JP2017042853A - 作業装置の作業支援システムおよび作業支援方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業周辺環境の状況に応じて作業装置の構成を決定し、さらに作業装置の動作を生成できるようにすること。【解決手段】作業装置２１の作業支援システム１は、作業現場３の作業周辺環境に関する情報を取得して、作業周辺環境の状況を認識する環境認識部１１と、作業内容と制約条件と環境認識部による環境認識結果とに基づいて、作業現場で使用する所定の作業装置の装置構成を決定する装置構成決定部１２と、所定の作業装置の状態と作業内容とに基づいて、所定の作業装置の動作を生成する装置動作生成部１４と、を備える。これにより、作業周辺環境に応じて、作業現場で使用する所定の作業装置の装置構成を決定して、作業装置による作業を支援することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、作業装置の作業支援システムおよび作業支援方法に関する。

装置の形状や機能を変更可能な従来技術として、特許文献１がある。特許文献１では、本体と、本体に交換可能に取り付けられる交換モジュールからロボットを構成する。さらに特許文献１では、交換モジュールに行動ライブラリを記憶させておき、本体は行動ライブラリに基づいて交換モジュールの行動を決定する。これにより、特許文献１では、交換モジュールを交換することで行動に変化を与えることができ、さらに、成長を持続できるようになっている。

特開２００１−３８６６３号公報

特許文献１に記載のマシン制御システムは、対話型マシンの学習による成長を持続させるために、交換可能な頭部モジュールや脚部モジュールを用意する。特許文献１では、部屋の明るさや障害物の有無を環境情報として検出するが、それはマシン（対話型ロボット）の感情を制御するためにすぎない（特許文献１ 段落００１０，００１１）。したがって、特許文献１に記載の技術は、作業現場の環境に応じて作業装置の構成を変えたり、その動作を生成したりするものではない。

本発明は、上記の課題に着目してなされたもので、その目的は、作業周辺環境の状況に応じて作業装置の構成を決定し、さらに作業装置の動作を生成できるようにした作業装置の作業支援システムおよび作業支援方法を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に従う作業装置の作業支援システムは、作業現場の作業周辺環境に関する情報を取得して、作業周辺環境の状況を認識する環境認識部と、作業内容と制約条件と環境認識部による環境認識結果とに基づいて、作業現場で使用する所定の作業装置の装置構成を決定する装置構成決定部と、所定の作業装置の状態と作業内容とに基づいて、所定の作業装置の動作を生成する装置動作生成部と、を備える。

本発明によれば、作業周辺環境に応じて、作業現場で使用する所定の作業装置の装置構成を決定することができ、さらに所定の作業装置の動作を生成できる。このため本発明によれば、作業装置による作業を支援することができ、使い勝手が向上する。

作業支援システムの全体概要を示す説明図。 作業現場として原子炉に適用する場合の説明図。 作業装置の構成例を示す説明図。 環境認識センサおよび作業装置準備部の機能構成を示すブロック図。 機器構成モジュールと作業装置制御部の機能構成を示すブロック図。 作業装置を準備する処理を示すＰＡＤ図。 作業装置の動作を決定する処理を示すＰＡＤ図。 作業装置を準備するモードの画面例。 作業装置の動作を決定するモードの画面例。 第２実施例に係り、作業装置の構成を最適化する処理を示すＰＡＤ図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態の作業支援システム１では、以下に詳述するように、既知または未知の作業現場３における非定型作業に対応するための、所定の作業装置２１の構成および動作を決定する。本実施形態における作業装置は、例えば、マニピュレータのような複数関節を備えており、複数の装置モジュール２２，２３を交換可能に連結することで構成される。

本実施形態の作業装置は、例えば、工場、発電所、トンネル、商業施設、オフィスビルディングなどの各種建築物を作業現場として使用される。本実施形態では、例えば、自然災害などにより、作業現場での作業装置の使用環境（作業周辺環境）に意図せぬ変更が生じた場合に、その作業周辺環境に適した装置構成を有した所定の作業装置を速やかに用意することができ、さらに新たな作業周辺環境に応じた動作を決定できる。

このために本実施形態では、「環境認識部」としての作業周辺環境認識部１１と、「装置構成決定部」としての作業装置構成決定部１２と、装置構成認識部１３と、装置動作生成部１４を備える。作業周辺環境認識部１１は、作業周辺環境を認識する環境認識センサ４からの信号に基づいて作業周辺環境を認識する。作業装置構成決定部１２は、作業周辺環境の認識結果に基づき、作業装置２１の装置構成を判断する。装置構成認識部１３は、作業装置２１の各モジュール２２，２３の状態認識信号を受信して、装置構成が正しいか等を認識する。装置動作生成部１４は、装置構成の認識結果に基づき、制御方式を判定して作業装置２１の制御量を算出する装置動作生成部１４を備える。

作業装置２１は、交換可能な複数の装置モジュール２２，２３から組み立てることができる。各装置モジュールは、後述のように、制御信号やセンサ信号を伝送する信号伝送部２３１と、駆動系２３４やセンサ系２３５へ電力を供給する電力伝送部２３２と、接続可否を判断する状態認識部２３３とを備える。

このように本実施形態では、準備された複数のハードウェアモジュール２２，２３とソフトウェアモジュール（制御方式）との適切な組合せを、作業周辺環境の認識結果に基づいて判断する。そして、本実施形態の作業支援システム１は、作業周辺環境に適した構成（機能を含む）を持つ作業装置を比較的短時間で用意でき、作業周辺環境に応じて作動させることができる。

図１〜図９を用いて第１実施例を説明する。図１は、作業支援システム１の全体概要を示す説明図である。作業支援システム１は、作業現場３で使用する作業装置２１の構成（機能を含む）を決定し、さらにその動作も決定する。

組立・保管所２は、少なくとも一つの作業装置２１を組み立てたり、組立済の作業装置２１を保管する場所である。図１の例では、組立・保管所２に、複数の作業装置２１（１）〜２１（ｎ）が予め組み立てられた状態で保管されている。組立・保管所２は、作業支援システム１や作業現場３の近くに設けてもよいし、作業支援システム１や作業現場３から離れた場所に設けてもよい。

作業現場３は、上述のように例えば発電所、トンネル、港湾、空港、商業施設、工場などの各種建築物である。作業現場３は、完成状態でもよいし、建築途中の未完成状態でもよいし、自然災害などで破損した状態でもよい。

作業現場３は、作業対象の物体３１Ａと、作業対象以外の物体３１Ｂとを含む。作業対象であるか否かを区別しない場合、物体３１と呼ぶ。物体３１には、例えば、梁、壁、床、天井、窓枠などの構造物や、パイプ、タンク、各種設備などの設備がある。作業現場３がどのような物体３１を含むかは、その作業現場３の目的や性質などで決まる。各物体３１は、或る作業では作業対象となり、他の作業では作業対象とならない。つまり、作業の進捗状況等に応じて、同じ物体３１が作業対象となったりならなかったりする。

作業現場３は、その構成が既知の場合と、未知の場合とがある。例えば、設備の入替や新設備の導入、旧設備の廃棄などの生じていない通常の場合は、作業現場３の構成は既知である。通常時では、作業現場３は、その設計データ通りの構成を有している。

これに対し、作業現場３の構成が変更されており、その構成変更が設計データに反映されていないような場合は、異常な場合である。例えば、設備が入れ替わったり、新設備が導入されたり、旧設備が廃棄されたり、設備の配置レイアウトが変更されたりした場合であって、かつそれらの変更が設計データに反映されていない場合は、異常時である。さらには、地震や事故などで作業現場３が損傷した場合も、異常時である。

本実施例の作業支援システム１は、後述のように、作業現場３の異常時には、作業周辺環境を認識するためのセンサ群４を作業現場３へ投入して、異常の発生している作業現場３の状況を把握する。そして、作業支援システム１は、作業周辺環境に応じた構成を有する作業装置２１を選択し、その動作も決定する。

作業支援システム１は、例えば、マイクロプロセッサ、主メモリ、補助記憶装置、入出力回路、通信インターフェースなどを有するコンピュータを用いて構成される。作業支援システム１は、一つのコンピュータから構成してもよいし、複数のコンピュータを連携させることで構成してもよい。マイクロプロセッサは、所定のコンピュータプログラムをメモリに読み込んで実行することで、後述する各機能１１〜１４を実現する。

作業支援システム１の機能は、作業装置準備部１０Ａと作業装置制御部１０Ｂとに大別できる。作業装置準備部１０Ａは、作業現場３へ投入する作業装置２１を用意する機能である。作業装置制御部１０Ｂは、作業装置２１の動作を決定し、その作業装置２１へ制御信号を送って作動させる機能である。

作業装置準備部１０Ａは、例えば、作業周辺環境認識部１１と、作業装置構成決定部１２を含む。作業周辺環境認識部１１は、作業現場３において作業装置２１が作業する領域の環境と、作業装置２１が作業領域に至るまでの経路の付近の環境を認識する。作業周辺環境認識部１１は、作業現場３に投入された環境認識センサ４からの信号と、データベース１５に格納されている設計データＤ１１や作業内容Ｄ１２（いずれも図４で後述）とに基づいて、作業周辺環境を認識する。

作業装置構成決定部１２は、作業周辺環境認識部１１による認識結果や作業内容に基づいて、作業現場３へ投入すべき作業装置２１の構成を決定する。例えば、作業内容が作業対象物体３１Ａの切断や溶接などの加工作業である場合、作業装置構成決定部１２は、その作業内容に応じたツールを持つモジュール２２を選択する。作業内容が作業現場３の特定箇所での計測である場合、作業装置構成決定部１２は、計測対象の物理量を観測するためのセンサを持つモジュール２２を選択する。

さらに、作業対象領域への移動経路が複数回折れ曲がっている場合、作業装置構成決定部１２は、移動経路の折れ曲がり回数に応じた間接を持つようにモジュール２３，２４を複数選択する。このように、作業装置構成決定部１２は、作業周辺環境の認識結果として得られる三次元構造物マップや作業内容に応じて、作業装置２１が備えるべき構成（機能を含む）を決定することができる。

作業装置制御部１０Ｂは、例えば、作業装置構成認識部１３と、装置動作生成部１４を備えている。作業装置構成認識部１３は、組立・保管所２に保管されている作業装置２１のうち、作業装置構成決定部１２の決定した構成を備えている作業装置２１の構成や状態を検査する。

作業装置構成認識部１３は、保管されている複数の作業装置２１（１）〜２１（ｎ）のうち作業装置構成決定部１２により決定された構成（機能を含む。以下同様）を満たす作業装置２１、または、作業装置構成決定部１２により決定された構成に従って新たに組み立てられた作業装置２１の、構成および状態を確認する。作業装置構成認識部１３は、検査対象の（認識対象の）作業装置２１が、作業装置構成決定部１２で決定された構成を備えているか、各装置モジュール２２，２３，２４は正常に動作するかを検査する。

装置動作生成部１４は、作業装置構成認識部１３により検査済の作業装置２１の動作を生成する。動作には、例えば、制御方式および制御量がある。すなわち、装置動作生成部１４は、複数の装置モジュールを連結してなる機構モデル（作業装置２１）をどのように動かせば、作業対象領域で所望の作業を行うことができるかを、計算する。装置動作生成部１４の生成した動作は、制御信号として作業装置２１へ送られる。作業装置２１は、作業支援システム１からの制御信号に従って作動する。例えば、作業装置２１が持つ複数の関節（連結部２４）の回動量や角度、トルクなどを調整することで、作業装置２１の先端のツールモジュール２２の位置や作動方向などを制御することができる。

作業支援システム１は、ユーザインターフェース部５を備える。ユーザインターフェース部５は、ユーザが情報を入力するための情報入力装置と、ユーザへ情報を出力するための情報出力装置とを含む。

情報入力装置は、例えば、キーボード、ポインティングデバイス、タッチパネル、手動スイッチ、操作コントローラ、音声入力装置等から構成される。情報出力装置は、例えば、ディスプレイ、ランプ、音声合成装置、プリンタ等から構成される。ユーザインターフェース部５は、作業支援システム１の近傍に設けることもできるし、作業現場３に設けることもできるし、組立・保管所２に設けることもできる。ユーザインターフェース部５は、一つに限らず複数設けることもできる。

図２は、本実施例を作業現場３としての原子炉３０に適用した説明図である。図２には、原子炉における作業システムの概略が示されている。

原子炉３０には、例えば、シュラウド３２、上部格子板３３、炉心支持板３４、およびシュラウドサポート３５等の構造物が設置されており、ＰＬＲ（Primary Loop Re-circulation System：一次冷却材再循環系）配管３６等の配管が接続されている。原子炉３０は、冷却水３９で満たされている。原子炉３０の上部には、作業スペースであるオペレーションフロア３７がある。オペレーションフロア３７の上方には、燃料交換装置３８が設けられている。

図２に示す原子炉内作業システムは、例えば、作業支援システム１、作業装置２１、ユーザインターフェース部５を備える。作業装置２１は、原子炉３０内の構造物の保全作業（切断、撤去、据付、溶接等）や、計測作業などに用いられる。作業装置２１は、本実施例では複数関節を有するマニピュレータとして構成されるが、これに限定されない。作業装置２１は、ケーブル２５を介して作業支援システム１に接続されている。

ユーザインターフェース部５は、ユーザＭと作業支援システム１が情報を交換するための装置である。ユーザＭは、例えば作業員である。ユーザインターフェース部５の情報出力装置には、作業装置２１の有するカメラや作業装置２１の周辺に設置されたカメラ（いずれも不図示）で撮影した画像の全部または一部を、そのままでまたは加工して表示することができる。ユーザインターフェース部５には、作業装置２１の位置や姿勢、作業装置２１の作業領域の状況などを画像として映すことができる。さらに、ユーザＭは、ユーザインターフェース部５の操作機能を用いて、作業装置２１を操作することができる。

原子炉３０内の構造物の保全作業を行う場合、燃料交換装置３８上のユーザＭは、原子炉３０内に作業装置２１を投入し、この作業装置２１の位置や姿勢をユーザインターフェース部５で確認しつつ操作する。

図３は、作業装置２１の構成例を示す説明図である。作業装置２１は、機器構成モジュール２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃと、ツールモジュール２２とを備える。機器構成モジュール２３Ａ〜２３Ｃとツールモジュール２２は、「装置モジュール」の例である。

機器構成モジュール２３Ａと機器構成モジュール２３Ｂの間は、モジュール連結部２４Ａにより連結されている。機器構成モジュール２３Ｂと機器構成モジュール２３Ｃの間は、他のモジュール連結部２４Ｂで接続されている。

なお、機器構成モジュール２３Ａ〜２３Ｃとツールモジュール２２とは、予め機能別、寸法別に複数準備されており、それらの接続部は共通構造である。機器構成モジュールやツールモジュールの詳細構成については、作業内容や、作業場所の情報を把握するための周辺環境認識処理の結果に基づいて決定される（後述）。以下、機器構成モジュール２３Ａ〜２３Ｃを機器構成モジュール２３と呼ぶ場合がある。

図４は、作業装置準備部１０Ａの構成を中心に示す機能ブロック図である。作業装置準備部１０Ａには、環境認識センサ４からの信号が入力される。環境認識センサ４は、例えば、カメラ４１、レーザセンサ４２、音響センサ４３のいずれか一つまたは複数を含んで構成されており、作業装置２１が作業する周辺環境の構造物の状態（寸法、距離等）を計測する。

環境認識センサ４に含まれる各センサ４１〜４３の信号は、作業周辺環境認識部１１へ取り込まれる。作業周辺環境認識部１１は、画像信号取得部１１１、レーザセンサ信号取得部１１２、音響センサ信号取得部１１３、画像処理部１１４、構造物形状データ算出部１１５を備える。

画像信号取得部１１１は、カメラ４１からの画像信号を取得する。カメラ４１は、動画像を撮影できるビデオカメラである。ビデオカメラに代えて、静止画像を連続的に複数枚撮影できるカメラを用いてもよい。レーザセンサ信号取得部１１２は、レーザセンサ４２からの信号を取得する。音響センサ信号取得部１１３は、音響センサ４３からの信号を取得する。

画像信号取得部１１１の取得した画像信号は、画像処理部１１４へ入力される。レーザセンサ信号取得部１１２の取得したレーザセンサ信号と音響センサ信号取得部１１３の取得した音響センサ信号とは、構造物形状データ算出部１１５へ入力される。

画像処理部１１４は、画像信号を解析して作業周辺環境の画像を生成する。構造物形状データ算出部１１５は、レーザセンサ信号および音響センサ信号を解析して、作業周辺環境に存在する構造物の形状データを算出する。構造物形状データ算出部１１５は、画像信号も一緒に解析することで、構造物形状データを算出してもよい。

作業周辺環境認識部１１は、画像処理部１１４の画像処理結果と、構造物形状データ算出部１１５の算出結果と、作業現場の構造を示す構造物設計データＤ１１とに基づいて、作業周辺環境を認識する。このように作業周辺環境認識部１１は、作業装置２１が作業する作業領域と作業装置２１が作業領域へ到達するまでの移動経路とを、三次元構造物マップとして認識する。すなわち、作業周辺環境認識部１１は、作業対象物体３１Ａまでの移動経路上に、どのような形状の構造物（物体３１Ｂ）がどのような状態（角度など）で存在しており、作業対象物体３１Ａの存在する領域の空間（作業空間）はどのような形状をしているか等を認識する。

作業周辺環境認識部１１の認識結果は、作業装置構成決定部１２へ入力される。作業装置構成決定部１２は、画像処理部１１４の処理結果と構造物形状データ算出部１１５で算出された作業周辺環境の構造物形状データと、構造物設計データＤ１１と、作業内容Ｄ１２と、付属情報Ｄ１３とをもとに、作業装置２１の装置構成を決定する。作業装置構成決定部１２は、作業装置２１に必要な機器構成モジュールの種類Ｄ２１、モジュール数Ｄ２２、モジュール連結構成Ｄ２３を含む出力データを生成する。

ここで作業内容Ｄ１２とは、作業装置２１で実行する予定の作業内容を示す。作業内容Ｄ１２は、ユーザがユーザインターフェース部５を介して入力することができる。付属情報Ｄ１３は、例えば、作業装置２１を構成する際の制約条件や、作業装置２１を使用する作業環境についての制約条件を含む。作業装置２１を構成する際の制約条件には、例えば、利用可能な機器構成モジュールやツールモジュールの種類や数がある。作業環境についての制約条件には、例えば、作業場所の温度、湿度、放射線量等を含む。

図５は、機器構成モジュール２３および作業装置制御部１０Ｂの機能構成を示す機能ブロック図である。

まず最初に、作業装置準備部１０Ａの出力データＤ２１〜Ｄ２３に基づいて、組立・保管所２に保管されている複数の作業装置２１の中から、作業周辺環境の認識結果に応じて決定された構成に合致する作業装置２１が選択される。または、組立・保管所２の作業員は、作業装置準備部１０Ａの出力データＤ２１〜Ｄ２３に従って、機器構成モジュール２３やツールモジュール２２を組み立てることで、必要な構成を有する作業装置２１を組み立てる。本実施例では、作業装置準備部１０Ａの決定した通りの作業装置２１を作業現場へ投入する前に、正常に動作するかなどを検査する。

機器構成モジュール２３は、例えば、信号伝送部２３１、電力伝送部２３２、状態認識部２３３、アクチュエータ２３４、センサ２３５を備える。ツールモジュール２２も、機器構成モジュール２３と同様の構成を有するが、図示は省略する。以下では、モジュールとして機器構成モジュール２３を中心に説明する。

信号伝送部２３１は、作業装置制御部１０Ｂとの間で信号を送受信する。信号伝送部２３１は、作業装置制御部１０Ｂの信号送受信部１６に接続されており、作業装置制御部１０Ｂからアクチュエータ２３４を制御するための制御信号を受信したり、センサ２３５のセンサ信号を作業装置制御部１０Ｂへ送信したりする。

電力伝送部２３２は、作業装置制御部１０Ｂから電力を受け取る。電力伝送部２３２は、作業装置制御部１０Ｂの電力供給部１７に接続されており、電力供給部１７から受け取った電力をモジュール２３内の電力消費部（アクチュエータ２３４やセンサ２３５等）に供給する。

状態認識部２３３は、モジュール２３の接続状況や状態を検知して出力する。状態認識部２３３は、作業装置制御部１０Ｂの作業装置構成認識部１３に接続されている。状態認識部２３３は、例えば、モジュール２３の異常の有無、当該モジュール２３と他のモジュールとの接続状況等を検知して、作業装置構成認識部１３へ出力する。なお、状態認識部２３３で検出する情報は、モジュール２３に関わる電流、電圧、通信量、温度、放射線量等であり、作業内容と作業場所に応じて選択可能である。隣接する他のモジュールからの信号が途絶えているような場合、隣接する他のモジュールとの間に断線が生じていることを検知することができる。

アクチュエータ２３４は、例えば、電動モータ、液圧モータ、液圧シリンダ、ソレノイド、電磁バルブ、液圧バルブ等である。センサ２３５は、例えば、カメラ、マイクロフォン、温度センサ、角度センサ、電流センサ、電圧センサ、周波数センサ、放射線センサ、通信量カウンタ等である。

ツールモジュール２２の場合、アクチュエータ２３４は加工装置の一部であり、センサ２３５は計測装置の一部である。

作業装置制御部１０Ｂは、図１で述べた作業装置構成認識部１３および装置動作生成部１４のほかに、信号送受信部１６と電力供給部１７を備える。信号送受信部１６は、作業装置２１を構成する各モジュール２３と信号を送受信する。電力供給部１７は、各モジュール２３へ電力を供給する。作業装置構成認識部１３は、各モジュール２３の接続状況や状態を認識する。

装置動作生成部１４は、後述する作業周辺環境の認識処理で決定されたモジュール構成や制御方式を読み込んで判定し、制御方式に従う制御量を算出する。

図６は、作業装置を準備する処理の内容を示すＰＡＤ図である。本処理は、作業装置準備部１０Ａにより実行される。

作業装置準備部１０Ａの作業周辺環境認識部１１は、環境認識センサ４からのセンサ信号（例えば画像信号、レーザセンサ信号、音響センサ信号）と、構造物設計データＤ１１、作業内容Ｄ１２、付属情報Ｄ１３とを取り込む（Ｓ１１）。

作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１２の環境状態認識処理において、カメラ４１からの画像信号を処理し（Ｓ１３）、画像マップを算出する（Ｓ１４）。

詳しくは、作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１３において、動画像を時間毎の静止画像へ分解して、時刻（ｔ−１）の画像と時刻（ｔ）の画像との間で同一特徴量を算出する。作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１４において、ステップＳ１３で算出した特徴量の画像上での移動量から、予め設定した原点座標に対する相対位置を算出することで画像マップを生成する。

作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１５の構造物形状算出処理において、距離データを算出する処理（Ｓ１６）、断面形状を算出する処理（Ｓ１７）、三次元構造物の形状を算出する処理（Ｓ１８）を実行する。

詳しくは、作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１６において、レーザセンサ４２または音響センサ４３のうち少なくともいずれか一方の信号を、走査角毎の距離データへ換算する。そして、作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１７において、ステップＳ１６で算出した走査角毎の距離データを、センサ座標系での二次元平面座標へ変換する。さらに、作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１８において、ステップＳ１７で算出した点群データを、予め設定した原点座標に対する位置座標へ変換することで、三次元構造物の形状を算出する。

ここで、ステップＳ１６において、レーザセンサ４２または音響センサ４３のいずれかにより、センサから計測対象までの相対距離Ｍとセンサ中心軸からの角度θ（走査角度）とが算出される。そこで、ステップＳ１７では、式（１）および式（２）を解くことで、ステップＳ１６で算出したデータから、センサ投影面上において構造物の表面（外形）が位置する座標値Ｌ（ｘＬ，ｙＬ）を算出する。

ｘＬ＝Ｍ（ｎ）・ｃｏｓ｛θ（ｎ）｝・・・式（１）

ｙＬ＝Ｍ（ｎ）・ｓｉｎ｛θ（ｎ）｝・・・式（２）

作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ１９の装置構成決定処理において、アクセスルートを生成する処理（Ｓ２０）、作業装置２１に要求されるスペックを算出する処理（Ｓ２１）、モジュール構造を決定する処理（Ｓ２２）を実行する。

詳しくは、作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ２０において、ステップＳ１５で算出した三次元構造物形状データをもとに、作業装置２１が出発地点から目標地点である作業領域に到達するまでのアクセスルート（移動経路）を決定する。作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ２１において、作業装置２１の寸法、ペイロード、機能等のスペックを算出する。作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ２２において、ステップＳ２２の算出結果に基づいて、用意されたモジュール群の中から必要なモジュールの種類および個数、モジュールの連結方法を決定する。

作業周辺環境認識部１１は、ステップＳ２２での結果を出力データとしてまとめ（Ｓ２３）、その出力データを作業支援システム内の記憶装置へ保存し（Ｓ２４）、作業装置準備処理を終了する。

図７は、作業装置を制御する作業装置制御処理の内容を示すＰＡＤ図である。本処理は、作業装置制御部１０Ｂにより実行される。

作業装置制御部１０Ｂは、作業装置準備部１０Ａからの出力データと、作業装置２１を構成する各モジュールから出力された状態信号とを読み込む（Ｓ３１）。作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ３２の装置構成認識処理において、モジュール状態を確認する処理（Ｓ３３）と、モジュール間の連結状態を確認する処理（Ｓ３４）を実行する。

詳しくは、作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ３３において、各モジュールの状態認識部２３３で検出した情報から、そのモジュールに異常があるか否かを判断する。作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ３４において、作業装置準備部１０Ａからの出力データＤ２１〜Ｄ２３の通りに、モジュールが連結されているかを判断する。

作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ３５の制御方式構築処理において、制御方式を選択する処理（Ｓ３６）、制御モジュールを決定する処理（Ｓ３７）、制御モジュールを再構成する処理（Ｓ３８）を実行する。

詳しくは、作業装置制御部１０Ｂは、作業装置２１の制御方式を選択した後（Ｓ３６）、作業支援システム１内の記憶部に予め格納されている制御モジュール（ソフトウェア）の中から、必要な制御モジュールを選択して決定する（Ｓ３７）。そして、作業装置制御部１０Ｂは、例えば、各制御モジュールの入出力変数を調整したり、各制御パラメータを調整したりして、決定した複数の制御モジュールを一つの制御モジュールとして再構成する（Ｓ３８）。

作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ３９の装置動作生成処理において、各モジュールからの状態信号を取得する処理（Ｓ４０）と、制御量を算出する処理（Ｓ４１）とを実行する。

詳しくは、作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ４０において、作業装置２１を構成する各モジュールから、駆動に関わる状態量を取得する。駆動に関わる状態量は、例えば、各モジュールに内蔵されたエンコーダやポテンショメータ等の角度検出器により検知することができる。ステップＳ４０では、角度検出器に代えて、あるいは角度検出器に加えて、他のセンサからの信号を取得してもよい。

作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ４１において、作業装置２１のツールモジュール２２の先端部の現在位置および姿勢から、ユーザＭがユーザインターフェース部５を介して入力した目標値に移動するための制御量を算出する。

作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ４１で算出したツールモジュール２２の先端部の制御量を、各機器構成モジュール２３の駆動部の制御量へ換算する（Ｓ４２）。そして、作業装置制御部１０Ｂは、ステップＳ４２で算出した各制御量を作業支援システム１内の記憶装置へ保存すると共に、作業装置２１の各モジュール２３へ送信して、本処理を終了する（Ｓ４３）。

図８および図９は、ユーザインターフェース部５が提供する画面の例を示す。図８に示す画面Ｇ１は、作業開始前に実施する作業周辺環境認識処理の結果から、作業装置２１のモジュール構成を決定するためのモード（装置構成決定モード）で使用する。

画面Ｇ１は、入力データを取り込むための入力部ＧＰ１１と、作業周辺環境認識処理の結果を三次元仮想空間上で再現して表示する結果表示部ＧＰ１２と、作業周辺環境認識処理の結果をデータとして出力する出力部ＧＰ１３とを有する。

結果表示部ＧＰ１２は、作業周辺環境の構造物形状情報のみを表示する環境認識結果確認画面（図中左側）と、作業周辺環境認識処理の結果として出力されたモジュールおよびその構成を確認するための装置構成確認画面（図中右側）とを含む。

図９に示す画面Ｇ２は、作業装置２１を操作する作業装置制御モードで使用する。図９の画面Ｇ２は、図８の画面Ｇ１で出力された情報を入力する入力部ＧＰ２１と、装置構成および装置動作状況を表示する結果表示部ＧＰ２２と、各モジュールへ送信する制御信号と各モジュールから受信する状態信号を出力する出力部ＧＰ２３とを有する。

なお、図８および図９で示した画面Ｇ１，Ｇ２は、一つの例示であって、図示した構成の画面に限定されない。

このように構成される本実施例は、作業開始前に、作業現場としての原子炉３０における作業周辺環境を認識して、作業周辺環境に適した作業装置２１の構成を判断し、さらに複数のモジュール２２，２３から組み立てられる作業装置２１の制御方式および制御量を算出する。したがって、本実施例によれば、作業現場で使用する作業装置２１のハードウェア構成と作業装置制御部１０Ｂのソフトウェア構成とを、作業周辺環境に応じて再構成することができる。この結果、設備の入替や新設、廃棄、事故や災害などで作業現場の作業周辺環境が変化した場合でも、変化した作業周辺環境に適した作業装置２１を速やかに準備して作業現場へ投入することができる。これにより、作業支援システム１の信頼性および使い勝手が向上する。

図１０を用いて第２実施例を説明する。本実施例は、第１実施例の変形例に該当するため、第１実施例との相違を中心に説明する。本実施例では、作業開始前に、作業装置準備部１０Ａによる作業装置２１の構成最適化プロセスを実行して、最終的なモジュール構成（作業現場へ投入する作業装置２１の構成）を決定する。

例えば、作業周辺環境に構造物が複数存在している状況下で、初期位置から目標位置までツールモジュール２２の先端（アーム先端）を移動させる場合を検討する。

上述のように、作業装置準備部１０Ａは、構造物設計データＤ１１や作業周辺環境の認識結果から得られたデータを元にして（Ｓ５１）、作業装置２１に必要な機器構成モジュール数、関節数、ツールモジュールを仮に決定する。

仮決定された構成（モジュール構成）は、ユーザインターフェース部５等を介して組立・保管所２の作業員に通知される。作業員は、仮決定された構成に従って、作業装置２１を組み上げる。あるいは、組立・保管所２に自動組立ロボットを配備し、自動組立ロボットが、作業装置準備部１０Ａからの指示に応じて作業装置２１を組み立ててもよい。

仮決定された構成を有する作業装置２１を作業現場へ搬入して、一回目の作業を開始する（Ｓ５２）。作業装置制御部１０Ｂによる作業開始後に（Ｓ５３）、作業装置２１の先端が目的位置まで到達する過程において、予定外の作業が必要になった場合は、現在の作業を停止して作業性を評価する（Ｓ５４）。

予定外の作業とは、例えば、作業装置２１の移動経路上に検出された障害物を撤去する作業、当初予定していた移動経路が利用できないことが判明したために行う経路選択処理等である。作業装置準備部１０Ａは、ステップＳ５４の作業性評価において、作業周辺環境を再把握したり、必要な作業を再定義したりする。そして、作業装置準備部１０Ａは、作業装置２１のモジュールを再構成する（Ｓ５５）。

作業支援システム１は、以上の処理Ｓ５３〜Ｓ５５を、当初予定していた作業が実現できると判定するまで、複数回繰り返し実行する（Ｓ５６，Ｓ５７）。

作業支援システム１は、作業装置２１が目的位置に到達して所望の作業を実行できることを確認すると、その最終のモジュール構成を作業装置２１の構成として決定し（Ｓ５８）、その最終のモジュール構成を記憶装置へ保存し（Ｓ５９）、本処理を終了する。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、作業装置準備部１０Ａで決定された構成を持つ作業装置２１を作業現場へ投入し、その作業装置２１が当初予定の作業を実現できるかテストする。そして、そのテスト結果に応じて作業装置２１を再構成する。したがって、本実施例によれば、作業装置２１のテスト運転を繰り返しながら作業周辺環境に対応することができるため、予期せぬ事故や災害等で作業周辺環境の様子がほとんど不明な場合であっても、所望の作業を実行することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１：作業支援システム、２：組立・保管所、３：作業現場、４：環境認識センサ、５：ユーザインターフェース部、１０Ａ：作業装置準備部、１０Ｂ：作業装置制御部、１１：作業周辺環境認識部、１２：作業装置構成決定部、１３：作業装置構成認識部、１４：装置動作生成部、２１：作業装置、２２：機器構成モジュール、２３：ツールモジュール、２４：モジュール連結部

Claims (12)

1. 作業装置による作業を支援する作業支援システムであって、
   作業現場の作業周辺環境に関する情報を取得して、前記作業周辺環境の状況を認識する環境認識部と、
   作業内容と制約条件と前記環境認識部による環境認識結果とに基づいて、前記作業現場で使用する所定の作業装置の装置構成を決定する装置構成決定部と、
   前記所定の作業装置の状態と前記作業内容とに基づいて、前記所定の作業装置の動作を生成する装置動作生成部と、
   を備える作業装置の作業支援システム。
2. 前記作業装置は、複数の装置モジュールから構成されており、
   前記装置構成決定部は、予め用意された複数の装置モジュールの中から、前記所定の作業装置を構成する所定の複数の装置モジュールを選択し、前記所定の複数の装置モジュールの連結構成を決定することで、前記所定の作業装置の装置構成を決定する、
   請求項１に記載の作業装置の作業支援システム。
3. 前記装置構成決定部は、前記所定の作業装置を出発地点から前記作業現場内の目標地点まで移動させるための移動経路と、前記所定の作業装置に要求される仕様とを算出し、前記算出した移動経路および前記仕様に基づいて、前記予め用意された複数の装置モジュールの中から前記所定の複数の装置モジュールを選択し、さらに前記所定の複数の装置モジュールの連結構成を決定することで、前記所定の作業装置の装置構成を決定する、
   請求項２に記載の作業装置の作業支援システム。
4. 前記複数の装置モジュールは、アクチュエータへの制御信号の入力とセンサからのセンサ信号の出力とを行う信号伝送部と、前記アクチュエータおよび前記センサへ電力を供給する電力伝送部と、当該装置モジュールの作動状態および他の装置モジュールとの接続状態を認識する状態認識部とを備える、
   請求項３に記載の作業装置の作業支援システム。
5. 前記信号伝送部に接続され、前記センサからのセンサ信号を受信すると共に、前記装置動作生成部で生成した前記所定の作業装置の動作を前記制御信号として前記アクチュエータに伝達するための信号送受信部と、
   前記電力伝送部に接続され、前記アクチュエータおよび前記アクチュエータへ電力を供給する電力供給部と、
   前記状態認識部に接続され、前記装置モジュールの作動状態および接続状態を認識する装置構成認識部と、をさらに備える、
   請求項４に記載の作業装置の作業支援システム。
6. 前記装置構成決定部は、前記所定の作業装置を前記目標地点へ向けて移動させた後で、前記移動経路の変更または前記作業内容とは別の新たな作業内容の実行のいずれかが発生した場合に、前記移動経路の変更または前記新たな作業内容に基づいて前記所定の作業装置の装置構成を再度決定する、
   請求項３〜５のいずれか一項に記載の作業装置の作業支援システム。
7. 前記装置動作生成部は、前記所定の複数の装置モジュールにより前記作業内容を実現するための制御方式および制御量を決定して、前記所定の作業装置の動作を生成する、
   請求項２に記載の作業装置の作業支援システム。
8. 前記環境認識部は、前記作業現場に投入される環境認識センサから取得する信号に基づいて、前記作業周辺環境の状況を認識する、
   請求項１に記載の作業装置の作業支援システム。
9. 前記環境認識部は、通常時には、前記作業現場の構成を示す設計データに基づいて前記作業周辺環境の状況を認識し、異常時には、前記環境認識センサから取得する信号と前記設計データとに基づいて前記作業周辺環境の状況を認識する、
   請求項８に記載の作業装置の作業支援システム。
10. 前記複数の装置モジュールには、前記作業装置の本体を構成する機器構成モジュールと、前記作業内容としての加工作業または計測作業を実現するツールモジュールとが含まれており、
    前記所定の作業装置は、少なくとも一つの機器構成モジュールと少なくとも一つのツールモジュールとを含んで構成される、
    請求項２に記載の作業装置の作業支援システム。
11. 作業装置の構成と動作をコンピュータを用いて決定する作業支援方法であって、
    前記コンピュータは、
    作業現場の作業周辺環境に関する情報を取得して、前記作業周辺環境の状況を認識する環境認識ステップと、
    作業内容と制約条件と前記環境認識ステップによる環境認識結果とに基づいて、前記作業現場で使用する所定の作業装置の装置構成を決定する装置構成決定ステップと、
    前記所定の作業装置の状態と前記作業内容とに基づいて、前記所定の作業装置の動作を生成する装置動作生成ステップと、
    を実行する作業装置の作業支援方法。
12. 前記作業装置は、複数の装置モジュールから構成されており、
    前記複数の装置モジュールは、アクチュエータへの制御信号の入力とセンサからのセンサ信号の出力とを行う信号伝送部と、前記アクチュエータおよび前記センサへ電力を供給する電力伝送部と、当該装置モジュールの作動状態および他の装置モジュールとの接続状態を認識する状態認識部とを備えており、
    前記コンピュータは、
    前記信号伝送部に接続され、前記センサからのセンサ信号を受信すると共に、前記装置動作生成ステップで生成した前記所定の作業装置の動作を前記アクチュエータに伝達するための信号送受信部と、
    前記電力伝送部に接続され、前記アクチュエータおよび前記アクチュエータへ電力を供給する電力供給部と、
    前記状態認識部に接続され、前記装置モジュールの作動状態および接続状態を認識する装置構成認識部と、を備える、
    請求項１１に記載の作業装置の作業支援方法。

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