ロボット工学と自動化におけるイメージセンサーの応用と開発

ロボット工学と自動化のアプリケーションは、倉庫から医療施設に至るまで世界中の産業を変革し、生産性、効率性、安全性、運用の可視性を向上させています。これらのアプリケーションの中心にあるのがイメージセンサーであり、ロボットが周囲の環境を認識し、対話することを可能にします。本記事では、ロボット工学におけるイメージセンサーの役割について探り、onsemiによる画像技術の進歩とその関連ソリューションを紹介します。

現代産業における移動ロボットの役割

過去10年間で、オートメーションとロボティクスは多くの産業に革命をもたらし、従来のプロセスをより安全で効率的なものにしました。これらの革新の中でも、モバイルロボットはオートメーションの最前線に位置し、さまざまな分野における業務の効率化を支援しています。モバイルロボットは大きく分けて「自律移動ロボット（AMR: Autonomous Mobile Robots）」と「自動誘導車（AGV: Automated Guided Vehicles）」の2種類に分類されます。AMRは人間の介入なしに動的な環境に適応して独立して動作するよう設計されています。先進的なセンサー技術である「SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）」を使用することで、AMRは周囲をマッピングし、障害物を特定し、自律的に移動することが可能となり、工場や倉庫のオートメーションといった用途に最適です。    一方、AGVは磁気ストリップやビジョントラッキングなどの外部誘導システムに依存し、固定された経路を進む仕組みです。AGVは組立ラインや在庫管理などの整備された環境で優れているものの、AMRほど柔軟性がありません。AGVは、まるで定められたレール上を走る列車のような動き方であるのに対し、AMRは障害物の周囲を自在に移動できる車のような動作が可能です。この違いにより、動的で適応性の高いソリューションを必要とする産業では、AMRが好まれる選択肢となっています。

画像センサーがAMRの自律性を可能にする方法 

AMR（自律移動型ロボット）はガイドなしで動作し、新しい環境に動的に適応します。しかし、自律的に移動するためには、同時定位と地図作成（Simultaneous Localization and Mapping：SLAM）機能が必要です。SLAMを通じて、ロボットは周囲の地図を生成し、自身の位置を特定します。AMRは、環境ナビゲーション、3Dマッピング、衝突回避、コード読み取りなどのタスクを実行するために画像センサーに依存しており、これらすべては正確かつ効率的なセンシング能力を必要とします。3Dマッピングのために、AMRはステレオタイプイメージング、間接的飛行時間（iToF）、LiDARといった技術を利用して深度を測定し、詳細な環境マップを作成します。深度センシングにより、AMRは人間を含む物体を検出し、潜在的な危険を回避することが可能となります。これは、人間とロボットが共に働く環境において安全を確保するための重要な機能です。    衝突回避もまた、画像センサーまたは深度センサーによって実現される重要な機能です。ローリングシャッターおよび/またはグローバルシャッターを搭載したセンサー、迅速な処理速度、高ダイナミックレンジ（HDR）を備えたセンサーは、AMRがリアルタイムで障害物を識別し対応することを可能にします。特にHDR技術は、工場や倉庫のような混在照明環境下で、反射や影が視覚的な認識を複雑化させる状況において非常に重要です。    さらに、画像センサーは製造や物流で一般的なタスクであるコード読み取りにおいても重要な役割を果たします。グローバルシャッターと低消費電力を持つセンサーはこれらのアプリケーションで優れており、AMRが迅速かつ正確にコードを読み取り処理することを可能にします。また、長時間効率良く動作できる能力は、要求の厳しい産業環境においてその価値をさらに高めています。    AMRやAGV（自動誘導車両）がモバイルロボティクス分野を主導する一方で、固定型ロボットも自動化において重要な役割を担っています。これらのロボットは特定の場所に固定され、物体のピッキングやソーティングなどのタスクを実行します。モバイルロボットと同様に、固定型ロボットも深度検出や精密制御のために画像センサーを利用します。高度なセンシング技術により、複雑な産業環境においても高い正確性でタスクを実行することが可能です。

ロボット技術の成長を促進する重要な要因としての生産性

さまざまな要因が、業界全体でロボット技術の急速な採用を促しています。その主な要因の一つが生産性の向上です。ロボットは長時間にわたり疲れることなく反復的な作業を遂行できます。効率性もまた大きな利点の一つであり、ロボットは人間の介入による遅延を排除し、作業員がより高付加価値の活動に集中できるようにします。安全性も同様に重要であり、ロボットは人間作業員を危険に晒す可能性がある作業を引き受けることで、安全性を向上させます。    生産性、効率性、安全性を向上させるために、多くの顧客が包括的なデータを求めています。このデータは運用率を可視化することで、徹底した分析や改善のための効果的な戦略の特定を可能にします。詳細なビジュアルデータを活用することで、顧客は自身の事業運営に関する貴重な洞察を得て、より良い意思決定とパフォーマンスの最適化を実現することができます。   現在、ロボット市場は特にAMR（自律移動ロボット）分野で大幅な成長を遂げています。業界アナリストは、AMRの年間平均成長率（CAGR）が2024年から2030年にかけて16%から20%に達すると予測しています。この成長は、人工知能（AI）や自動化技術の進歩によるもので、これによりロボットの能力が拡張され、革新的な新しい機会を切り開いています。

HDR対応のイメージセンサーは視覚精度を向上させます

イメージングテクノロジーのリーダーであるオンセミ（onsemi）は、ロボティクスのニーズに応える革新的なイメージセンサーを幅広く開発しました。その製品には、ローリングシャッターセンサーとグローバルシャッターセンサー、さらに深度測定やHDR（高ダイナミックレンジ）アプリケーション向けの特化型ソリューションが含まれています。これらの技術は、ロボットがタスクをより正確、効率的、そして信頼性高く実行できるようにします。 
 
ローリングシャッターセンサーは、より小さいピクセルサイズと高い感度の特性を持ち、低照度条件下で詳細なイメージングが必要なアプリケーションに理想的です。ただし、動作環境下ではモーションアーティファクト（動きによる画質の劣化）が発生する可能性があるため、動的な環境での使用には制限がある場合があります。一方、グローバルシャッターセンサーは、すべてのピクセルを同時に露光させることでモーションアーティファクトを排除し、動くオブジェクトや衝突回避、コード読み取りなどのタスクに非常に適しています。 
 
深度測定もオンセミの得意分野の1つです。そのiToF技術は、反射光の位相差を測定することで深度を特定します。オンセミのiToFソリューションは短距離（30cmから50cm）をカバーし、最大20メートルまでの距離を卓越した精度で測定することができます。 
 
高ダイナミックレンジ（HDR）は、困難な照明条件下で動作するロボットにとって重要です。HDRセンサーは複数の露光をキャプチャし、バランスが取れた正確な画像を生成することで、ロボットが高コントラストや反射が強いエリアでも物体を鮮明に見ることを可能にします。HDRはさまざまな方法で実装可能です。例えば、マルチ露光HDRは低照度性能に優れていますが、モーションアーティファクトが発生する場合があります。分割ダイオードピクセルHDRはモーションアーティファクトを軽減しますが、LEDのちらつきが見られることがあります。一方で、1回の露光で複数のゲインを用いる「スーパー露光モード」は、両方の方法の強みを組み合わせています。HDR技術の選択は、アプリケーションの具体的な要件次第です。 
 
オンセミは、産業用ロボットの多様なニーズを満たすため、Hyperluxイメージセンサーシリーズを幅広く提供しています。これらのセンサーは、低消費電力、高ダイナミックレンジ、そして先進的な機能を組み合わせることで、難しい照明条件を克服しつつ、卓越した画質を実現しています。Hyperlux LPシリーズは、超低消費電力に重点を置いており、省エネ性が求められるアプリケーションに最適です。Hyperlux LHシリーズは産業および商業環境向けに設計されており、強化されたNIR（近赤外線機能）とeHDRを組み合わせた高品質な4K映像や、混合照明下で優れた性能を発揮する120 dB HDRを提供します。Hyperlux SGシリーズはコンパクトであり、業界をリードするグローバルシャッター効率を備えており、スキャン、AR/VR、AMRアプリケーションに理想的です。Hyperlux IDシリーズは最大1.2MPの解像度を持ち、屋内外の距離測定を拡張することでiToF技術に革命をもたらし、産業オートメーション、ロボティクス、セキュリティなどの分野で新たな可能性を広げます。 
 
2024年7月、オンセミはSWIR Vision Systems社を買収しました。同社はCMOSベースのSWIR（短波赤外線）センサーを可能にするコロイド量子ドット技術の特許を保有しています。従来のInGaAsベースのSWIR（900 nmから1700 nm）とは異なり、オンセミのSWIRはより広範囲（400 nmから2100 nm）をカバーします。さらに、オンセミのSWIRセンサーはEAR99に分類されており、ITARに分類されるInGaAs SWIRセンサーと比較して輸出が容易です。現在、SWIRはBGA、1MPおよび2MPカメラで提供されており、さらに多くの製品が開発中です。

結論

イメージセンサーの未来は、高解像度、小型の光学フォーマット、広いダイナミックレンジ、低消費電力、そして精度の向上を実現することにあります。今後、AIと先進的なセンサー技術の統合により、ロボティクスの新たな可能性が開かれていくでしょう。医療から教育に至るまで、これらの進歩は、ロボットが多様な環境でますます複雑なタスクを遂行できるようにするでしょう。さらに、ロボティクスのコストが引き続き下がるに従い、サービス業界や家庭での利用がより広く普及することが期待されます。    イメージセンサーは現代のロボティクスの基盤であり、3Dマッピングから衝突回避に至るまで、比類のない精度でタスクを実現しています。onsemiは、これらのニーズに対応するため、継続的なイノベーションを通じて、同社のセンサー技術が業界の最前線に立ち続けることを確保しています。onsemiの最先端センサー技術であるHyperluxシリーズ、iToFソリューション、そしてSWIRセンサーは、ロボティクスとオートメーションの次なる進化の波を牽引しています。これらの技術が進化するにつれて、ロボットの能力が拡大し、産業全体で新たな機会を創出し、私たちの働き方や暮らし方を向上させるでしょう。