JP4376732B2 - 搬送作業の補助装置と補助方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業者による物体（搬送物）の搬送作業を、補助する装置と方法に関する。特に、作業者に適切な操作反力を与えながら（この結果、手応え感等が感じられるようになる）、搬送作業を補助する装置と方法に関する。

作業者による搬送作業を補助する装置が知られている。この補助装置は、搬送物を支持する可動体と、その可動体に作業者が加えている力を検出する手段と、その可動体の移動機構に組込まれているアクチュエータを備えている。アクチュエータが位置や出力を変えることで可動体が移動し、その可動体で支持されている搬送物が移動する。アクチュエータの位置とは、アクチュエータの基準位置からの作動量を意味し、例えばアクチュエータがモータであれば基準角からの回転角で示され、ピストンが進退するシリンダであればピストンの基準位置からの進退量で示される。アクチュエータの出力とは、アクチュエータが移動機構に加える力を意味し、例えばアクチュエータがモータであれば回転トルクで示され、ピストンが進退するシリンダであればピストンの進退力で示される。また補助装置は、前記検出手段で検出した力（可動体に作業者が加えている力）を搬送物に加えた時に、その搬送物に生じる運動を計算する手段を備えている。さらに、その計算手段で計算した搬送物の運動を実現するアクチュエータ位置にアクチュエータを制御する手段を備えている。
搬送作業の補助装置では、作業者が可動体に加えている力と、結果的に実現される搬送物の運動との間に、
Ｍ・（ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２）＋Ｄ・（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｋ・Ｐ＝Ｆｈ ・・（１）
の関係が成立していると、作業者は自然な操作力ないし手応え（以下、操作反力ということがある）を感じることができ、搬送作業の操作性が向上することが知られている。ここで、ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２は搬送物の加速度ベクトル、ｄＰ／ｄｔは搬送物の速度ベクトル、Ｐは搬送物の位置ベクトルである。Ｍは搬送物の加速度に対する比例マトリクスであり、搬送物の質量に相当する。Ｄは搬送物の速度に対する比例マトリクスであり、搬送物に作用する粘性係数に相当する。Ｋは搬送物の位置に対する比例マトリクスであり、搬送物に作用するばね定数マトリクスに相当する。Ｆｈは作業者が可動体に加える力のベクトルである。
上記の知見を利用する搬送作業補助装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の装置は、作業者が可動体に加える操作力Ｆｈと、結果的に実現される搬送物の運動（加速度ベクトル、速度ベクトル、位置ベクトルで記述される）との間に、上記（１）式が成立するようにアクチュエータの出力を調節する。さらに特許文献１は、重量物の搬送作業を複数の作業段階に大別し、重量物を細かに移動させる位置決め段階では、加速度に対する比例係数Ｍを小さくするとともに、速度に対する比例係数Ｄを大きくすることが有効であることを報告している。
特開２００１−７５６４９号公報

作業者が可動体に加えている力（操作力）から、前記した（１）式の関係を満たす運動を計算し、アクチュエータによってその運動を実現する技術によると、自然な操作反力が得られ、搬送作業の操作性が向上する。
しかしながら、例えば重量物を大きく移動させる段階と、重量物を細かく移動させて位置決めする段階を通して、上記（１）式を固定的なものとすると、自然な操作反力が得られず、極端な場合には人の僅かな手ぶれに対してアクチュエータが敏感に応答し、人の手ぶれを増幅してしまうこともある。
そこで、特許文献１の技術では、重量物を細かに移動させる位置決め段階では、加速度に対する比例係数Ｍを小さくするとともに、速度に対する比例係数Ｄを大きくする。
この技術は、搬送物の搬送作業が予め想定された複数の作業段階に大別できることに立脚しており、予め判明している搬送作業には極めて有効である。例えば量産工場で重量部品を部品棚から取り出して製品に組み付けるような搬送作業を補助するのには極めて有効である。しかしながら、搬送作業内容が予め判明していない場合に適用できるようにするためにはなおも改良の余地が残されている。
本発明は、作業者による様々な搬送作業（予め判明していない作業も含む）を補助しうる汎用性の高い技術を提供する。

本発明者は、先に示した（１）式の関係を満たすようにアクチュエータを制御しても、良好な操作性が得られない理由を種々に研究した。
その結果、（１）式には自然界に存在する摩擦力が加味されておらず、摩擦力が作用しないという不自然な環境で操作するときの操作感が再現されてしまうことにあることを認識した。例えば平面内の所定位置に搬送物を位置決めする場合、人は平面から搬送物に作用する摩擦力を考慮し、その摩擦力を利用しながら搬送物を定められた位置まで搬送して停止させる。（１）式の関係を満たすような運動を搬送物の運動に再現する方式では、自然界では作用する摩擦力が加味されず、その自然な操作を再現することができない。
実際の作業でも、摩擦力が作用しないことがある。自由空間内の所定位置に搬送物を搬送して位置決めする場合には、摩擦力が作用しない。体験すれば直ちに明らかになるが、人にとって摩擦力が働かない環境で位置決め操作をすることは困難である。この場合、摩擦力が作用する環境で作業している関係を再現できれば、その操作ははるかに自然で簡単なものとなる。
作業者による搬送作業を補助するための装置やロボットの研究では、摩擦力を排除する方向に向かって研究が進められており、摩擦力を利用しようとする研究は行われてこなかった。本発明者らは、従来は排除されてきた摩擦力に着目し、作業者の搬送作業を補助する技術に摩擦力を利用するための研究に取り組むことによって、本発明を完成するに至った。

本発明は、作業者による搬送物の搬送作業を補助する装置に具現化される。この補助装置は、搬送物を支持する可動体と、その可動体に作業者が加えている操作力を検出する手段と、その可動体の移動機構に組込まれているアクチュエータと、搬送物の現時点の速度で運動する仮想質量の物体に、検出された操作力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第１速度を算出する第１速度算出手段と、算出された第１速度がゼロでなければ、第１速度とは逆向きであって第１速度の大きさによらず一定の大きさを有する力を擬似摩擦力として決定し、第１速度がゼロであれば、擬似摩擦力をゼロに決定する擬似摩擦力決定手段と、算出された第１速度で運動する仮想質量の物体に、決定された擬似摩擦力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第２速度を算出し、算出した第２速度が第１速度と反対向きであれば第２速度をゼロとする第２速度算出手段と、搬送物の現時点の速度と算出された第２速度を用いて、搬送物の目標位置を算出する目標位置算出手段と、算出された目標位置のデータに基づいて、アクチュエータを制御する手段を備えている。

摩擦力は物体の移動を妨げようとする力である。物体に作用する摩擦力は、人が物体を移動させようとしたときに、物体から受ける手応え等として人に知覚される。略同様に物体の移動を妨げようとする力として、粘性抵抗力が挙げられる。従来の作業者による搬送作業を補助する技術では、物体の移動を妨げようとする力として粘性抵抗力のみを採用し、作業者にとって適切な操作反力を発現させることが模索されてきた。
摩擦力の一つの特徴は、粘性抵抗力と比較して、物体が低速で運動している場合でも、その大きさが比較的に大きいことにある。例えば、粘性抵抗力の大きさは物体の速度に比例することから、物体の速度がゼロに漸近していくと粘性抵抗力の大きさもゼロに漸近していく。一方、摩擦力の大きさは速度によって変化する場合もあるが、物体の速度がゼロに漸近しても摩擦力の大きさはゼロには漸近せずに、所定の大きさの摩擦力が物体には作用し続ける。
摩擦力の他の一つの特徴は、粘性抵抗力と比較して、物体が高速で運動している場合でも、その大きさが比較的に小さいことにある。例えば、物体の速度が増大していくと、粘性抵抗力は比例して増大していく。一方、摩擦力の大きさは速度によって変化する場合もあるが、物体の速度が増大しても摩擦力の大きさが比例して増大することはない。
摩擦力のまた別の特徴は、粘性抵抗力と異なり、物体が停止している時にも作用しうることにある。粘性抵抗力は物体が停止していると作用しない。一方、摩擦力は、停止している物体が移動しようとする時に、その位置を保持するように作用する。

本発明による補助装置では、作業者が可動体に操作力を加えると、可動体の移動機構によって実現される搬送物の運動に、摩擦力が作用する環境におかれたときの搬送物の運動が再現される。作業者は、搬送物を自由空間内で搬送する場合でも、搬送物に摩擦力が作用しているような操作反力を感じることとなる。作業者が搬送物を低速で移動させながら搬送物の位置決めをする場合、操作反力が小さくなりすぎることがなく、作業者は可動体に加える操作力を調節しやすい。また作業者が搬送物を高速で移動させながら搬送物を遠くに移動させる場合、操作反力が大きくなりすぎることがなく、作業者は可動体に大きな力を加える必要がない。また作業者が搬送物を停止させつづけようとする場合、作業者には自身の手ぶれに抗するような操作反力が与えられることとなり、作業者は可動体を容易に停止させつづけることが可能となる。
この補助装置によると、搬送物の運動に摩擦力が作用する環境におかれた物体の運動が再現される。搬送作業の作業段階に応じた適切な操作反力が自動的に作業者に与えられることとなる。その結果、作業段階毎に制御則を変更する必要がなく、様々な搬送作業に採用することができる。作業者は自然な操作感を得ることができ、搬送作業を正しく行うことが可能となる。

前記した仮想質量が搬送物の質量よりも小さな値に設定され、前記アクチュエータが、作業者が加えている操作力よりも大きな力が可動体に加わる状態を実現するものであると、作業者は搬送物よりも軽い物体を搬送するときの力で、搬送物を搬送することが可能となる。それにより、人の力では動かすことさえ困難であるような重い搬送物を、作業者は正しく搬送して位置決めすることが可能となる。
一方、前記した仮想質量が搬送物の質量よりも大きな値に設定され、前記アクチュエータが、例えばブレーキ機構などを備え、作業者が加えている操作力よりも小さな力が可動体に加わる状態を実現するものであると、作業者は搬送物よりも重い物体を搬送するときの力で、搬送物を搬送することが可能なる。それにより、人の手ぶれ程度の力で動いてしまうような軽い搬送物を、作業者は正しく搬送して位置決めすることが可能となる。

前記アクチュエータ制御手段は、前記目標位置算出手段で算出された搬送物の目標位置を実現するアクチュエータの目標位置を計算する手段と、実際のアクチュエータ位置を検出する手段と、アクチュエータの目標位置と実際位置の偏差を計算する手段と、その偏差に基づいてアクチュエータの位置または出力を調節する手段とを備えていることが好ましい。
アクチュエータの位置が、計算されたアクチュエータの目標位置に調節されることによって、摩擦力が作用する環境におかれたときの搬送物の運動を再現することができる。アクチュエータの位置の偏差に基づいて、アクチュエータの位置や出力を調節することで、アクチュエータの位置を計算された目標位置に調節することができる。

上記の装置において、前記擬似摩擦力決定手段で決定される擬似摩擦力の大きさが、搬送物の位置および／または搬送方向に応じて増減調節されることが好ましい。
搬送物を搬送する際には、作業性や安全等を考慮して、搬送物の好ましい搬送範囲や搬送方向を定めることが好ましい。このとき作業者は、定められた搬送範囲や搬送方向を順守して、搬送物を搬送することが求められる。
この装置では、例えば搬送物が定められた搬送範囲の外側に位置している場合に、搬送物の運動に再現する摩擦力を増大するように調節することができる。それにより、作業者が搬送物を不適当な位置へ搬送した場合に、作業者は大きな抵抗感を感じることとなり、搬送範囲から大きく逸脱してしまうことがない。作業者は、搬送物の位置が正しくないことを知得することができ、搬送物の位置を修正することができる。このとき、摩擦力をより大きく増大させるようにすると、作業者は定められた搬送範囲の周囲にあたかも見えない壁が存在するような操作反力を感じることができる。作業者は、定められた搬送範囲を過度に意識することなく、定められた搬送範囲を順守することができる。
あるいは、搬送物が定められた搬送方向と異なる方向に移動している場合に、搬送物の運動に再現する摩擦力を増大するように調節することもできる。それにより、作業者が搬送物を不適当な方向へ搬送しようとした場合に、作業者は大きな抵抗感を感じることとなる。作業者は、搬送方向が正しくないことを知得することができ、搬送方向を修正することができる。このとき、摩擦力をより大きく増大させるようにすると、作業者はあたかも搬送方向に敷設された見えないレールが存在するような操作反力を感じることができる。作業者は、定められた搬送方向を過度に意識することなく、定められた搬送方向を順守することができる。

上記の装置において、作業者が前記可動体に加える操作であって、搬送作業に関与しない所定の操作を検出する手段を備えていることが好ましい。この場合、前記擬似摩擦力決定手段で決定される擬似摩擦力の大きさが、前記所定の操作の検出の前後で増減調節されることが好ましい。
この補助装置では、作業者が可動体に所定の操作を行うと、その所定の操作に応じて搬送物の運動に再現される摩擦力の大きさが調節される。即ち、作業者は自身の意思によって搬送物の運動に再現される摩擦力の大きさを調節することできる。その所定の操作は搬送物の運動に関与しない操作であることから、その所定の操作によって搬送物が意図しない運動をするようなこともない。作業者は、可動体に搬送物を搬送するための操作と所定の操作とを同時に独立して行うことができることから、搬送物の位置決め作業をより自然な感覚によってより正しく行うことが可能となる。

上記の装置において、第１速度算出手段で算出された第１速度を、移動および／または回転する仮想物体に対する相対速度に修正する手段をさらに備えることが好ましい。この場合、擬似摩擦力決定手段は、修正された第１速度を用いて前記擬似摩擦力を決定することが好ましい。
この補助装置では、例えばコンベヤや回転テーブル上に載置されている搬送物に搬送力を加えた時に生じる運動を、搬送物の運動に実現することができる。

本発明はまた、作業者による物体の搬送作業を補助する新規で有用な方法を提供する。この方法は、搬送物を可動体によって支持する工程と、その可動体に作業者が加えている操作力を検出する工程と、搬送物の現時点の速度で運動する仮想質量の物体に、検出された操作力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第１速度を算出する第１速度算出工程と、算出された第１速度がゼロでなければ、第１速度とは逆向きであって第１速度の大きさによらず一定の大きさを有する力を擬似摩擦力として決定し、第１速度がゼロであれば、擬似摩擦力をゼロに決定する擬似摩擦力決定工程と、算出された第１速度で運動する仮想質量の物体に、決定された擬似摩擦力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第２速度を算出し、算出した第２速度が第１速度と反対向きであれば第２速度をゼロとする第２速度算出工程と、搬送物の現時点の速度と算出された第２速度を用いて、搬送物の目標位置を算出する目標位置算出工程と、算出された目標位置のデータに基づいて、前記可動体の移動機構に組込まれているアクチュエータを制御する工程を備えている。

この補助方法によると、搬送物の運動に摩擦力が作用する物体の運動が再現される。搬送作業の作業段階に応じた適切な操作反力が自動的に作業者に与えられることとなる。その結果、作業段階毎に制御則を変更する必要がなく、様々な搬送作業に採用することができる。作業者は自然な操作感を得ることができ、搬送作業を正しく行うことが可能となる。

本発明により、作業者による様々な搬送作業を補助しうる汎用性の高い技術が提供される。

本発明を実施するための好適な形態を説明する。
（形態１） 図１は、実施形態１の作業者による搬送作業の補助装置１８２の構成を示している。
補助装置１８２は、搬送物Ｗを支持する可動体１５０と、可動体１５０に作業者が加えている力Ｆｈを検出するセンサ１５６と、可動体１５０を移動可能に支持する移動機構１５１と、移動機構１５１に組込まれているアクチュエータ１５２群と、摩擦力が作用する環境におかれたときの搬送物Ｗにセンサ１５６で検出した力Ｆｈを加えた時に、搬送物Ｗに生じる運動を計算する運動計算機１６２と、運動計算機１６２で計算した運動を実現するアクチュエータ１５２群の目標位置のデータに基づいて、アクチュエータ１５２群を制御するドライバ１６４を備えている。

補助装置１８２を利用する作業者Ｈは、搬送物Ｗを可動体１５０に取り付けて、搬送物Ｗを可動体１５０に支持させることができる。
作業者Ｈが可動体１５０に力を加えると、その加えている力が、センサ１５６によって検出される。センサ１５６で検出した力Ｆｈは、運動計算機１６２へ入力される。センサ１５６は、作業者Ｈが可動体１５０に加えている力の大きさと方向を併せて検出することができる。センサ１５６は大きさと方向を併せて記述する力ベクトルＦｈを出力する。
運動計算機１６２は、センサ１５６から入力した力Ｆｈを用い、下記（２）式の運動方程式を満たす搬送物Ｗの運動を計算する。
Ｍ・（ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２）＋ｆ＝Ｆｈ ・・（２）；
ここで、Ｐは搬送物Ｗの位置ベクトルであり、ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２は搬送物Ｗの加速度ベクトルを示す。Ｍは搬送物Ｗの加速度に対する比例マトリクスであり、搬送物Ｗに擬制する仮想質量に相当する。ｆは搬送物Ｗの運動に再現する摩擦力ベクトルである。運動計算機１６２は、上式から搬送物Ｗの目標とする加速度（ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２）を計算することができる。運動計算機１６２は、さらに搬送物Ｗのその時点の速度を入力し、入力した速度に計算した加速度から計算される速度変化量を加算することによって、搬送物Ｗの目標とする速度を計算することもできる。また運動計算機１６２は、さらに搬送物Ｗのその時点の位置を入力し、入力した位置に計算した速度から計算される位置変化量を加算することによって、搬送物Ｗの目標とする位置を計算することもできる。センサ１５６で検出した力Ｆｈから少なくとも加速度ベクトルを計算することによって、搬送物の目標となる運動を計算する。
上記（２）式の仮想質量マトリクスＭは、作業者が予め設定し、補助装置１８２に教示しておくことができる。作業者Ｈは、搬送物Ｗの実際の質量とは無関係に、搬送しやすい質量を仮想質量Ｍとして設定することができる。例えば搬送物Ｗの重量が重すぎる場合は搬送物Ｗの質量よりも小さな値を設定し、搬送物Ｗの重量が軽すぎる場合は搬送物Ｗの質量よりも大きな値を設定し、搬送物Ｗの重量が適当である場合は搬送物Ｗの質量をそのまま設定することができる。
上記（２）式の摩擦力ベクトルｆは、搬送物Ｗが現に行っている運動や、センサＷで検出した力Ｆｈ等に基づいて、運動計算機１６２が計算する。このとき、摩擦力ｆの大きさは、作業者が予め設定して補助装置１８２に教示しておくことができる。
上記（２）式の運動方程式は、先に示した従来の装置で用いられる（１）式と同様に、搬送物Ｗの速度に対する比例マトリクスＤや、搬送物Ｗの位置に対する比例マトリクスＫを併せて設定することもできる。
運動計算機１６２は、上記の（２）式を解くことによって、摩擦力ｆ（摩擦力ｆは搬送物Ｗの運動の状態に応じて変化する）が作用する環境におかれたときの質量Ｍの物体に、センサ１５６で検出した力Ｆｈを加えた時に、質量Ｍの物体が生じる運動を計算する。運動計算機１６２で計算された搬送物Ｗの運動は、ドライバ１６４に入力される。

ドライバ１６４は、運動計算機１６２で計算された搬送物Ｗの運動を入力し、その運動が実現されるようにアクチュエータ１５２群の動作を制御する。
図２は、ドライバ１６４の一部の構成を示すブロック図である。アクチュエータ１５２は、ドライバ１６４の構成に含まれないが、図示の明瞭化を目的として図２に併せて示している。ドライバ１６４は、各アクチュエータ１５２に対して、アクチュエータ１５２の目標位置を計算する目標位置計算部１７２と、差分器１７４と、アクチュエータ１５２の作動量を調節する作動量調節部１７６と、アクチュエータ１５２の実際の位置を検出するエンコーダ１６６を備えている。
目標位置計算部１７２は、運動計算機１６２で計算された運動（例えば搬送物Ｗの目標とする位置Ｐ）を入力し、その運動を実現するアクチュエータ１５２の目標位置を計算して出力するものである。目標位置計算部１７２は、搬送物Ｗの位置Ｐと、その位置Ｐを実現するために必要なアクチュエータ１５２の位置との関係を記述するデータを記憶しており、搬送物Ｗの目標とする位置Ｐからアクチュエータ１５２の目標位置を計算する。
差分器１７４は、目標位置計算部１７２で計算されたアクチュエータ１５２の目標位置を入力し、またエンコーダ１６６からアクチュエータ１５２の実際の位置を入力し、アクチュエータ１５２の目標位置と実際位置の偏差を計算して出力するものである。
作動量調節部１７６は、差分器１７４で計算された偏差を入力し、その偏差に基づいてアクチュエータ１５２の作動量を調節するものである。作動量調節部１７６は、搬送物Ｗの変位量と、その変位量だけ搬送物Ｗを変位させるのに必要なアクチュエータ１５２の作動量との関係を記述するデータを記憶している。作動量調節部１７６は、入力した偏差に対応するアクチュエータ１５２の作動量を計算し、計算した作動量だけアクチュエータ１５２を動作させる。アクチュエータ１５２の位置は、目標位置計算部１７２で計算された位置となるように調節される。
ドライバ１６４がアクチュエータ１５２群の位置を目標位置に調節することによって、運動計算機１６２で計算された運動が搬送物Ｗの実際の運動に実現される。
この補助装置１８２は、作業者Ｈが可動体１５０に加えている力Ｆｈを、摩擦力が作用する環境におかれたときの搬送物Ｗに加えた時に生じる運動を、搬送物Ｗの実際の運動に再現することができる。作業者Ｈが可動体１５０に力を加えて搬送物Ｗを搬送する時に、搬送物Ｗに摩擦力が作用するときの操作反力を作業者Ｈに与えることができる。

（形態２） 実施形態１の補助装置１８２において、アクチュエータ１５２群の制御に他の方式を採用することもできる。実施形態２の補助装置は、実施形態１の補助装置１８２で利用するドライバ１６４を、図３に示すドライバ１６４ｂに変更するものである。
図３は、実施形態２の補助装置で採用するドライバ１６４ｂの一部の構成を示すブロック図である。ドライバ１６４ｂは、各アクチュエータ１５２に対して、目標位置計算部１７２と、差分器１７４と、アクチュエータ１５２の出力を調節する出力調節部１７６ｂと、エンコーダ１６６を備えている。
出力調節部１７６ｂは、差分器１７４で計算されたアクチュエータ１５２の位置の偏差を入力し、その偏差が減少するようにアクチュエータ１５２の出力を調節するものである。例えば入力した偏差が第１の方向への誤差を示している場合、出力調節部１７６ｂはアクチュエータ１５２の出力を、第１方向とは反対向きの第２の方向の向きに増大させる。出力調節部１７６ｂは、アクチュエータ１５２の出力を調節することによって、アクチュエータ１５２の位置を、目標位置計算部１７２で計算された目標位置となるように調節する。
ドライバ１６４ｂがアクチュエータ１５２群の位置を制御することによって、運動計算機１６２で計算された運動が搬送物Ｗの実際の運動に実現される。
搬送物Ｗや可動体１５０や移動機構１５１は、作業者Ｈが可動体１５０に加える力Ｆｈと、アクチュエータ１５２群が出力する力の合力によって運動する。そのことから、アクチュエータ１５２群の出力を計算する際に、作業者Ｈが可動体１５０に加えている力Ｆｈを考慮することが好ましい。ただし、搬送物Ｗや可動体１５０や移動機構１５１を動かすために必要な力が作業者Ｈにとって十分に大きいような場合では、アクチュエータ１５２群が出力する力に比して、作業者Ｈが可動体１５０に加えている力Ｆｈは非常に小さいので、その力Ｆｈを無視して計算することもできる。
実施形態２の補助装置は、作業者Ｈが可動体１５０に加えている力Ｆｈを、摩擦力が作用する環境におかれたときの搬送物Ｗに加えた時に生じる運動を、搬送物Ｗの実際の運動に再現することができる。作業者Ｈが可動体１５０に力を加えて搬送物Ｗを搬送する時に、搬送物Ｗに摩擦力が作用しているときの操作反力を作業者に与えることができる。

（形態３） 実施形態１の補助装置１８２において、アクチュエータ１５２群にかえて、ブレーキ型のアクチュエータ群を採用することもできる。ブレーキ型のアクチュエータとは、移動機構１５１等の運動を制動することができるが、移動機構１５１を運動させることができない（エネルギーを与えるができない）アクチュエータである。ブレーキ型のアクチュエータは、移動機構１５１等に制動力を出力する。ブレーキ型のアクチュエータは、出力（制動力）を調節することができる。実施形態３では、ブレーキ型のアクチュエータを採用する補助装置を説明する。この補助装置は、実施例１の補助装置１８２において、アクチュエータ１５２をブレーキ型のアクチュエータに変更し、ドライバ１６４をブレーキ型のアクチュエータ用のドライバに変更することによって具現化することができる。
図４は、ブレーキ型のアクチュエータ１５３を制御するドライバ１６４ｃの一部の構成を示すブロック図である。ドライバ１６４ｃは、各ブレーキ型のアクチュエータ１５３に対して、目標位置計算部１７２と、差分器１７４と、ブレーキ型のアクチュエータ１５３の出力（制動力）を調節する出力調節部１７６ｃと、エンコーダ１６６を備えている。
ブレーキ型のアクチュエータ１５３の位置とは、ブレーキ型のアクチュエータ１５３の制動力を与える側の部材と、制動力を受ける側の部材との相対的な位置を意味する。制動力を与える側の部材とは、移動機構１５１の本体側（地面等に固定されている側）に設けられている部材を意味し、制動力を受ける側の部材とは、移動機構１５１の末端側（可動体１５０側）に設けられている部材を意味する。
この補助装置は、搬送物Ｗや可動体１５０や移動機構１５１を動かすために必要な力が作業者Ｈにとって比較的に小さい場合に有効である。換言すれば、作業者Ｈが可動体に加えている力Ｆｈの僅かな変化（例えば手ぶれ等）によって、搬送物Ｗの運動が大きく変化してしまうような搬送作業に有効である。
出力調節部１７６ｃは、差分器１７４で計算された偏差を入力し、その偏差が減少するようにアクチュエータ１５２の出力を調節するものである。例えば入力した偏差が第１の方向への誤差を示しているとともに、アクチュエータ１５２の位置が第１の方向へと変位している場合では、出力調節部１７６ｂはアクチュエータ１５２が出力する制動力を増大させる。入力した偏差が第１の方向への誤差を示しているとともに、アクチュエータ１５２の位置が第２の方向へと変位している場合では、出力調節部１７６ｂはアクチュエータ１５２が出力する制動力を減少させる。出力調節部１７６ｃは、アクチュエータ１５３が出力する制動力を調節することによって、アクチュエータ１５３の位置を、目標位置計算部１７２で計算された目標位置に調節する。
ドライバ１６４ｃがアクチュエータ１５３群の位置を制御することによって、運動計算機１６２で計算された運動が搬送物Ｗの実際の運動に実現される。
実施形態３の補助装置は、作業者Ｈが可動体１５０に加えている力Ｆｈを、摩擦力が作用する環境におかれたときの搬送物Ｗに加えた時に生じる運動を、搬送物Ｗの実際の運動に再現することができる。作業者Ｈが可動体１５０に力を加えて搬送物Ｗを搬送する時に、搬送物Ｗに摩擦力が作用しているときの操作反力を作業者に与えることができる。

本発明を実施する実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は、本発明の技術を作業者による搬送作業を補助する装置に適用したものである。
図５は、本実施例の作業者による重量物の搬送作業を補助する装置（以下、補助装置と略す）２の全体像を示している。図６は、補助装置２の電気構成を示している。
図５、図６に示す補助装置２は、自動車の製造現場において、自動車のインストルメントパネル（以下、インパネと略す）Ｗを、自動車のボディ（図示せず）内に組み付ける工程で利用されるものである。この工程では、インパネＷを自動車ボディ内に搬送する作業と、所定の位置に位置決めする作業と、自動車ボディに固定する作業が行われる。作業者は、インパネＷを補助装置２に固定し、補助装置２を介してインパネＷを搬送して、位置決めする。補助装置２を用いることによって、作業者はインパネＷよりも軽量な物体を搬送するときに要求される力でインパネＷを搬送することができる。

図５によく示されるように、補助装置２は、一対の固定レール８ａ、８ｂと、その固定レール８ａ、８ｂの長手方向に沿ってスライド可能な第１可動体１０と、その第１可動体１０の長手方向に沿ってスライド可能な第２可動体２０と、その第２可動体２０の長手方向に沿ってスライド可能な第３可動体３０を備えている。以下、固定レール８ａ、８ｂの長手方向をｘ方向とし、第１可動体１０の長手方向をｙ方向とし、第２可動体２０の長手方向をｚ方向とする。ｘ方向とｙ方向とｚ方向は互いに略直交している。また、第３可動体３０には、インパネＷを支持可能なインパネ支持体４０が取り付けられている。インパネ支持体４０には、インパネＷを脱着可能に固定するための固定部４６等が設けられている。補助装置２は、第３可動体３０が所定の可動空間内を自由に移動できるように構成されており、インパネ支持体４０を介して支持しているインパネＷを自由に移動させることができるように構成されている。

図５、図６に示されるように、補助装置２は、第１可動体１０をｘ方向に沿ってスライドさせる第１アクチュエータ１２と、第２可動体２０をｙ方向に沿ってスライドさせる第２アクチュエータ２２と、第３可動体３０をｚ方向に沿ってスライドさせる第３アクチュエータ３２を備えている。
補助装置２は、第３可動体３０に固定された力覚センサ６と、力覚センサ６に設けられた作業者が把持するための把持部４を備えている。作業者は、補助装置２を介してインパネＷを搬送する際に、把持部４を把持してインパネＷを搬送する。即ち作業者は、把持部４を介して補助装置２の第３可動体３０に搬送力（操作力）を加える。力覚センサ６は、作業者が把持部４に加えている操作力を検出するためのセンサであり、作業者の操作力をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、およびｘ軸周り方向、ｙ軸周り方向、ｚ軸周り方向の６方向の力に区別して検出することができる。
補助装置２は、図５には図示されないが、第１可動体１０のｘ方向の位置を検出する第１位置センサ１６と、第２可動体２０のｙ方向の位置を検出する第２位置センサ２６と、第３可動体３０のｚ方向の位置を検出する第３位置センサ３６を備えている。第１可動体の位置と第１アクチュエータの位置は対応することから、第１位置センサ１６は第１アクチュエータ１２の位置を検出するものともいえる。同様に、第２位置センサ２６は第２アクチュエータ２２の位置を検出するものともいえる。第３位置センサ３６は第３アクチュエータ３２の位置を検出するものともいえる。

補助装置２は、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ２２と第３アクチュエータ３２の動作を制御する制御ユニット６０を備えている。
図６によく示されるように、制御ユニット６０は、第１アクチュエータ１２を制御する第１ドライバ１４と、第２アクチュエータ２２を制御する第２ドライバ２４と、第３アクチュエータ３２を制御する第３ドライバ３４を備えている。また、第１ドライバ１４と第２ドライバ２４と第３ドライバ３４に指令を与える処理部６２や、作業者が処理部６２に指示を入力したり、制御パラメータを調整したり、処理部６２から作業者に情報を表示するための操作パネル６４等を備えている。
処理部６２には、力覚センサ６が接続されており、力覚センサ６で検出した作業者が把持部４に加えた操作力が処理部６２に入力される。
処理部６２には、第１位置センサ１６が接続されており、第１位置センサ１６で検出した第１可動体１０のｘ方向の位置が処理部６２に入力される。処理部６２には、第２位置センサ２６が接続されており、第２位置センサ２６で検出した第２可動体２０のｙ方向の位置が処理部６２に入力される。処理部６２には、第３位置センサ３６が接続されており、第３位置センサ３６で検出した第３可動体３０のｚ方向の位置が処理部６２に入力される。処理部６２は、入力した第１可動体１０と第２可動体２０と第３可動体３０の位置から、把持部４の位置Ｐ：（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。また処理部６２は、把持部４の位置座標Ｐの経時変化から、把持部４の速度ｖ：（ｄｘ／ｄｔ，ｄｙ／ｄｔ，ｄｚ／ｄｔ）や、把持部４の加速度ａ：（ｄ^２ｘ／ｄｔ^２，ｄ^２ｙ／ｄｔ^２，ｄ^２ｚ／ｄｔ^２）を算出することができる。
把持部４とインパネＷは相対的に固定されているので、把持部４の位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）、把持部４の速度ｖ（ｄｘ／ｄｔ，ｄｙ／ｄｔ，ｄｚ／ｄｔ）、把持部４の加速度ａ（ｄ^２ｘ／ｄｔ^２，ｄ^２ｙ／ｄｔ^２，ｄ^２ｚ／ｄｔ^２）は、それぞれインパネＷの位置、インパネＷの速度、インパネＷの加速度に対応する。

処理部６２は、仮想質量Ｍや、仮想粘性係数Ｄや、仮想弾性係数Ｋや、擬似摩擦力値（反対力値）ｆ等を記憶することができる。仮想質量Ｍや、仮想粘性係数Ｄや、仮想弾性係数Ｋや、擬似摩擦力値ｆ等は、作業者等が予め設定し、操作パネル６４等を利用して補助装置２に教示しておくことができる。
制御ユニット６０の処理部６２は、作業者が把持部４に加えた操作力や、把持部４の位置Ｐや、把持部４の速度ｖや、把持部４の加速度ａを算出し、記憶している仮想質量Ｍや、仮想粘性係数Ｄや、仮想弾性係数Ｋや、擬似摩擦力値ｆ等を用いて把持部４の目標位置を逐次算出し、各ドライバ１４、２４、３４に教示する。把持部４の位置が教示された目標位置となるように、第１ドライバ１４は第１アクチュエータ１２を制御し、第２ドライバ２４は第２アクチュエータ２２を制御し、第３ドライバ３４は第３アクチュエータ３２を制御する。補助装置２は、作業者が把持部４に加えている力を補完するように動作し、把持部４と共にインパネＷを変位させる。作業者は、あたかもインパネＷよりも軽量な物体を搬送しているときの力で、インパネＷを搬送することができる。

次に、処理部６２が把持部４の目標位置を逐次算出する処理について詳細に説明する。図７は、処理部６２が把持部４の目標位置を逐次算出する処理の流れを示すフローチャートである。処理部６２は、図７のフローチャートに示す演算処理を、動作周期Δｔによって繰り返し実行する。なおここでは、仮想弾性係数Ｋにゼロを設定しているものとする。
ステップＳ２では、第１位置センサ１６と、第２位置センサ２６と、第３位置センサ３６の出力に基づいて、把持部４の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。以下、時刻ｔにおける把持部４の位置をＰ（ｔ）と記述し、そのときの把持部４の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、それぞれ（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ））と記述する。
ステップＳ４では、把持部４の速度（ｄｘ／ｄｔ，ｄｙ／ｄｔ，ｄｚ／ｄｔ）を算出する。処理部６２は、把持部４の経時的な位置変化から、即ち、今回の動作サイクルのステップＳ２で算出した把持部４の位置Ｐ（ｔ）と、前回の動作サイクルで算出した把持部４の位置Ｐ（ｔ−Δｔ）から、時刻ｔにおける把持部４の速度を算出する。以下、時刻ｔにおける把持部４の速度をｖ（ｔ）と記述し、そのときの把持部４のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の速度を、それぞれｖ_ｘ（ｔ）、ｖ_ｙ（ｔ）、ｖ_ｚ（ｔ）と記述する。
ステップＳ６では、力覚センサ６の出力に基づいて、作業者が把持部４に加えている操作力を算出する。処理部６４は、作業者が把持部４に加えている操作力のなかで、少なくともｘ方向と、ｙ方向と、ｚ方向の成分を区別して算出する。以下、時刻ｔにおいて作業者が把持部４に加えている操作力をＦ（ｔ）と記述し、そのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を、それぞれＦ_ｘ（ｔ）、Ｆ_ｙ（ｔ）、Ｆ_ｚ（ｔ）と記述する。

ステップＳ８では、保存加速度ａ_ｃ（ｔ）を算出する。保存加速度ａ_ｃ（ｔ）とは、保存力による加速度である。保存力とは、人が加える操作力や弾性体が加える弾性力等のように、物体に作用したときにそのエネルギーが物体に保存され、物体のエネルギーを増加することができる力を指す。即ち、
ａ_ｃ（ｔ）＝（Ｆ（ｔ）−Ｋ・Ｐ（ｔ））／Ｍ ；
となる。保存加速度ａ_ｃ（ｔ）のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を、それぞれａ_ｃｘ（ｔ）、ａ_ｃｙ（ｔ）、ａ_ｃｚ（ｔ）とすると、
ａ_ｃｘ（ｔ）＝（Ｆ_ｘ（ｔ）−Ｋ_ｘ・ｘ）／Ｍ
ａ_ｃｙ（ｔ）＝（Ｆ_ｙ（ｔ）−Ｋ_ｙ・ｙ）／Ｍ
ａ_ｃｚ（ｔ）＝（Ｆ_ｚ（ｔ）−Ｋ_ｚ・ｚ）／Ｍ
となる。保存加速度ａ_ｃ（ｔ）は、操作力Ｆ（ｔ）に起因して生じる加速度と、仮想弾性力Ｋ・Ｐ（ｔ）に起因して生じる加速度の和となる。なお、本実施例の補助装置２では、仮想弾性係数Ｋをゼロに設定しているので、保存加速度ａ_ｃ（ｔ）は、操作力Ｆ（ｔ）に起因して生じる加速度に等しく、保存加速度ａ_ｃ（ｔ）は操作力Ｆ（ｔ）に比例する。
ステップＳ１０では、保存加速度ａ_ｃ（ｔ）を用いて、動作周期Δｔ後の把持部４の第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）を算出する。即ち、
ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ（ｔ）＋ａ_ｃ（ｔ）・Δｔ ；
となる。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を、それぞれｖ_ｃｘ（ｔ＋Δｔ）、ｖ_ｃｙ（ｔ＋Δｔ）、ｖ_ｃｚ（ｔ＋Δｔ）とすると、
ｖ_ｃｘ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｘ（ｔ）＋ａ_ｃｘ（ｔ）・Δｔ
ｖ_ｃｙ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｙ（ｔ）＋ａ_ｃｙ（ｔ）・Δｔ
ｖ_ｃｚ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｚ（ｔ）＋ａ_ｃｚ（ｔ）・Δｔ
となる。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）は、算出した把持部４の速度ｖ（ｔ）に、操作力Ｆ（ｔ）に起因して生じる加速度から計算される速度変化量や、仮想弾性力Ｋ・Ｐ（ｔ）に起因して生じる加速度から計算される速度変化量が加味される。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）は、速度ｖ（ｔ）で運動している質量Ｍの物体に、操作力Ｆ（ｔ）を加えたときに、動作周期Δｔ後に実現される物体の速度と等しい。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）は、摩擦力や粘性抵抗力を考慮しない速度である。

ステップＳ１２では、擬似摩擦力ｆ（ｔ）が決定される。図８に示すように、擬似摩擦力ｆ（ｔ）の方向は、把持部４の第１速度ｖ_ｃ（ｔ）の向きと反対向きとなるように決定される。また、擬似摩擦力ｆ（ｔ）の大きさは、ステップＳ１０で算出された第１速度ｖ_ｃ（ｔ）がゼロでなければ、擬似摩擦力値ｆとする。即ち、擬似摩擦力ｆ（ｔ）のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を、それぞれｆ_ｘ（ｔ）、ｆ_ｙ（ｔ）、ｆ_ｚ（ｔ）とすると、
ｆ_ｘ（ｔ）＝−ｆ・ｖ_ｃｘ（ｔ）／｜ｖ_ｃ（ｔ）｜
ｆ_ｙ（ｔ）＝−ｆ・ｖ_ｃｙ（ｔ）／｜ｖ_ｃ（ｔ）｜
ｆ_ｚ（ｔ）＝−ｆ・ｖ_ｃｚ（ｔ）／｜ｖ_ｃ（ｔ）｜
となる。なお、
｜ｖ_ｃ（ｔ）｜＝（（ｖ_ｃｘ（ｔ））^２＋（ｖ_ｃｙ（ｔ））^２＋（ｖ_ｃｚ（ｔ））^２）^１／２
であり、
｜ｆ（ｔ）｜＝（（ｆ_ｘ（ｔ））^２＋（ｆ_ｙ（ｔ））^２＋（ｆ_ｚ（ｔ））^２）^１／２
＝ｆ
である。
一方、算出された第１速度ｖ_ｃ（ｔ）がゼロであれば、擬似摩擦力の大きさ｜ｆ（ｔ）｜をゼロとする。即ち、
ｆ_ｘ（ｔ）＝ｆ_ｙ（ｔ）＝ｆ_ｚ（ｔ）＝０
である。ここで、第１速度ｖ_ｃ（ｔ）がゼロの場合に擬似摩擦力の大きさをゼロとすることは、補助装置２によって把持部４の運動に再現される静止摩擦力がゼロであることを意味しない。第１速度ｖ_ｃ（ｔ）は摩擦力が作用しないと仮定したときの速度であり、この段階の擬似摩擦力ｆ（ｔ）は、その第１速度ｖ_ｃ（ｔ）に対して仮に定めるものである。

ステップＳ１４では、消散加速度ａ_ｄ（ｔ）を算出する。消散加速度ａ_ｄ（ｔ）とは、消散力による加速度である。消散力とは、粘性抵抗力や摩擦力等のように、物体に作用したときに、物体のエネルギーを消散させ、物体のエネルギーを増加させることができない力を指す。ここでは、仮想粘性係数Ｄと擬似摩擦力ｆ（ｔ）により、
ａ_ｄ（ｔ）＝（−Ｄ・ｖ（ｔ）＋ｆ（ｔ））／Ｍ ；
となる。消散加速度ａ_ｄ（ｔ）のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を、それぞれａ_ｄｘ（ｔ）、ａ_ｄｙ（ｔ）、ａ_ｄｚ（ｔ）とすると、
ａ_ｄｘ（ｔ）＝（−Ｄ・ｖ_ｃｘ（ｔ）＋ｆ_ｘ（ｔ））／Ｍ
ａ_ｄｙ（ｔ）＝（−Ｄ・ｖ_ｃｙ（ｔ）＋ｆ_ｙ（ｔ））／Ｍ
ａ_ｄｚ（ｔ）＝（−Ｄ・ｖ_ｃｚ（ｔ）＋ｆ_ｚ（ｔ））／Ｍ
となる。消散加速度ａ_ｄ（ｔ）は、粘性抵抗力に比例する成分と、擬似摩擦力ｆ（ｔ）に比例する成分の和となる。粘性係数Ｄがゼロに設定されていれば、消散加速度ａ_ｄ（ｔ）は、擬似摩擦力ｆ（ｔ）に比例する。
ステップＳ１６では、ステップＳ１０で求めた第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と、ステップＳ１４で求めた消散加速度ａ_ｄ（ｔ）を用いて、動作周期Δｔ後の把持部４の第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）を算出する。即ち、
ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）＋ａ_ｄ（ｔ）・Δｔ ；
となる。第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を、それぞれｖ_ｄｘ（ｔ＋Δｔ）、ｖ_ｄｙ（ｔ＋Δｔ）、ｖ_ｄｚ（ｔ＋Δｔ）とすると、
ｖ_ｄｘ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｃｘ（ｔ＋Δｔ）＋ａ_ｄｘ（ｔ）・Δｔ
ｖ_ｄｙ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｃｙ（ｔ＋Δｔ）＋ａ_ｄｙ（ｔ）・Δｔ
ｖ_ｄｚ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ_ｃｚ（ｔ＋Δｔ）＋ａ_ｄｚ（ｔ）・Δｔ
となる。第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）は、速度ｖ（ｔ）で運動している質量Ｍの物体に操作力Ｆ（ｔ）を加え、粘性抵抗力Ｄ・ｖ_ｃ（ｔ）と擬似摩擦力ｆ（ｔ）と等しい力が作用しているときに、動作周期Δｔ後に実現される物体の速度と等しい。このとき、例えば第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）が小さいと、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が、反対向きに算出されることがある。一般に、粘性抵抗力や摩擦力は物体の速度と反対向きに作用して物体の速度を減ずるが、物体の速度を反転させるような作用はない。本実施例では、以下に説明するステップＳ１８とステップＳ２０の処理によって、粘性抵抗力Ｄ・ｖ_ｃ（ｔ）や擬似摩擦力ｆ（ｔ）が速度を反転させてしまうような結果が導出されることを禁止する。

ステップＳ１８では、ステップＳ１０で求めた第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と、ステップＳ１６で求めた第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）について、
ｖ_ｃｘ（ｔ＋Δｔ）・ｖ_ｄｘ（ｔ＋Δｔ）＜０（ゼロ） ；
ｖ_ｃｙ（ｔ＋Δｔ）・ｖ_ｄｙ（ｔ＋Δｔ）＜０（ゼロ） ；
ｖ_ｃｚ（ｔ＋Δｔ）・ｖ_ｄｚ（ｔ＋Δｔ）＜０（ゼロ） ；
であるか否かが判定される。ここでは、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が反対向きであることから、上記の３式はいずれかの１式が満たされるときに、他の２式も満たされる関係となっている。このステップでイエスの場合はステップＳ２０へと進み、ノーの場合はステップＳ２２へと進む。
ステップＳ２０では、ｘ，ｙ，ｚ方向のなかでステップＳ１８の判定でイエスとなった方向について、ステップＳ１６で求めた第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）をゼロと書き換える。例えばｘ方向について、ｖ_ｃｘ（ｔ＋Δｔ）・ｖ_ｄｘ（ｔ＋Δｔ）＜０と判定されれば、第２速度ｖ_ｄｘ（ｔ＋Δｔ）＝０（ゼロ）と書き換える。他のｙ，ｚ方向についても同様に処理し、第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）をゼロとする。

補助装置２は、以下に説明するステップＳ２２、ステップＳ２４の処理によって、把持部４の速度が、ステップＳ１８で算出した第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）に変化するように、第１ドライバ１４、第２ドライバ２４、第３ドライバ３４を動作させる。
ステップＳ２２では、上述の処理で決定された第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）を、動作周期Δｔ後の把持部４の速度として、動作周期Δｔ後までに把持部４が変位すべき位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）を算出する。例えば、
Ｐ（ｔ＋Δｔ）＝Ｐ（ｔ）＋（ｖ（ｔ）＋ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ））・Δｔ／２ ；
と計算することができる。ｘ、ｙ、ｚ座標毎に表すと、
Ｐ_ｘ（ｔ＋Δｔ）＝Ｐ_ｘ（ｔ）＋（ｖ_ｘ（ｔ）＋ｖ_ｄｘ（ｔ＋Δｔ））・Δｔ／２
Ｐ_ｙ（ｔ＋Δｔ）＝Ｐ_ｙ（ｔ）＋（ｖ_ｙ（ｔ）＋ｖ_ｄｙ（ｔ＋Δｔ））・Δｔ／２
Ｐ_ｚ（ｔ＋Δｔ）＝Ｐ_ｚ（ｔ）＋（ｖ_ｚ（ｔ）＋ｖ_ｄｚ（ｔ＋Δｔ））・Δｔ／２
となる。上記の式は、時刻ｔにおいて位置Ｐ（ｔ）を速度ｖ（ｔ）で運動している物体が、時刻ｔ＋Δｔにおいて第２速度ｖ_ｄ（ｔ）で運動しているとしたときに、その物体が存在しうる位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）を計算する式の一例である。
ステップＳ２４では、ステップＳ２２で算出した把持部４の目標位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）を、第１ドライバ１４、第２ドライバ２４、第３ドライバ３４に教示する。詳しくは、目標位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）のｘ座標Ｐ_ｘ（ｔ＋Δｔ）を第１ドライバ１４に教示し、目標位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）のｙ座標Ｐ_ｙ（ｔ＋Δｔ）を第２ドライバ２４に教示し、目標位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）のｚ座標Ｐ_ｚ（ｔ＋Δｔ）を第３ドライバ３４に教示する。
第１ドライバ１４は、教示された把持部４の目標とする位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）のｘ座標Ｐ_ｘ（ｔ＋Δｔ）から、それを実現するための第１アクチュエータ１２の目標位置を計算する。そして第１アクチュエータ１２の位置が、計算した目標位置となるように、第１アクチュエータ１２の作動量や出力を調節する。同様に、第２ドライバ２４は第２アクチュエータ２２を制御し、第３ドライバ３４は第３アクチュエータ３２を制御する。
処理部６２は、再びステップＳ２へ戻り、以上の演算処理を動作周期Δｔによって繰り返し実行する。なお、ステップＳ２では、把持部４の現在位置を検出することにかえて、ステップＳ２２で算出した把持部４の位置Ｐ（ｔ＋Δｔ）を用いてもよい。また、ステップＳ４では、把持部４の速度を算出することにかえて、ステップＳ１６〜ステップＳ２０で算出した第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）を用いてもよい。
本実施例では、第１速度を計算するまでの段階で、保存力である仮想弾性力が速度に与える影響を加味し、それから消散力である仮想粘性抵抗力や擬似摩擦力を利用して第２速度を計算する例を説明した。これに限らず、第１速度を計算するまでの段階では仮想弾性力が速度に与える影響を加味せず、第２速度を計算する段階で仮想弾性力を加味してもよい。あるいは、第１速度を計算するまでの段階で仮想弾性力や仮想粘性抵抗力が速度に与える影響を加味し、第２速度を計算する段階で擬似摩擦力のみを加味してもよい。

図９を用いて、作業者が把持部４に操作力Ｆを加えたときに、把持部４に実現される運動について説明する。把持部４に実現される運動は、インパネＷに実現される運動に略等しい。図９（ａ）〜（ｄ）は、横軸に把持部（操作部）４の速度をとり、縦軸に擬似摩擦力（反対力）を示すグラフである。図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、擬似摩擦力は第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）に対して逆向きであって、その大きさは擬似摩擦力値ｆに等しい。また、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）がゼロの場合、擬似摩擦力はゼロと与えられる。なお、図９に示す速度範囲では、擬似摩擦力に対して粘性抵抗力は十分に小さく、粘性抵抗力は無視することができる。即ち、図９に示すグラフは、把持部４の速度と、擬似摩擦力と粘性抵抗力を合計した消散力との関係を示すグラフに略等しい。
図９（ａ）〜（ｄ）において、図中Ａは、図７のステップＳ４で検出される把持部４の速度ｖ（ｔ）を示している。図中Ｂは、図７のステップＳ１０で算出される第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）を示している。図中Ｃは、図７のステップＳ１６で算出される第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）を示している。

図９（ａ）は、把持部４が移動している場合であって、速度ｖ（ｔ）が比較的大きい場合を示している。これは、例えば作業者が把持部４を大きく操作して、インパネＷを搬送している状況に対応する。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が同じ向きであることから（ステップＳ１８でノー）、把持部４の位置はＣ点に示す第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）を用いて決定される（ステップＳ２２）。把持部４は、操作力Ｆと動摩擦力ｆが作用している質量Ｍの物体と同様に運動し、把持部４を操作してインパネＷを搬送する作業者には、インパネＷに動摩擦力ｆが作用しているような操作反力が与えられる。
図９（ｂ）は、把持部４が移動している場合であって、速度ｖ（ｔ）や第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）が比較的小さい場合を示している。これは、例えば作業者が把持部４を細かに操作し、インパネＷを位置決めしている状況に対応する。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が互いに反対向きであることから、ステップＳ１６で算出した第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）は、ステップＳ２０でゼロに修正される。把持部４は、操作力Ｆや動摩擦力ｆが作用している質量Ｍの物体が、静止摩擦力によって停止するような運動をし、把持部４を操作してインパネＷを搬送する作業者には、インパネＷに動摩擦力ｆや静止摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる。

図９（ｃ）は、把持部４が停止している場合であって、操作力Ｆが比較的小さい場合を示している。これは、例えば作業者が把持部４を停止させているときに、手ぶれしている状況に対応する。操作力Ｆが小さいときは、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）が小さいので、第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と反対向きとなって求められる。第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が互いに反対向きであることから、ステップＳ１６で算出した第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）は、ステップＳ２０でゼロに修正される。現在速度ｖ（ｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）がゼロであることから、把持部４は変位しないように維持される。把持部４を把持してインパネＷを停止させている作業者には、把持部４に静止摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる
図９（ｄ）は、把持部４が停止している場合であって、操作力Ｆが比較的大きい場合を示している。これは、例えば作業者が停止している把持部４を動かし始めて、インパネＷの搬送を開始するような状況に対応する。操作力Ｆが大きいときは、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）が大きいので、第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と同じ向きとなって求められる。把持部４は、最大静止摩擦力を超える力が加えられて動き始める質量Ｍの物体と同様に運動し、把持部４を操作してインパネＷを搬送する作業者には、インパネＷに最大静止摩擦力ｆを超えて操作力Ｆを加えたときのような操作反力が与えられる。
図９（ｃ）（ｄ）から明らかなように、停止している把持部４に、第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）と第２速度ｖ_ｄ（ｔ＋Δｔ）が同じ向きに算出されるような操作力Ｆを加えると、停止している把持部４を動かすことができる。即ち、擬似摩擦力ｆを超える操作力Ｆを加えたときに、停止している操作子を動かすことができ、把持部４に再現される最大の静止摩擦力が、擬似摩擦力ｆと等しいことを意味する。補助装置２では、把持部４の運動に再現される最大静止摩擦力の大きさと、操作子の運動に再現される動摩擦力の大きさが等しくなる。

図１０は、補助装置２を用いて、インパネＷの保管位置から、インパネＷを自動車ボディに組み付ける組付位置まで、インパネＷを搬送して位置決めし、そのときの操作反力とインパネＷの速度の関係を測定したグラフである。図１０（ａ）（ｂ）のグラフは、横軸が時刻を示しており、左方の縦軸が操作反力を示しており、右方の縦軸がインパネＷの速度を示している。図１０（ａ）は、擬似摩擦力値ｆを与えた場合の測定結果である。図１０（ａ）中の破線９２ａは、測定された操作反力（作業者が感じる手応え）を示す。図１０（ａ）中の実線９２ｂは、測定されたインパネＷの速度を示す。一方、図１０（ｂ）は、擬似摩擦力値ｆをゼロに設定した場合の測定結果である。図１０（ｂ）中の破線９４ａは、測定された操作反力を示す。図１０（ｂ）中の実線９４ｂは、測定されたインパネＷの速度を示す。図１０（ａ）では、操作反力が常に正の値となっており、補助装置２が擬似摩擦力ｆ（ｔ）を再現することにより、作業者に安定した手応えを与えていることが確認できる。一方、図１０（ｂ）に示すように、擬似摩擦力値ｆをゼロに設定した場合では、搬送作業後半（位置決め段階）において、操作反力が速度と反対向きになっている。このような関係になると、作業者はインパネＷに引き摺られるような感覚を覚えることとなり、違和感のある操作性となってしまう。

補助装置２では、把持部４の位置や、把持部４の移動方向や、作業者の操作に基づいて、記憶している擬似摩擦力値ｆを変化するようにしてもよい。
図１１は、補助装置２のｘ，ｙ方向の可動範囲１００を示している。作業者は、補助装置２を利用して、インパネＷを保管位置Ｓから組付位置Ｇまで搬送する。
まず作業者は、インパネＷをインパネ支持体４０に固定するために、インパネ支持体４０を保管位置Ｓの近傍に移動する。このとき把持部４は、図１１の範囲１０２内に位置する。把持部４が範囲１０２に位置するときは、設定した擬似摩擦力値ｆをそのまま使用することが好ましい。それにより、把持部４を様々な方向に操作する場合でも、作業者は操作する方向によらず安定した操作反力（手応え）を得ることができ、固定しようとするインパネＷに対してインパネ支持体４０を接近させる操作がしやすい。
インパネＷをインパネ支持体４０に固定した後、作業者はインパネＷをｘ方向に大きく移動する。このとき把持部４は、図１１の範囲１０４内をｘ方向に移動する。従って、把持部４が範囲１０４に位置するときは、算出した第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）の方向とｘ方向とのなす角が大きいほど、擬似摩擦力値ｆを増大するように修正することが好ましい。それにより、作業者が把持部４を操作したときに、ｘ方向には移動しやすく、他の方向には移動しにくい操作感を作業者に与えることができる。作業者は、インパネＷをあたかもｘ方向に沿ったレールに乗せて搬送しているような操作感を得えることができ、インパネＷをｘ方向に向けて搬送しやすい。

インパネＷをｘ方向に搬送した後に、作業者はインパネＷを組付位置Ｇに向けてｙ方向に移動するために、搬送する向きをｘ方向からｙ方向へと変える。このとき把持部４は、図１１の範囲１０６内に位置する。把持部４が範囲１０６内に位置するときは、範囲１０２と同様に、設定した擬似摩擦力値ｆをそのまま使用することが好ましい。それにより、作業者はインパネＷの搬送方向を変えやすい。
インパネＷの搬送方向を変えた後に、作業者はインパネＷを組付位置Ｇに向けてｙ方向に大きく移動する。このとき把持部４は、図１１の範囲１０８内をｙ方向に移動する。従って、把持部４が範囲１０８に位置するときは、算出した第１速度ｖ_ｃ（ｔ＋Δｔ）の方向とｙ方向とのなす角が大きいほど、擬似摩擦力値ｆを増大するように修正することが好ましい。それにより、作業者が把持部４を操作したときに、ｙ方向には移動しやすく、他の方向には移動しにくい操作感を作業者に与えることができる。作業者は、インパネＷをあたかもｙ方向に沿ったレールに乗せて搬送しているような操作感を得ることができ、インパネＷをｙ方向に向けて搬送しやすい。
インパネＷを組付位置Ｇの近傍まで搬送した後に、作業者はインパネＷを自動車ボディの組付位置Ｇへと位置決めする。このとき把持部４は、図１１の範囲１１０内に位置する。把持部４が範囲１１０内に位置する場合、例えば作業者の操作によって擬似摩擦力値ｆを調節できるようにするのも有効である。例えば、力覚センサ６で検出されるｚ軸周り方向の力に比例して、擬似摩擦力値ｆが増大するようにするとよい。それにより、作業者は把持部４を捻るように操作することで、操作反力を調節することができるようになる。位置決め作業時の細かな操作をする時に、擬似摩擦力値ｆを高めるように操作すると、手ぶれを強く抑えることが可能となる。作業者は、自身の意思によってインパネＷの運動に再現される摩擦力の大きさを増減調節することできる。把持部４を捻る方向に力を加える操作は、インパネＷの搬送に関与しない操作である。作業者は、インパネＷを変位させるための操作と、擬似摩擦力ｆを調節する操作を、同時に独立して行うことができる。
以上の搬送作業では、補助装置２の可動範囲１００において、把持部４が図１１の範囲１１２内に位置することがない。従って、把持部４が範囲１１２に位置するときは、例えば擬似摩擦力値ｆを大きく増大するように修正することが好ましい。このとき、把持部４の移動方向が範囲１１２の内部へさらに進もうとする方向であるときのみ、擬似摩擦力値ｆを修正してもよい。それにより、把持部４が範囲１０２〜１１０から外れた時に、作業者は強い操作反力を感じる。一方、把持部４を範囲１０２〜１１０へと復帰させる時は、適度な操作反力を作業者は感じる。作業者は範囲１０２〜１１０の周囲にあたかも壁が存在するような感覚を覚える。把持部４が範囲１０２〜１１０から大きく外れることを防止することができ、インパネＷが想定外の位置へ搬送されることが防止される。

補助装置２は、第１速度ｖ_ｃ（ｔ）に基づいて擬似摩擦力ｆ（ｔ）を決定する際（ステップＳ１２）に、第１速度ｖ_ｃ（ｔ）を修正した修正第１速度ｖ_ｃｃ（ｔ）に基づいて擬似摩擦力ｆ（ｔ）を決定してもよい。
例えば第１速度ｖ_ｃ（ｔ）から速度ｖ_ｋだけ減算した速度を、修正第１速度ｖ_ｃｃ（ｔ）とする。即ち、
ｖ_ｃｃ（ｔ）＝ｖ_ｃ（ｔ）−ｖ_ｋ
である。そして、修正第１速度ｖ_ｃｃ（ｔ）を用いて、ステップＳ１２と同様に擬似摩擦力ｆ（ｔ）を決定する。この場合、擬似摩擦力ｆ（ｔ）は、第１速度ｖ_ｃ（ｔ）と速度ｖ_ｋとの相対速度によって、擬似摩擦力ｆ（ｔ）が決定される。搬送物が速度ｖ_ｋで運動していれば、擬似摩擦力ｆ（ｔ）はゼロに決定される。このように擬似摩擦力ｆ（ｔ）を定めることによって、インパネＷが速度ｖ_ｋで移動している仮想物体に接しており、その仮想物体から擬似摩擦力ｆが作用しているときにインパネＷに生じる運動を、インパネＷの実際の運動に実現することができる。
例えば速度ｖ_ｋを一定の速度として定めると、仮想物体はベルトコンベヤ等に相当するようになる。この場合、作業者はインパネＷがあたかもコンベヤ上に載置されているときのような操作反力を感じることとなる。
あるいは速度ｖ_ｋをインパネＷの位置Ｐ：（ｘ，ｙ，ｚ）によって変化させてもよい。例えば基準位置Ｐ_０：（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）を定め、基準位置Ｐ_０に対する位置Ｐのｘｙ方向の位置を、極座標（ｒ，θ）に変換する。そして、速度ｖ_ｋの大きさをｒに比例させ、速度ｖ_ｋの向きをθに基づいて決定する。このように決定する速度ｖ_ｋは、基準位置Ｐ_０を中心に回転する渦を記述することとなり、仮想物体はターンテーブル等に相当するようになる。この場合、作業者はインパネＷがあたかもターンテーブル上に載置されているときのような操作反力を感じることとなる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記では、本発明の技術を重量物を搬送する作業を補助する装置に適用した例を示したが、本発明の技術を軽量物を搬送する作業を補助する装置に適用することも有効である。
本発明の技術は、様々な物体を搬送する作業に広く適用可能である。例えば本発明の技術によって、手術用のメスを可動体に固定し、執刀者が可動体を介してメスを搬送することを可能とするメス搬送補助装置を提供することができる。
上記では、仮想弾性力を第１速度の計算に加味する場合を説明した。仮想弾性力を加味する場合、仮想弾性力は基準位置に対する変位量に比例し、基準位置を境として作用する方向が反転することから、第１、第２速度を算出する段階では仮想弾性力を加味しないで変位すべき位置を算出し、算出した変位すべき位置と現在の位置とが基準位置を跨いでいるのか否かを判断し、仮想弾性力を調節して加味するようにしてもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施形態１の搬送作業補助装置の構成を示す図。 実施形態１の搬送作業補助装置のドライバの構成を示すブロック図。 実施形態２の搬送作業補助装置のドライバの構成を示すブロック図。 実施形態３の搬送作業補助装置のドライバの構成を示すブロック図。 実施例の搬送作業補助装置の外観を示す図。 実施例の搬送作業補助装置の構成を示すブロック図。 実施例の搬送作業補助装置の処理の流れを示すフローチャート。 第１速度と擬似摩擦力（反対力）の向きの関係を説明する図。 検出速度と第１速度と第２速度の関係を説明する図。 搬送作業時の操作反力と搬送速度の関係を示す図。 実施例の搬送作業補助装置のｘｙ方向の可動範囲を例示する図。

符号の説明

２・・作業補助装置
４・・把持部
６・・力覚センサ
８ａ、８ｂ・・固定レール
１０、２０、３０・・第１、第２、第３可動体
１２、２２、３２・・第１、第２、第３アクチュエータ
１４、２４，３４・・第１、第２、第３ドライバ
１６、２６、３６・・第１、第２、第３位置センサ
６０・・制御ユニット
６２・・処理部
１５０・・可動体
１５１・・移動機構
１５２・・アクチュエータ
１５６・・センサ
１６２・・運動計算機
１６４、１６４ｂ、１６４ｃ・・ドライバ
１６６・・エンコーダ
１７２・・目標位置計算部
１７４・・加算器
１７６・・作動量調節部
１７６ｂ、１７６ｃ・・出力調節部

Claims (8)

1. 搬送物を支持する可動体と、
   その可動体に作業者が加えている操作力を検出する手段と、
   その可動体の移動機構に組込まれているアクチュエータと、
   搬送物の現時点の速度で運動する仮想質量の物体に、検出された操作力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第１速度を算出する第１速度算出手段と、
   算出された第１速度がゼロでなければ、第１速度とは逆向きであって第１速度の大きさによらず一定の大きさを有する力を擬似摩擦力として決定し、第１速度がゼロであれば、擬似摩擦力をゼロに決定する擬似摩擦力決定手段と、
   算出された第１速度で運動する仮想質量の物体に、決定された擬似摩擦力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第２速度を算出し、算出した第２速度が第１速度と反対向きであれば第２速度をゼロとする第２速度算出手段と、
   搬送物の現時点の速度と算出された第２速度を用いて、搬送物の目標位置を算出する目標位置算出手段と、
   算出された目標位置のデータに基づいて、アクチュエータを制御する手段と、
   を備える搬送作業の補助装置。
2. 前記仮想質量は、搬送物の質量よりも小さい値に設定されており、
   前記アクチュエータは、作業者が加えている操作力よりも大きな力が可動体に加わる状態を実現するものであることを特徴とする請求項１の補助装置。
3. 前記仮想質量は、搬送物の質量よりも大きい値に設定されており、
   前記アクチュエータは、作業者が加えている操作力よりも小さな力が可動体に加わる状態を実現するものであることを特徴とする請求項１の補助装置。
4. 前記アクチュエータ制御手段は、
   前記目標位置算出手段で算出された搬送物の目標位置を実現するアクチュエータの目標位置を計算する手段と、
   実際のアクチュエータの位置を検出する手段と、
   アクチュエータの目標位置と実際位置の偏差を計算する手段と、
   その偏差に基づいて、アクチュエータの位置または出力を調節する手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの補助装置。
5. 前記擬似摩擦力決定手段で決定される擬似摩擦力の大きさが、搬送物の位置および／または搬送方向に応じて増減調節されることを特徴とする請求項１から４のいずれかの補助装置。
6. 作業者が可動体に加える操作であって、搬送作業に関与しない所定操作を検出する手段をさらに備え、
   前記擬似摩擦力決定手段で決定される擬似摩擦力の大きさが、その所定操作の検出の前後で増減調節されることを特徴とする請求項１から５のいずれかの補助装置。
7. 第１速度算出手段で算出された第１速度を、移動および／または回転する仮想物体に対する相対速度に修正する手段をさらに備え、
   前記擬似摩擦力決定手段は、修正された第１速度を用いて前記擬似摩擦力を決定することを特徴とする請求項１から６のいずれかの補助装置。
8. 搬送物を可動体によって支持する工程と、
   その可動体に作業者が加えている操作力を検出する工程と、
   搬送物の現時点の速度で運動する仮想質量の物体に、検出された操作力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第１速度を算出する第１速度算出工程と、
   算出された第１速度がゼロでなければ、第１速度とは逆向きであって第１速度の大きさによらず一定の大きさを有する力を擬似摩擦力として決定し、第１速度がゼロであれば、擬似摩擦力をゼロに決定する擬似摩擦力決定工程と、
   算出された第１速度で運動する仮想質量の物体に、決定された擬似摩擦力が加えられたときに、その仮想質量の物体に生じる第２速度を算出し、算出した第２速度が第１速度と反対向きであれば第２速度をゼロとする第２速度算出工程と、
   搬送物の現時点の速度と算出された第２速度を用いて、搬送物の目標位置を算出する目標位置算出工程と、
   算出された目標位置のデータに基づいて、前記可動体の移動機構に組込まれているアクチュエータを制御する工程と、
   を備える搬送作業の補助方法。

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