協働ロボット（Cobot）溶接における衝突検知感度の最適化：安全性と連続稼働の境界線
協働ロボット（Cobot）を用いた溶接自動化において、最も現場を悩ませるのが「衝突検知（Collision Detection）の誤検知による停止」と「安全性の確保」のトレードオフである。溶接プロセス特有の熱歪み、ワイヤ送給の反力、トーチケーブルの干渉が、ロボットのトルクモニタリングにノイズとして混入することが主因である。
本稿では、現場の生産技術者が行うべき、理論に基づいた感度調整のロードマップを解説する。
1. 衝突検知のメカニズムと物理的制約
Cobotの衝突検知は、各軸のモーター電流値から算出される「推定トルク」と、ロボットの動作モデルから算出される「理論トルク」の偏差を監視することで行われる。
誤停止を引き起こす溶接特有の要因
- 熱歪みによるワークの変位: 溶接中の入熱によりワークが膨張・変形し、冶具との間で不意の拘束力が発生する。
- ケーブルのドラッグ力: 溶接トーチの給電ケーブルやガスホースの剛性が、ロボットの姿勢によって変動し、外力として誤認される。
- アーク反力: 大電流溶接時、プラズマの噴出反力がトーチ先端にかかり、アームの微細な振動を誘発する。
2. 現場での実践的調整ステップ：境界値の探り方
感度設定は「安全性を担保した上で、プロセスの物理負荷を許容する」という順序で行う。
ステップ1：ノイズプロファイルの取得（空運転）
溶接を行わず、実際の溶接経路を空運転（ドライラン）させ、各軸のトルク偏差の最大値を記録する。
- ポイント: ケーブルのたるみや、ロボットの姿勢変化が最も激しいポイントを特定する。
- 評価: この時の最大偏差値の1.2〜1.5倍を「ベースライン感度」の初期値とする。
ステップ2：動的閾値（Dynamic Thresholding）の導入
多くのCobot（Universal Robots, FANUC CRX, Yaskawa HCシリーズ等）では、動作速度や姿勢に応じて感度を動的に変更できる。
- 低速時: 安全性を優先し、閾値を厳しく（低く）設定。
- 溶接中: プロセス負荷を考慮し、閾値を一段階緩める（高くする）。
ステップ3：フィルタリングの最適化
衝突検知にはローパスフィルタが適用されている。
- 時定数の調整: フィルタの時定数を大きくすると誤停止は減るが、停止までの反応時間が遅延する。
- 許容値: JIS B 8433-2（協働ロボットの安全要件）に基づき、停止までの最大慣性力（衝撃力）が基準値を超えない範囲で時定数を設定する。
3. 衝突検知感度の設定管理テーブル（目安）
現場の運用における感度設定の考え方を以下にまとめる。
| 項目 | 設定の考え方 | 懸念事項 | 対策 |
|---|---|---|---|
| 溶接開始時 | 感度を一時的に下げる | アークスタート時の衝撃を検知 | ソフトスタート機能の併用 |
| 定常溶接中 | 感度を中程度に設定 | ケーブル干渉による誤停止 | ケーブルマネジメントの最適化 |
| 非溶接移動時 | 感度を最も高く設定 | 人との接触リスク最大 | 安全柵の代替としての感度管理 |
4. JIS/ISO規格と安全性評価の根拠
Cobotの安全設定は、単なる「現場の勘」ではなく、以下の国際規格に基づくリスクアセスメントが必要である。
関連規格
- ISO 10218-1/2: ロボットの安全要件。
- ISO/TS 15066: 協働ロボットの作業における人との接触時の制限値。
衝撃力評価の基準
ISO/TS 15066では、人体部位ごとの痛みの閾値が定義されている。
- 胸部: 140 N / 1.0 J
- 顔面: 65 N / 0.5 J
- 手・腕: 210 N / 1.5 J
現場での検証方法:
専用の衝撃力測定器（Force/Pressure Gauge）を使用し、実際にロボットを人体モデルに接触させ、上記の数値以下で確実に停止することを確認する。「感度設定値を下げれば安全」というわけではなく、「衝突した瞬間にロボットが保持している運動エネルギーが、人体への許容値以下でエネルギー吸収されるか」が評価の焦点となる。
5. 現場技術者が陥る落とし穴と解決策
誤停止が頻発する場合のチェックリスト
1. ケーブルの捻れ: トーチケーブルの保持具（スプリングバランサー等）の張力が適切か。ロボットの可動範囲で「突っ張り」が発生していないかを確認せよ。
2. ボルトの増し締め: ロボットのベース固定、冶具の剛性不足は、微細な振動を増幅させ、トルク異常として検知される。
3. 電流ノイズの影響: 溶接電源からの高周波ノイズがロボットの通信線に回り込み、エンコーダ信号を乱していないか。アース線（接地）の取り回しを見直すこと。
結論：感度調整は「ハードウェアの剛性」から始まる
衝突検知感度を調整する前に、まずは「ロボットが溶接負荷に対して十分な剛性を持っているか」を疑う必要がある。冶具が撓（たわ）めば、ロボットはそれを「外部からの接触」と判断する。
現場施工においては、感度を緩めることによる安全性低下を避けるため、「剛性を高めて誤検知の物理的要因を排除し、感度は可能な限り厳しく保つ」のが、熟練の生産技術者の定石である。