日産自動車が東京工業大学の広瀬茂男研究室と共同で開発し、同社の栃木工場に導入した多関節アーム型助力装置が、開発から10年を経て新たな脚光を浴びている。背景にあるのは、少子高齢化による労働力の減少や就労環境の改善に対する社会的ニーズで、同社からライセンスを受けた外部企業の手によって、より汎用的な装置として製品化され、重量物の移し替えや持ち上げなどの用途で他の業界にもユーザーが広がっている。こうした多関節アーム型助力装置の開発経緯を取材した。 (取材・文:関行宏)

 日産自動車栃木工場のボディ組み立て工程では、一風変わった装置が活躍している。最初は低く折りたたまれているアームの先端を、作業員が軽く持ち上げると、アームはあたかもシャクトリムシのように身体を伸ばして「く」の字形に立ち上がり、組み立て中のボディまで大型治具を支えてくれるという装置だ。

日産自動車栃木工場のボディ組み立てライン

 日産自動車が開発したこの装置は、人が重いものなどを運ぶときに支えて重量負荷を減らす、いわゆる助力装置の一種にあたる。ロボットとは違って自律的に動くことはなく、ちょうど電動アシスト自転車のように力を補助することが役割だ。

 近年、このような助力装置が数多く登場し、産業界の関心も高い。背景には、日本の総人口の減少と、それに伴う労働人口の減少に対する危機感があることは想像に難くない。特に将来の働き手をどう確保するかがあらゆる産業における課題になっている。

 助力装置は人手不足問題を直接解決するわけではないが、重量物の移動や運搬に伴う肉体的負担を軽減してくれるという意味で、労働環境の改善が図れるとともに、作業効率も上がる。ときには労災として認定されることもある腰痛の予防にもつながる。力の弱い人でも作業が可能となれば、就労機会も広がる。

 助力装置には、作業者が着用するパワーアシスト・スーツや、重量物を上部から吊り下げるクレーン式など、いくつかの方式があるが、日産自動車が開発した床置きでの多関節型は極めてユニークといえる。

多関節アーム型助力装置
日産自動車が開発した第2世代機(撮影:栗原克己)

東京工業大学の広瀬研究室の技術を活用

 この多関節アーム型助力装置の開発を振り返ってみよう。スタートは2007年。工場から要請があったわけではなく、生産技術を開発する車両生産技術本部 車両技術開発試作部(当時)からのシーズ案件だったと、プロジェクトを担当した楳澤正臣氏は当初の状況を説明する。「ヘビ型ロボットなどユニークな研究で知られる東京工業大学の広瀬茂男先生(現名誉教授)との共同研究の一環で、広瀬先生が持っていた多関節アーム型ロボティクス技術の具体的な活用方法を検討したのがそもそもの始まりでした」。

楳澤正臣氏
日産自動車 車両生産技術本部
車両技術開発試作部(開発当時)
(撮影:栗原克己)

 楳澤氏らは、まずフィージビリティ・スタディとして、社内の工場を回り、現場がどのような困り事を抱えているかを調査した。その結果、溶接や塗装が終わったボディの組み立て工程において、取り付ける部品やユニットの運搬や持ち上げが作業員の負担になっていることがあらためて明らかになった。

 また、ラインで作業に従事している人の年齢構成を調べてみたところ、やはり全体的に年齢層が高く、肉体的な作業負担を軽くしたいという潜在的ニーズがあることも確認された。「現場の困り事と、広瀬研究室が持つロボティクス技術とをマッピングした結果、多関節アーム型の助力装置があれば作業負担の軽減に加えて作業効率の向上が望めると判断し、開発に着手しました」(楳澤氏)。

 ラインの組み替えなどにも柔軟に対応できるように、作業者が乗り込みラインと同期して動く作業用台車にも据え付けられるサイズとし、床面を起点に伸縮するユニークな構造を採用することにした。

滑らかなアシスト制御を実現するもコストが課題に

 開発がスタートしてまず課題になったのが、アームの駆動源の選択だった。片側におもりを付けたワイヤーで引っ張るメカニカル式、電動、空圧、油圧などいくつかの方法が考えられる中で、最初にメカニカル式を検討したという。だが、荷重がなくなったときにアームが伸びてしまうという問題があった。また、試作機の評価中にワイヤーが切れてアームが落下するというハプニングも起きた。そこで安全性やコストも考慮し、現場で潤沢に供給されている圧縮空気(空圧)を駆動源として採用することにした。

 次に課題になったのが制御方法である。楳澤氏ら開発チームは、作業者の操作性を重視し、滑らかかつ均一な力でアームを動かせるように、アシスト量を細かく調整することにした。実装を担当した馬場智也氏は次のように説明する。「それぞれのアームがどのような位置や角度にあっても、作業者が同じ力で操作できるように、各アームの角度情報を、センサーを使って取得して、そのデータに基づいて電空レギュレータを制御する方式を実装しました。この場合、センサーから得た情報から制御データを導くために複雑な計算が必要になります」。

馬場智也氏
日産自動車 車両生産技術本部
車両技術開発試作部(開発当時)
(撮影:栗原克己)

 そうした高度な制御を採用した理由は、現場で困り事をヒアリングした際に、荷重の有無や状態によって動きに軽い重いが生じるような助力装置は使いにくい、といった意見が挙がっていたからだった。スムーズな動きを実現することで、現場に広く受け入れてもらおうという狙いである。

 完成した「第1世代」の多関節アーム型助力装置は2008年に同社の栃木工場に導入された。しかし大きな問題があった。第1世代機はコストが高すぎたのである。「社内で開発した技術だからといって、現場が無条件に導入してくれるわけではありません。新規の生産設備への投資に見合う効果を実現できなければならず、この装置を社内にもっと展開するには、コストを半分以下に抑える必要がありました」と楳澤氏は説明する。そこで開発チームは、思い切った挙に出る。コストのおよそ半分を占めていた上述の制御回路をなくしてしまおうというアイデアだった。