NACHITECHNICALREPORT

Robots

33B2

Vol.

May/2018■ 新商品・適用事例紹介

人と作業領域を共有する協働ロボット

ロボット事業「CZ10」"CZ10" Collaborative Robot that Shares
Work Space with Worker〈キーワード〉協働ロボット・ロボット監視ユニット（ＲＭＵ）
安全認証・一体型アクチュエーター

ロボット開発部／マニピュレータ開発室

二川 正 康Masayasu Futagawa

人と作業領域を共有する協働ロボット「CZ10」

要旨

1. 協働ロボット開発の狙い

協働ロボット「CZ10」は、TUVによる安全認証を少子高齢化と生産年齢人口の減少が進展する取得する予定の“人と作業領域を共有するロボット”ことによって日本国内の様々な産業分野で働き手のである。

確保が課題となっている。

ロボット内 部の省配 線を実 現するEtherCAT

この問題は製造業でも切実であって、現場からは経由で制御する一体型アクチュエーターや作業者との人集めに苦労しているという声がしばしば聞かれる。

接触を検知する仕組みなど新しい技術を積極的に一方で新興国の技術レベルの向上に伴って日本採用した。

国内生産へのコスト低減 圧力は相変わらず高く、「CZ10」は次 世代ロボットのひとつのかたちをこれまで自動化が行なわれていなかった工程を、提案するNACHIロボットの全く新しいセグメントを産業用ロボットを使って最小限のコストで省人化するつくり出した。

ことが求められるようになってきた。
こうした新たな省人化に求められているのは、元々人が行なっていた作業のロボット化であって、Abstract
Collaborative robot,“CZ10”shares work
space with a worker and is expected to acquire
the TUV safety certification.   NACHI activelyadopted a variety of new technologies that had
not been developed for our previous robots, andthese are the all-in-one actuator controlled via
EtherCAT to save wiring inside the robot anda mechanism to detect contact with a worker.     “CZ10”presented an entirely new creation of
the NACHI Robot that proposes a form of thenext-generation robot.

かつ迅速な立ち上げとコスト低減のために人が作業を行なっていた状態からの現場改変を最小限に留めたいという要求と一体となっている。
したがってこのような現 場の近傍にはまだ他の作業者が作業している工程が残存しており、安全柵を設置できるスペースも確保が難しいことが多く、通常の産業用ロボットでは対応が困難であった。
そこで、製造業の現場からはこのような現場の省人化を実現するために、人との作業領域を共有することができて安全柵が不要な“協働ロボット”が強く求められている。
私たちはこのような市場要求に応えるために従来型産業用ロボットであるＭＺシリーズとは別のセグメントとなる協働ロボット「CZ10」を新たに開発した。
以下「CZ10」の特長について紹介する。

12.「CZ10」の概要
1）アプリケーション

表1 「CZ10」の基本仕様
項目

仕様

ロボット型式CZ10-01・柔 軟 物のハンドリングや感 性を要求 する作 業

構造

関節形

自由度6といった人にしかできない作業と隣あった作業駆動方式「CZ10」は以下のようなアプリケーションを想定している。

第1軸・ライン構成を変更せずにもともと人が行なってACサーボ方式±2.97 rad（±170°））
第2軸 −1.30 ～＋3.14 rad（−75 ～＋225°

いた作業「CZ10」はこうした作業を安全柵無しに自動化最大動作範囲することができる（図１）。

最大速度

可搬質量

「CZ10」「MZ12」

図1 「CZ10」は安全柵が不要

2）外観と仕様
ロボットの外観を図1に、基本仕様を表1に示す。
「CZ10」の開発で作業領域を共有している作業者の人たちに威圧感を与えないことをコンセプトとした。
そのために滑らかな曲線を描くデザインを採用とするとともに、ロボット特有の“硬質感”を低減させるように表面に細かな凹凸を有するサテン艶 消し塗 装を採用している。

第3軸±2.88 rad（−77 ～＋227°）第4軸±3.14 rad（±180°）

第5軸±2.97 rad（±170°）

第6軸±6.28 rad（±360°）

第1軸

2.09 rad/s（120°/s）

第2軸

2.09 rad/s（120°/s）

第3軸

3.14 rad/s（180°/s）

第4軸

3.14 rad/s（180°/s）

第5軸

3.14 rad/s（180°/s）

第6軸

3.14 rad/s（180°/s）

手首部

10kg

第4軸

25.9N・m

第5軸

25.9N・m

第6軸

5.9N・m

第4軸

0.75kg・m2

第5軸

0.75kg・m2

第6軸

0.08kg・m2

位置繰り返し精度*2±0.01mm

手首許容
静負荷トルク
手首許容
最大慣性モーメント*1

設置方法
耐環境性
本体質量

床置、天吊
ロボット本体IP54相当60kg

1［rad］＝180/π［°］, 1［N･m］＝1/9.8［kgf･m］*1：手首許容最大慣性モーメントは、手首負荷条件により異なりますので、注意してください。
*2：「JIS B 8432」に準拠しています。

同様に各部のプラスチックカバーの表面も同様の凹凸を持たせて外観を統一している。
また、カラーリングはNACHI製のロボットであることが一目で分かるようにMZシリーズと同じ白とグレーの配色とした。

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人と作業領域を共有する協働ロボット「CZ10」

3.「CZ10」の特長
1）協働ロボットに求められる要件
協 働 ロボットはISO10218－1（JISB 8433－1）

3）機能安全ロボットが持つ本質的な危険性を回避するのが（ 産 業用ロボットのための安 全要求事項）および機能安全の目的である。

TS15066（TS B 0033）に準拠することが求められる。

「CZ10」には様々な機能安全の仕組みが備わって協働ロボットである「CZ10」もこの安 全 規 格におり、その代表となるのが“接触検知機能”である。

基づいて設計されている。
規格が求める安全性には以下の2種類がある。

“接触検知機能”とはロボットが“協働運転モード”状 態であって、かつロボットプログラム再 生中に・本質安全（構造上担保される安全性）

ロボットが想定しない外力（例えば作業者との接触！）が・機能安全（機能によって実現する安全性）発生したことを検知し、ロボットを安全に停止させる

2）本質安全機能である。
この機能を実現するために「CZ10」のすべての「CZ10」を見たとき、従来のNACHIのロボットとは軸には“外部トルク検出機構”が搭載されている。

大きく異なる外観であることに気が付く。

“外部トルク検出機構”で検出されたトルクからとくに特長的なのは大きく取られた2つのアーム間のすきまである。
（図2）

想定される
“重力で発生するトルク”と“イナーシャによって発生するトルク”を引き算し、残ったトルクが閾値を超えた場 合、ロボットのプログラム再生を停止させる。
この機能は前述の“TS15066”に定められた基準値を満たす必要があり、最も開発に苦労した機能でもある。
その他に「CZ10」は機能安全として以下の安全機能を有している。
１. 速度監視機能
２. 領域監視機能“速度監視 機能”はあらかじめ設定されたTCP速度を超えないことを担保する機能である。
“領域監視機能”はロボットのどの部位もあらかじめ定められた領 域 外に出ないことを担保する機 能である。
外 部 安 全 入 力によって切り替えることが でき、これは単なるデザイン上の処理ではなく、本質安全をユーザーはこれらの機能を適切に使うことによって実現するために必然的な構造である。
大きく確保された“すきま”は万一の場合に作業者が挟まれる可能性を低減する。
そしてその突起の無い滑らかなボディは作業者と接触する際の接触圧を分散して作業者へのダメージを少なくする効果がある。

3

定められたTCP速度や領域は複数を設定可能で、

図2 「CZ10」の外観より高い安全性を確保しつつ効率の良いシステムの構築が可能となっている。

4）一体型アクチュエーター

5）
「CCZ」
（CZ専用制御装置）「CZ10」では新たに一体型アクチュエーター構造を「CZ10」では従来の小型ロボット用制御装置では採用している。

なく、協働ロボット専用の制御装置「CCZ」を新たに一体型アクチュエーターとは減速機とモーター、開発した。
（図３）

ブレーキ、エンコーダー、ドライバー回路、サーボ制御回路を一体化した駆動モジュールである。
従来のロボットでは各関節には減速機とサーボモーターが配置され、それらを駆動するドライバー

以下に「CCZ」の特長を記載する。
a. ロボット間通信にEtherCATを採用
b. ロボット監視ユニット「RMU30」内蔵
c. 従来制御装置＋ロボット監視装置の組みあわせ回路は制御装置側に配置される構成であった。

よりも小型
（図４）

この場 合、制 御 装置とひとつの関節との間はモーターを駆動するケーブル3本とGND1本、エンコーダーケーブル（7本）、ブレーキケーブル（2本）を接続する必要があり、6軸ロボットの場合はこの6倍もの配線（78本）を接続しなければならない。
一方、一体型アクチュエーターを採用した「CZ10」
では制御装置と駆動軸との間は電力線とEtherCATケーブルだけで接続されている。
このEtherCATケーブルは各軸の一体型アクチュ
エーター間を数 珠 繋ぎ で 接 続されているので、

図3 「CCZ」制御装置「CZ10」のどの部位であってもEtherCAT1本である。
つまり一体型アクチュエーターの採用によってロボット内部の省配線が可能となった。その結果、関節内の配線を捻ることで発生する反力が従来ロボットよりも小型ロボット用制御装置小さくなって接触力検知精度の向上が実現できた。

ロボット
監視装置
369mm

図4

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260mm

417mm

「CCZ」

380mm

従来の制御装置と「CCZ」とのサイズ比較

4人と作業領域を共有する協働ロボット「CZ10」

表2 「CCZ」仕様表
項目仕様

制御軸数標準6軸サーボモーター

ACサーボモーター

位置検出器

アブソリュートエンコーダー

教示方式

ティーチングプレイバック

プログラム選択数

9,999種メモリ容量

256MB（2,560,000ステップ相当）

ティーチペンダント

高機能TP
3ポジションイネーブルスイッチ、非常停止ボタン
5.7”カラー LCD（640×480グラフィック表示）、
タッチパネルUSBメモリポート付き
標準ケーブル長：4ｍ、保護等級IP65相当（コネクタ部除く）
ミニTP
3ポジションイネーブルスイッチ、
非常停止ボタン
モノクロ、20文字×4行キャラクタ表示（英数字、カナ）
標準ケーブル長：4ｍ、保護等級IP54相当（コネクタ部除く）

操作スイッチ

モード切替えスイッチ（教示／再生）、非常停止ボタン

安全機能

PLd（カテゴリ3対応）
ミッションタイム20年

ロボット制御装置間
標準ケーブル長：5ｍ（標準長）
ケーブル6）EtherCATの採用
上述のように「CZ10」と制御装置との間は電力線を除けばEtherCATケーブル1本だけで接 続されており、エンコーダー値や位置指令値、エラーコード、ステータス情報、GPIO値などのあらゆる情報がこのEtherCATケーブル1本でやり取りされる。
通信プロトコルはEtherCATを採用して、伝送速度は100Mbpsである。
この結果、省配線が実現されるとともにコネクタ数が激減したのでコネクタに起因する故障確率を大幅に低減することが期待される。
さらにEtherCATの拡張コネクタを手首軸に装備しているので、将来的にはEtherCAT対応のハンドやI ／ Oモジュールなどをこのコネクタに接続して機能拡張することが可能である。

7）ロボット監視ユニット「RMU30」「CZ10」の機能安全は実は「CCZ」が内蔵している協働ロボット専用のロボット監視ユニット「RMU30」が担っている。
「RMU30」は常に「CZ10」の動きを監視しており、「CZ10」が何らかの原因、例えばアクチュエーターの故障、プログラムのバグなどによって、あらかじめ設定記憶方式

フラッシュメモリ

外部記憶装置

USBメモリ対応（オプション）

拡張スロットPCI 2スロット

直ちにサーボ電源を遮断する。

保護等級

IP20

「RMU30」は汎用安全入力4系統と汎用安全出力一次電源仕様

単相 AC200 ～ 220V±10%、50/60Hz、Ｄ種接地
サーキットプロテクタ容量15A、過電圧カテゴリ2 汚染度2 クラスⅡ機器4系統を持っているが、「CZ10」を協働運転モードで入力を使って「CZ10」を協働運転モードに移行させる

インターフェイス内部電源

DC24V 0.8A必要がある。

周囲温度

0 ～ 40℃（50/60Hz）

周囲湿度

20 ～ 85％（結露無きこと）

標高

海抜 1,000m以下

外形寸法

W380×H260×D460「CZ10」を協働運転モード（低速）で動作させ、それ質量約20kg

以外では通常運転モード（高速）で動作させるというその他RoHS対応使い方ができる。

されていた条件に違反する動作を行なった場合は動作させるためには少なくともひとつの汎用安 全

この汎用安 全入力を使ってLRF（Laser rangefinder）と接続すると、ロボット周囲に人がいるときのみ

この「RMU30」による機能安全（ISO10218－1）は、第三者機関の認証試験で合格している。

58）ダイレクトティーチング
「CZ10」は付加ハードウェアなしでダイレクトティー

ロボット座標系モードはロボット座標系に沿ったチング機能を使うことができる。これは「CZ10」の方向にフリーにする操作モードである。例えばTCPをすべての軸が“外部トルク検出機構”を持っているX方向の移動だけ操作し、それ以外の方向へのからである。

移動を拘束することができる。
（図6）「CCZ」は“外部トルク検出機構”によってダイレクトティーチング操作者が「CZ10」に加える力を各軸のトルクに変換し、その操作者が意図した姿勢になるように「CZ10」を制御する。
そして、「CZ10」は次の3種類のいずれかの操作モードでダイレクトティーチングを行なうことが可能である。
１. 各軸フリーモード

Z

２. ロボット座標系モード
３. ツール座標系モード

Y

各軸フリーモードはそれぞれの軸がフリーとなる操作モードである。
（図5）

X

J4

J3

図6J5

ロボット座標系モード

ツール座標系モードはツール座標系に沿った方向にJ6フリーにする操作モードである。例えばJ6軸の回転軸方向にのみ移動させるといった使い方ができる。
（図7）

J2
X
J1
図5

各軸フリーモード

Z
Y

図7

NACHI TECHNICAL REPORT

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ツール座標系モード

6

4. これからの展開
NACHIが今回初めて協働ロボットとして開発した「CZ10」について、従来機にはない様々な特長について紹介した。
開発当初は協働ロボットの運用についてユーザー側も十分に理解している人はいなかった。しかし、現在は運用事例が増えつつあり、どんなところでどのように運用すると効果的かが判ってきたところである。
私たちはこのような現状をふまえ、「CZ10」
をベースに、お客様のニーズにあった協働ロボットを開発していく。

参考文献
１）小坂俊介・杉岡和実：世界最速、軽量コンパクトロボット「MZ07－CFD」
NACHI TECHNICAL REPORT Vol.26 B2 Oct（2013）２）伊東輝樹：「SRAシリーズ 中空アーム仕様」
NACHI TECHNICAL REPORT Vol.27 B1 May（2014）３）小坂俊介：小型・超速ロボット「MZ04」
NACHI TECHNICAL REPORT Vol.29 B3 June（2015）４）井田信也：フルカバー小型ロボット「MZ12」NACHI TECHNICAL REPORT Vol.32 B3 Nov（2017）

NACHI TECHNICAL REPORTVol.33B2May / 2018〈発行〉2018 年 5 月 24 日株式会社 不二越 技術開発本部
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