットの導入メリットは以下の通りです。- 垂直関節型などと比べて安価である
- 水平方向の動作が速い ※クリックすると該当箇所まで飛びます
垂直関節型などと比べて安価である
スカラロボットは垂直関節型などと比べて、構造がシンプルなため、導入時の初期費用が抑えられます。加えて、メンテナンスも比較的容易であるため、長期的なメンテナンスコストも低く、安価なロボット生産ラインを構成できます。スカラロボットはピックアンドプレースや単純な組み立て作業に適しているため、大量生産を行う現場で、安価なスカラロボットを複数台並べ、高速動作を活かして高い生産能力が得られます。
水平方向の動作が速い
スカラロボットの最大の特徴は、2つの回転軸による高速な水平移動です。特に時間的な制約の厳しいピックアンドプレース作業で効果を発揮します。時間的な制約の厳しいピックアンドプレース作業の例としては、コンベアからコンベアへの移載、機械装置などへの短時間でのワーク交換などが挙げられます。
デメリット
スカラロボットのデメリットは以下の通りです。
※クリックすると該当箇所まで飛びます
垂直方向の作業以外はできない
スカラロボットの最大のデメリットは、垂直方向の作業以外はできないという点です。もともと、垂直方向の作業に適した4軸構造がスカラロボットの原点であるため、多様な作業を器用にこなすことができるロボットではありません。斜め方向の作業がある場合は、6軸の垂直多関節ロボットを検討してください。ただし、作業内容によっては、作業対象物側の姿勢を変えて、ロボット側は4軸のスカラロボットシステムを使用するほうがシステムとしてメリットを産むケースもあります。例えば、薬液塗布などのディスペンサ作業では、下向きが最も安定した作業品質が得られます。そのため、スカラロボットにディスペンサを取り付け、対象物側の姿勢を制御できる架台に取り付け、スカラロボットと架台の協調動作で安定した塗布作業を行うことができます。
次の章では、実際にスカラロボットを導入する際に、適切な機種を選ぶ際のポイントを7つ解説します。
選定方法は？7つの比較ポイント｜スカラロボットの選び方
ここからは、スカラロボットを選ぶ際の選定ポイントを解説します。スカラロボットの導入に際して検討すべきポイントは以下の7点です。
※クリックすると該当箇所まで飛びます
作業内容・要件定義
スカラロボットの導入を検討する際、最初に行うべきは、使用する具体的な作業内容やプロセスの明確化です。例えば、組み立て作業の場合、どのような部品をどの順番で組み立てる必要があるのか詳細に定義します。この段階では、作業の流れ、必要な作業速度、取り扱う物品の種類とサイズ、作業環境などを考慮することが重要です。
作業内容が明確になったら、構成するシステムの構想を固め、ロボット本体以外の構成要素を想定します。最も重要なのはエンドエフェクタのタイプと能力です。把持ハンドにするか、吸着パッドにするかによって、選択すべき機種が異なります。また、外部センサ類、例えば、作業対象物の位置認識のためにビジョンセンサを使う場合はビジョンセンサとの接続が可能な機種を選択する必要があります。
システムのレイアウト
スカラロボットを選ぶ際に最初に検討すべき項目が、システムのレイアウトです。例えば、コンベアで流れてくる小物製品を、所定のトレーに整列するピックアンドプレースの場合、最終的にはコンベアとトレーの両方に届く機種を選定するのですが、まず、システム全体のレイアウト構成を検討する必要があります。
導入を計画している所定のスペース内にシステムの構成要素を納めるための制約条件は、作業対象物の動線と作業者のアクセスの確保です。工場内での製品の動線から、コンベアやトレーの概ねの位置関係は決まります。これに加えて、作業者が保守社業や必要に応じて作業を行うための通路や作業スペースを確保することで、システムのレイアウト案が決まります。
ここで、コンベアとトレーの双方に届く機種を選定することになりますが、検討すべきことは、目標とする作業の実現性と安全性です。目標とする作業の実現性としては、リーチとタクトタイムがあります。
まず、リーチは、コンベアのピックアップゾーン全域とトレーの隅々まで届く必要があります。ここでの注意事項が安全性で、ロボットと周辺機器や作業者との干渉の可能性を排除する必要があります。システム全体のリスクアセスメントを実施し、ロボットの動作範囲の制限や防護柵の設置などの安全策を施す必要があります。
次にタクトタイムですが、コンベア、トレーとスカラロボットの位置関係によってタクトタイムが異なります。目標タクトがクリアできないようであればレイアウトの調整、あるいは機種の変更を実施する必要があります。
基本性能
スカラロボットの基本性能は、システムのレイアウトと併せて、ロボットシステムの商談の最初に検討する項目です。スカラロボットの場合、メーカーによってはピックアンドプレースに相当するアデプトサイクルという参考タクトタイムが明記されていることがあります。アデプトサイクルを参考にするとスカラロボットの大体の能力は把握できます。
「システムのレイアウト」の項で解説したように、レイアウト案が決まるとその案の場合のタクトタイムを検討する必要があります。タクトタイムはロボットの動作時間にエンドエフェクタの動作時間、例えばピックアンドプレースの場合はハンドの開閉時間を加える必要があります。高速スカラロボットで往復動作が速くても、ハンドの開閉時間の方がタクトタイムにおいて支配的になることも多くなります。
また、高速のピックアンドプレース作業では、ロボットの動作は急加速、急減速の連続となるため、正確なロボットの動作時間を手計算で算出することは困難です。現在は、ロボットメーカーごとにシミュレーターが整備されており、これらの条件を加味したタクトタイムの検証が可能です。レイアウト案を販売店に提示して、タクトタイムの検証を含めレイアウトと選定機種の妥当性の評価を依頼してください。
さらに、ある程度候補機種が絞り込まれたら、実機によるサンプル試験を依頼することがおすすめです。サンプル試験により、シミュレーターでは把握しにくいロボット停止時の残留振動など、実機でしか確認できない状況が明確になります。
総コスト
総所有コストの評価は、経済的に妥当かを判断するために不可欠です。初期投資と運用コストの両方を詳細に分析し、投資に見合ったリターンが得られるかどうかを評価することが重要です。初期投資を正確に評価するためには、導入に必要な全ての機材とサービスのコストを網羅的に考慮する必要があります。初期投資の中には、本体価格だけでなく、導入に伴う付帯設備やシステムの統合コスト、プログラミングおよびオペレータの研修費用など、多岐にわたります。
また、運用コストは、ロボットの稼働時間や使用条件によって異なるため、長期的な運用計画をもとに評価することが必要です。
運用コストには、エネルギー消費、定期的なメンテナンス費用、消耗品や交換部品のコスト、および必要に応じたソフトウェアアップデートやシステムのアップグレードコストが含まれます。
可搬重量
適切な負荷能力を持つスカラロボットを選択することになりますが、ロボットの可搬重量とは、ロボット本体が搬送できるエンドエフェクタ＋作業対象物の重量であることに注意してください。多機能ハンドなどエンドエフェクタのほうが作業対象物より大きな重量になることも多くあります。なお、最大可搬重量は、通常Z軸の真下で搬送可能な最大重量を示しています。負荷の重心がZ軸の真下からオフセットした位置にある場合、ロボット先端軸にはモーメント負荷がかかりますので、実際に搬送できる最大重量は小さくなります。ロボットの技術資料にはこのオフセット量と最大可搬重量の計算方法が提示されていますので、参考にしてください。
環境仕様・特殊仕様
スカラロボットを選ぶ際には、使用環境への配慮も必要となります。特殊な環境下で使用できる特殊仕様ロボットとして、フラットパネルディスプレイや半導体工場などのクリーンルーム内で使用するクリーン仕様、揮発油を扱う爆発雰囲気環境下で使用する防爆仕様があります。それぞれの規格に適合する機種でなければ導入できません。
一般的な工場への導入でも、温湿度、防水防滴、防塵の環境仕様の確認が必要です。一般的な産業用ロボットの動作環境は温度0度から45度、湿度75%パーセント以下です。それを超える環境の場合は、特殊仕様のものが必要です。温度環境については、周囲の気温が動作環境内であっても、炉前に設置して輻射熱を受けるような場合には、遮熱対策が必要です。
水を使う工場の場合、時々水がかかる程度から、食品工場のように設備を水洗いするなど、防水防滴仕様には幅があります。また、粉塵が多い工場の場合、粉塵が多少浮遊する程度の機械加工工場から、粉黛を扱う防塵マスク着用が必要な現場など、防塵仕様にも幅があります。ロボットの防水防滴、防塵仕様は、国際規格により、IP（International Protection）で規定されています。仕様の等級はIPに続く二桁の数字で表現され、一桁目が防塵仕様、二桁目が防水仕様をあらわしているので、使用環境に適合した機種を選択しましょう。
使いやすさ・付帯サービス
スカラロボットを選ぶ際には、使いやすさも重要な要素の一つです。使いやすさとは、単に操作が簡単であるということに留まらず、導入から運用、メンテナンスに至るまでの全体的な使い勝手を指します。例えば、プログラミング・シミュレーションソフトウェアが直感的で、操作やプログラミングが簡単に行えることは、ロボットシステムの設計や、立ち上げコスト削減に結びつく使い勝手です。また、メンテナンスに関連する自己診断機能や予防保全機能を持つスカラロボットは保守面で使い勝手の良い製品と言えます。
付帯サービスとしてはメーカーや販売代理店による導入支援や安全教育、トレーニングサービスが充実しているかどうかを確認することが必要です。ロボットのセットアップやプログラミングに関するトレーニングが重要であり、これらの支援が充実していれば、早期に生産ラインでの運用を始めることが可能となります。
保守サービスも重要な検討要素で、特に海外工場に展開する場合は、現地の保守サービス体制は真っ先に確認すべきです。定期的なメンテナンス、修理対応、部品の供給体制などの充実度が評価対象です。最近では、リモートでのモニタリングやトラブルシューティングが可能なサービスを提供するメーカーも増えています。
専門家コメント
小平 紀生（こだいら のりお）
一般社団法人 日本ロボット学会 名誉会長
適切なロボットの選定とは、ロボットの機能や性能で選ぶものではありません。製造業において、製造競争力強化を達成するための生産システムを検討、設計する中で、その構成機器として妥当な製品を選ぶという姿勢が必要です。
以上、スカラロボットを選定する際のポイント7点でした。次の章では、スカラロボットを製造するメーカーを一覧で紹介します。
スカラロボットの代表的なメーカー6社
ここからは、スカラロボットを製造している主要企業を紹介します。現在はほとんどのロボットメーカーはスカラロボットを製品化していますので、選択肢は広いですが、ここでは特に組み立て用途を得意とするメーカーを紹介します。
エプソン（EPSON）
エプソンは、1942年に長野県にて設立されました。精密加工技術に基づく高品質なプリントソリューションで知られる世界的な企業です。ロボットメーカーとしては、早くからスカラロボットの開発に着手した企業のひとつで、現在でもスカラロボットの品ぞろえを特徴としています。納入実績のある業界は、電子部品製造、自動車部品組み立て、医療機器製造など多岐にわたります。
ヤマハ発動機（YAMAHA Motor）
ヤマハ発動機は、1955年に静岡県にて設立された、二輪車で高いシェアを占める企業です。産業機械部門では、早くからスカラロボットの開発に着手した企業のひとつで、小型スカラロボットの製品系列が特徴ですが、ほかにもカートリッジロボットやシングルアクシスロボットなど、多種多様なロボットを提供しています。ヤマハ発動機のスカラロボットは、ねじ締めやハンダ付け、搬送、積載、検査工程などの自動化に貢献しています。
三菱電機（Mitsubishi Electric）
三菱電機は、1921年に兵庫県神戸市にて設立された総合電機メーカーで、産業用ロボットはファクトリーオートメーションシステム事業部門の製品です。古くから組み立て用途のロボットを中心とした品ぞろえで、小型中型の垂直関節型ロボットと中型から大型まで幅広いスカラロボットを取り扱っています。三菱電機のスカラロボットは、国内外の自動車部品メーカーや電子機器メーカーに多数納入されています。
デンソーウェーブ（DENSO WAVE）
デンソーウェーブは、1976年に愛知県にて設立されました。バーコード、QRコードやRFIDなどの自動認識機器、産業用ロボット（FA機器）などを開発・製造する企業です。ロボット事業はデンソーで開始し、後にデンソーウェーブに移管されました。デンソー社内の組み立て自動化からスタートし、外販に転じてロボット業界に参入しました。組み立てに適した小型の垂直間接型ロボットを主力製品としており、小型組み立てに関する品ぞろえとしてスカラロボットも加え充実を図っています。
デンソーウェーブは、自動車、電子・電気、食品、医薬品など、幅広い業界にスカラロボットを納入した実績を持っています。
芝浦機械（Shibaura Machine）
芝浦機械は、1949年に東京都にて設立されました。1996年に東芝からロボット事業が移管されています。芝浦機械は、スカラロボットを主力としたロボット事業を展開しています。納入実績として、自動車メーカーや精密機器製造業者を中心に、多数の実績を持っています。
IAI（アイエイアイ）
IAIは、1976年に静岡県にて設立された電動アクチュエーターを主力製品とした産業機械部品の専門メーカーです。スカラロボットは電動アクチュエーターとともにロボットも供給できる事業を目指した製品です。食品、医療、化粧品、電子・電気、自動車など、幅広い業界にスカラロボットを納入しています。
