JP2016014572A

JP2016014572A - 安全制御装置および安全制御システム

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Publication number: JP2016014572A
Application number: JP2014136153A
Authority: JP
Inventors: 博之國分; Hiroyuki Kokubu
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: JP6375728B2

Abstract

【課題】監視対象エリアにおいて監視対象物の表面各部の３次元位置座標を求め、それに基づき適切な安全機能を実行することができる安全制御装置を提供する。
【解決手段】危険源検出部２３および作業者検出部２４は、距離測定装置１が取得する監視対象エリア内の危険源および作業者までの距離データから３次元位置座標を求め、この３次元位置座標に補間処理を施して、危険源および作業者の表面各部の３次元位置座標を求める。最短距離探索部２７は、補間処理後の危険源および作業者の３次元位置座標を基に、各々の最短距離を探索する。安全機能割当部２８は、最短距離探索部２７により探索された最短距離に基づいて安全機能を選択する。外部通信手段３は、選択された安全機能を示す安全信号を外部の安全関連機器７に送信する。
【選択図】図６

Description

この発明は、制御室・機械室等においてサーボやインバータ等のドライブ機器を安全な状態に維持する安全制御装置および安全制御システムに関する。

工場等のファンやポンプ、エレベータ、ビルの機械室、製造装置の駆動部分等には、サーボやインバータなどのパワーエレクトロニクスを用いたドライブ機器が使用されている。近年、この種のドライブ機器について安全のニーズが高まっており、工場等ではドライブ機器を安全な状態に維持する安全制御システムが構築されている。この種の安全制御システムに関しては、監視対象エリアに設置された監視装置が取得する情報を基に、監視対象物の位置や形状を特定する技術が提案されている。

例えば、特許文献１に開示された三次元監視装置は、監視対象となる３次元空間に向けて、光源ユニットから赤外光等のパターン光を照射し、監視空間の背後に設置されたスクリーンにパターン映像を映し出す。そして、監視対象となる三次元空間内に侵入物体が存在しない状態でスクリーンに映し出されたパターン映像をカメラで撮像し、これをリファレンス画像とする。ここで、監視対象の３次元空間内に人や物等の物体が進入すると、スクリーンに映し出されるパターン映像が変化する。そこで、カメラによって撮像されるパターン映像をリファレンス画像と比較することにより侵入物体を検出し、三角測量の原理を利用して侵入物体の存在位置を算出する。

また、特許文献２の第２実施形態に開示の監視装置は、左側に位置する第１の光学系と右側に位置する第２の光学系からなる左右一対の光学系を３次元領域に設置する。各々の光学系は、互いに平行で、かつ所定の距離だけ隔離された光軸を有するステレオカメラを構成している。各々の光学系は、予め、検知対象となる３次元領域に侵入物体が存在しない状態で画像（初期画像）を取得する。そして、各々の光学系により撮像される画像を初期画像と比較することにより侵入物体を検出し、各々の光学系の撮像画面における侵入物体の占める位置に基づき、三角測量の原理により侵入物体までの距離を計測する。これにより、侵入物体の位置や動きを３次元領域の左右方向のみならず、前後方向についても正確に監視することができる。

さらに、特許文献２の第３実施形態に開示の監視装置は、投光手段からパルス状に放射されたレーザビーム光を走査手段により面上に照射させ、照射されたレーザビーム光が物体に反射して戻ってきた反射光を受光手段により受光する。そして、レーザビーム光の投受光時間差に基づいて光レーダ法により反射物体までの距離を単位走査角度ごとに計測する。このため、監視対象領域内の侵入物体を正確かつ立体的に認識することができる。

特開２００３−２６９９１５号公報特開２００３−２７２０６１号公報

しかしながら、特許文献１の監視装置では、侵入物体において光源ユニットに対向する側の面の輪郭形状しかパターン映像から検出することができず、侵入物体の３次元形状および３次元空間内での位置を検出することがない。ここで、侵入物体の３次元形状および３次元空間内での位置を検出するために、光源ユニットおよびカメラユニットを複数組設置して、それぞれ異なる方向から照射・撮像を行うことで、侵入物体の表面各部の位置座標を全面にわたり特定することが考えられる。しかし、この場合、光源ユニットおよびカメラユニットの追加分だけコストが増加する問題がある。

特許文献２の第２実施形態に示す監視装置は、各光学系に対向する侵入物体の面を撮像することはできても、その裏側の領域を撮像することはできない。従って、特許文献２の監視装置では、侵入物体において各光学系に対向する側の裏側の領域の位置座標を特定することができない。また、特許文献２の第３実施形態に示す監視装置では、監視装置からレーザビーム光の反射面までの距離は計測することができるが、レーザビーム光の照射が遮られる反射物体の背後の領域までの距離を計測することはできない。このため、特許文献２の第３実施形態に示す監視装置では、レーザビーム光の照射が遮られる反射物体の背後の領域の位置座標を特定することができない。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、監視対象エリアにおいて監視対象物の表面各部の３次元位置座標を求め、それに基づき適切な安全機能を実行することができる安全制御装置を提供することを目的としている。

この発明は、距離測定装置により測定された監視対象エリア内の作業者までの距離を示す距離データに基づいて、前記監視対象エリアにおいて前記作業者が占める３次元領域の少なくとも一部の領域の３次元位置座標を求め、この３次元位置座座標に補間処理を施すことにより、前記作業者が占める３次元領域のより広い範囲の領域の３次元位置座標を求める対象検出手段と、前記監視対象エリアにおいて危険源が占める３次元領域と前記作業者が占める３次元領域との間の最短距離を探索する最短距離探索手段と、前記最短距離探索手段により探索された最短距離に基づいて安全機能を選択する安全機能割当手段とを具備することを特徴とする安全制御装置を提供する。

かかる発明によれば、補間処理により、監視対象エリアにおいて作業者が占める３次元領域の表面各部の３次元位置座標が求まる。従って、距離測定装置を利用した簡単な構成により、作業者の各部と危険源の正確な位置関係を求め、安全機能を実行することができる。

この発明の一実施形態である安全制御装置を含む安全制御システムの適用例を示す図である。同安全制御システムから機械室を見下ろした様子を例示する図である。同安全制御システムの構成を示すブロック図である。同実施形態における距離測定装置１が行う処理を説明する図である。同実施形態における距離測定装置１が出力する距離データの内容を例示する図である。同安全制御システムの構成を示すブロック図である。同実施形態における安全信号の構成例を示す図である。同実施形態における安全機能の内容を示す図である。同実施形態のブラックチャネルによる通信において行っている安全対策を示す図である。同実施形態の動作を示すフローチャートである。同実施形態における監視対象エリアの環境を例示する図である。同監視対象エリアにおける作業者と危険源の移動範囲を示す図である。同実施形態において３次元位置座標に変換された危険源Ｍおよび作業者Ｐの表面各部を例示する図である。同実施形態における危険源領域および作業者領域を例示する図である。同実施形態において行われる補間処理を説明する図である。同実施形態における危険源および作業者の検出結果を例示する図である。同実施形態におけるマッピング処理の結果を例示する図である。同実施形態におけるラベリング処理の結果を例示する図である。同実施形態において抽出された特徴量を例示する図である。同実施形態において行われる最短距離探索処理を例示する図である。同最短距離探索処理の結果を例示する図である。同実施形態における最短距離に基づく安全機能の割り当て方法を例示する図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。

図１はこの発明の一実施形態である安全制御装置２（図１では図示略）を含む安全制御システム１００の適用例を示す図である。図示の例では、機械室１０１の天井１０２に安全制御システム１００が設置されている。図１に示す例では、安全制御システム１００は、機械室１０１内の床１０３の上の空間を監視対象エリアとして監視し、監視対象エリアにおいて危険源Ｍと作業者Ｐとが接近したことを検知した場合に、適切な安全機能を指示する安全信号を発生し、安全関連機器に供給するものである。図２は安全制御システム１００から見た機械室１０１を例示する図である。この例において、機械室１０１には、危険源Ｍと、作業者Ｐと、加工物１０４ａを搬送するベルトコンベア１０４がある。ここで、危険源Ｍは、動く物、例えば可動範囲が広い多関節ロボット、搬送装置等、作業者Ｐが接触すると危険な装置である。作業者Ｐは人間である。

図３は安全制御システム１００の構成を示すブロック図である。この安全制御システム１００は、距離測定装置１と、本実施形態による安全制御装置２と、外部通信手段３と、パラメータ設定装置８と、記憶装置９を有する。

距離測定装置１と安全制御装置２は、例えば高速シリアル通信（ＳＰＩ、Ｉ２Ｃ）等やパラレルバス通信を行うための距離データ伝送手段４を介して接続されている。ここで、安全制御装置２は、機能安全の冗長性を担保するため、単一で機能安全の要求を満たすマイクロプロセッサ、もしくは複数の一般的なマイクロプロセッサを用いる必要がある。

外部通信手段３は、例えばＲＳ４８５に準拠した差動通信用部品、もしくはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の通信ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ；特定用途向集積回路）等が使用される。この外部通信手段３は、安全制御装置２から受信した安全信号を伝送手段６により安全関連機器７に送信する。安全関連機器７は、安全信号に応じて、ロボット等の危険源Ｍを停止させ、あるいは減速させる制御を行う。

安全制御システム１００において、安全制御装置２と外部通信手段３は処理結果伝送手段５を介して相互に接続されている。安全制御装置２は、外部通信手段３へ安全機能を示す安全コマンドを送る際の経路の一部として、この処理結果伝送手段５を用いる。

距離測定装置１は、監視対象エリア内の危険源Ｍや作業者Ｐなどの監視対象物の表面各部までの距離を測定し、測定した距離を示す距離データを出力する装置である。複数台の撮像装置からなるステレオカメラや、レーザ光を利用した３次元スキャナ等がこの距離測定装置１として使用される。

本実施形態における安全制御装置２は、この距離測定装置１が出力する距離データに基づいて、危険源Ｍや作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標を求める。そして、安全制御装置２は、危険源Ｍや作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標に基づいて、危険源Ｍと作業者Ｐとの間の最短距離を求め、この最短距離に基づいて、起動すべき安全機能を選択する。

パラメータ設定装置８は、安全制御装置２が、距離データから危険源Ｍや作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標を求める処理を実行する際に必要となる各種のパラメータを作成し、記憶装置９を介して安全制御装置２に供給する装置である。

図４は、監視対象エリアに設置された距離測定装置１が行う処理を説明する図である。図４に例示する監視対象エリアにはｘｙｚ座標系が設定されており、監視対象エリア内に作業者Ｐが所在している。この例では、距離測定装置１は、２台の撮像装置からなるステレオカメラである。図４では、図面が煩雑になることを防止するため、撮像装置１０が１台だけ図示され、撮像装置１０の撮像面のみが示されている。この撮像装置１０の撮像面には、ｕｖ座標系が設定されている。

図４では、作業者Ｐの表面各部のうち、撮像装置１０に対向する側が実線で、その裏側が破線で示されている。撮像装置１０は、作業者Ｐにおいて撮像装置１０と対向する領域（実線領域）を撮像する。撮像装置１０が作業者Ｐを撮像すると、図４に示すように撮像面に作業者Ｐの実線で示した領域の像が結像する。同様に、撮像装置１０以外のもう１台の撮像装置の撮像面にも、この作業者Ｐの像が結像する。

距離測定装置１は、このようにして２台の撮像装置によって撮像された作業者Ｐの像の各部の撮像画面内での位置（すなわち、ｕｖ座標）に基づいて、三角測量の原理により、一方の撮像装置１０から作業者Ｐの表面各部までの距離を算出する。例えば、撮像装置１０の撮像面（ｕｖ座標面）に結像した作業者Ｐの像において、作業者Ｐの各部Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３に対応する点をＰ_１’（ｕ_１，ｖ_１）、Ｐ_２’（ｕ_２，ｖ_２）、Ｐ_３’（ｕ_３，ｖ_３）とした場合、三角測量の原理により撮像装置１０から点Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３までの距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を算出するのである。

図５は、距離測定装置１から出力される距離データの内容を例示する図である。図５に示す例では、ｕｖ座標系の位置Ｐ_１’、Ｐ_２’、Ｐ_３’に距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３が対応付けられている。距離測定装置１は、撮像装置１０の撮像面における作業者Ｐの像の各位置（ｕｖ座標）と、各位置に対応付けられた距離ｄとの組からなる距離データ（ｕｖｄ座標データ）をパラメータ設定装置８および安全制御装置２に出力する。

以上、作業者Ｐについて距離データを算出する例を説明したが、距離測定装置１は、監視対象エリア内の危険物についても同様な処理により距離データを算出する。
以上が距離測定装置１の処理内容である。

図６は安全制御システムの詳細な機能構成を示すブロック図である。図６に示すように、パラメータ設定装置８は、辞書データ作成部８Ａを有する。この辞書データ作成部８Ａは、領域データと辞書データを作成する。

領域データは、監視対象エリアのうち危険源Ｍが存在する可能性のある領域（以下、危険源領域という）を示す領域データと、作業者Ｐが存在する可能性のある領域（以下、作業者領域という）を示す領域データとからなる。危険源領域の領域データを作成するため、パラメータ設定装置８は、監視対象エリア内に作業者Ｐが存在しない環境で危険源を稼働させる。そして、パラメータ設定装置８は、このとき距離測定装置１によって算出される危険源Ｍの距離データを取得し、取得した距離データの集合を用いて危険源領域を示す領域データを作成する。同様に、パラメータ設定装置８は、監視対象エリアに作業者Ｐが存在する環境で、距離測定装置１から距離データを取得し、この取得した距離データの中から危険源領域内のものを除去する。そして、パラメータ設定装置８は、除去されずに残った距離データの集合に基づいて作業者領域を示す領域データを作成する。危険源領域の領域データおよび作業者領域を示す領域データは、安全制御装置２において、距離測定装置１から取得した距離データが危険源領域内の位置を示すのか、作業者領域内の位置を示すのかの確認を行うために用いられる。

次に辞書データについて説明する。図４に例示するように、距離測定装置１が距離データを求める範囲は、作業者Ｐの表面各部のうち、撮像装置１０と対向する側（実線部）のみである。そこで、安全制御装置２では、作業者Ｐの実線部の距離データ（ｕｖｄ座標データ）をｘｙｚ座標系の３次元位置座標に変換し、この作業者Ｐの実線部の３次元位置座標に補間処理を施すことにより、実線部の背後の点線部の領域の３次元位置座標を推定する。危険物Ｍが占める３次元領域の３次元位置座標についても同様である。

辞書データは、この補間処理を行うために参照するデータである。例えば図４に例示する作業者Ｐの場合、作業者Ｐの実線部の３次元位置座標から、実線部の背後の点線部の領域の３次元位置座標を求める補間処理を行うために、作業者Ｐの体の厚み等、作業者Ｐの立体的形状を表す情報が必要になる。そこで、辞書データ作成部８Ａは、この作業者Ｐの立体的形状を表す情報を辞書データとして作成する。この辞書データの基となる情報は、例えば図示しない操作手段あるいはホストコンピュータから入力される。

パラメータ設定装置８は、辞書データ作成部８Ａが作成した領域データおよび辞書データを記憶装置９に格納する。この記憶装置９は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）により構成されている。

図６において、距離測定装置１の距離測定部１Ａは、上述した２台の撮像装置を利用して監視対象物の表面各部までの距離を示す距離データ（ｕｖｄ座標データ）を出力する装置である。安全制御装置２における距離データ取得部２１は、この距離測定部１Ａから距離データを取得する手段である。

距離データ異常検出部２２は、距離データ取得部２１が取得した距離データを、記憶装置９から読みだした領域データと比較することにより、取得した距離データに異常がないかの確認処理を行う。より詳細には、距離データ異常検出部２２は、距離測定部１Ａから取得した距離データが、領域データが示す危険源領域および作業者領域以外の領域内の位置を示す場合に、想定される危険源Ｍ、作業者Ｐ以外の何らかの物体が監視エリアに侵入したか、あるいは距離測定装置１が故障する等の異常が発生したと判断する。この場合、距離データ異常検出部２２は、安全機能割当部２８に危険源Ｍを停止させるための安全機能を選択させる。

危険源検出部２３および作業者検出部２４は、距離測定装置１が取得する監視対象エリアの危険源Ｍおよび作業者Ｐの距離データを基に生成された３次元位置座標に補間処理を行い、監視対象エリアにおいて危険源Ｍおよび作業者Ｐが各々占める３次元領域の表面各部の３次元位置座標を求める対象検出手段を構成している。

さらに詳述すると、危険源検出部２３は、距離データ異常検出部２２が取得した距離データの中から、領域データが示す危険源領域内の位置を示す距離データを選択し、この選択した距離データを基に危険源Ｍの表面各部の３次元位置座標を算出する。このとき算出される３次元位置座標には、危険源Ｍの表面各部のうち、距離測定装置１と対向する側の裏側の３次元位置座標は含まれていない。そこで、危険源検出部２３は、記憶装置９内の辞書データを用いて、距離データから算出した危険源Ｍの表面各部の３次元位置座標に補間処理を施す。これにより、危険源検出部２３は、距離測定装置１が距離データを取得することができない危険源Ｍの裏側の領域の３次元位置座標を推定する。なお、補間処理の詳細は後述する。

作業者検出部２４は、危険源検出部２３が取得した距離データの中から、領域データが示す作業者領域内の位置を示す距離データを選択し、この選択した距離データを基に作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標を算出する。このとき算出される３次元位置座標には、作業者Ｐの表面各部のうち、距離測定装置１と対向する側の裏側の３次元位置座標は含まれていない。そこで、作業者検出部２４は、記憶装置９内の辞書データを用いて、距離データから算出した作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標に補間処理を施す。これにより、作業者検出部２４は、距離測定装置１が距離データを取得することができない作業者Ｐの裏側の領域の３次元位置座標を推定する。

マッピング部２５は、監視対象エリアを示す監視テーブルを記憶している。この監視テーブルは、監視対象エリアを３次元空間として見立てて、これを３次元のデータテーブルとして定義したものである。マッピング部２５は、危険源検出部２３により検出された危険源Ｍと作業者検出部２４により検出された作業者Ｐの大まかな位置情報および形状情報を監視空間テーブルにマッピングする。

ラベリング部２６は、監視テーブルにマッピングされた危険源Ｍおよび作業者Ｐの各データにラベル付けをする手段である。最短距離探索部２７は、ラベリング部２６の処理結果に基づき、危険源Ｍの画像と作業者Ｐの画像の最短距離を探索する手段である。安全機能割当部２８は、最短距離探索部２７により探索された最短距離に基づいて、動作させるべき安全機能を選択し、安全機能を示す安全コマンドを安全信号伝送部３Ａに供給する。

図７はこの場合の安全信号の構成を示す図である。図７に示すように、安全信号は安全制御システム１００を構成する安全制御装置２の安全機能割当部２８が選択した安全機能を各々示す複数の安全コマンドを時間多重した信号である。図７に示す例では、１個の安全コマンドは８ｂｉｔからなり、各ｂｉｔは各々安全機能に対応している。そして、安全コマンドでは、安全機能割当部２８が選択した安全機能に対応したｂｉｔが“１”とされ、他の安全機能に対応したｂｉｔが“０”とされる。図８は安全コマンドの各ｂｉｔに対応した安全機能の例を示す図である。

図６において、外部通信手段３は安全信号伝送部３Ａを有する。この安全信号伝送部３Ａは、安全機能割当部２８が選択した安全機能を外部の安全関連機器７に送信する。その際、安全信号伝送部３Ａは、安全機能割当部２８から受け取った安全信号の形式をブラックチャネルと呼ばれる機能安全規格や仕様で規定された方法に従う形式に変更する。これは、信号の伝送路上で、断線やビット化け、データの入れ違い等によって安全信号が不正なものにならないようにするためである。このため、安全信号伝送部３Ａは、例えばＩＥＣ６１７８４−３で定義される機能安全通信フィールドバスシステムに定義されているような技術を適用することもできる。

図９は安全信号伝送部３Ａによる安全信号の送信に適用される伝送エラー防護策の例を示すものである。この例において安全信号伝送部３Ａは、安全信号等のメッセージをフレーム化して送信する際、シーケンス番号とタイムスタンプを付加して送信する。また、安全信号伝送部３Ａは、フレームを送った場合に、それに対する確認応答を送信先から受け取ることによりメッセージの整合性を確認する。また、安全信号伝送部３Ａは、フレームを送った場合に規定時間の計時を行い、送信先からの確認応答を受信することなくタイムアウトとなった場合には、当該フレームの再送等の適切な処理を行う。また、安全信号伝送部３Ａは、独自のコードを用いて送受信元の確認を行う。また、安全信号伝送部３Ａは、データの送受信に当たって、改ざんを防ぐための冗長検査やＣＲＣの付加を行う。さらに安全信号伝送部３Ａは、複数チャネルを介して同一メッセージを受信して相互に比較する。また、安全信号伝送部３Ａは、安全関連系の機器との通信では、非安全関連系の機器との通信と異なり、より厳密な方式によりデータの完全性を保証する。

図１０は本実施形態の動作を示すフローチャートである。以下、この図を参照し、本実施形態の動作を説明する。本実施形態では、まず、距離データ取得部２１が距離測定装置１から監視対象エリアの距離データを取得する（ステップＳ１）。次に距離データ異常検出部２２は、距離データ取得部２１から距離データを取得すると、記憶装置９から読みだした領域データと比較することにより、取得した距離データに異常がないかの確認処理を行う（ステップＳ２）。図１１は距離データ取得部２１によって取得され、距離データ異常検出部２２により異常のないことが確認された監視対象エリアの様子を例示するものである。この例において、監視対象エリアには、危険源Ｍと、作業者Ｐ１およびＰ２と、加工物１０４ａを搬送するベルトコンベア１０４がある。図１２は、監視対象エリアにおける作業者Ｐ１およびＰ２の移動可能範囲１０５と、危険源Ｍの移動可能範囲１０６が例示されている。本実施形態では、図１２に例示するように、危険源Ｍと作業者Ｐ１およびＰ２の両方が移動可能であり、互いの移動可能範囲が重複する。従って、時々刻々と変化する危険源Ｍと作業者Ｐ１およびＰ２の位置関係を監視し、両者が所定限度を越えて接近した場合に適切な安全機能を働かせる必要がある。本実施形態による安全制御装置２は、この適切な安全機能を働かせるための制御を行う。

距離データ異常検出部２２の確認処理において異常が認められない場合、危険源検出部２３および作業者検出部２４は、辞書データおよび領域データを記憶装置９から取得する（ステップ３）。一方、距離データ異常検出部２２の確認処理において異常が認められた場合、距離データ異常検出部２２は、安全機能割当部２８に危険源Ｍを停止させるための安全機能を選択させる。危険源検出部２３は、距離データ異常検出部２２が取得した距離データのうち領域データが示す危険源領域内の位置を示す距離データを選択し、この選択した距離データから危険源Ｍの表面各部の３次元位置座標を算出し、その３次元位置座標に補間処理を行う（ステップ４）。作業者検出部２４は、距離データ異常検出部２２が取得した距離データのうち領域データが示す作業者領域内の位置を示す距離データを選択し、この選択した距離データから作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標を算出し、その３次元位置座標に補間処理を行う（ステップ５）。

以下、図１３〜図１５を参照しながら、危険源検出部２３および作業者検出部２４が実行する具体的な処理の流れの説明を行う。図１３は、距離測定装置１から取得される距離データを座標変換することにより得られる危険源Ｍおよび作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標を例示する図である。図１４には、図１３に示す危険源Ｍおよび作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標に加えて、記憶装置９内の領域データが示す危険源領域１０７および作業者領域１０８が点線で示されている。

図１４において、危険源検出部２３は、距離測定装置１から取得される距離データのうち領域データが示す危険源領域１０７内の位置に対応した距離データに座標変換を施し、距離測定装置１と対向する危険源Ｍの表面各部の３次元位置座標を求める。同様に、作業者検出部２４は、距離測定装置１から取得される距離データのうち領域データが示す作業者領域１０８内の位置に対応した距離データに座標変換を施し、距離測定装置１と対向する作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標を求める。次に、危険源検出部２３は、距離測定装置１と対向する危険源Ｍの表面各部の３次元位置座標に肉付けする補間処理を実行する。同様に、作業者検出部２４は、補間処理を実行することにより、距離測定装置１と対向する作業者Ｐの表面各部の３次元位置座標に肉付けする補間処理を実行する。

具体的には、危険源検出部２３は、図１５に示すように、危険源領域１０７において、ボックスのエッジ部を危険源Ｍの表面各部に位置させ、危険源Ｍの表面各部に複数の立方体のボックスを配置する。これらのボックスの大きさは、辞書データにより定義されている。図示のようにボックスを配置すると、各ボックスにおいて、危険源Ｍの表面各部と反対側のエッジ部は、危険源Ｍにおいて距離測定装置１に対向する側の裏側の領域にほぼ位置する。そこで、この裏側の領域に位置する各ボックスのエッジ部の３次元位置座標を補間処理結果として求める。同様に、作業者検出部２４は、作業者領域１０８内において、ボックスのエッジ部を作業者Ｐの表面各部に位置させ、距離測定装置１に対向する側の裏側の領域における３次元位置座標を求める。以上、危険源検出部２３および作業者検出部２４が行う補間処理の内容を視覚的に理解し易いようにボックスを用いて説明した。しかし、このような補間処理は、距離データに座標変換を施すことにより得られた各３次元位置座標に対して所定の定数を加算する、という簡単な演算処理により実現可能である。

図１６は危険源Ｍおよび作業者Ｐの検出結果を示す図である。図１６に示すように、危険源検出部２３および作業者検出部２４は、補間処理後の危険源Ｍおよび作業者Ｐが占める各３次元領域の３次元位置座標を基に、３次元空間上に各々を配置し２値化する。そして、危険源Ｍおよび作業者Ｐの占有領域を検出し、それらを監視テーブルにマッピングする。

図１７はこのマッピング結果の例を示すものである。図１７において、Ｒ０は監視テーブルにおいて危険源Ｍがマッピングされた領域、Ｒ１およびＲ２は作業者Ｐ１およびＰ２がマッピングされた領域である。なお、この図１７では、理解を容易にするため、図１６に示す危険源Ｍ、作業者Ｐ１およびＰ２がマッピング結果とともに示されている。

本実施形態において、監視対象エリアのサイズと監視テーブルのサイズは相関関係にある。監視対象エリアのサイズが５０×２０×１０ｍであった場合、例えば監視テーブルは５００×２００×１００単位の３次元データテーブルとなる。この場合、監視対象エリアにおいて、監視テーブルの１単位に相当する３次元領域のサイズは、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍとなる。

監視テーブルの各単位に如何なるデータを書き込むかは次のようにして決定される。まず、監視対象エリアにおいて、監視テーブルの１単位に相当する３次元領域の少なくとも一部を作業者Ｐが占めている場合、その３次元領域内において作業者Ｐの占めている体積を所定の閾値と比較する。そして、作業者Ｐの占めている体積が所定の閾値以上である場合、その監視テーブルの１単位に作業者Ｐの存在を示すデータを書き込む。また、監視対象エリアにおいて、監視テーブルの１単位に相当する３次元領域の少なくとも一部を危険源Ｍが占めている場合、その３次元領域内において危険源Ｍの占めている体積を所定の閾値と比較する。そして、危険源Ｍの占めている体積が所定の閾値以上である場合、その監視テーブルの１単位に危険源Ｍの存在を示すデータを書き込む。この場合の閾値は、安全制御装置２に対する設定操作によって変更可能である。

また、作業者Ｐまたは危険源Ｍの存在を示すデータを監視テーブルの１単位に書き込む際、作業者Ｐの存在を示すデータは例えば０ｘ０１、危険源Ｍの存在を示すデータは例えば０ｘＦ１とする。このようにすることで、監視テーブルの各単位に書き込まれたデータから、その単位に対応した領域を占めているのが作業者Ｐであるか危険源Ｍであるかを区別することができる。

以上の処理が終了すると、図１０のステップＳ６に進み、危険源Ｍと作業者Ｐのクラスタリングを行う。このクラスタリングでは、ラベリング部２６が、監視テーブルの各単位を確認し、作業者Ｐまたは危険源Ｍを示す同一データが書き込まれた単位からなる連続領域の各単位をグループ化し、そのグループの各単位に共通のラベルを付けるラベリングを行う。

具体的には、ラベリング部２６は、ある単位に作業者Ｐを示すデータ０ｘ０１が書き込まれていた場合、その単位に隣接する各単位の中にデータ０ｘ０１が書き込まれている単位があるか否かを判定する。そして、該当する単位があれば、作業者Ｐを示すデータ０ｘ０１が書き込まれているグループの中にその単位を加える。このような処理を繰り返すことにより作業者Ｐを示すデータ０ｘ０１が書き込まれた単位からなる連続領域の各単位のグループが得られる。同様にして、危険源Ｍを示すデータが書き込まれた単位のグループも得られる。

図１８はこのラベリング処理を経た監視テーブルの内容を例示している。この例では、監視テーブルにおいて、危険源Ｍが占有している連続領域Ｒ０内の各単位にはラベル０ｘＦ１が付けられ、作業者Ｐ１が占有している連続領域Ｒ１内の各単位にはラベル０ｘ０１が付けられ、作業者Ｐ２が占有している連続領域Ｒ２内の各単位にはラベル０ｘ０２が付けられている。連続領域Ｒ１に付けられているラベルと連続領域Ｒ２に付けられているラベルとが異なるのは、連続領域Ｒ１およびＲ２が相互に連続しておらず、各々別個の連続領域だからである。

ラベリング処理により、危険源Ｍを示す単位のグループ（連続領域Ｒ０）、作業者Ｐ１を示す単位のグループ（連続領域Ｒ１）、作業者Ｐ２を示す単位のグループ（連続領域Ｒ２）が得られると、ラベリング部２６は、グループ毎に特徴量抽出処理を行い、各グループの大きさや重心、体積を求める。図１９はこの特徴量抽出処理の結果を例示するものである。

以上のようにしてラベリング部２６によるクラスタリング（ステップＳ６）が終了すると、最短距離探索部２７は、図２０に例示するように、クラスタリングにより得られた危険源Ｍのグループ、作業者Ｐ１のグループ、作業者Ｐ２のグループの各グループ間の最短距離を探索する（ステップＳ７）。図２０に示す例では、監視テーブル上における作業者のデータの各位置と、危険源のデータの各位置のユークリッド距離を算出している。作業者と危険源との距離の定義に関しては複数種類が考えられる。最短距離探索部２７は、ユークリッド距離以外の距離を算出してもよい。この処理は、監視テーブル上において作業者を示す各データと危険源を示す各データの間で行われる。最短距離探索部２７は、このようにして算出した距離の中で、もっとも短い距離を探索対象の作業者と危険源の距離とする。図２１はこの最短距離探索部２７の演算処理により算出された作業者Ｐ１およびＰ２の各々と危険源Ｍとの最短距離を例示するものである。

次に安全機能割当部２８は、最短距離探索部２７により探索された最短距離に基づいて、動作させるべき安全機能を選択する（ステップＳ８）。この安全機能の選択を行うために、安全機能割当部２８は、図２２に示すように、作業者と危険源の最短距離と、この最短距離が探索されたときに選択する安全機能との関係を示すテーブルを記憶している。安全機能割当部２８は、このテーブルにおいて、最短距離探索部２７により探索された最短距離に対応付けられた安全機能がある場合には、その安全機能を選択する。

好ましい態様において、安全機能割当部２８は、安全機能を選択するに当たって、上述した特徴量抽出処理により得られた特徴量を参照する。具体的には、特徴量抽出処理により選られた作業者、危険源の大きさや重心、体積が予め定められた範囲内の値であるか否かを判断する。そして、作業者、危険源の大きさや重心、体積が予め定められた範囲から外れている場合、通常の安全機能とは異なる安全機能、例えば監視員を呼び出す等の安全機能を選択する。

次に安全信号伝送部３Ａは、安全機能割当部２８から受け取った安全コマンドを示す安全信号を安全関連機器７に送信する（ステップＳ９）。

なお、安全機能割当部２８により安全コマンドが出力されなかった場合、安全信号伝送部３Ａは、異常がない旨の信号を安全関連機器７に送信する。
以上が本実施形態の動作である。

以上説明したように、本実施形態によれば、距離測定装置１が取得した距離データを３次元位置座標に変換し、この３次元位置座標に補間処理を行うため、危険源Ｍおよび作業者Ｐの表面各部のうち、距離測定装置１が距離データを取得することができない領域の３次元位置座標を推定することができる。従って、本実施形態によれば、距離測定装置による測定結果に基づき、危険源Ｍと作業者Ｐの位置関係を正確に求めることができる。これにより、危険源Ｍおよび作業者Ｐを高精度に監視することができるため、作業者Ｐが危険源Ｍに触れて、事故が発生することを防止することができる。

また、本実施形態では、補間処理により危険源Ｍと作業者Ｐの３次元位置座標を推定するため、監視対象エリアに多くの距離測定装置を設置して、様々な角度から危険源Ｍおよび作業者Ｐの位置座標を取得する必要がない。従って、本実施形態によると、低コストで危険源Ｍおよび作業者Ｐの監視をすることができる。

また、本実施形態では、危険源Ｍと作業者Ｐとの最短距離に応じて安全機能が選択され、その安全機能を示す安全信号が外部通信手段３により安全関連機器７に送信される。従って、作業者Ｐと危険源Ｍとの位置関係に基づいて適切な安全機能を働かせることができる。さらに、本実施形態では、危険源Ｍの３次元モデルと作業者Ｐとの最短距離に応じて安全機能を選択するので、例えば作業者Ｐが危険源Ｍに指等の体の一部を近づける等、危険源Ｍと作業者Ｐとの距離が局所的に短くなっているような状況において、その状況に応じた適切な安全機能を選択することができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。

（１）上記実施形態では、形状補間を行うにあたり立方体のボックス１０９を用いて肉付けを行ったが、ボックス１０９の形状はこれに限定されない。危険源Ｍや作業者Ｐの形状に応じて、球や三角錐等のボックスを用いてもよい。また、ボックス１０９の大きさは、危険源Ｍおよび作業者Ｐの大きさに応じて適宜変更してよい。

（２）上記実施形態では、作業者領域１０８に進入する作業者Ｐが許容限度を越えて危険源Ｍに接近した場合に、安全信号を発生した。しかし、作業領域１０８に、作業者Ｐの他に、台車や段ボールが進入する場合もあり得る。そして、この台車や段ボールが許容限度を越えて危険源Ｍに接近した場合には安全信号を発生する必要がある。そこで、台車や段ボールについて補間処理を行うための辞書データを記憶装置９に記憶させ、距離測定装置１から得られる距離データに基づいて、台車や段ボールの表面各部の３次元位置座標を求め、辞書データに基づく補間処理を行うようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、距離データを基に危険源Ｍの３次元位置座標を算出したが、危険源Ｍの駆動制御を行う制御装置から制御データを取得し、この制御データと危険源ＭのＣＡＤ（Computer Aided Design）データ等の既知の設計情報を基に危険源Ｍの表面各部の３次元位置座標を求めてもよい。

（４）上記実施形態では、危険源Ｍおよび作業者Ｐの３次元位置座標を、危険源検出部２３および作業者検出部２４により生成させたが、距離測定装置１が距離データから３次元位置座標を生成してもよい。この場合、危険源検出部２３および作業者検出部２４の処理を簡略化することができる。

（５）上記実施形態において、例えば危険源領域を示す領域データは、危険源領域の表面各部の３次元位置座標を示すデータであってもよく、距離測定装置１から危険源領域内の各位置までの各距離のとり得る範囲（各位置のｕｖｄ座標データのとり得る範囲）を示すデータであってもよい。

（６）上記実施形態において、作業者Ｐに関する辞書データとして、人体の各部のサイズを例えば身長により正規化したデータを用いてもよい。すなわち、身長を１とし、肩幅や胸の厚み等のサイズの身長に対する比率を表したデータを辞書データとして用いるのである。距離測定装置１を用いた測定により、作業者Ｐの身長が判明した場合、この身長に辞書データが示す各部のサイズの比率を乗算し、各部のサイズを求め、作業者Ｐの人体の表面各部の３次元位置座標を求めるのである。この態様によれば、作業者Ｐが占める３次元領域をより正確に求めることができる。

１００……安全制御システム、Ｍ……危険源、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２……作業者、１０１……機械室、１０２……天井、１０３……床、１０４……ベルトコンベア、１０４ａ……加工物、１０７……危険源領域、１０８……作業者領域、１０９……ボックス、１……距離測定装置、１０……撮像装置、２……安全制御装置、３……外部通信手段、６……伝送手段、７……安全関連機器、８……パラメータ設定装置、９……記憶装置、１Ａ……距離測定部、２１……距離データ取得部、２２……距離データ異常検出部、２３……危険源検出部、２４……作業者検出部、２５……マッピング部、２６……ラベリング部、２７……最短距離探索部、２８……安全機能割当部、３Ａ……安全信号伝送部。

Claims

距離測定装置により測定された監視対象エリア内の作業者までの距離を示す距離データに基づいて、前記監視対象エリアにおいて前記作業者が占める３次元領域の少なくとも一部の領域の３次元位置座標を求め、この３次元位置座座標に補間処理を施すことにより、前記作業者が占める３次元領域のより広い範囲の領域の３次元位置座標を求める対象検出手段と、
前記監視対象エリアにおいて危険源が占める３次元領域と前記作業者が占める３次元領域との間の最短距離を探索する最短距離探索手段と、
前記最短距離探索手段により探索された最短距離に基づいて安全機能を選択する安全機能割当手段と
を具備することを特徴とする安全制御装置。
前記対象検出手段は、前記距離測定装置により得られた距離データのうち予め記憶された領域データが示す作業者領域内の位置に対応した距離データを用いて、前記作業者の表面各部の３次元位置座標を求めることを特徴とする請求項１に記載の安全制御装置。
前記対象検出手段は、前記距離測定装置により測定された監視対象エリア内の危険源までの距離を示す距離データに基づいて、前記監視対象エリアにおいて前記危険源が占める３次元領域の少なくとも一部の領域の３次元位置座標を求め、この３次元位置座座標に補間処理を施すことにより、前記危険源が占める３次元領域のより広い範囲の領域の３次元位置座標を求めることを特徴とする請求項１に記載の安全制御装置。
前記対象検出手段は、前記距離測定装置により得られた距離データのうち予め記憶された領域データが示す作業者領域内の位置に対応した距離データを用いて、前記作業者の表面各部の３次元位置座標を求め、前記距離測定装置により得られた距離データのうち予め記憶された領域データが示す危険源領域内の位置に対応した距離データを用いて、前記危険源の表面各部の３次元位置座標を求めることを特徴とする請求項３に記載の安全制御装置。
前記対象検出手段は、予め記憶された辞書データに基づいて前記補間処理を実行することを特徴とする請求項１〜４に記載の安全制御装置。
前記対象検出手段は、前記距離データから求められた３次元位置座標に対し、前記辞書データが示す定数を加算することにより前記補間処理を実行することを特徴とする請求項１〜５に記載の安全制御装置。
前記監視対象エリアを分割した各部に対応した単位からなる監視テーブルに前記危険源が占める３次元領域と前記作業者が占める３次元領域とをマッピングするマッピング手段を具備し、
前記最短距離探索手段は、前記マッピング手段によりマッピングされた前記監視テーブルに基づき前記最短距離を探索することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の安全制御装置。
前記監視テーブルにおいて同一対象を示すデータがマッピングされた単位の連続領域に共通のラベルを付け、かつ、不連続な複数の連続領域間で異なるラベルを付け、ラベル付けされた各連続領域を作業者または危険源のグループとするラベリング手段を具備し、
前記最短距離探索手段は、前記監視テーブルにおける作業者のグループと危険源のグループとの最短距離を探索することを特徴とする請求項７に記載の安全制御装置。
前記監視対象エリアにおける危険源の表面各部の３次元位置座標から求まる特徴量と作業者の表面各部の３次元位置座標から求まる特徴量とを抽出する特徴量抽出手段を具備し、
前記安全機能割当手段は、前記危険源の表面各部の３次元位置座標から求まる特徴量と作業者の表面各部の３次元位置座標から求まる特徴量とに基づいて安全機能を選択することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の安全制御装置。
請求項１に記載の安全制御装置と、
機能安全通信仕様を満たすブラックチャネルにより、前記安全機能割当手段が選択した安全機能を示す安全信号を外部機器に送信する外部通信手段と
を具備することを特徴とする安全制御システム。
前記作業者の占める３次元領域の３次元位置座標を前記距離データから求めるために必要なパラメータを生成するパラメータ設定手段を具備することを特徴とする請求項１０に記載の安全制御システム。