JP3746407B2

JP3746407B2 - 作業フェーズの変更時にパラメータを切り換える作業補助装置

Info

Publication number: JP3746407B2
Application number: JP25418099A
Authority: JP
Inventors: 仁司鴻巣; 陽二梅谷
Original assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JP2001075649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は作業者が重量物を搬送する作業を補助する装置に関し、作業者はあたかも軽量の物体を搬送しているように感じながら、実際には補助装置を用いることで重い物体（重量物）を搬送できるようにする技術に関する。特に、作業者が違和感を覚えにくく、正確な作業がしやすく、作業に伴う疲労を低減できるように補助装置による補助力を制御する技術に関する。このことを作業者の側からいうと、適切な操作力ないし手応え（ここでは反力ということがある）を感じながら搬送作業ができるようにすることに対応する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の技術の実現に向けて多くの試みがなされている。その一例が「人と協調するロボットの運動生成（小菅一弘、風村典秀）第15回日本ロボット学会講演会論文集３９３〜３９４頁」に、人とロボットが協調して物体を搬送するシステムにおいて、
M_vd²x/dt²+D_vdx/dt+K_vｘ＝Fh
（ここで、M_vは仮想物体の質量マトリクス、D_vは粘性係数マトリクス、K_vはバネ定数マトリクス、d²x/dt²は加速度、dx/dtは速度、ｘは位置、Fhは作業者による操作力でこの明細書でいう反力に相当する）の式が成立するようにアクチュエータの出力を制御するとともに、M_vやD_vやK_vの値を変える事でシステムの特性が変わってくることを報告している。それによると、加速度に対する比例係数M_vを大きく取ったときには物体を大きくスムースに運びやすいシステムが実現され（論文中ではインピーダンス制御と称されている）、速度に対する比例係数D_vを大きく取ったときには物体を細かく正確に運びやすいシステムが実現される（論文中ではダンピング制御と称されている）ことを報告している。
この論文は、補助する作業内容に応じて、加速度に対する比例係数、速度に対する比例係数、ばね力の拘束を受ける際にはさらに位置に対する比例係数を適値に調整した作業補助装置を用いる必要があることを報告している。
【０００３】
「人間とロボットによる協調運搬動作の実験的評価（池浦良淳、小澤治明、水谷一樹）日本機会学会No.９８−４ロボティクス・メカトロニクス講演会９８講演論文集２ＡＩＩ１−３（１）から（２）頁には、作業者の操作力と物体の速度との間に成立する係数（この明細書でいう速度に対する比例係数であり、論文ではダンピング係数ないし粘性係数と記されている）を一連の搬送作業中に切り換えることによって、違和感のない協調作業システムが構築できることを示している。この論文では、作業開始時からの経過時間に応じて速度に対する比例係数を変化させていく手法を提唱している。類似の技術が特開平５-３２９７８４号公報にも記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１の論文は、作業者に違和感を与えない協調システムを構築する上での重要な知見を示しているものの、一連の作業中にシステム特性を切り換えていく事までは想到していない。
前記第２の論文は、作業中に速度に対する比例係数を切り換えていくことで違和感のない作業補助が可能になることを示しているものの、比例係数をどう切り換えていくべきかを教えていない。論文では、特定の作業を取り上げ、この特定作業の場合には、速度に対する比例係数を時間とともに変化させる方法によって好ましい結果が得られたことを示すにとどまり、他の作業に対してはどう変化させていくのが好ましいか、あるいは、加速度に対する比例係数を変化させるべきか、変化させるとすればどう変化させるのかを考察していない。
【０００５】
本発明は、かかる技術水準を改善するものであり、一連の搬送作業中に、加速度に対する比例係数は変化させることが好ましいのか、好ましいとすればどう変化させるのが好ましいのか、速度に対する比例係数をどう変化させるのが好まししいのか、あるいはこれらの比例計数の値をどう調整することが好ましいかを研究したことから見出されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、作業者による重量物の搬送作業を補助する装置に関するものであり、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータの出力を調整するコントローラを備えている。そのコントローラは、作業者が前記可動体に加える力と前記可動体の運動を介して実現される前記重量物の運動との間に、同一の力を自由空間に置かれた前記重量物よりも軽量の仮想物体に加えたときに生じる力と運動の関係が実現されるように前記アクチュエータの出力を調整する。詳しくは、前記重量物とその重量物を支持している可動体をそれらが現に行っている運動をさせるに要する力から、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を減じた力が前記アクチュエータから出力されるように調整する。このとき、搬送作業中の作業フェーズを、前記重量物の加速度とその増減に基づいて、「前記重量物の加速度が正でその絶対値が増大する起動フェーズ」と、「前記重量物の加速度が正でその絶対値が減少し、ついで前記重量物の加速度が負でその絶対値が増大する中間フェーズ」と、「前記重量物の加速度が負でその絶対値が減少する位置決めフェーズ」とに分類する。そして、起動フェーズから中間フェーズを経て位置決めフェーズへと移行する一連の搬送作業中の起動フェーズから中間フェーズに切り換わる第１のフェーズ切り換え時と中間フェーズから位置決めフェーズに切り換わる第２のフェーズ切り換え時のいずれかの作業フェーズの切り換え時に合力を計算する前記の加速度に対する比例係数を減少するように切り換えることを特徴とする。
【０００７】
本出願人は、先に特願平１０-２６３３３４８号の出願をしており、一連の搬送作業の過程が作業フェーズに分類でき、この作業フェーズの切り換えに応じて仮想物体の質量を切り換えていくことによって、汎用性の高い補助力制御技術が実現されることを報告した。即ち、作業フェーズを観念し、その作業フェーズの切り換えに応じて仮想質量を切り換えていく手法が、多くの一般的な搬送作業に対して好ましい手応えを与えることになり、作業者が自然に作業できることを報告した。
【０００８】
本出願の請求項１の作業補助装置は、先の出願からさらに研究するなかで結実したものであり、仮想物体の質量を作業フェーズの切り換え時に減少させていく。ここでは、作業フェーズの切り換え時のすべてで質量を減少させる必要はなく、切り換え時のうちの特定の時に質量を減少させることでよい。逆にいうと、この発明は、一つの作業フェーズの間には仮想質量を変動させなくとも、自然な作業フィーリングが得られることに立脚している。
この発明の作業補助装置によると、一連の搬送作業中の初期段階、即ち重量物を大きくスムースに動かしたいときには比較的大きな質量の仮想物体（それでも実際よりは軽い）を搬送して適度な手応えが得られる状態で作業でき、搬送作業の後半段階、即ち重量物を細かく正確に動かしたいときには比較的小さな質量の仮想物体を搬送しているのと同等の操作フィーリングが得られ、作業者は重量物を早くスムースに正確に搬送しやすい。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、作業者による重量物の搬送作業を補助する装置に関するものであり、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータの出力を調整するコントローラを備えている。そのコントローラは、前記重量物とその重量物を支持している可動体をそれらが現に行っている運動をさせるに要する力から、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を減じた力が前記アクチュエータから出力されるように調整する。ここで、前記搬送作業が起動フェーズと位置決めフェーズを有し、前記の合力を計算する際に用いる加速度に対する比例係数は起動フェーズで大きく位置決めフェーズで小さく、速度に対する比例係数は起動フェーズで小さく位置決めフェーズで大きくなるように切り換えられることを特徴とする。起動フェーズでは、前記重量物の加速度が正でその絶対値が増大する。位置決めフェーズでは、前記重量物の加速度が負でその絶対値が減少する。
【００１０】
この作業補助装置によると、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を作業者が加えることで、協調作業が進行する。また、搬送作業が少なくとも起動フェーズと位置決めフェーズを有して分類されており、加速度に対する比例係数は起動フェーズで大きく位置決めフェーズで小さく、速度に対する比例係数は起動フェーズで小さく位置決めフェーズで大きくなるように切り換えられる。
この結果、起動フェーズ中は大きな質量の仮想物体を粘性係数の小さな作業環境で搬送しているときに必要な力を作業者が加えて搬送作業し、位置決めフェーズ中は小さな質量の仮想物体を粘性係数の大きな作業環境で搬送しているときに必要な力を作業者が加えて搬送作業することになり、これが、違和感がなく、正確で、疲労の少ない搬送作業を可能とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、作業者による重量物の搬送作業を補助する装置に関するものであり、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータの出力を調整するコントローラを備えている。そのコントローラは、前記重量物とその重量物を支持する可動体をそれらが現に行っている運動をさせるに要する力から、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を減じた力が前記アクチュエータから出力されるように調整する。ここで、前記搬送作業が起動フェーズと中間フェーズと位置決めフェーズを有し、前記の合力の計算に用いられる加速度に対する比例係数は、起動フェーズからと中間フェーズに切り換わる第１のフェーズ切り換え時と中間フェーズから位置決めフェーズに切り換わる第２のフェーズ切り換え時のいずれかまたは双方で減少し、速度に対する比例係数は少なくとも第１のフェーズ切り換え時に増大するように切り換えられる。
【００１２】
上記の切り換えパターンに従って比例係数（仮想質量と仮想粘性係数に相当する）が変化していくと、多くの実験によって、違和感がなく、スピーディで正確で、疲労の少ない搬送作業が可能になることが確認されている。
【００１３】
上記の３つの発明のいずれにおいても、ばねに拘束されている重量物を搬送するような特殊の場合を省いて、位置に対する比例係数はゼロに固定しておくことができる。
また、作業フェーズの切り換え時に比例係数を変動させるときに、比例係数を不連続に変動させるのでなく、もとの比例係数から新たな比例係数に向かって連続的に変化させていくことが好ましい。このとき、経過時間に対して直線的に変化させていってもよく、あるいは曲線を描くように変化させてもよい。また、細かく階段状に変化させて実質的に連続的に変化させてもよい。
請求項４に記載の発明は、作業補助装置のアクチュエータ出力調整方法に関し、この方法では、作業補助装置のアクチュエータの出力を、実際の搬送作業に要する力から作業者に残す操作力を減じた力に調整する。ここで、作業者に残す操作力を、搬送速度に速度に対する比例係数を乗じた値と搬送加速度に加速度に対する比例係数を乗じた値との和に基づいて計算する。
このことによって、作業者は、加速度に比例する力と速度に比例する力を感じながら作業できる。
この調整方法において、この発明では、搬送速度が最大となる作業開始時からの標準経過時間に対して、搬送速度が最大となる時間が遅いときに前記の加速度に対する比例係数を減じ、搬送速度が最大となる時間が早いとき前記速度に対する比例係数を増加することを特徴とする。
この調整方法によると、作業者は、搬送作業の開始時に重すぎもせず軽るすぎもしない反力を得ながら加速でき、位置決めの際には適度な安定感を得ながら位置決め作業できることになり、作業が非常にやりやすくなる。
【００１４】
【実施の形態】
以下に本発明を具現化した一つの実施の形態を説明する。図１はこの実施の形態に係わる作業補助装置Ｂの全体像を示し、重量の重い足回り部材Ｗは作業者Ｐが搬送する作業を補助し、作業者はより軽量の物体を搬送しているときに要求される力を加えるだけで、実際には重量物Ｗを搬送できる装置を示している。
【００１５】
この作業補助装置Ｂは、固定されたレール０、その固定レール０に沿って自由度１方向にスライド可能な第１可動体１、その第１可動体１に対して自由度２方向にスライド可能な第２可動体２、その第２可胴体２に対して自由度３方向に回転可能な第３可動体３、その第３可動体３に対して自由度４方向に揺動可能な第４可動体４、その第４可動体４に対して自由度５方向に揺動可能な第５可動体５、その第５可動体５に対して自由度６方向に揺動可能な第６可動体６、その第６可動体６に対して自由度７方向に揺動可能な第７可動体７、その第７可動体７に対して自由度８方向に揺動可能で重量物Ｗを固定可能な第８可動体８を備えており、各可動体１〜８は図１では図示されていないアクチュエータＡ１〜Ａ８によって動かされる。
【００１６】
作業者Ｐは最終可動体である第８可動体８を把持し、まず最初は重量物Ｗが保管されている所に第８可動体８を動かし、重量物Ｗを第８可動体８に固定する。ついで第８可動体８ないし重量物Ｗを搬送作業に必要な方向に向けて移動させたり回転させることによって、第８可動体８に固定されている重量物Ｗを搬送する。作業者Ｐが第８可動体８ないし重量物Ｗを移動させたり回転させたりするのに必要な力は、アクチュエータＡ１〜Ａ８の出力が調整させることによって、作業補助装置Ｂを用いないで重量物Ｗよりも軽量の物体を搬送するときに必要な力ですむようになっている。
【００１７】
図２の上半分は、位置センサとコントローラとドライバとアクチュエータの接続関係を示し、ドライバはコントローラからの信号によってアクチュエータに加える電力を調整する。ドライバは各アクチュエータ毎に設けられている。
【００１８】
図２の（１）式は、作業補助装置Ｂに重量物Ｗが固定された全体システムの概念的な運動方程式を示し、ここで、Ｍ_ｖ，Ｄ_ｖ，Ｋ_ｖはそれぞれ全体システムの質量マトリクス、粘性係数マトリクス、ばね定数マトリクスであり、事前に測定されている。この実施の形態では、重量物Ｗがばねで拘束されていないために、ばね定数マトリクスＫ_ｖはゼロである。ｘは一つの自由度に関する重量物Ｗの位置を示し、位置センサで検出される。位置ｘの１回微分値は速度に対応し、２回微分値は加速度に対応し、それぞれ位置センサで検出された位置の情報がコントローラによって時間微分されることで求められる。これに代えて、可動体８に速度センサと加速度センサを取付けてもよい。あるいは、可動体８に操作者が加える操作力を検出するセンサを取付けて、加速度に代わる値を検出するようにしてもよい。
【００１９】
以上の情報から図２（１）式の右辺の値が計算でき、重量物と作業補助装置の全体システムを、現に行っている運動をさせるに要する力Ｆ_Ｔが、各自由度毎に求められる。
【００２０】
第１〜８アクチュエータＡ１〜Ａ８によって、各自由度について、合わせてＦ_Ｔの力が出力されていれば（ここでいう合計した力は、単純な代数和でなく、各可動体を介して最終可動体８に伝達される力の和をいう）、作業者Ｐは何らの操作力を要せずにそのときの運動を起こしていることになる。しかしながら、このようにアクチュエータの出力を調整すると作業者は違和感を覚え、良質な搬送作業が実施できない。
【００２１】
そこで、この実施の形態では、図２(２)式の計算を行う。ここで、Ｍは加速度に対する比例係数で作業者が感じる仮想物体の質量に相当し、Ｄは速度に対する比例係数で作業者が感じる粘性係数に相当し、Ｋは位置に対する比例係数で作業者が感じるばね定数に相当する。このようにして図２（２）式で計算される力が作業者に求められるようにアクチュエータの出力を調整する。このために、図２（３）式の右辺、即ち、前記重量物とその重量物を支持している可動体の全体システムを、それらが現に行っている運動をさせるに要する力Ｆ_Ｔから、重量物Ｗの加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力Ｆ_ｈを減じた力Ｆ_Ａが計算され、その力がアクチュエータから出力されるように調整する。
【００２２】
この実施の形態では、（２）式ないし（３）式の計算をするにあたって、加速度に対する比例係数Ｍと、速度に対する比例係数Ｄと、位置に対する比例係数Ｋが搬送作業中に切り換えられる。
【００２３】
図３の（Ａ）は、横軸に搬送作業中の経過時間、縦軸に搬送速度と加速度をとったグラフを示している。複数の試験者に各種の搬送作業を実施してもらったところ、共通的に、まず増速し、ついで減速して位置決めすることが確認された。即ちグラフ上、きれいなベル型を描くことがわかった。詳しく見ると、全体作業時間の略半分までは増速し、ついで減速し、減速後期に位置決め作業をしていることが確認された。さらに増速期間を詳しく検討すると、加速度が正でしかも増加している増速前期と、加速度は正でありつづけるものの値は減少する増速後期に分類できることがわかった。また、位置決め作業は、減速中で（加速度がマイナスの期間）しかも加速度の絶対値がピークとなった以降に実施されることが確認された。
【００２４】
即ち、一般に搬送作業は、加速度が正でしかも増大する増速前期に始まり、中間期を経て、加速度が負で絶対値が減少する減速後期で終了すると考えることができ、実際の作業者も、この３つのフェーズに作業内容を大別して意識していることがわかった。この技術では、かかる知見に基づいて、一連の搬送作業を、加速度が正でしかも増大する増速前期（このとき作業者は専ら重量物の起動作業に従事しているように感じることから起動フェーズという）と、それに続く中間フェーズと、加速度が負で絶対値が減少する減速後期（このとき作業者は専ら重量物の位置決め作業に従事しているように感じることから位置決めフェーズという）に分類して考察する。
【００２５】
本発明者が鋭意研究を進めたところ、作業者が意識する作業内容の変化時点、即ち、起動フェーズから中間フェーズに切り替わる第1のフェーズ切り換え時と、中間フェーズから位置決めフェーズに切り替わる第2のフェーズ切り換え時に、前記した加速度に対する比例係数（等価質量に相当する）Ｍ，速度に対する比例係数（等価粘性係数に相当する）Ｄ，位置に対する比例係数（等価ばね定数に相当する）Ｋを切り換えると、作業者が搬送作業しやすくなることを見出した。これはあたかも作業者が作業内容に合わせて最適な道具に持ち代えながら作業することに相当し、起動時には起動作業に適した搬送補助道具を使って起動し、位置決め時には位置決め作業に適した搬送補助道具を使って位置決めすることに相当する。
【００２６】
図3のＢは、各種パターンで、加速度に対する比例係数（等価質量に相当する）Ｍをフェーズの切り換え時に変動させながら搬送作業を試行した中で、好ましい作業補助結果が得られた変動パターンを示し、第1のフェーズ切り換え時Ｆ1でＭが減少するパターン（２）、第２のフェーズ切り換え時Ｆ２でＭが減少するパターン（３）、第1と第2のフェーズ切り換え時の双方でＭが減少するパターン（１）のいずれの場合にも、違和感がなく、正確にかつすばやく位置決めでき、作業に伴う疲労感が少ない搬送作業が可能であった。なお、フェーズの切り換え時に比例係数Ｍを不連続的に増減させると、作業者が違和感を感じることから、フェーズの切り換え時に次のフェーズのための値に連続的に変化する変化パターを採用した。図３の（Ｂ）と（Ｃ）では、時間に対して直線的に変化する過渡的変化パターンを採用したが、時間に対して曲線的に変化して次の値に至る過渡的変化パターンを採用することもできる。
【００２７】
上記パターン以外に、Ｍを比較的重い質量（それでも重量物Ｗの実際の質量よりは軽い）に固定するパターン、比較的に軽い質量に固定するパターン、中間フェーズに軽くして位置決めフェーズに増大させるパターンについても試験してみたが、これらのパターンでは作業者が違和感を感じやすく、良好に作業を補助することができなかった。
【００２８】
図３(Ｃ)は、良好な補助結果が得られた、速度に比例する係数（粘性係数に相当する）Ｄの変動パターンを示し、第1のフェーズ切り換え時Ｆ１で増大させることが必要であることがわかった。第2のフェーズ切り換え時Ｆ２で増大させてもよいが（パターン１）、そのときには第1のフェーズ切り換え時Ｆ１であらかじめ増大させておくことが必要であり、第2のフェーズ切り換え時にのみ増大させても、良好な補助結果が得られないことがわかった。
【００２９】
上記パターン以外に、速度に対する比例係数Ｄを一定に維持するパターン、中間フェーズに増大させて位置決めフェーズに減少させるパターン、前記した第2のフェーズ切り換え時にのみ増大させるパターンについても試験してみたが、これらのパターンでは作業者が違和感を感じやすく、良好に作業を補助することができなかった。
【００３０】
図３の（Ｂ）と（Ｃ）のパターンは組み合わせて用いたときに良好な作業アシストないし補助力が得られ、作業者に違和感がなく、正確にかつすばやく位置決めでき、作業に伴う疲労感が少ない搬送作業が可能であった。
【００３１】
この実施の形態では、図２の（３）式によって、各アクチュエータＡ１からＡ８の出力を調整する。（３）式の上段の項は（1）式の右辺であり、物理的にいうと、重量物Ｗと可動体１〜8を持つ作業補助装置Ｂの全体システムを、現在行っている運動をさせるのに要する力に相当し、コントローラで計算される。（３）式の下段の項は、（２）式で計算される合力であり、そのときの加速度に比例係数（等価質量に相当する）Ｍを乗じて計算される力と、そのときの速度に比例係数（粘性係数に相当する）Ｄを乗じて計算される力と、そのときの位置に比例係数（ばね定数に相当する）Ｋを乗じて計算される力を加算したものである。この実施の形態では、位置に対する比例係数（ばね定数に相当する）Ｋがゼロに固定されている。
アクチュエータＡ１〜Ａ8の出力は、各アクチュエータの力がリンク機構等の力の伝達系を介して第8可動体８に伝達される各自由度方向の力が、各自由度について図２の（３）式で計算される値となるように調整される。
【００３２】
以上のようにアクチュエータＡ１〜Ａ８の出力が調整されると、作業者には図２の（２）式で計算される力を加えることが求められる。この力は、重量物Ｗよりも軽量の物体を搬送する場合に必要な力に相当し、作業者は軽い物体を搬送する際に生じる手応えと同じ手応えを感じながら重量物Ｗの搬送をすることができる。
【００３３】
この実施の形態では、作業フェーズの進行に応じて、作業者が感じる仮想物体の質量と仮想物体に作用する粘性係数が切りかえられていくことになり、起動フェーズでは比較的に重い質量を粘性の低い空間で起動する感覚が得られ、位置決めフェーズでは比較的に軽い質量を粘性の高い空間で位置決めする感覚が得られ、結果として、作業者に違和感がなく、正確にかつすばやく位置決めでき、作業に伴う疲労感が少ない搬送作業が可能となる。
【００３４】
この研究で確認されたことは、図３の（Ｂ）のと（Ｃ）の変化のパターンが重要であって、このパターン従っている限り、作業者の感じる違和感を押さえられることがわかった。ただし、これらの比例定数（パラメータ）の値は一定でなく、好ましいパラメータの値は、作業者毎に違い、同じ作業者でも疲労時と正常時で相違し、あるいは、作業に習熟前と習熟後で相違することがわかった。しかしながらいずれの場合も、図３の（Ｂ）と（Ｃ）のパターンが重要であることがわかったために、作業者毎に、あるいは作業者の状態毎に、最適パラメータ（加速度に対する比例係数、速度に対する比例係数）を設定することが容易となる。
【００３５】
図３の（Ａ）には、図３の（Ｂ）と（Ｃ）のパターンにしたがって作業フェーズの切り換え時にパラメータを変化させたときに作業者に必要とされた操作力が合わせて表示されている。このときに必要とされた操作力は、起動フェーズでは加速度の上昇パターンにほぼ一致し、位置決めフェーズでは搬送方向に向かう或る小さな力に収束し、その間において逆向きの操作力が必要とされず、搬送作業の全体を通じて操作力が滑らかに変化するという特徴を有する。
【００３６】
操作者に必要とされる操作力に関する上記の特徴は、搬送作業の多くの場合について一般的に必要とされる特徴であることがわかった。
図４は、パラメータを図３の（Ｂ）と（Ｃ）のパターンで変動させながら作業を補助したときに必要とされた操作力を示している。図４の（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ、重量物の質量、搬送距離等が変えられている。いずれの場合も、作業者が違和感を感じることなく良好に搬送できた場合を示しており、この間の操作反力は、いずれも、起動フェーズでは加速度の上昇パターンにほぼ一致し、位置決めフェーズでは搬送方向に向かう或る小さな力に収束し、その間において逆向きの操作力が必要とされず、搬送作業の全体を通じて操作力が滑らかに変化するという特性を満たしていた。
【００３７】
図５は横軸に作業の繰返し回数を取り、縦軸に搬送作業に要した時間を取っており、搬送作業中に仮想物体の質量を重めに固定したとき（黒丸）、粘性係数を大きな値に固定したとき（白丸）、質量も粘性係数も大きな値に固定したとき（白四角）、ならびに、本実施の態様に従って質量と粘性係数を変化させたとき（黒四角）を示し、本実施の形態を用いることで、習熟度の低いうちから短時間で作業できることが確認されている。
【００３８】
上記の実施例では、図３（Ａ）において、加速度が負の減速中で加速度の絶対値が増加傾向から減少傾向に変化する時点を検出し、その時点が中間フェーズから位置決めフェーズへの切り換え時であり、その時点でパラメータを変化させ始める手法をとった。これに対し、操作に必要な反力、即ち、図２の（２）式で計算される値が最大値の３０％にまで減少した時点を中間フェーズから位置決めフェーズへの切り換え時であるとしても、良好な作業補助力が得られることがわかった。
【００３９】
以上のことから図３（Ｂ）と（Ｃ）のパターンが好ましいことがわかった。そこで、次に、そのパターンの中で、パラメータの値を適値に調整する方法をさらに研究した。
【００４０】
研究の結果、作業者が違和感を感じることなく、正確な位置決め作業を短時間で完了する場合、横軸に作業開始時からの経過時間、縦軸に搬送速度をとったときに、図６のグラフ６２に示すように、きれいなほぼ左右対称のベル型のパターンとなることがわかった。
これに対し、最大速度となるタイミングが後方にずれているグラフ６４の場合、起動フェーズで作業者が重く感じていることがわかった。また、最大速度となるタイミングが前方にずれているグラフ６０の場合、作業者が位置決めフェーズで正確に位置決めすることが難しく感じていることがわかった。
そこで、グラフ６４の場合のように、最大速度となるタイミングが後方にずれている場合には、起動時に作業補助装置Ｂが補助する力を強めて作業者に必要とされる操作力を減少させることが必要であり、図３の（Ｂ）の（１）〜（３）のパターンにおいて、起動フェーズでのＭの値（第１のフェーズ切り換え時Ｆ１以前の値）を減少させる。
一方において、グラフ６０の場合のように、最大速度となるタイミングが前方ずれている場合には、位置決めフェーズでシステムの安定性を増大する必要があり、図３の（Ｃ）の（１）〜（２）のパターンにおいて、位置決めフェーズでのＤの値（第２のフェーズ切り換え時Ｆ２以後の値）を増大させる。このとき合わせて位置決めフェーズ中のＭの値を減少させてもよい。
図３の（Ｂ）と（Ｃ）のパターンを維持しながら、前記の修正作業をすることで、各パラメータの値は迅速に適値に調整され、比較的容易にグラフ６２に示すグラフが得られるようになり、好ましい作業補助が実現されるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によると、作業者が良質な作業を実施しやすい手応えないし反力が得られる作業補助装置が実現されるために、作業者は作業しやすく、作業スピードが向上し、作業ミスが低減され、作業負負荷が軽減される。
さらに、作業者は快適な手応えを感じながら自己の固有の力では動かせないほどの重量物を自己の思いどうりに搬送することができ、高い技能を持った作業者が肉体的能力の低下に抗して働き続けることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】作業補助装置の全体を示す図。
【図２】コントローラの構成と計算内容を模式的に示す図。
【図３】作業フェーズとパラメータの変動パターンを示す図。
【図４】各種搬送作業での、速度と加速度と操作反力の変化パターンを示す図。
【図５】各種の補助力調整方式を採用したときの、作業時間を作業回数の関係を示す図。
【図６】補助力の大小が搬送作業に影響することを示すグラフ。
【符号の説明】
１〜８：可動体
Ｗ：重量物
Ｐ：作業者
Ｂ：作業補助装置

Claims

作業者による重量物の搬送作業を補助する装置であり、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータの出力を調整するコントローラを備え、そのコントローラは、前記重量物とその重量物を支持している可動体をそれらが現に行っている運動をさせるに要する力から、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を減じた力が前記アクチュエータから出力されるように調整するとともに、前記重量物の加速度とその増減に基づいて搬送作業中の作業フェーズを「前記重量物の加速度が正でその絶対値が増大する起動フェーズ」と「前記重量物の加速度が正でその絶対値が減少し、ついで前記重量物の加速度が負でその絶対値が増大する中間フェーズ」と「前記重量物の加速度が負でその絶対値が減少する位置決めフェーズ」とに分類し、起動フェーズから中間フェーズを経て位置決めフェーズへと移行する一連の搬送作業中の起動フェーズから中間フェーズに切り換わる第１のフェーズ切り換え時と中間フェーズから位置決めフェーズに切り換わる第２のフェーズ切り換え時のいずれかの作業フェーズの切り換え時に合力を計算する前記の加速度に対する比例係数を減少するように切り換えることを特徴とする作業補助装置。
作業者による重量物の搬送作業を補助する装置であり、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータの出力を調整するコントローラを備え、そのコントローラは、前記重量物とその重量物を支持している可動体をそれらが現に行っている運動をさせるに要する力から、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を減じた力が前記アクチュエータから出力されるように調整するものであり、前記搬送作業が「前記重量物の加速度が正でその絶対値が増大する起動フェーズ」と「前記重量物の加速度が負でその絶対値が減少する位置決めフェーズ」を有し、合力を計算する前記の加速度に対する比例係数は起動フェーズで大きく位置決めフェーズで小さく、速度に対する比例係数は起動フェーズで小さく位置決めフェーズで大きくなるように切り換えられることを特徴とする作業補助装置。
作業者による重量物の搬送作業を補助する装置であり、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータの出力を調整するコントローラを備え、そのコントローラは、前記重量物とその重量物を支持している可動体をそれらが現に行っている運動をさせるに要する力から、前記重量物の加速度に比例する力と速度に比例する力と位置に比例する力とを合計した合力を減じた力が前記アクチュエータから出力されるように調整するものであり、前記搬送作業が起動フェーズと中間フェーズと位置決めフェーズを有し、合力を計算する前記の加速度に対する比例係数は起動フェーズから中間フェーズに切り換わる第１のフェーズ切り換え時と中間フェーズから位置決めフェーズに切り換わる第２のフェーズ切り換え時のいずれかまたは双方で減少し、前記の速度に対する比例係数は少なくとも第１のフェーズ切り換え時に増大するように切り換えられることを特徴とする作業補助装置。
作業者の搬送作業をアクチュエータの出力で補助し、そのアクチュエータの出力を実際の搬送作業に要する力から作業者に残す操作力を減じた力に調整し、作業者に残すその操作力を搬送速度に速度に対する比例係数を乗じた値と搬送加速度に加速度に対する比例係数を乗じた値との和に基づいて計算するに当たって、搬送速度が最大となる作業開始時からの標準経過時間に対して、搬送速度が最大となる時間が遅いときに前記の加速度に対する比例係数を減じ、搬送速度が最大となる時間が早いとき前記速度に対する比例係数を増加することを特徴とする作業補助装置の補助力調整方法。