1.1 研究背景
科学技術の急速な進歩に伴い、インテリジェントな機能スマート製造は継続的に改善され、産業発展における主流のトレンドとなっています。例えば、中国情報産業省が発表したデータによると、国内のスマート製造は2023年に11.6%という驚異的な成長を遂げました。これは、この分野における中国の継続的な努力と技術革新の証です。さらに、スマート製造企業のイノベーション数は大幅に増加し、ハイエンド機器製造、先端材料、環境技術などの分野に及んでおり、業界の活力と大きな変革を反映しています。このトレンドは、従来の製造生産方法に革命をもたらしただけでなく、産業の高度化を加速させ、効率と品質の両方を向上させています。自動化された生産ラインや産業用ロボットが、ますます人間の労働力を代替しています。
の進歩に伴いインテリジェント製造時代産業用ロボットの高度に自動化されインテリジェントな技術的特徴は、製造業における高精度、操作の容易さ、および生産プロセスの柔軟性に対する高まる要求に完全に合致しています。これにより、製造業におけるロボットの重要性が高まり、産業の変革とアップグレードを推進する重要な力となっています。協働ロボット（機械間および人間とロボットの協働の両方を実現できる産業用デバイス）は、その自律的な動作と協働能力により、ロボット工学研究の重要な焦点として浮上しており、将来の産業用ロボットにおいて支配的な役割を果たす位置づけとなっています。協働ロボット技術では、トルク応答速度、トルク精度、位置決め精度、消費電力、温度安定性などのサーボモーターの性能指標が、ロボットの動作効率、安定性、および精度を直接決定します。ロボットの動力源であるサーボシステムの性能は、動作精度と信頼性に重大な影響を与えます。特に、関節サーボモーターは位置決め精度を実現する上で重要な役割を果たします。優れた関節サーボモーターは、複雑なタスク中に正確な位置決めと安定した動作を保証し、それによって運用効率を高め、エラーを最小限に抑えます。
「ロボット産業発展第14次五カ年計画」では、インテリジェントな統合型ロボット関節の研究推進が重視されており、こうした関節は協働ロボットに特に適しています。高度に統合された設計コンセプトでは、アクチュエータ、センサ、ドライバといった構成要素を関節自体に直接組み込むことで、各関節を独立した制御ユニットとして機能させています。内部構造とレイアウトを最適化することで、分散制御アーキテクチャは異なるシステムレベル間のケーブル数を大幅に削減し、メンテナンスコストの低減と全体的な信頼性の向上を実現します。また、モジュール設計により関節の交換やメンテナンスが容易になり、協働ロボットの市場競争力を大幅に高めます。
の協働ロボットの概念協働ロボットは1996年に初めて導入され、その設計思想は、生産ライン上でロボットと人間が協調して作業することを可能にすることで、従来のロボット工学に革命をもたらしました。この協働アプローチは、ロボットの効率性と精度を活用するだけでなく、人間の知性と柔軟性を統合し、作業効率と流動性を向上させます。従来の産業用ロボットと比較して、協働ロボットは独特の特性を示し、ロボット工学分野における重要なサブカテゴリとしての地位を確立しています。その物理構造と制御システムの両方が大幅に変更されています。図1に示すロボットアーム構成などの従来の産業用ロボットは、主にパレタイジング、マテリアルハンドリング、溶接、レーザー切断の用途で使用されています。これらのロボットは、高い剛性、構造的安定性、および強力な耐荷重能力を備えていますが、比較的大きなサイズと質量、大きな運動慣性、柔軟性の低いかさばる設計、および非常に機敏な組み立て作業を実行できないという制限もあります。さらに、その大きな慣性モーメントと高速な動きは、動作範囲内の作業員にかなりの安全上のリスクをもたらすため、密閉されたエリア内での操作が必要です。
図1 従来の産業用ロボットアームと協働ロボット
協働ロボットは、共有空間で人間と同時に作業することを可能にし、協働ゾーン内での近距離での相互作用を促進します。従来のロボットアームと比較して、協働ロボットは通常、エンドエフェクタで最大20kgの荷重を支え、動作範囲は人間の腕の届く範囲に匹敵します。複雑な伝達機構を備えた従来の産業用ロボットアームよりも構造がシンプルでありながら、高感度な力覚フィードバック、軽量で柔軟性があり、堅牢な知覚能力を備えています。これらの特徴により、人間との相互作用中に力を動的に調整し、激しい損傷を効果的に防止できます。したがって、協働ロボットは、従来の安全柵を必要とせずに、人間と安全に協働して作業を完了できます。
協働ロボットは人間と直接接触する作業を行うため、人間とロボットの協働において安全性は不可欠な要件です。作業員の負傷を防ぐため、電流制御、トルク制御、接触センサ、衝突検出などの技術的対策を講じながら、動作電力と回転トルクを厳密に制御することが不可欠です。また、ロボットのインテリジェントな駆動制御システムも、安全管理のためにさらなる最適化が必要であり、動的計算とオブザーバベースのモデリングによる適応的でスムーズな制御を実現する必要があります。
国際ロボット連盟（IFR）は最近の調査で、将来のロボット開発は主にシンプルさ、使いやすさ、柔軟性、そして安全な協働という傾向を示すと指摘した。産業用ロボットは、自動化と知能のレベルを段階的に高めていく。ユーザーフレンドリーな設計により運用上の障壁が低くなり、より多くの企業がロボット技術を容易に活用して生産効率を向上させることができるようになる。同時に、柔軟性と安全な協働機能を備えた設計により、ロボットは多様で複雑な生産環境によりよく適応できるようになり、人間とロボットの協働を促進し、産業生産のインテリジェントで効率的な発展をさらに推進していく。
図2：協働ロボットの作業領域
1.2 研究の意義
現在の協働ロボット市場では、7自由度ロボットが、その広い動作範囲と柔軟性から好まれています。これらのロボットは冗長な自由度を提供し、産業オートメーションやスマート製造の可能性を広げます。各自由度はロボット関節によって実現され、これはロボットの性能を決定する重要な要素となります。主要メーカー4社（FANUC、ABB、Yaskawa、KUKA）は、それぞれ従来の産業用ロボットアームに独自の伝達システムを採用していますが、基本的にはサーボモーターとベベルギア、平歯車、または同期ベルトを組み合わせて関節に動力を伝達し、回転させています。これらの伝達方式は、ロボット関節のサイズを制限します。高精度を実現することは可能ですが、小型化は依然として課題です。図3に示すように、従来の産業用ロボットは、モーターサーボドライブを収容する外部制御キャビネットを必要とし、各モーターをキャビネットに接続する多数の配線が必要となるため、制御システムの柔軟な展開が制限されます。
図3 従来の産業用ロボットと制御盤
産業用ロボットアームの従来の関節構成では協働ロボットの要求を満たせなくなったため、これらの関節は従来の伝達機構を捨て、新しい設計思想を採用するようになりました。このアプローチでは、コントローラ、サーボドライバ、モータを関節自体に統合し、電気接続も内部に実装することで、軽量、低電圧、高集積化システムを実現することに重点を置いています。外部に露出する制御インターフェースは最小限に抑えられており、外部配線が簡素化され、エンジニアリングの複雑さが軽減されます。このような設計は、統合型関節と呼ばれます。
協働ロボット関節の現在の開発ニーズとトレンドを踏まえると、軽量、低電圧、高集積、高性能な統合型協働ロボット関節の設計は特に重要です。このような統合型関節は、アクチュエータ、コントローラ、ドライバ、センサなど、関節動作に必要なすべての主要コンポーネントを内蔵し、スタンドアロンモジュールとして独立して機能します。シンプルな電源バスと制御バスを介してメインコントローラや他のモジュールに接続することで、この高度に統合されながらも結合度の低い設計は、協働ロボットのスケーラビリティを大幅に向上させます。この統合型モジュール関節を適切なサイズのロボットアームやエンドエフェクタと組み合わせることで、さまざまな要件に合わせた協働ロボットを容易に組み立てることができます。
図4 モジュール式ジョイントの概略図
協働ロボットの統合関節とそのサーボ制御システムに関する研究は、協働ロボットの発展にとって非常に重要です。これらの統合関節の中核技術は、ハーモニック減速機と関節モータ駆動制御システム、およびそれらに対応する制御アルゴリズムという2つの主要コンポーネントで構成されています。Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd.は、協働ロボットの関節モータ駆動制御システムの研究に注力し、関節モータの駆動および制御機構について詳細な研究を行っています。同社は、協働ロボットの関節に、より柔軟で信頼性の高い制御機能を実現する一連の高度なインテリジェント統合ロボット関節モータ製品を開発しており、自己認識、インテリジェントな意思決定、器用な実行、精密な制御といった重要な機能を組み込むことで、スマート機器開発のニーズに応えています。
2. 国内外における現在の研究状況
1956年、アメリカの物理学者ジョー・エンゲルバーガーと発明家のジョージ・デボルは、ユニメーションというロボット会社を設立し、1959年に世界初の産業用ロボットであるユニメートの開発に成功した。
ゼネラルモーターズは1961年、ニュージャージー州の工場で初めて産業生産にロボットを導入しました。1969年には、日本がユニメーション社のロボットを導入し、その後、川崎重工業と英国のKUKAIコーポレーションにそれぞれ技術ライセンスを供与し、日本と英国でロボット製造事業を展開しました。日本の自動車産業の発展に伴い、生産現場で人間の労働力を代替するロボットの数が増加し、その実用性が十分に実証されました。その結果、日本は産業用ロボットの開発にますます力を入れるようになりました。ロボット技術導入のパイオニアである川崎重工業を皮切りに、ファナックや安川電機といった世界的に有名なロボット企業の台頭により、日本は最先端のロボット技術を習得する世界有数の国の一つとなりました。
1973年、ドイツのKUKA社はUnimateロボットを改良し、電動モーターで駆動する世界初の6自由度ロボット、Famulusを開発した。1974年、スウェーデンの総合電気機器メーカーであるASEA（ABBの前身）は、マイクロプロセッサ制御による世界初の完全電動ロボット、IRB 6を開発し、ロボットの知能を大幅に向上させた。1978年、米国に拠点を置くUnimation社は、自社の産業用ロボットPUMAをゼネラルモーターズの組立ラインに広く導入し、産業用ロボットの実用性と価値をさらに実証するとともに、産業用ロボット技術の完全な成熟を宣言し、その後の技術革新のための確固たる基盤を築いた。
40年以上にわたる産業用ロボット開発の歴史の中で、技術革新は絶え間なく続いてきました。しかし、安全上の理由から、ロボットは通常、特定の作業ステーションに固定され、ガードレールで隔離されているため、人間と同じ空間で並んで作業することはできません。このような従来の構成は、人間とロボットの協働を制限し、真に効率的な協調作業の実現を困難にしています。数多くの試みや研究にもかかわらず、安全な人間とロボットの協働を実現することは、産業用ロボット分野における大きな課題であり続けています。
協働ロボットの概念が初めて提唱されたのは、2005年にEUの資金援助を受けた大規模プロジェクトによるものでした。このプロジェクトでは、ABB、KUKA、Reis、Comau、Gudelといった大手産業用ロボット企業が集結し、中小企業向けに設計された、手頃な価格でコンパクトかつ柔軟性の高いロボットを共同開発しました。これは、労働力の外部委託への依存度を低減することを目的としていました。このプロジェクトは、人間とロボットの協働の可能性を明確に示し、協働ロボットの概念の確固たる基盤を築きました。
初期の協働ロボットは、主に従来の産業用ロボットの改良や応用であり、設計思想や動作モードを根本的に変えるものではありませんでした。ユニバーサルロボットは、2005年の設立以来、人間と安全に協働できる協働ロボットの開発に専念してきました。2009年には、世界初の協働ロボットであるUR5を発表し、この時代の幕開けを告げました。その後、リシンク社は双腕ロボットのBaxterと新型単腕ロボットのSawyerを発表し、協働ロボットを産業用ロボット分野における認知され、受け入れられる分野として徐々に確立していきました。この進歩は、将来の産業オートメーションとインテリジェント開発に新たな知見と方向性をもたらしました。
図5：UR5ロボットとソーヤー・バクスターロボット
中国科学院瀋陽自動化研究所傘下のSiasun Robot Companyは、2015年11月の産業博覧会で、中国の先進的な技術レベルを示す7軸フレキシブル協働ロボットを初めて展示した。それ以来、LuoshiやAoboといった数々の国産協働ロボットが徐々に認知度を高めている。
ロボット関節に関して、協働ロボットの関節と従来の大型産業用ロボットの関節との主な違いは、「柔軟性」にある。この柔軟性は、低い機械的剛性、低い慣性、そしてトルクを感知する能力によって実現される。現在、協働ロボットアームに採用されている関節の柔軟性は、主に精密な位置制御とトルク制御によって実現されている。
図6 協働ロボットにおける統合型関節の典型的な構造
最新の研究概要を見ると、中国のロボット開発は米国や日本などの国々に比べて遅れて始まったことが明らかです。協働ロボットの研究は、既存の国際製品に比べて依然として大きく遅れており、主なボトルネックは高調波減速機と関節モータ駆動制御システムにあります。国内の協働ロボットは現在、特に制御精度とインテリジェント制御の面で、関節制御能力に大幅な改善の余地があります。さらに、世界のロボット研究動向は、安全性、柔軟性、および知能が技術進歩の主要な特徴であることを示しています。ロボット関節は、高度に統合された駆動制御システムとより高度な知能へと進化しています。協働ロボット関節は、従来の中央集中型制御から分散型駆動制御アーキテクチャへと移行しましたが、現状ではモータ駆動動作のみを実行しており、自律的な知覚、インテリジェントな意思決定、および器用な実行能力が不足しているため、知能レベルは比較的低いままです。インテリジェントロボットシステムの需要拡大には大きな可能性が残されています。
投稿日時：2026年5月22日
