JP5212754B2

JP5212754B2 - 作業支援システム

Info

Publication number: JP5212754B2
Application number: JP2011117493A
Authority: JP
Inventors: 一弘小菅; 雄介菅原; 潤衣川; 雄太川合; 泰史田中; 昭芳伊藤
Original assignee: Tohoku University NUC; Toyota Motor East Japan Inc
Current assignee: Tohoku University NUC; Toyota Motor East Japan Inc
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: JP2012245575A

Description

本発明は、製造現場での産業用ロボットシステムに係り、特に組立作業を行う作業者の作業をアシストする作業支援システムに関する。

製造現場で安定した品質で効率的な生産を行うために産業用ロボットが重要な役割を担っている。利用範囲も、自動車車体へのスポット溶接や塗装のみでなく電子回路基板へのパーツの組立、製品の箱詰めなど、拡大を続けてきている。

しかし一方で、現在でも産業用ロボットによって自動化が実現していない工程が数多く残っている。例えば、自動車の組立工程や電気製品の組立工程などは産業用ロボットでの置き換えが難しいことから、依然として人手による作業で行われている。近年では、社会の高齢化や少子化が世界的に急速に進行しており、これに伴う労働人口の減少が懸念されている。このような状況から、製造現場においても労働力確保の問題は不可避であり、組立工程においてもさらなる自動化が求められている。

自動車の組立工程では、作業者は作業場所の傍にある部品や工具の設置場所と作業箇所の間を行き来して部品の選択と工具の取り出しとを行う必要があり、本来の作業以外に多くの時間と労力とを割いている。

自動車の組立工程で作業支援を行って、作業者の負担の軽減と作業の効率化とを図る作業支援ロボットが特許文献１に開示されている。

ロボットによる完全な自動化が困難な自動車の組立工程において、特許文献１の作業支援ロボットは部品や工具をロボットアーム等によって作業者の手元へ搬送する。作業者がロボットを操作しない場合でも、作業支援ロボットは作業者の状態を常に認識することで必要な部品や工具を作業者の手元に差し出す。これにより、本来の組立作業に付随する工具などを取りに行く作業等を減らし、作業者の負担軽減や作業効率の向上を行うことができる。また、作業者の作業とロボットの動作とが対応しない場合に作業工程表に従った作業を作業者が行っていないことが判明して、作業ミスを検出することができる。

作業支援ロボットは部品や工具を作業者の手元へ搬送するため、作業者と同一の作業空間で動作を行う。また、作業支援ロボットは作業者の動作から作業進度を推定し、状況に応じて動作するため、作業者の操作を必要としない。そのため、作業中に作業者は必ずしも作業支援ロボットの運動を注視しているわけではないことから、組立作業支援ロボットが正常に動作していたとしても、作業者との過度な接近により接触する可能性がある。

人間と同一空間内で動作する組立作業支援ロボットの安全対策に関する研究としては、従来、安全のためのリスクアセスメントを施しながら作業支援を目的としたロボットの開発が行われている。自動車の組立工程における組立作業支援パートナロボットとして、非特許文献１にはインパネ搭載補助機、非特許文献２にはウィンドウ搭載補助機、非特許文献３には低出力駆動で作業者と協働するスペアタイヤ自動搭載ロボットが開示されている。

国際公開第２０１０／１３４６０３号

鴻巣仁司，荒木勇，山田陽滋," 自動車組立作業支援装置スキルアシストの実用化",日本ロボット学会誌, vol. 22，no. 4，pp. 86-92, 2004. 村山英之, 武居直行, 松本邦保, 鴻巣仁司, 藤本英雄," 自動車組立ラインのウィンドウ搭載支援ロボット", 日本ロボット学会誌, vol. 28，no. 5，pp. 624-630, 2010. 村山英之, 藤原弘俊, 中野陽雄, 石居賢治, 武居直行, 森田寿郎, 法林祐一, 藤本英雄," ８０Ｗモータによる２５ｋｇ可搬省エネロボットの実用化", 第28 回日本ロボット学会学術講演会予稿集, RSJ2010AC3J1-1, 2010.

通常の産業用ロボットは，安全柵に囲われながら動作するため，ロボットの動作エリアに作業者が進入し、干渉の可能性がある場合には警報装置やロボットの緊急停止等の安全装置が作動する。さらに、非特許文献１〜３に示される作業支援ロボットはおもに作業者の操作力に基づいて動作するため、作業者がロボットの動作軌道を認識しつつ当該ロボットを動作させることができる。

一方、ロボットが作業者の操作を必要とせず、作業者の意図を推定し、作業の状況を把握して動作を行う場合であっても、作業支援ロボットが部品や工具の供給動作で作業者と接近する際、ロボットが正常に動作しているにもかかわらず作業者と接触する可能性がある。

しかしながら、ロボットと人間とが一緒に作業する環境において、ロボットの動作速度が速く、人間に接触しうるほど接近し、かつ人間が殆どロボットを目視しない状況下におけるロボットの安全な動作方法に関しては、これまでに議論されていない。

そこで、本発明は、作業者との接近を検出し、衝突を防止し、また万が一の衝突の際にも事故を防止する作業支援システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の作業支援システムは、連結部を介して複数のアーム部を連結して構成されたアームを備え、工具、部品の何れか又は双方を搬送する搬送機構と、モータ及びモータに搭載されたトルクリミッタを備え、搬送機構を動作させる駆動部と、搬送機構の移動方向の領域で作業者を検出する検出部と、検出部で作業者を検出した場合に、トルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクで上記モータを駆動して、搬送機構の移動を規制する緊急動作生成部と、を備える。緊急動作生成部は、検出部が作業者を検出すると、アームの運動モデルから、トルクリミッタの作動限界値を超えないトルクの値を指令値として求め、動作中のアーム部の角度、角速度及び指令値からアーム部の目標値となる角速度を算出しモータに入力することにより、トルクリミッタを動作させずに、搬送機構を停止することを特徴としている。

本発明の作業支援システムにおいて、好ましくは、検出部は、群システムの何れかに属し、アーム部の各側面に間隔をおいて配置される複数のセンサと、複数のセンサからの信号を分散して処理する群システム毎の処理部と、を備え、少なくとも一の群システムの処理部でセンサからの出力を受けると緊急動作生成部が前記搬送機構の移動を規制する。さらに、群システム毎の処理部は、当該群システムに属するセンサから出力される電圧信号の入力を受ける比較回路を備え、入力された電圧信号と検出位置で定まる参照電圧とを各比較回路が比較し、各比較回路からの出力に応じて緊急動作生成部がアームを制動制御する。
上記構成において、各センサの検出距離は、搬送機構の運動状態に基づいて決まる各センサの設定位置の制動距離に応じて設定されている。

本発明によれば、作業者の不意の動きにも，移動中の搬送機構が自ら作業者へ接触することを防止することができ、また万が一のモータの暴走などによる衝突の際にも押し付け力を低減し事故を防止することができる。システムが暴走するなどによってモータが回転し続けることで作業者への衝突が起こった場合にも、トルクリミッタが作動することにより搬送機構の運動がフリーになり作業者への押し付け力を低減できる。ただしトルクリミッタを搭載した場合、急激に搬送機構を停止しようとするとその減速時の慣性力によりトルクリミッタが作動し、搬送機構が自由に動くことによって搬送機構が作業者へ接触することになるが、本発明によれば、検出部が作業者を検出するとトルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクでモータを制動制御するので、トルクリミッタを作動させずに、搬送機構が停止できる。また、搬送機構が緩衝材で構成された外装を備えている場合、トルクリミッタが作動した後に、搬送機構が作業者に接触しても、作業者への衝撃力を低減することができる。

本発明の実施形態に係る作業支援システムを示す斜視図である。本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図である。本発明の実施形態に係る近接検出部を説明するための図である。本発明の実施形態に係る第１アーム部の断面図である。本発明の実施形態に係る近接検出部を説明するための図である。本発明の実施形態に係る処理部のブロック図である。本発明の実施形態に係るアームの運動モデルを示す図である。本発明の実施形態に係る緊急動作生成部の制御則を示す図である。本発明の実施形態に係る手先速度と制動距離の誤差の関係を示す図である。本発明の実験例の前提条件を説明するための図である。

１．概要
本発明の実施形態に係る作業支援システムは、自動車の組立工程など作業者がある範囲を移動しながら行う組立作業において、作業者の必要な時に、必要な部品と工具とを作業者の手元へ搬送することを特徴としている。
具体的には、作業支援システムは、作業者の位置情報を取得し、この位置情報と作業者の確率的な作業モデルとから作業者が現在行っている作業とその進度とを推定し、この推定情報に基づいて次の作業に用いる部品及び／又は工具の適切な搬送位置と搬送時刻とを決定し、部品及び／又は工具を手元に搬送する搬送機構を制御する。

さらに、作業支援システムでは、搬送機構の移動が作業者の操作に拠らないため、作業者が途中で作業位置から外れた場所へ移動する場合等に、搬送機構と作業者とが衝突する虞があるため、作業者が搬送機構に近接すると搬送機構の移動を規制して、搬送機構が作業者に接触することを防止することを特徴としている。

２．構成
図１は本発明の実施形態に係る作業支援システム１を示す斜視図である。
作業支援システム１は、ベースフレーム１０と、部品及び／又は工具を作業者の手元に搬送する搬送機構２０と、搬送機構２０を運動させる駆動部３０と、作業者の運動を計測する計測部４０と、搬送機構２０の動作を制御する制御装置５０と、を備えている。なお、図１では計測部４０の表示を省略している。

本実施形態の作業支援システム１では、搬送機構２０としてアーム２０Ａを利用する。アーム２０Ａはベースフレーム１０に回動可能に取り付けられている。アーム２０Ａは、基端部をベースフレーム１０に回動可能に連結された第１アーム部２１と、基端部を第１アーム部２１の先端部に連結部２３を介して回動可能に連結された第２アーム部２２と、第２アーム部２２の先端部に設けた保持部２４と、を備えている。第１アーム部２１と第２アーム部２２とは真直ぐに延びたフレーム２１Ａ，２２Ａを備え、これらのフレーム２１Ａ，２２Ａは水平に延びるように配設されている。なお、図１に示すように、第１アーム部２１と第２アーム部２２とは、水平方向に重ならないように、第２アーム部２２が第１アーム部２１の高さより上方へずれて配設されている。連結部２３は、第１アーム部２１の先端部に固定された軸受部２３Ａと、この軸受部２３Ａに受容され第２アーム２２の基端部に固定された軸部２３Ｂと、を備えている。軸部２３Ｂは第２アーム部２２が第１アーム部２１に対して回動するための回転軸として機能する。

駆動部３０は、第１アーム部２１を回転させる第１モータ３１と、第２アーム部２２を回転させる第２モータ３２と、を備えている。なお、第１モータ３１の出力軸３１Ａと第１アーム部２１の基端部の回転軸２１Ｂとにはタイミングプーリ３３，３４がそれぞれ取り付けられており、これらのタイミングプーリ３３，３４は図示を省略するベルトで連結されている。第１モータ３１の回転がベルトと各タイミングプーリ３３，３４とを介して第１アーム部２１に伝達されて、第１アーム部２１が回動する。

第２モータ３２の出力軸と第２アーム部２２の基端部の回転軸２３Ｂとにはタイミングプーリ３５，３６がそれぞれ取り付けられており、これらのタイミングプーリ３５，３６は図示を省略するベルトで連結されている。第２モータ３２の出力軸は第１アーム部２１の基端部の回転軸２１Ｂと共軸に構成されている。

また、第１モータ３１及び第２モータ３２の各出力軸３１Ａ，２１Ｂには、図示を省略するトルクリミッタが搭載されている。第１アーム部２１，第２アーム部２２に過負荷が生じるとトルクリミッタが機能して、第１アーム部２１，第２アーム部２２は第１モータ３１，第２モータ３２の出力に因らず自由に回転することができる。このため何らかの事情でモータが制御不能となり、回転し続けるような場合でも作業者に対しアームを押し付け続けることを回避できる。

計測部４０は、カメラや測距センサなどの作業者の動作を計測するためのセンサ群で構成される。本実施形態ではレーザ式測域センサ(LRF：Laser Range Finder)を用いる。レーザ式測域センサは、レーザ光を照射し、設置物や移動しつつある作業者や車体など、各種のものによって反射したレーザ光を計測して対象物までの距離データを２次元的に出力する。

制御装置５０は、図２に示すように、支援動作制御部６０と、緊急動作制御部７０と、から構成されている。

支援動作制御部６０は、部品及び／又は工具を作業者の手元に搬送させるためにアーム２０Ａを駆動制御する。支援動作制御部６０は、作業モデル生成部６１と作業推定部６２と動作生成部６３とを備えている。

作業モデル生成部６１は作業者の動作を確率的にモデル化する。作業モデル生成部６１は、計測部４０から得られた作業者の運動データから作業者の運動のモデルを生成する。

作業推定部６２は作業の進度を推定する。作業推定部６２は、作業モデル生成部６１で作成された作業モデルと、計測部４０で得られた作業者の位置情報と、データベース６４に格納された複数の作業の順序及び各作業での作業者の位置情報等の作業情報と、に基づいて作業進度を推定する。

動作生成部６３は、作業者の手元へ部品及び／又は工具を搬送、つまり部品及び／又は工具を載せたり把持したりする保持部２４を作業者の手元に搬送させるために、作業者の作業進度に合わせたアーム２０Ａの運動情報を生成する。具体的には、動作生成部６３は、作業推定部６２で推定された作業進度と作業モデル生成部６１で生成された作業モデルとに基づいて、各作業で搬送すべき位置に保持部２４を移動させるためのアーム２０Ａの軌道を算出する。作業推定部６２で行われた作業推定にはアームの軌道の修正も含まれている。これにより、作業推定部６２が推定した作業進行状況に応じて動作生成部６３によってアーム２０Ａの軌道が計画されて、アーム２０Ａが制御される。つまり、作業の進行状況に応じてアーム２０Ａが制御されて、作業に必要となる部品及び／又は工具が運搬される。なお、図２に示すように、動作生成部６３によって生成されたアーム２０Ａの軌道は、後述する緊急動作生成部７２を経由して駆動部３０へ送られる。詳細を後述する緊急動作生成部６３が制動制御を行わない場合に、駆動部３０は動作生成部６３で生成された軌道、具体的には目標角速度などの目標動作に基づいてアーム２０を制御する。

以上の制御装置５０はコンピュータから構成される。このコンピュータは、前もってインストールされたソフトウェアを実行することで、作業モデル生成部６１、作業推定部６２、動作生成部６３として機能する。また、計測部４０がLRFであれば，LRFから得られるセンサデータを処理する部分も制御装置５０に含まれる。

なお、複数のコンピュータをＬＡＮによって接続して、作業モデル生成部６１、作業推定部６２、動作生成部６３の動作を複数のパーソナルコンピュータによって分散処理させてもよい。コンピュータは、従来公知の構成のものを使用することができ、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ハードディスクなどの記憶装置と、キーボード，ポインティングデバイスなどの操作装置と、操作装置等からの指示により記憶装置に格納されたデータやソフトウェアを処理する中央処理装置（ＣＰＵ）と、処理結果等を表示するディスプレイなどを備えている。このコンピュータは汎用の装置であっても、専用の装置として構成されたものであってもよい。

コンピュータとしての動作生成部６３は、ＰＣＩバス(Peripheral Component Interconnect Bus)で接続されたカウンタボードから第１モータ３１，第２モータ３２の角度の情報を取得して、Ｄ／Ａボードからモータドライバを介して第１モータ３１，第２モータ３２の制御を行う。同様にＰＣＩバスで接続されたＤＩＯ(Digital I/O)ボードによってフォトマイクロセンサの値を読み取ることでアーム２０Ａの初期姿勢が設定される。さらに、コンピュータには車体番号や車種等の生産ライン情報も入力される。

このように、支援動作制御部６０が作業者の意志を推定することで、作業者が明示的に操作しなくとも思った通りに必要な部品及び／又は工具を作業者の手元に差し出すことができる。これにより、本来の作業に付随する作業、つまり部品及び／又は工具を作業者自身が取りに行く作業を減らし、作業者の負担軽減や作業効率の向上を図ることができる。

支援動作制御部６０によるアーム２０Ａの移動は、作業者の操作に拠らないため、作業者が途中で作業位置から外れた場所へ移動する場合等に、アーム２０Ａと作業者とが衝突する虞がある。

このため作業支援システム１は緊急動作制御部７０を備えている。緊急動作制御部７０は図２に示すように、近接検出部７１と緊急動作生成部７２とを備えている。

近接検出部７１はアーム２０Ａに接近した作業者を検出する。具体的には、近接検出部７１は、第１アーム部２１と第２アーム部２２の各側面から水平方向へ広がった領域に作業者が存在する場合に当該作業者を検出する。このため、図３に示すように、近接検出部７１は、第１アーム部２１の左右の側面２１Ｄ，２１Ｅと、第２アーム部２２の左右の側面２２Ｄ，２２Ｅと、第１アーム部２１と第２アーム部２２との連結部２３と、第２アーム部２２の先端部と、にそれぞれ複数のセンサを備えている。第１アーム部２１と第２アーム部２２の各側面２１Ｄ，２１Ｅ，２２Ｄ，２２Ｅ、連結部２３、第２アーム部２２の先端部で、複数のセンサは距離を置いて配設されている。

本実施形態では、距離を検出できるセンサ、例えば光位置センサ(PSD: Position Sensitive Detector)７５として赤外線距離センサを利用する。図３の符号αは各光位置センサ７５からの赤外線のイメージを表している。なお、図１では各光位置センサ７５の表示を省略している。なお、各アーム部２１，２２のその時々の速度に対応した制動距離に応じて、各アーム部２１，２２に設けた光位置センサ７５の検出距離が設定される。

図４は第１アーム部２１の断面図である。アーム２０Ａを構成するフレーム２１Ａには、スポンジやウレタンなどの緩衝材で構成された外装２１０が取り付けられている。この外装２１０に形成された開口２１１からアーム外側方向を光位置センサ２５が臨むよう、光位置センサ２５は第１アーム部２１に配設されている。
なお、本実施形態で用いる光位置センサ２５としての赤外線距離センサは、出力特性上、作業者が近づき過ぎた場合正確に検出することができないため、外装２１０の厚みは光位置センサ２５の最小検出距離よりも大きく設定されている。この外装２１０によって作業者が光位置センサ２５に正確に検出できないほど近接することを防止できる。さらに、外装２１０は、作業支援システム全体の故障や停電などでの誤動作のときに、作業者に衝突した場合でも、作業者への押し付け力を緩和することができる。

本実施形態の近接検出部７１は、並列分散処理を行う。例えば、図５に示す第１アーム部２１の左側面２１Ｄには８つの光位置センサ７５が設けられているが、長さ方向に所定の間隔で並んだ光位置センサ７５は、基端側から奇数番目が第１群システム７１Ａに属し、偶数番目が第２群システム７１Ｂに属する。そして、第１群システム７１Ａに属する光位置センサ７５からの出力は第１群システム７１Ａの処理部７６Ａに送られる。この第１群システム７１Ａの処理部７６Ａの結果が制御装置５０へ送られる。

このような大量のセンサ群のアナログ信号を個別にＡ／Ｄコンバータでリアルタイムで処理することは、計測システムの規模を考えると現実的ではない。そこで、複数のセンサの入力信号をＯＲ回路で纏めて処理することで、センサの数が多い場合でも、システムの入力チャンネルは少なくて済むように構成した。また、本実施形態では、Ｄ／Ａボードからコンパレータ回路に参照電圧を付加することで、作業者との接近を検出する距離を可変に設定できるようにした。
具体的には、第１群システム７１Ａの処理部７６Ａは、図６に示すように、各光位置センサ７５からの出力が入力される比較回路７７と、各比較回路７７からの出力が入力されるＯＲ論理回路７８と、を備えている。各比較回路７７の参照電圧は、検出距離によって決定され、制御装置５０に接続されたキーボードなどの操作によって設定できる。何れかの比較回路７７から検出した信号がＯＲ論理回路７８へ入力されることで、当該第１アーム部２０の左側の側面に作業者が近接していることが判断される。

第２群システム７１Ｂに属する光位置センサ７５からの出力は、第２群システム７１Ｂの処理部７６Ｂに送られる。第２群システム７１Ｂの処理部７６Ｂは、第１群システム７１Ａの処理部７６Ａと同様に構成されている。

このような分散センシングシステムを備えることで、第１群システム７１Ａでは４個の光位置センサ７５の出力電圧を４個の比較回路７７にそれぞれ入力し、それらの出力が１つのＯＲ論理回路７８へと入力される。第２群システム７１Ｂでも同様のことが行われる。この時、仮に第１群のシステム７１Ａにおいて光位置センサ７５が１つ故障し、センサ７５からの出力電圧が発生しなかった場合、１つの比較回路７７への入力がなくなってしまう。この場合には故障個所以外の光位置センサ７５が機能するので、第１群システム７１Ａでは３個の光位置センサ７５が機能し、第２群システム７１Ｂでは４個の光位置センサ７５全てが機能することとなる。次に、第１群システム７１Ａで１つの比較回路７７が故障した場合に、４つの光位置センサ７５の出力電圧を４つの比較回路７７が処理してＯＲ論理回路７８に入力しても処理されないこととなる。この場合には、第２群システム７１Ｂでは４個の光位置センサ７５全てが機能する。このように、分散センシングシステムを並列にすることによって、片側のシステムが故障しても、もう一方のシステムによって障害物を検出し続けることが可能となる。
このように、同様のセンシングシステムをもう一つ並列に接続することで、片方のセンシングシステムが故障した場合でも作業者との接近の検出を行える。

このような分散センシングシステムは、第１アーム部２１の右側面２１Ｅに設けられる近接検出部７１、第２アーム部２２の左右の各側面２２Ｄ，２２Ｅに設けられる近接検出部７１、第１アーム部２１と第２アーム部２２との関節部２３に設けられる近接検出部７１、第２アーム部２２の先端部に設けられる近接検出部７１にも適用される。

本実施形態では、図３及び下記に示すように、アーム近傍の６つのエリアＡ〜Ｆごとに近接検出部７１が設けられ、各近接検出部７１が分散センシングシステムとして構成されている。
エリアＡ：第２アーム部２２の先端部から第２アーム部２２の延長方向を中心として左右に９０度迄でセンサ検出距離の領域。
エリアＢ：第２アーム部２２の左側面２２Ｄから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
エリアＣ：第２アーム部２２の右側面２２Ｅから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
エリアＤ：第１アーム部２１の先端部から第１アーム部２１の延長方向を中心として左右に９０度迄でセンサ検出距離の領域。
エリアＥ：第１アーム部２１の左側面２１Ｄから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
エリアＦ：第１アーム部２１の右側面２１Ｅから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。

このように、エリアＡ〜Ｆに分けて光位置センサ７５を配設することで、アーム２０Ａの部位ごとに作業者との接近を検出することができる。光位置センサ７５の配置間隔は、アーム２０Ａの側面２１Ｄ，２１Ｅ，２２Ｄ，２２Ｅでは作業者の胴（腰や腹部領域を含む。）を検出できるように、またアーム２０Ａの関節部２３では巻き込みや挟み込みが生じる恐れがあることから作業者の腕を検出できるように設定されている。この配置間隔は、前述の分散センシングシステムにおいて片群のシステムが不動作の場合も作業者の胴程度は検出できるように設定することが望ましい。

これらのエリアＡ〜Ｆの近接検出部７１の何れかで作業者を検出した場合、本実施形態に係る作業支援システム１はアーム２０Ａを制動制御する。

本実施形態では、緊急動作生成部７２がアーム２０Ａの制動制御を行う。緊急動作生成部７２は、前述の並列分散センシングシステムによって作業者との接近を検出した場合、最短距離でアーム２０Ａを停止させることで作業者との衝突を防ぐ。ただし、作業者との接近を検出した際に第１アーム部２１と第２アーム部２２とを動作させる第１モータ３１と第２モータ３２との急停止を行った場合、第１アーム部２１と第２アーム部２２とを動作させる第１モータ３１と第２モータ３２とに搭載されたトルクリミッタが作動することによって第１アーム部２１と第２アーム部２２とが制御不能に陥る可能性がある。この場合、第１モータ３１と第２モータ３２とが停止しても第１アーム部２１と第２アーム部２２とは慣性力によって動き続けることとなり、作業者との衝突が起こり得る。これを防ぐために、トルクリミッタを作動させずにアーム２０Ａを停止させる必要がある。

作業支援システム１が停止指令を受けてからトルクリミッタを作動させずに停止を行うために必要な制動距離は、停止指令を受けて制動制御を開始する時点におけるアーム２０Ａの姿勢やその際の速度に依存する。

本実施形態に係るアーム２０Ａの運動モデルを図７に示す。各パラメータは、第１アーム部２１の質量ｍ₁、第２アーム部２２の質量ｍ₂、保持部２４及び工具の質量ｍ₃、第１アーム部２１の長さｌ₁、第２アーム部２２の長さｌ₂、第１アーム部２１の重心距離ｒ₁、第２アーム部２２の重心距離ｒ₂、第１アーム部２１の慣性モーメントＩ₁、第２アーム部２２の慣性モーメントＩ₂、第１アーム部２１の基端側の軸周りの第１軸トルクＴ₁、第２アーム部２２の基端側の軸周りの第２軸トルクＴ₂とした。作業支援システム１のアーム２０Ａの運動方程式は以下の式となる。式（１）が第１アーム部２１、式（２）が第２アーム部２２を表している。

本実施形態に係る緊急動作生成部７２で用いる制動制御には、図８に示されるブロック図の制御則を用いた。この制御則で停止軌道を求めるために、上式で示したロボットの運動方程式を加速度に関して解いた以下の式（３）、（４）を用いる。式（３）が第１アーム部２１、式（４）が第２アーム部２２を表している。

そこで、緊急動作生成部７２は、上式（３），（４）を用いてトルクリミッタを作動させずに第１アーム部２１及び第２アーム部２２を停止させるために、トルクＴ₁，Ｔ₂にトルクリミッタが作動する限界値を超えないトルクを指令する。トルクリミッタの限界値は、例えば８０［Ｎｍ］であるため、トルクＴ₁，Ｔ₂には８０［Ｎｍ］以下の数値を上限とするトルクの時間推移を代入することとなる。緊急動作生成部７２は、作業者を検出した時点から、アーム２０Ａが停止するまでトルクの指令値を、例えばステップ入力で図８の目標トルク値Ｔ_desに入力する。図８の運動方程式にトルクの指令値、動作中のロボットの角度θ_cur、角速度を代入した後に、アーム２０Ａの目標値となる目標角速度を算出し、サーボドライバへの入力とする。このように動作生成部６３で生成された目標動作に代えて緊急動作生成部７２が緊急動作、つまり制動動作を行うための目標角速度を算出し、この緊急動作に基づいて駆動部３０が各モータ２１，２２を制御する。
この制動制御により、第１アーム部２１と第２アーム部２２の回動が規制され、作業者への到達前に第１アーム部２１と第２アーム部２２とが停止する。
なお、コンピュータが前もってインストールされたソフトウェアを実行することで、緊急動作生成部７２として機能する。

このように本実施形態に係る作業支援システム１によれば、作業者の不意の動きにもアーム２０Ａへの接触を防止することができる。

さらに、本実施形態では、各エリアＡ〜Ｆで作業者を検出するための近接検出部７１が並列分散処理を行う。つまり二つの検出システム７１Ａ，７１Ｂを備えて、一方のシステム７１Ａ（７１Ｂ）に不具合がある場合でも、他方のシステム７１Ｂ（７１Ａ）で作業者を検出することができる。よって、安全性をより高めることができる。

[制動距離と検出距離との関係について]
前述のように、並列分散センシングシステムでは、Ｄ／Ａボード７９（図６参照）から比較回路７７へ入力する参照電圧を変化させることで光位置センサ７５の検出距離を変化させることができる。その際に、光位置センサ７５の検出距離がアーム２０Ａの停止までに必要な制動距離より大きければ、作業者とアーム２０との衝突を未然に防ぐことが可能である。ただし、この検出距離を必要以上に大きく設定してしまうと、アーム２０Ａは作業者に近づくことができず、部品や工具の配送を行うことができない。そこで、アーム２０Ａの運動に応じて光位置センサ７５の検出距離を以下の方法で逐次変更することで、作業者との衝突を防ぎつつ、部品や工具の配送を行う。

検出距離は、アーム２０Ａの運動状態に応じた理論制動距離dsと任意に設定できるアーム停止時の作業者との距離dwを加算することで設定する。理論制動距離dsは、前述のアーム２０Ａのモデルと運動方程式とから制動制御を行った場合の手先の移動距離から算出できる。この制動距離は、作業支援システム１が作業者との接近を検出し、制動制御を開始する時のアーム２０Ａの運動状態に因るため、予めアーム２０Ａの運動計画からその運動を行う際の制動距離を制御周期ごとに求めておく。
しかしながら、実際の制動距離とモデルとから計算した制動距離はモデル化誤差などの影響から一致しない。そこで、１５パターンの手先速度において制動制御実験を行い、実際の制動距離とモデルから計算される制動距離の誤差を求めた。各速度パターンについて、１０回ずつ実験を行った結果を表１に示す。

実際の制動距離に対して標準偏差が十分に小さいことから、制動距離には再現性があるといえる。この結果から、手先速度と制動距離の誤差の関係は図９で示される。この関係を最小二乗法により近似を行い、モデルから求められた制動距離に加算することによって、検出距離の設定に用いる制動距離dsとした。

[評価実験]
本実施形態に係る作業支援ロボットの評価実験を行った。実験で用いた作業支援ロボットのアームの手先軌道を図１０に示す。
作業者は図中に示すＸ位置で作業を行っているものと想定し、手先速度を変えた場合に、アーム停止時の作業者とアーム２０Ａとの距離から、設定された検出距離が適切であったかを確認する。このときdwは１５０[mm]に設定した。
表２は、作業者との接近を検出時の手先速度、検出距離、制動距離、アームと作業者の間の距離を示す。

接近検出時のアーム２０Ａの手先速度が上がるにつれて制動距離が大きくなっていることがわかる。また、それに応じて動作開始位置からのアーム２０Ａが検出されるまでの検出距離も長くなっている。アーム停止時のアーム２０Ａと作業者との距離は、その設定値dw=１５０[mm]とほぼ一致した。

［検出距離とセンサ位置との関係について］
アーム２０Ａが制動制御により緊急停止動作を始めてから止まるまでに起こる姿勢変化自体は、緊急停止動作を始める瞬間の各関節の角度と角速度に依存する。この時、回転関節を軸に回転するアーム２０Ａ上のある点が制動制御に伴う姿勢変化によって停止するまでに移動する距離はそのアーム２０Ａ上での位置に依存する。
例えば、回転関節で接続されたアームであれば、回転中心から遠ければ遠い点ほど制動距離が長くなる。棒状のものが片端を回転中心としてある角速度で動いていた時に，単位時間あたりに動く距離は中心から遠ければ遠いほど長くなるのと同じである。従って、ある瞬間からある時間後に停止するといった場合、この時の制動距離は中心からの距離に応じて変化する。
従って、作業者と衝突する前にアーム２０Ａを停止しようとすると、その際の制動距離はアーム２０Ａ上の位置によって変わる。このことから、各センサ７５の検出距離は、「アーム２０Ａの運動状態に応じて決まる、各センサ７５の設置位置の制動距離」に合わせて検出距離を変化させる必要がある。つまり、各アーム部２１，２２のその時々の速度に対応した制動距離に応じて、各アーム部２１，２２に設けた光位置センサ７５の検出距離が設定される。

以上説明したが、本発明は発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施をすることができる。

（１）搬送機構
搬送機構２０は、図１に示すロボットアーム２０Ａのように関節を複数持つものでなく、1自由度の直動テーブルのように、工具、部品の何れか又は双方を搬送するものであればよい。さらに３自由度以上の多関節のロボットアームでもよい。また、搬送機構は台車として構成されてもよい。
搬送機構２０を構成するロボットアーム２０Ａは、図１に示すようにベースフレーム１０に駆動可能に取り付けられていても、製造ラインの固定設備に取り付けられていても、台車のような移動可能なものに取り付けられていてもよい。
このように、作業エリアで可動する搬送機構の駆動部にはトルクリミッタが搭載され、規定値以上の力が加わる場合には搬送機構がフリーとなる。またこの搬送機構にセンサが設けられ、当該センサによって作業者を検出した場合に搬送機構の移動が抑制される。具体的には、作業を検知した際の姿勢や速度に応じて、速度を減少させるサーボ制御を行う。例えば、台車であれば車輪を回転させるサーボモータを制御する。その際、台車の運動方程式と速度と位置とに基づいて、台車を所定距離内で停止させるための加速度を求めて、サーボ制御を行う。搬送機構がＸＹステージであれば、ステージの各軸方向への移動を減少させるサーボ制御をＸＹステージの運動方程式から導き、サーボ制御を行う。

（２）搬送機構の移動方向
前述の説明では、搬送機構としてアーム２０Ａは水平方向であったが、搬送機構の移動方向は水平に代えて上下方向、或いは三次元方向であってもよいことは勿論である。

（３）用途
作業支援システムの用途は、自動車の組立に限定されるものではない。

（４）センサ
搬送機構の移動に伴って近接領域の作業者を検出するセンサは、光位置センサに限定されるものではなく、電波や超音波などを利用するセンサであってもよい。比較回路の参照電圧は、検出距離の関係がセンサの種類によって異なるため、各センサに応じて参照電圧が設定される。

（５）並列分散処理
上記説明では、並列分散処理として２系統を扱う場合を説明したが、３系統以上を並列処理してもよい。また、並列処理を省略しても本発明を構成できることは勿論である。

（６）各センサの検出距離
アーム以外の搬送機構においても、各センサの検出距離は、センサの取付位置とその位置での搬送機構の運動状態に基づいた制動距離とに応じて、作業者との接触を回避するように設定される。

１作業支援システム
１０ベースフレーム
２０アーム
２１第１アーム部
２２第２アーム部
２３連結部
３０駆動部
３３，３４，３５，３６タイミングプーリ
４０計測部
５０制御装置
６０支援動作制御部
６１作業モデル生成部
６２作業推定部
６３動作生成部
７０緊急動作制御部
７１近接検出部
７２緊急動作生成部
７５光位置センサ

Claims

連結部を介して複数のアーム部を連結して構成されたアームを備え、工具、部品の何れか又は双方を搬送する搬送機構と、
モータ及び該モータに搭載されたトルクリミッタを備え、上記搬送機構を動作させる駆動部と、
上記搬送機構の移動方向の領域で作業者を検出する検出部と、
上記検出部で作業者を検出した場合に、上記トルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクで上記モータを駆動して、上記搬送機構の移動を規制する緊急動作生成部と、
を備え、
上記緊急動作生成部は、上記検出部が作業者を検出すると、上記アームの運動モデルから、上記トルクリミッタの作動限界値を超えないトルクの値を指令値として求め、動作中の上記アーム部の角度、角速度及び上記指令値から上記アーム部の目標値となる角速度を算出し上記モータに入力することにより、上記トルクリミッタを動作させずに上記搬送機構を停止する、
作業支援システム。
前記検出部は、群システムの何れかに属し、前記アーム部の各側面に間隔をおいて配置される複数のセンサと、上記複数のセンサからの信号を分散して処理する群システム毎の処理部と、を備え、
少なくとも一の群システムの処理部でセンサからの出力を受けると前記緊急動作生成部が前記搬送機構の移動を規制する、請求項１に記載の作業支援システム。
前記処理部は、群システム毎に当該群システムに属する前記センサから出力される電圧信号の入力を受ける比較回路を備え、
入力された電圧信号と検出位置で定まる参照電圧とを各比較回路が比較し、各比較回路からの出力に応じて前記緊急動作生成部が前記アームを制動制御する、請求項２に記載の作業支援システム。
各センサの検出距離は、前記搬送機構の運動状態に基づいて決まる各センサの設定位置の制動距離に応じて設定されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の作業支援システム。