JP4553203B2 - 作業補助装置 - Google Patents
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Description
本発明は、作業者がワークや作業器具などの対象物に設定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置に関する。
ワークや作業器具などの対象物を支持し、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる機構が知られている。
移動機構によって移動する対象物の移動位置を指示するために操作子を利用する技術も知られている。その操作子は作業者が操作することが可能であり、作業者が操作子を操作すると、その操作に追従して移動機構が作動する。作業者が操作子を操作し、対象物に固定された基準点が目標軌道に沿って移動するように指示すると、対象物の基準点を目標軌道に沿って移動させることができる。モータ等の動力を利用して対象物を移動することから、作業者は軽い操作力で対象物に固定された基準点を目標軌道に沿って移動させることができる。
移動機構によって移動する対象物の移動位置を指示するために操作子を利用する技術も知られている。その操作子は作業者が操作することが可能であり、作業者が操作子を操作すると、その操作に追従して移動機構が作動する。作業者が操作子を操作し、対象物に固定された基準点が目標軌道に沿って移動するように指示すると、対象物の基準点を目標軌道に沿って移動させることができる。モータ等の動力を利用して対象物を移動することから、作業者は軽い操作力で対象物に固定された基準点を目標軌道に沿って移動させることができる。
作業者の操作を案内する技術も知られている。例えば、インピーダンス制御がよく知られている。インピーダンス制御では、操作子に操作抵抗力を付与する抵抗力付与機構を付加し、基準点が目標軌道から外れる側に操作子を操作しようとすると、その操作に大きな力が必要とされるように操作抵抗力を制御する。この案内技術を利用すると、基準点が目標軌道に沿って移動するように操作子を操作することが容易化される。
この種の作業補助装置に安全機構を設ける技術も知られている。特許文献１には、目標軌道の両側に作業エリアを設け、その外側にリミットエリアを設ける。基準点が作業エリア内にある間は通常のインピーダンス制御を実行する。基準点が作業エリアから外れてリミットエリアに入ると、操作子に作業エリアに戻す強い力を加える。特許文献１の技術によると、基準点が目標軌道から小さく外れるような操作をしている間は軽い抵抗力が操作子から得られ、基準点が目標軌道から大きく外れるように操作する場合には強い操作抵抗力が操作子から得られる。前者によって目標軌道に沿った操作が案内され、後者によって基準点が作業エリアから外れることが防止される。
特許文献１の技術によって、目標軌道に沿った操作が案内され、基準点が作業エリアから外れる方向への操作が規制される。
しかしながら従来の技術では、目標軌道に沿った操作を案内する際、基準点が目標軌道上にあれば操作抵抗力が得られない。目標軌道から外れてから初めて目標軌道から外れる操作に対する抵抗力が得られる。
その結果、実際に得られる軌道は、目標軌道に沿ってはいるものの蛇行したものとなりやすい。目標軌道に沿った操作を案内するために、目標軌道から外れたときに操作子に操作抵抗力を与える方式では、蛇行しないように案内することが難しい。
本発明はその問題を解決する。作業者があたかも目標軌道の形状をしている定規ないしテンプレートに倣って操作子を操作しているような操作感が得られ、対象物を蛇行させずに目標軌道に沿って移動する作業を補助する技術を提案する。
しかしながら従来の技術では、目標軌道に沿った操作を案内する際、基準点が目標軌道上にあれば操作抵抗力が得られない。目標軌道から外れてから初めて目標軌道から外れる操作に対する抵抗力が得られる。
その結果、実際に得られる軌道は、目標軌道に沿ってはいるものの蛇行したものとなりやすい。目標軌道に沿った操作を案内するために、目標軌道から外れたときに操作子に操作抵抗力を与える方式では、蛇行しないように案内することが難しい。
本発明はその問題を解決する。作業者があたかも目標軌道の形状をしている定規ないしテンプレートに倣って操作子を操作しているような操作感が得られ、対象物を蛇行させずに目標軌道に沿って移動する作業を補助する技術を提案する。
本発明の作業補助装置は、作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する。この作業補助装置は、対象物を支持可能であり、動力を利用して対象物を移動させる移動機構と、基準点の位置を検出する位置センサと、目標軌道を記憶する目標軌道記憶手段と、基準点の移動位置を指示するために作業者が操作する操作子と、操作子に操作抵抗力を付与する抵抗力付与機構と、抵抗力付与機構を制御する付与機構制御器と、移動機構を制御する移動機構制御器を備えている。
その付与機構制御器は、目標軌道を含む仮想案内面を設定し、位置センサで検出される基準点の位置を仮想案内面に投影した位置（投影位置と称する）と目標軌道が一致しているときには仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う大きな操作抵抗力（第１の操作抵抗力）を抵抗力付与機構によって操作子に付与させるとともに、投影位置が目標軌道の他方の側方にあるときには小さな操作抵抗力（第１の操作抵抗力よりも小さい第２の操作抵抗力）を付与させる。
移動機構制御器は、操作子が受ける操作力と抵抗力の合力に基づいて対象物を移動させるように移動機構を制御する。
なお、ひとつの目標軌道に対して複数の仮想案内面を設定してもよい。また目標軌道の異なる部分に夫々異なる仮想案内面を設定してもよい。この場合は夫々の仮想案内面がこれに対応する目標軌道の夫々の部分を含んでいればよい。
その付与機構制御器は、目標軌道を含む仮想案内面を設定し、位置センサで検出される基準点の位置を仮想案内面に投影した位置（投影位置と称する）と目標軌道が一致しているときには仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う大きな操作抵抗力（第１の操作抵抗力）を抵抗力付与機構によって操作子に付与させるとともに、投影位置が目標軌道の他方の側方にあるときには小さな操作抵抗力（第１の操作抵抗力よりも小さい第２の操作抵抗力）を付与させる。
移動機構制御器は、操作子が受ける操作力と抵抗力の合力に基づいて対象物を移動させるように移動機構を制御する。
なお、ひとつの目標軌道に対して複数の仮想案内面を設定してもよい。また目標軌道の異なる部分に夫々異なる仮想案内面を設定してもよい。この場合は夫々の仮想案内面がこれに対応する目標軌道の夫々の部分を含んでいればよい。
上記の補助装置は、投影位置と目標軌道が一致している時には仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方側の側方に向う大きな操作抵抗力を付与する。作業者が目標軌道の一方の側方に向けた操作力を加えているときに、操作子から操作抵抗力を受けることによって投影位置を目標軌道より一方の側方へ移動させ難くなる。このことは作業者が目標軌道の一方の側方に向けた操作力を加えているときに、基準点が目標軌道に一致することを意味している。そして移動機構制御器は、操作子に加えられた操作力と操作抵抗力の合力に基づいて対象物を移動させるように移動機構を制御する。
本補助装置によると、基準点を目標軌道に一致させるにあたって、空間中をフリーに移動できる操作子の操作位置を作業者が調整する必要がなく、作業者は目標軌道の一方の側方に向けると同時に目標軌道に沿った方向に操作力を加えればよい。
基準点の投影位置と目標軌道が一致している場合には、仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う大きな操作抵抗力が付与機構によって操作子へ付与される。操作者は投影位置を目標軌道の一方の側方へは移動させ難くなる。これによって仮想案内面が定規ないしテンプレートの役割を果たし、作業者はあたかも定規ないしテンプレートに押付けながら操作子を目標軌道に沿って移動させる操作をすることになる。対象物は目標軌道に沿ってスムースに（蛇行せずに）移動する結果が得られる。基準点が目標軌道と一致しているときは基準点の位置がそのまま投影位置となる。基準点と目標軌道が一致している時に、目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う操作抵抗力を付与するようにすると、仮想案内面上で目標軌道の一方の側方に仮想的な定規が存在し、目標軌道の他方の側方には定規が存在しない状態を実現することができる。
本補助装置の作用を比喩的に説明すると次のように説明することができる。例えばペンで目標軌道をなぞる場合、フリーハンドでなぞるよりも、目標軌道の形状をしている定規ないしテンプレートを用意し、その定規等に当ててなぞる方が容易であり、しかも蛇行しない。
本補助装置によると、基準点を目標軌道に一致させるにあたって、空間中をフリーに移動できる操作子の操作位置を作業者が調整する必要がなく、作業者は目標軌道の一方の側方に向けると同時に目標軌道に沿った方向に操作力を加えればよい。
基準点の投影位置と目標軌道が一致している場合には、仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う大きな操作抵抗力が付与機構によって操作子へ付与される。操作者は投影位置を目標軌道の一方の側方へは移動させ難くなる。これによって仮想案内面が定規ないしテンプレートの役割を果たし、作業者はあたかも定規ないしテンプレートに押付けながら操作子を目標軌道に沿って移動させる操作をすることになる。対象物は目標軌道に沿ってスムースに（蛇行せずに）移動する結果が得られる。基準点が目標軌道と一致しているときは基準点の位置がそのまま投影位置となる。基準点と目標軌道が一致している時に、目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う操作抵抗力を付与するようにすると、仮想案内面上で目標軌道の一方の側方に仮想的な定規が存在し、目標軌道の他方の側方には定規が存在しない状態を実現することができる。
本補助装置の作用を比喩的に説明すると次のように説明することができる。例えばペンで目標軌道をなぞる場合、フリーハンドでなぞるよりも、目標軌道の形状をしている定規ないしテンプレートを用意し、その定規等に当ててなぞる方が容易であり、しかも蛇行しない。
本発明の作業補助装置では、上記のペンと定規等の関係を、基準点を目標軌道に沿って移動させることに適用する。具体的には、付与機構制御器によって目標軌道を含む仮想案内面を設定する。付与機構制御器はまた、操作子に操作抵抗力を与える抵抗力付与機構を制御する。付与機構制御器は、投影位置と目標軌道が一致しているときには仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う大きな操作抵抗力を操作子に付与させるとともに、投影位置が目標軌道の他方の側方にあるときには小さな操作抵抗力を操作子に付与させるように抵抗力付与機構を制御する。付与機構制御器と抵抗力付与機構によって仮想的な定規を実現する。仮想案内面によって、目標軌道に沿って伸びる定規を実現することができる。作業者は操作子を定規に沿わせて移動させるときと同様の操作をすればよく、対象物に固定された基準点は目標軌道に沿ってスムースに移動する。蛇行することがない。本発明の作業補助装置によると、対象物に固定された基準点を目標軌道に沿ってスムースに（蛇行せずに）移動させる作業が容易化される。
対象物に固定された基準点を目標軌道に沿ってスムースに移動させるだけであれば、移動機構を自動制御することができる。操作子を必要としない移動装置を構成することができる。しかしながら、対象物に固定された基準点を目標軌道に移動させるにあたって、その移動速度等を作業の現場で作業者が指示したい場合もある。この場合に本補助装置は特に有効であり、作業者は操作子を操作して目標軌道に沿った移動速度を指示することができる。
対象物に固定された基準点を目標軌道に沿ってスムースに移動させるだけであれば、移動機構を自動制御することができる。操作子を必要としない移動装置を構成することができる。しかしながら、対象物に固定された基準点を目標軌道に移動させるにあたって、その移動速度等を作業の現場で作業者が指示したい場合もある。この場合に本補助装置は特に有効であり、作業者は操作子を操作して目標軌道に沿った移動速度を指示することができる。
基準点を目標軌道に沿って移動させるという場合、両者を相対的に移動させることをいう。静止している目標軌道に沿って対象物を移動させる場合のみならず、移動する目標軌道に沿って基準点を移動させることを含む。例えば、対象物が接着剤塗布器具であり、ワークに接着剤塗布ライン（目標軌道）が固定的に指定されており、そのワークが移動する場合には、接着剤塗布器具を移動することによって、移動する目標軌道に沿って接着剤を塗布することができる。
付与機構制御器は、投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側方にあるときには抵抗力付与機構に大きな摩擦力を加え、目標軌道の他方の側方にあるときには抵抗力付与機構に小さな摩擦力を加えることが好ましい。
即ち、投影位置が目標軌道の他方の側方（定規が存在しない側）にあるときには摩擦力が小さいために比較的に自由に操作子を操作できるのに対し、投影位置が目標軌道の一方の側方（定規が存在する側）にあるときには、投影位置を目標軌道から離れる方向に操作子を操作しようとすると大きな摩擦力が作用するために操作子の操作が強く拘束される状態を実現する。
即ち、投影位置が目標軌道の他方の側方（定規が存在しない側）にあるときには摩擦力が小さいために比較的に自由に操作子を操作できるのに対し、投影位置が目標軌道の一方の側方（定規が存在する側）にあるときには、投影位置を目標軌道から離れる方向に操作子を操作しようとすると大きな摩擦力が作用するために操作子の操作が強く拘束される状態を実現する。
移動機構と抵抗力付与機構は別のものであってもよい。別に用意されている移動機構が対象物を支持して移動させ、抵抗力付与機構に設けられている操作子の操作に対して抵抗力付与機構が抵抗力を付与してもよい。
この場合、移動機構にはモータ等の動力装置が必要とされるが、抵抗力付与機構はブレーキ等で実現することができ、動力は必ずしも必要とされない。操作子の位置あるいは操作子に加えられる力に基づいて移動機構を制御すれば、作業者が操作する操作子によって、移動機構によって移動する基準点の移動位置が制御される。
この場合、移動機構にはモータ等の動力装置が必要とされるが、抵抗力付与機構はブレーキ等で実現することができ、動力は必ずしも必要とされない。操作子の位置あるいは操作子に加えられる力に基づいて移動機構を制御すれば、作業者が操作する操作子によって、移動機構によって移動する基準点の移動位置が制御される。
その一方において、移動機構が抵抗力付与機構を兼用することもできる。この場合には、移動機構上のひとつの剛体が対象物と操作子の両者を支持するようにする。対象物と操作子の相対的位置関係は不変であり、操作子が移動すれば対象物も移動する関係にしておく。剛体と操作子の間に力センサを介在させて作業者が加えた操作力を検出可能にしておく。なお、「ひとつの剛体」とは複数の剛体が相対位置が不変となるように固定されている場合にはその複数の剛体全体を「ひとつの剛体」とみなすことができる。
移動機構が抵抗力付与機構を兼ねることで補助装置全体をコンパクトにすることができる。同時に対象物と操作子が一体となって移動するので、作業者は対象物を移動させたい方向に移動させたい距離だけ操作子を操作すればよい。作業が一層し易くなるという利点が得られる。
移動機構が抵抗力付与機構を兼ねることで補助装置全体をコンパクトにすることができる。同時に対象物と操作子が一体となって移動するので、作業者は対象物を移動させたい方向に移動させたい距離だけ操作子を操作すればよい。作業が一層し易くなるという利点が得られる。
移動機構制御器は、力センサで検出された力が仮想物体に加えられたときに生じる運動を計算する計算手段を有し、計算された運動を基準点に実現するように移動機構を制御することが好ましい。
この場合、例えば1.0[N]の操作力が加えられたために1.0[kg]の仮想物体に1.0[m／sec２]の加速度が生じると計算する。移動機構は基準点に対して1.0[m／sec２]の加速度を実現する。基準点が固定されている実際の対象物は5.0[kg]であるとすると、5.0[kg]の質量に1.0[m／sec２]の加速度を加えるには5.0[N]の力を必要とする。移動機構を駆動するモータが4.0[N]の力を出力すると上記の結果が得られる。この場合、1.0[N]の操作力から4.0[N]の補助力を引き出して対象物に5.0[N]の力を加えた運動を実現する。作業者は操作子から1.0[N]の反力（即ち操作抵抗力）を受けることになる。実際には5.0[kg]の対象物をあたかも1.0[kg]の物体であるかのように操作することができる。
この場合、例えば1.0[N]の操作力が加えられたために1.0[kg]の仮想物体に1.0[m／sec２]の加速度が生じると計算する。移動機構は基準点に対して1.0[m／sec２]の加速度を実現する。基準点が固定されている実際の対象物は5.0[kg]であるとすると、5.0[kg]の質量に1.0[m／sec２]の加速度を加えるには5.0[N]の力を必要とする。移動機構を駆動するモータが4.0[N]の力を出力すると上記の結果が得られる。この場合、1.0[N]の操作力から4.0[N]の補助力を引き出して対象物に5.0[N]の力を加えた運動を実現する。作業者は操作子から1.0[N]の反力（即ち操作抵抗力）を受けることになる。実際には5.0[kg]の対象物をあたかも1.0[kg]の物体であるかのように操作することができる。
仮想物体に操作力が加えられたときに生じる運動を計算する際の計算式には少なくとも仮想物体の運動を妨げる仮想摩擦力の項が含まれ、投影位置が案内面における目標軌道の一方の側方にあるときには仮想摩擦力を大きな値（第１の値）に設定し、目標軌道の他方の側方にあるときには仮想摩擦力を小さな値（第１の値よりも小さい第２の値）に設定して仮想物体に生じる運動を計算することが好ましい。
投影位置が案内面内で目標軌道の他方の側方（仮想的な定規が存在しない側）にあるときには小さな仮想摩擦力が設定される。小さな摩擦力により作業者が操作子に加える力に対して小さな操作抵抗力を付与することになる。投影位置が案内面内で目標軌道の他方の側方にあるときには操作子を操作し易くすることができる。
その一方で投影位置が案内面における目標軌道の一方の側方（仮想的な定規が存在する側）にあるときには大きな仮想摩擦力が設定される。大きな摩擦力により作業者が操作子に加える操作力に対して大きな操作抵抗力を付与することになる。投影位置が案内面における目標軌道の一方の側方にあるときには操作子を操作し難くすることができる。これによって、作業者が投影位置を目標軌道の他方の側方から一方の側方へと移動させると投影位置が目標軌道と一致したところで作業者は操作子から強い抵抗力を受けることになる。作業者は投影位置が目標軌道に一致したところであたかも定規ないしテンプレートに投影位置が接したような感覚を受けることになる。その状態で目標軌道に沿った方向に基準点を移動させるように操作子を操作することで対象物を目標軌道に沿ってスムースに（蛇行せずに）移動させることができる。
投影位置が案内面内で目標軌道の他方の側方（仮想的な定規が存在しない側）にあるときには小さな仮想摩擦力が設定される。小さな摩擦力により作業者が操作子に加える力に対して小さな操作抵抗力を付与することになる。投影位置が案内面内で目標軌道の他方の側方にあるときには操作子を操作し易くすることができる。
その一方で投影位置が案内面における目標軌道の一方の側方（仮想的な定規が存在する側）にあるときには大きな仮想摩擦力が設定される。大きな摩擦力により作業者が操作子に加える操作力に対して大きな操作抵抗力を付与することになる。投影位置が案内面における目標軌道の一方の側方にあるときには操作子を操作し難くすることができる。これによって、作業者が投影位置を目標軌道の他方の側方から一方の側方へと移動させると投影位置が目標軌道と一致したところで作業者は操作子から強い抵抗力を受けることになる。作業者は投影位置が目標軌道に一致したところであたかも定規ないしテンプレートに投影位置が接したような感覚を受けることになる。その状態で目標軌道に沿った方向に基準点を移動させるように操作子を操作することで対象物を目標軌道に沿ってスムースに（蛇行せずに）移動させることができる。
仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う操作抵抗力に上限値が設けられていることが好ましい。
ワークの取り付け位置の誤差等によって、作業補助装置が指示する目標軌道が、現実の目標軌道から微妙にずれる場合がある。そのような場合には、作業者は操作子を仮想的な定規に押し付ける操作力を加減する。現実の目標軌道が仮想的定規の内側にある場合には、上限値以上の操作力を加える。その結果、基準点を目標軌道よりも仮想的定規側に移動させ、現実の目標軌道に沿って移動させることができる。作業補助装置内に記憶された目標軌道のデータが現実の目標軌道からずれていても、対象物を現実の目標軌道に沿って移動させることができる。このときも作業者は操作子を仮想的定規に押し付ける操作する。基準点が蛇行することはない。
ワークの取り付け位置の誤差等によって、作業補助装置が指示する目標軌道が、現実の目標軌道から微妙にずれる場合がある。そのような場合には、作業者は操作子を仮想的な定規に押し付ける操作力を加減する。現実の目標軌道が仮想的定規の内側にある場合には、上限値以上の操作力を加える。その結果、基準点を目標軌道よりも仮想的定規側に移動させ、現実の目標軌道に沿って移動させることができる。作業補助装置内に記憶された目標軌道のデータが現実の目標軌道からずれていても、対象物を現実の目標軌道に沿って移動させることができる。このときも作業者は操作子を仮想的定規に押し付ける操作する。基準点が蛇行することはない。
付与機構制御器は、目標軌道で交わる２つの仮想案内面のそれぞれにおいて操作抵抗力を計算し、その合力を抵抗力付与機構によって操作子に付与させることが好ましい。ひとつの案内面では投影位置が目標軌道Ｌと一致していれば案内面に垂直な方向には基準点Ｐを容易に移動させることができてしまう。目標軌道で交わる２つの仮想案内面を設定すると、夫々の案内面に対する投影位置が目標軌道Ｌと一致する場所は基準点Ｐが目標軌道Ｌと一致する位置となる。従って目標軌道Ｌと交差する２方向から基準点Ｐを目標軌道Ｌ上に強く拘束することができる。換言すれば基準点Ｐを目標軌道Ｌと交差する方向には２次元的に拘束することができる。
このことを図８を用いて例示する。図８に模式的に示すように、目標軌道Ｌで交わる２つの仮想案内面９２、９４を設定する。抵抗力付与機構は、目標軌道Ｌで交わる２つの仮想案内面９２、９４のそれぞれにおいて操作抵抗力を計算してその合力を付与する。図８は、基準点Ｐと目標軌道Ｌが一致している時に、仮想案内面９４内において目標軌道Ｌの一方側の側方から他方側の側方に操作抵抗力９５が作用することを模式的に例示している。また、基準点Ｐと目標軌道Ｌが一致している時に、仮想案内面９２内において目標軌道Ｌの一方の側方から他方の側方に操作抵抗力９３が作用することを模式的に例示している。
この場合、仮想案内面９２、９４の間に位置している基準点Ｐを作業者が目標軌道Ｌに向ける方向に操作子に付勢すれば、基準点Ｐは目標軌道Ｌ上で安定する。２つの仮想案内面９２、９４を設定することによって、基準点Ｐを目標軌道Ｌと交差する面内で２次元的に蛇行すること防止しつつ目標軌道Ｌに沿った基準点Ｐの移動を補助することができる。
なお、基準点Ｐと目標軌道Ｌが一致している場合には仮想案内面９２、９４に対する基準点Ｐの投影位置は基準点Ｐの位置と一致する。
このことを図８を用いて例示する。図８に模式的に示すように、目標軌道Ｌで交わる２つの仮想案内面９２、９４を設定する。抵抗力付与機構は、目標軌道Ｌで交わる２つの仮想案内面９２、９４のそれぞれにおいて操作抵抗力を計算してその合力を付与する。図８は、基準点Ｐと目標軌道Ｌが一致している時に、仮想案内面９４内において目標軌道Ｌの一方側の側方から他方側の側方に操作抵抗力９５が作用することを模式的に例示している。また、基準点Ｐと目標軌道Ｌが一致している時に、仮想案内面９２内において目標軌道Ｌの一方の側方から他方の側方に操作抵抗力９３が作用することを模式的に例示している。
この場合、仮想案内面９２、９４の間に位置している基準点Ｐを作業者が目標軌道Ｌに向ける方向に操作子に付勢すれば、基準点Ｐは目標軌道Ｌ上で安定する。２つの仮想案内面９２、９４を設定することによって、基準点Ｐを目標軌道Ｌと交差する面内で２次元的に蛇行すること防止しつつ目標軌道Ｌに沿った基準点Ｐの移動を補助することができる。
なお、基準点Ｐと目標軌道Ｌが一致している場合には仮想案内面９２、９４に対する基準点Ｐの投影位置は基準点Ｐの位置と一致する。
目標軌道がカーブを描く場合には、抵抗力付与機構は案内面上における目標軌道の一方の側方をカーブの外側に設定することが好ましい。
なお「カーブの外側」とは、カーブを規定する曲率半径の中心位置に対して目標軌道の反対側をいう。
この場合、作業者はカーブの内側から外側に向けて基準点を押し付けるように操作子に付勢するとともに目標軌道に沿った方向にも操作子に付勢する。操作抵抗力は目標軌道に沿うように基準点をカーブの内側へその方向を変えさせるように作用する。基準点を目標軌道に沿った方向に移動させるために操作子に付勢した力が勢い余って仮想的な定規から目標軌道の他方の側方へ外れてしまうような事態を回避することができる。
なお、本明細書では、「目標軌道がカーブを描く場合」には目標軌道が屈曲する場合を含む概念で用いている。
なお「カーブの外側」とは、カーブを規定する曲率半径の中心位置に対して目標軌道の反対側をいう。
この場合、作業者はカーブの内側から外側に向けて基準点を押し付けるように操作子に付勢するとともに目標軌道に沿った方向にも操作子に付勢する。操作抵抗力は目標軌道に沿うように基準点をカーブの内側へその方向を変えさせるように作用する。基準点を目標軌道に沿った方向に移動させるために操作子に付勢した力が勢い余って仮想的な定規から目標軌道の他方の側方へ外れてしまうような事態を回避することができる。
なお、本明細書では、「目標軌道がカーブを描く場合」には目標軌道が屈曲する場合を含む概念で用いている。
本発明の作業補助装置によれば、ワークや作業器具などの対象物に設定されている基準点を目標軌道に沿って移動させるための操作がしやすい作業補助装置を提供することができる。特に、基準点を蛇行させないで、目標軌道に沿ってスムースに移動させるための操作が簡単化される。
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） 仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力には上限値が設けられており、操作力のうち、目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う操作力成分が前記上限値よりも小さい場合には、目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力を、操作力のうち、目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う操作力成分と同じ大きさに設定する。
これにより作業者は、投影位置を目標軌道の他方の側から一方の側へ移動させる際、あたかも目標軌道を境にして一方の側方では大きなクーロン摩擦力（静止摩擦力）を受けるかのように操作子から操作抵抗力を感じることができる。静止摩擦力を下回る操作力では投影位置は目標軌道に一致したところでそれ以上目標軌道の一方の側へは移動しない。
その一方で作業者は上限値を超える作業力を目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う方向へ加えると、その操作力は静止摩擦力を上回り、基準点を目標軌道の一方の側へ移動させることができる。
（第２形態） 仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力には上限値が設けられており、投影位置をそれ以外の方向へ向うように操作子を移動させる場合に対する操作抵抗力にも上限値が設けられており、「仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力の上限値」は「投影位置をそれ以外の方向へ向うように操作子を移動させる場合に対する操作抵抗力の上限値」よりも大きな値に設定されていることが好ましい。これによって、投影位置を仮想案内面における目標軌道の他方の側から一方の側へ移動させる際の操作抵抗力をそれ以外の方向に移動させる際の操作抵抗力よりも小さくすることができる。投影位置を目標軌道の他方の側から一方の側へ目標軌道を超えて移動させる際の操作抵抗力だけを大きくすることができ、それ以外の方向へは投影位置を小さい操作力で移動させることができる。
（第１形態） 仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力には上限値が設けられており、操作力のうち、目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う操作力成分が前記上限値よりも小さい場合には、目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力を、操作力のうち、目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う操作力成分と同じ大きさに設定する。
これにより作業者は、投影位置を目標軌道の他方の側から一方の側へ移動させる際、あたかも目標軌道を境にして一方の側方では大きなクーロン摩擦力（静止摩擦力）を受けるかのように操作子から操作抵抗力を感じることができる。静止摩擦力を下回る操作力では投影位置は目標軌道に一致したところでそれ以上目標軌道の一方の側へは移動しない。
その一方で作業者は上限値を超える作業力を目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う方向へ加えると、その操作力は静止摩擦力を上回り、基準点を目標軌道の一方の側へ移動させることができる。
（第２形態） 仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力には上限値が設けられており、投影位置をそれ以外の方向へ向うように操作子を移動させる場合に対する操作抵抗力にも上限値が設けられており、「仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力の上限値」は「投影位置をそれ以外の方向へ向うように操作子を移動させる場合に対する操作抵抗力の上限値」よりも大きな値に設定されていることが好ましい。これによって、投影位置を仮想案内面における目標軌道の他方の側から一方の側へ移動させる際の操作抵抗力をそれ以外の方向に移動させる際の操作抵抗力よりも小さくすることができる。投影位置を目標軌道の他方の側から一方の側へ目標軌道を超えて移動させる際の操作抵抗力だけを大きくすることができ、それ以外の方向へは投影位置を小さい操作力で移動させることができる。
図１に本発明に係る一実施例の作業補助装置１０の概略図を示す。この実施例における作業補助装置１０は、塗布器具３０を用いてフロントガラスＷの周囲に接着剤を塗布する作業を補助する装置である。
作業補助装置１０は、対象物である塗布器具３０を支持する移動機構１１と、移動機構１１を制御するコントローラ２２を備える。
移動機構１１は、移動機構基部１３で床に固定されている。移動機構基部１３から移動機構１１の先端までは、リンク１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、隣接するリンク１２を揺動可能に連結する関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃで連結されている。なお、関節１４ａは移動機構基部１３とリンク１２ａを連結している。関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には、アクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが設置されている。アクチュエータ群１６により関節群１４が駆動される。以後、アクチュエータ群や関節群などを総称する場合には、添え字ａ，ｂ，ｃを省略して説明する。アクチュエータ群１６を利用することによって、リンク１２ｃの先端を移動機構１１の可動範囲内の任意の位置へ移動させることができる。また、リンク１２ｃが伸びる方向を任意の向きに向けることができる。また、関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には位置センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃが備えられている。位置センサ郡１５はエンコーダ等である。位置センサ群１５が出力する値と移動機構１１のリンク群１２の構造から幾何学的な計算により絶対座標系における基準点Ｐの座標を求めることができる。
移動機構１１の先端のリンク１２ｃには塗布器具３０が支持されている。塗布器具３０の先端からは接着剤が吐出する。この塗布器具３０の先端に基準点Ｐが固定されている。また塗布器具３０には接着剤を供給する供給ホース３４が接続されている。
移動機構１１の先端のリンク１２ｃにはまた、塗布器具３０の近くで力センサ２０を介して操作子１８が配置されている。即ち、本実施例の作業補助装置１０は、塗布器具３０（対象物）を移動させる移動機構１１が操作子１８に操作抵抗力を加える抵抗力付与機構を兼ねている。従ってコントローラ２２は移動機構１１を制御するための移動機構制御器であると同時に抵抗力付与機構を制御する付与機構制御器でもある。
作業者が操作子１８を操作すると、その操作力は力センサ２０によって検出される。検出された操作力はコントローラ２２に送られる。コントローラ２２は操作力の方向へ塗布器具３０を移動させるように移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。制御の内容については図２により後述する。
作業補助装置１０は、対象物である塗布器具３０を支持する移動機構１１と、移動機構１１を制御するコントローラ２２を備える。
移動機構１１は、移動機構基部１３で床に固定されている。移動機構基部１３から移動機構１１の先端までは、リンク１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、隣接するリンク１２を揺動可能に連結する関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃで連結されている。なお、関節１４ａは移動機構基部１３とリンク１２ａを連結している。関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には、アクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが設置されている。アクチュエータ群１６により関節群１４が駆動される。以後、アクチュエータ群や関節群などを総称する場合には、添え字ａ，ｂ，ｃを省略して説明する。アクチュエータ群１６を利用することによって、リンク１２ｃの先端を移動機構１１の可動範囲内の任意の位置へ移動させることができる。また、リンク１２ｃが伸びる方向を任意の向きに向けることができる。また、関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には位置センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃが備えられている。位置センサ郡１５はエンコーダ等である。位置センサ群１５が出力する値と移動機構１１のリンク群１２の構造から幾何学的な計算により絶対座標系における基準点Ｐの座標を求めることができる。
移動機構１１の先端のリンク１２ｃには塗布器具３０が支持されている。塗布器具３０の先端からは接着剤が吐出する。この塗布器具３０の先端に基準点Ｐが固定されている。また塗布器具３０には接着剤を供給する供給ホース３４が接続されている。
移動機構１１の先端のリンク１２ｃにはまた、塗布器具３０の近くで力センサ２０を介して操作子１８が配置されている。即ち、本実施例の作業補助装置１０は、塗布器具３０（対象物）を移動させる移動機構１１が操作子１８に操作抵抗力を加える抵抗力付与機構を兼ねている。従ってコントローラ２２は移動機構１１を制御するための移動機構制御器であると同時に抵抗力付与機構を制御する付与機構制御器でもある。
作業者が操作子１８を操作すると、その操作力は力センサ２０によって検出される。検出された操作力はコントローラ２２に送られる。コントローラ２２は操作力の方向へ塗布器具３０を移動させるように移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。制御の内容については図２により後述する。
本実施例では、接着剤を塗布すべき対象であるフロントガラスＷがワーク回転支持軸２６を介してワーク支持装置２４に支持されている。ワーク支持装置２４はワーク回転支持軸２６によってフロントガラスＷを回転軸Ｃの周りに角速度ωで回転させる。フロントガラスＷの周囲には接着剤を塗布すべき塗布ラインＬが設定されている。
本実施例では、フロントガラスＷが回転する。従って接着剤を塗布すべきフロントガラスＷに設定された塗布ラインＬも回転する。作業者は回転する塗布ラインＬに塗布器具３０先端の接着剤が吐出される部分、即ち基準点Ｐが一致するように操作子１８を操作する。接着剤を塗布すべきフロントガラスＷが回転するので、作業者はフロントガラスＷの周囲を歩き回ることなく、大きなフロントガラスＷの周囲へ接着剤を塗布することができる。
本実施例では、塗布ラインＬが塗布器具３０に設定された基準点Ｐが追従すべき目標軌道に相当する。以下では塗布ラインＬを目標軌道Ｌと称することにする。基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って動くことが重要であり、目標軌道Ｌが絶対座標系に対して静止している必要はない。目標軌道Ｌが絶対座標系に対して移動する場合であっても、基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って動けばよい。
本実施例では、フロントガラスＷが回転する。従って接着剤を塗布すべきフロントガラスＷに設定された塗布ラインＬも回転する。作業者は回転する塗布ラインＬに塗布器具３０先端の接着剤が吐出される部分、即ち基準点Ｐが一致するように操作子１８を操作する。接着剤を塗布すべきフロントガラスＷが回転するので、作業者はフロントガラスＷの周囲を歩き回ることなく、大きなフロントガラスＷの周囲へ接着剤を塗布することができる。
本実施例では、塗布ラインＬが塗布器具３０に設定された基準点Ｐが追従すべき目標軌道に相当する。以下では塗布ラインＬを目標軌道Ｌと称することにする。基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って動くことが重要であり、目標軌道Ｌが絶対座標系に対して静止している必要はない。目標軌道Ｌが絶対座標系に対して移動する場合であっても、基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って動けばよい。
次に作業補助装置１０の動作について概説する。なお詳細は後述する。
コントローラ２２はフロントガラスＷの面と同じ面に仮想案内面４０を設定する。仮想案内面４０は目標軌道Ｌを含むことになる。そして仮想案内面４０の面内で目標軌道Ｌの外側（フロントガラスＷの外側）を第１側方４２（仮想案内面における目標軌道Ｌの一方の側方に相当する）として設定し、目標軌道Ｌの内側を第２側方４４（仮想案内面における目標軌道Ｌの他方の側方に相当する）として設定する。
コントローラ２２は基準点Ｐを仮想案内面４０へ投影した位置（投影位置）が目標軌道Ｌの第２側方４４側にあるときには作業者が操作子１８に加えた操作力ＦＩに対して小さな操作抵抗力が操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。また投影位置が目標軌道Ｌの第１側方４２側にあるときには作業者が操作子１８に加えた操作力ＦＩに対して大きな操作抵抗力が操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。このことは換言すれば、操作力ＦＩに対して上記の操作抵抗力が操作子１８に付与されるように移動機構１１を移動させることに他ならない。別言すれば、移動機構は操作子が受ける操作力と操作抵抗力の合力に基づいて対象物を移動させることになる。
作業者が操作子１８に加える操作力ＦＩに対して、小さな操作抵抗力を操作子１８に付与する場合には、移動機構１１に支持された対象物の移動量は大きくなる。一方大きな操作抵抗力を操作子１８に付与する場合には同じ操作力ＦＩに対して対象物の移動量は小さくなる。操作力ＦＩと操作抵抗力の大きさが同じであれば対象物は移動しない。
コントローラ２２はフロントガラスＷの面と同じ面に仮想案内面４０を設定する。仮想案内面４０は目標軌道Ｌを含むことになる。そして仮想案内面４０の面内で目標軌道Ｌの外側（フロントガラスＷの外側）を第１側方４２（仮想案内面における目標軌道Ｌの一方の側方に相当する）として設定し、目標軌道Ｌの内側を第２側方４４（仮想案内面における目標軌道Ｌの他方の側方に相当する）として設定する。
コントローラ２２は基準点Ｐを仮想案内面４０へ投影した位置（投影位置）が目標軌道Ｌの第２側方４４側にあるときには作業者が操作子１８に加えた操作力ＦＩに対して小さな操作抵抗力が操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。また投影位置が目標軌道Ｌの第１側方４２側にあるときには作業者が操作子１８に加えた操作力ＦＩに対して大きな操作抵抗力が操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。このことは換言すれば、操作力ＦＩに対して上記の操作抵抗力が操作子１８に付与されるように移動機構１１を移動させることに他ならない。別言すれば、移動機構は操作子が受ける操作力と操作抵抗力の合力に基づいて対象物を移動させることになる。
作業者が操作子１８に加える操作力ＦＩに対して、小さな操作抵抗力を操作子１８に付与する場合には、移動機構１１に支持された対象物の移動量は大きくなる。一方大きな操作抵抗力を操作子１８に付与する場合には同じ操作力ＦＩに対して対象物の移動量は小さくなる。操作力ＦＩと操作抵抗力の大きさが同じであれば対象物は移動しない。
説明のため、塗布器具３０の先端に固定された基準点Ｐから目標軌道Ｌが伸びる方向に直線Ｐｘを仮定する。直線Ｐｘに直交し、基準点ＰからフロントガラスＷの平面内でフロントガラスの外側を向く方向に直線Ｐｙを仮定する。また操作子１８と力センサ２０との接続点Ｓから直線Ｐｘと平行に伸びる直線Ｓｘを仮定する。接続点Ｓから直線Ｐｙと平行に伸びる直線Ｓｙを仮定する。
第１側方４２から第２側方４４へ向う方向は直線Ｐｙの負方向となると同時に直線Ｓｙの負方向ともなる。
第１側方４２から第２側方４４へ向う方向は直線Ｐｙの負方向となると同時に直線Ｓｙの負方向ともなる。
作業者は基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させるべく、操作子１８に操作力ＦＩを加える。このとき作業者は操作力ＦＩがＰｘ直線方向の力成分ＦＩｘと直線Ｐｙ方向の力成分ＦＩｙが生じるように操作子１８を操作する。
作業補助装置１０は、図１に示すように基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致しているときに（この場合には基準点Ｐの位置が投影位置となる）、目標軌道Ｌの第１側方４２から第２側方４４へ向う方向（即ち、直線Ｓｙの負の方向）に大きな操作抵抗力ＦＲｙが操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。作業補助装置１０はまた、操作力ＦＩのＰｘ直線方向成分ＦＩｘに対して小さな操作抵抗力ＦＲｘが操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。
作業補助装置１０は、図１に示すように基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致しているときに（この場合には基準点Ｐの位置が投影位置となる）、目標軌道Ｌの第１側方４２から第２側方４４へ向う方向（即ち、直線Ｓｙの負の方向）に大きな操作抵抗力ＦＲｙが操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。作業補助装置１０はまた、操作力ＦＩのＰｘ直線方向成分ＦＩｘに対して小さな操作抵抗力ＦＲｘが操作子１８に付与されるように移動機構１１を制御する。
操作力のうちＦＩｙが操作抵抗力のＦＲｙより大きくなければ作業者はそれ以上操作子１８を直線Ｓｙの正方向に移動することができない。即ち作業者は操作子１８に対して直線Ｓｙ方向の力成分ＦＩｙと直線Ｓｘ方向の力成分ＦＩｘが含まれるような操作力ＦＩを加えることによって、目標軌道Ｌの第１側方４２側に仮想的に存在する定規ないしテンプレートに基準点Ｐを押し付けるような感覚を得る。
同時に直線Ｐｘ方向には操作力ＦＩｘに対して操作抵抗力ＦＲｘが付与される。移動機構１１には、操作力ＦＩｘと操作抵抗力ＦＲｘの合力が一定となるように基準点Ｐを直線Ｐｘの方向（目標軌道Ｌの方向）に移動させる。
これにより作業者は基準点Ｐを蛇行させずに直線Ｐｘ方向（目標軌道Ｌの伸びる方向）へ移動させることができる。
このことは換言すれば、作業補助装置１０は、操作力ＦＩと操作抵抗力（ＦＲｘおよびＦＲｙ）の合力に基づいて基準点Ｐを移動させることに相当する。
同時に直線Ｐｘ方向には操作力ＦＩｘに対して操作抵抗力ＦＲｘが付与される。移動機構１１には、操作力ＦＩｘと操作抵抗力ＦＲｘの合力が一定となるように基準点Ｐを直線Ｐｘの方向（目標軌道Ｌの方向）に移動させる。
これにより作業者は基準点Ｐを蛇行させずに直線Ｐｘ方向（目標軌道Ｌの伸びる方向）へ移動させることができる。
このことは換言すれば、作業補助装置１０は、操作力ＦＩと操作抵抗力（ＦＲｘおよびＦＲｙ）の合力に基づいて基準点Ｐを移動させることに相当する。
次に図２のブロック図を用いて上記概説した機能を実現する作業補助装置１０の構成を説明する。作業補助装置１０は移動機構１１とコントローラ２２に大別できる。
移動機構１１には、支持される塗布器具３０と、操作子１８と、作業者が操作子１８に加えた力を検出する力センサ２０と、移動機構１１の各リンク群１２を可動させるアクチュエータ群１６と、塗布器具３０の先端に設定された基準点Ｐの位置を検出する位置センサ群１５が含まれる。なお、以下では「仮想案内面」を単に「案内面」と称する。
移動機構１１には、支持される塗布器具３０と、操作子１８と、作業者が操作子１８に加えた力を検出する力センサ２０と、移動機構１１の各リンク群１２を可動させるアクチュエータ群１６と、塗布器具３０の先端に設定された基準点Ｐの位置を検出する位置センサ群１５が含まれる。なお、以下では「仮想案内面」を単に「案内面」と称する。
コントローラ２２には、データの記憶モジュールとして目標軌道データ記憶部５０と基準点データ記憶部５２と機構部データ記憶部５８と案内面データ記憶部５６を有している。また演算モジュールとして案内面設定部５４と基準点位置計算部６０と基準点／案内面相対位置計算部６２と基準点移動位置計算部６６とアクチュエータドライバ６８を有している。ここで記憶モジュールとはコントローラ２２に内蔵されたメモリやハードディスク装置などである。あるいはコントローラ外部に設置された記憶装置であってもよい。演算モジュールはコントローラ２２に内蔵されたコンピュータとそのコンピュータのためのソフトウエアで実現してもよいし、専用の演算を行うハードウエアで実現してもよい。
目標軌道データ記憶部５０には、目標軌道Ｌのデータが記憶されている。なお、目標軌道Ｌは次のように演算によってリアルタイムに求めるものでもよい。即ち、フロントガラスＷの形状とフロントガラスＷ上での目標軌道Ｌの配置、ワーク回転支持軸２６に対するフロントガラスＷの支持位置およびフロントガラスＷの回転角速度ωから各時刻における目標軌道Ｌの位置をリアルタイムに計算して求めてもよい。この場合には目標軌道データ記憶部５０には、目標データを生成するためのフロントガラスＷの形状等のデータが記憶される。記憶されたフロントガラスＷの形状等のデータから目標軌道Ｌがリアルタイムに計算され、計算された目標軌道Ｌのデータが目標軌道データ記憶部５０に一次的に記憶される。
案内面設定部５４は目標軌道データ記憶部５０に記憶された目標軌道のデータから、この目標軌道を含む案内面を設定する。同時に案内面内で目標軌道のいずれの側を大きな操作抵抗力を設定する側であるか（図１に示した第１側方４２側）を設定する。第１側方４２の反対側の側方を小さな操作抵抗力を設定する側（図１に示した第２側方４４側）に設定する。
ここで案内面は、例えば目標軌道がカーブを描く場合にはカーブが形成する面に設定される。そして第１側方４２は、案内面内で目標軌道のカーブの外側に設定される。ここでいう「カーブ」には目標軌道が屈曲する場合を含む。第２側方４４は目標軌道に対して第１側方４２と反対側に設定される。
また、案内面の第１側方４２は塗布器具３０などの作業ツールに対する定規の役割をすることから、作業者が作業をしやすいように設定することもできる。例えば第１側方４２を目標軌道に対して作業者の位置とは反対側に設定する、などである。
案内面設定部５４で設定された上記の案内面に関するデータは案内面データ記憶部５６に記憶される。
ここで案内面は、例えば目標軌道がカーブを描く場合にはカーブが形成する面に設定される。そして第１側方４２は、案内面内で目標軌道のカーブの外側に設定される。ここでいう「カーブ」には目標軌道が屈曲する場合を含む。第２側方４４は目標軌道に対して第１側方４２と反対側に設定される。
また、案内面の第１側方４２は塗布器具３０などの作業ツールに対する定規の役割をすることから、作業者が作業をしやすいように設定することもできる。例えば第１側方４２を目標軌道に対して作業者の位置とは反対側に設定する、などである。
案内面設定部５４で設定された上記の案内面に関するデータは案内面データ記憶部５６に記憶される。
基準点データ記憶部５２には、基準点Ｐが塗布器具３０のどこに固定されているかのデータが記憶されている。また機構部データ記憶部５８には移動機構１１の移動機構基部１３から先端までのリンク群１２の幾何学的な連結構造のデータが記憶されている。また移動機構基部１３の絶対座標系での位置のデータも記憶されている。
基準点位置計算部６０は、移動機構１１の関節群１４に配置された位置センサ群１５からの信号を取得し、機構部データ記憶部５８に記憶された移動機構１１の幾何学的な構造と合わせて移動機構１１の先端に取り付けられる塗布器具３０の支持位置を求める。さらに基準点データ記憶部５２に記憶された塗布器具３０上に設定された基準点Ｐの位置のデータから、塗布器具３０の支持位置に対する基準点Ｐの位置を求める。こうして基準点位置計算部６０は、基準点Ｐの絶対座標系におけるその位置を求める。
基準点／案内面相対位置計算部６２では、案内面データ記憶部５６に記憶された案内面４０の座標データと、基準点位置計算部６０により求められた基準点Ｐの座標から、基準点Ｐを案内面４０に投影した位置（投影位置）を計算する。さらに投影位置と目標軌道Ｌとの相対位置も計算する。即ち、投影位置が案内面上の第１側方の側に位置しているか、第２側方の側に位置しているかを計算する。
基準点／案内面相対位置計算部６２により得られた基準点Ｐの位置とその投影位置と目標軌道の相対位置は、基準点移動位置計算部６６に入力される。
基準点移動位置計算部６６にはまた、力センサ２０によって検出される操作子１８に加えられた操作力ＦＩが入力される。
基準点移動位置計算部６６では、操作力ＦＩによって基準点Ｐが次に位置すべき移動位置を計算する。その際の計算式は次式のインピーダンス制御則に基づく。
ＦＩ＝［Ｍｐ］・ｄｄｐ＋［Ｃｐ］・ｄｐ＋ＦＲ ・・・（第１式）
ここでｄｄｐは基準点Ｐの加速度を表す。ｄｐは基準点Ｐの速度を表す。また［Ｍｐ］は基準点Ｐの仮想質量を表す。但し［Ｍｐ］は対角要素が仮想質量の大きさであるスカラー量であり、それ以外の要素はゼロである３×３のマトリクスである。［Ｃｐ］は基準点Ｐの速度に対する仮想粘性係数を表す。同様に「Ｃｐ」も対角要素が仮想粘性係数の大きさであるスカラー量であり、それ以外の要素はゼロである３×３のマトリクスである。ＦＲは基準点Ｐの速度、位置および操作力ＦＩのうちの少なくともひとつの値により決定される仮想摩擦力を表す。
また第１式は３次元空間での仮想的な運動方程式であり、ＦＩ、ｄｄｐ、ｄｐ、ＦＲは所定の座標系における３軸方向夫々の要素を有するベクトル量である。［Ｍｐ］、［Ｃｐ］、ＦＲは基準点移動位置計算部６６内で予め設定されている。なお、仮想摩擦力ＦＲは基準点Ｐの速度、位置および操作力ＦＩのうちの少なくともひとつの値に応じて変化する可変量である。
第１式は変形して次の第２式のようにも表すことができる。
ＦＩ−ＦＲ＝［Ｍｐ］・ｄｄｐ＋［Ｃｐ］・ｄｐ ・・・（第２式）
ここで第２式の左辺（ＦＩ−ＦＲ）について説明を加える。第１式において仮想摩擦力ＦＲの正負はＦＩの正負と同じ向きに設定した。これは第１式の右辺の仮想摩擦力ＦＲは、第１式の左辺の操作力ＦＩのうちに仮想摩擦力ＦＲに抗する力を含むことを意味させるためである。「仮想摩擦力ＦＲに抗する力」は実際に操作子に付与する仮想摩擦力ＦＲと逆向きの力である。従って実際に操作子に付与する仮想摩擦力ＦＲ自体の各軸成分の向きは、操作力ＦＩの各軸成分の向きとは反対となる。仮想摩擦力ＦＲの正負を実際の各軸成分の向きと同じ方向と定義すれば第２式の左辺は（ＦＩ＋ＦＲ）と表される。ここで仮想粘性係数の項［Ｃｐ］・ｄｐが十分小さいとすると、基準点Ｐは操作力ＦＩと仮想摩擦力ＦＲの合力に応じた加速度ｄｄｐを生じるように計算されることになる。以下では、第１式に表される仮想摩擦力ＦＲの定義を用いて、第２式の左辺に表される（ＦＩ−ＦＲ）を操作力ＦＩと仮想摩擦力ＦＲの合力と称することにする。
基準点移動位置計算部６６にはまた、力センサ２０によって検出される操作子１８に加えられた操作力ＦＩが入力される。
基準点移動位置計算部６６では、操作力ＦＩによって基準点Ｐが次に位置すべき移動位置を計算する。その際の計算式は次式のインピーダンス制御則に基づく。
ＦＩ＝［Ｍｐ］・ｄｄｐ＋［Ｃｐ］・ｄｐ＋ＦＲ ・・・（第１式）
ここでｄｄｐは基準点Ｐの加速度を表す。ｄｐは基準点Ｐの速度を表す。また［Ｍｐ］は基準点Ｐの仮想質量を表す。但し［Ｍｐ］は対角要素が仮想質量の大きさであるスカラー量であり、それ以外の要素はゼロである３×３のマトリクスである。［Ｃｐ］は基準点Ｐの速度に対する仮想粘性係数を表す。同様に「Ｃｐ」も対角要素が仮想粘性係数の大きさであるスカラー量であり、それ以外の要素はゼロである３×３のマトリクスである。ＦＲは基準点Ｐの速度、位置および操作力ＦＩのうちの少なくともひとつの値により決定される仮想摩擦力を表す。
また第１式は３次元空間での仮想的な運動方程式であり、ＦＩ、ｄｄｐ、ｄｐ、ＦＲは所定の座標系における３軸方向夫々の要素を有するベクトル量である。［Ｍｐ］、［Ｃｐ］、ＦＲは基準点移動位置計算部６６内で予め設定されている。なお、仮想摩擦力ＦＲは基準点Ｐの速度、位置および操作力ＦＩのうちの少なくともひとつの値に応じて変化する可変量である。
第１式は変形して次の第２式のようにも表すことができる。
ＦＩ−ＦＲ＝［Ｍｐ］・ｄｄｐ＋［Ｃｐ］・ｄｐ ・・・（第２式）
ここで第２式の左辺（ＦＩ−ＦＲ）について説明を加える。第１式において仮想摩擦力ＦＲの正負はＦＩの正負と同じ向きに設定した。これは第１式の右辺の仮想摩擦力ＦＲは、第１式の左辺の操作力ＦＩのうちに仮想摩擦力ＦＲに抗する力を含むことを意味させるためである。「仮想摩擦力ＦＲに抗する力」は実際に操作子に付与する仮想摩擦力ＦＲと逆向きの力である。従って実際に操作子に付与する仮想摩擦力ＦＲ自体の各軸成分の向きは、操作力ＦＩの各軸成分の向きとは反対となる。仮想摩擦力ＦＲの正負を実際の各軸成分の向きと同じ方向と定義すれば第２式の左辺は（ＦＩ＋ＦＲ）と表される。ここで仮想粘性係数の項［Ｃｐ］・ｄｐが十分小さいとすると、基準点Ｐは操作力ＦＩと仮想摩擦力ＦＲの合力に応じた加速度ｄｄｐを生じるように計算されることになる。以下では、第１式に表される仮想摩擦力ＦＲの定義を用いて、第２式の左辺に表される（ＦＩ−ＦＲ）を操作力ＦＩと仮想摩擦力ＦＲの合力と称することにする。
第１式（又は第２式）に従い、操作力ＦＩを入力として基準点Ｐの加速度ｄｄｐを求める。求められた加速度ｄｄｐを２回積分することにより次の基準点Ｐの移動位置が求まる。ここで仮想質量Ｍｐを小さくすれば、小さな操作力ＦＩで基準点Ｐを大きく移動させることができる。
また、仮想摩擦力ＦＲを大きく設定することで、基準点Ｐを小さく移動させることができる。本実施例では、仮想摩擦力ＦＲが操作子に加えられる操作抵抗力ＦＲに相当する。そこで以下では仮想摩擦力ＦＲを操作抵抗力ＦＲと称する場合もある。
また、仮想摩擦力ＦＲを大きく設定することで、基準点Ｐを小さく移動させることができる。本実施例では、仮想摩擦力ＦＲが操作子に加えられる操作抵抗力ＦＲに相当する。そこで以下では仮想摩擦力ＦＲを操作抵抗力ＦＲと称する場合もある。
第１式（又は第２式）の仮想摩擦力ＦＲについて説明する。説明を簡単にするために２次元に限定した図３を用いて説明する。図３は図１に示す塗布器具３０と力センサ２０と操作子１８を上から見た図である。即ち図３では紙面がそのまま案内面４０となる。目標軌道Ｌは図３の紙面上にあるので案内面４０は目標軌道Ｌを含むことになる。但し図３では目標軌道Ｌの紙面下側に第１側方４２を設定し、目標軌道Ｌの紙面上側に第２側方４４を設定してある。
今、力センサの中心を原点とし、塗布器具３０に固定されたローカル座標系ｘｙを仮定する。ローカル座標系ｘｙのｘ軸を目標軌道Ｌの伸びる方向に設定し、ｙ軸を図１に示す案内面４０の第１側方４２の方向に設定する。第１式もこのローカル座標系ｘｙを基準としたベクトルで表されているとする。但し２次元に限定しているので各ベクトルはｘ要素とｙ要素の２要素のベクトルとなる。
図３は２次元に限定しているので基準点Ｐの位置がそのまま基準点Ｐを案内面４０に投影した位置となる。図３は塗布器具３０に固定された基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致している状態を示している。即ち作業者は基準点Ｐをｙ軸方向へは蛇行させずにｘ軸の方向（目標軌道Ｌの方向）へ移動させたい。そこで作業者は操作力ＦＩを図３に示すように操作子１８に加える。操作力ＦＩは基準点Ｐを移動させたい方向（ｘ軸の正方向）の成分と目標軌道Ｌの第１側方４２の方向（ｙ軸の正方向）の成分を有するように操作子１８に加えられる。操作力ＦＩのｘ軸方向成分をＦＩｘと表し、ｙ軸方向成分をＦＩｙと表す。
図３の状態では基準点Ｐは目標軌道Ｌに一致している。このとき第１式（又は第２式）の仮想摩擦力ＦＲは、目標軌道Ｌの第１側方４２から第２側方４４へ向う方向（ｙ軸の負の方向）に大きな値となるように設定される。この仮想摩擦力は図３においてＦＲｙで示されている。また、操作力ＦＩｘに対しては小さな仮想摩擦力ＦＲｘが設定される。第１式をｘ方向成分とｙ方向成分とに分解して記述すると次式となる。
ＦＩｘ＝Ｍｐ・ｄｄｐｘ＋Ｃｐ・ｄｐｘ＋ＦＲｘ ・・・（第３式）
ＦＩｙ＝Ｍｐ・ｄｄｐｙ＋Ｃｐ・ｄｐｙ＋ＦＲｙ ・・・（第４式）
ここでｄｄｐｘは基準点Ｐのｘ軸方向の加速度を表しｄｐｘはｘ軸方向の速度を表す。同様にｄｄｐｙは基準点Ｐのｙ軸方向の加速度を表しｄｐｙはｙ軸方向の速度を表す。
今、力センサの中心を原点とし、塗布器具３０に固定されたローカル座標系ｘｙを仮定する。ローカル座標系ｘｙのｘ軸を目標軌道Ｌの伸びる方向に設定し、ｙ軸を図１に示す案内面４０の第１側方４２の方向に設定する。第１式もこのローカル座標系ｘｙを基準としたベクトルで表されているとする。但し２次元に限定しているので各ベクトルはｘ要素とｙ要素の２要素のベクトルとなる。
図３は２次元に限定しているので基準点Ｐの位置がそのまま基準点Ｐを案内面４０に投影した位置となる。図３は塗布器具３０に固定された基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致している状態を示している。即ち作業者は基準点Ｐをｙ軸方向へは蛇行させずにｘ軸の方向（目標軌道Ｌの方向）へ移動させたい。そこで作業者は操作力ＦＩを図３に示すように操作子１８に加える。操作力ＦＩは基準点Ｐを移動させたい方向（ｘ軸の正方向）の成分と目標軌道Ｌの第１側方４２の方向（ｙ軸の正方向）の成分を有するように操作子１８に加えられる。操作力ＦＩのｘ軸方向成分をＦＩｘと表し、ｙ軸方向成分をＦＩｙと表す。
図３の状態では基準点Ｐは目標軌道Ｌに一致している。このとき第１式（又は第２式）の仮想摩擦力ＦＲは、目標軌道Ｌの第１側方４２から第２側方４４へ向う方向（ｙ軸の負の方向）に大きな値となるように設定される。この仮想摩擦力は図３においてＦＲｙで示されている。また、操作力ＦＩｘに対しては小さな仮想摩擦力ＦＲｘが設定される。第１式をｘ方向成分とｙ方向成分とに分解して記述すると次式となる。
ＦＩｘ＝Ｍｐ・ｄｄｐｘ＋Ｃｐ・ｄｐｘ＋ＦＲｘ ・・・（第３式）
ＦＩｙ＝Ｍｐ・ｄｄｐｙ＋Ｃｐ・ｄｐｙ＋ＦＲｙ ・・・（第４式）
ここでｄｄｐｘは基準点Ｐのｘ軸方向の加速度を表しｄｐｘはｘ軸方向の速度を表す。同様にｄｄｐｙは基準点Ｐのｙ軸方向の加速度を表しｄｐｙはｙ軸方向の速度を表す。
ここで、一般に摩擦力とは物体を移動させようとする際に移動方向とは逆向きに物体の移動を妨げるように作用する。しかし摩擦力は物体を移動方向とは逆向きに移動させるように能動的には作用しない。この摩擦力を再現するために、ＦＲｙはその上限値ｆｒｍａｘを超えない範囲で操作力のｙ方向成分ＦＩｙと同じ値に設定される。ＦＩｙとＦＲｙが同じ大きさとなるので第４式により基準点Ｐのｙ方向の加速度ｄｄｐｙはゼロとなる（但し初期値としてｙ方向速度ｄｐｙはゼロであると仮定している）。従って作業者が操作力ＦＩにｙ軸の正方向の成分を有するように操作力ＦＩを加えると、基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致したところでそれ以上基準点Ｐをｙ軸の正方向へは移動しなくなる。即ち作業者は目標軌道Ｌの第１側方４２の側にあたかも目標軌道Ｌに沿った仮想的な定規があり、基準点Ｐをその定規に押し当てているように感じることができる。
このことは、一般的な力学の観点からいえば、作業者が静止摩擦係数を超えない範囲で物体に力を加えてもその物体は移動せず、物体に加えた力と同じ大きさの反力を物体から受ける、ということになる。このときの反力が本実施例でいう操作抵抗力に相当する。第３式から、基準点Ｐの加速度ｄｄｐｙと速度ｄｐｙがゼロであるときには操作反力は仮想摩擦力ＦＲｙとなる。
このことは、一般的な力学の観点からいえば、作業者が静止摩擦係数を超えない範囲で物体に力を加えてもその物体は移動せず、物体に加えた力と同じ大きさの反力を物体から受ける、ということになる。このときの反力が本実施例でいう操作抵抗力に相当する。第３式から、基準点Ｐの加速度ｄｄｐｙと速度ｄｐｙがゼロであるときには操作反力は仮想摩擦力ＦＲｙとなる。
一方ｘ軸方向には操作力ＦＩｘに対してこれより小さい仮想摩擦力ＦＲｘが設定される。従って基準点Ｐのｘ軸方向への加速度ｄｄｐは第３式を変形した次の式で表される。
ｄｄｐｘ＝（ＦＩｘ−ＦＲｘ−Ｃｐ・ｄｐｘ）／Ｍｐ ・・・（第５式）
第５式より、仮想粘性係数の項Ｃｐ・ｄｐｘが十分小さいとすると、基準点Ｐには操作力ＦＩｘと仮想摩擦力ＦＲｘの合力（ＦＩｘ−ＦＲｘ）に応じた加速度ｄｄｐｘが計算される。なお前述したように仮想摩擦力ＦＲｘの正負は、実際に操作子に付与する摩擦力ＦＲｘの正負とは反対に操作力ＦＩｘと同じ向きに設定されるので（ＦＩｘ−ＦＲｘ）は操作力ＦＩｘと仮想摩擦力ＦＲｘの合力を表すこととなる。
ｄｄｐｘ＝（ＦＩｘ−ＦＲｘ−Ｃｐ・ｄｐｘ）／Ｍｐ ・・・（第５式）
第５式より、仮想粘性係数の項Ｃｐ・ｄｐｘが十分小さいとすると、基準点Ｐには操作力ＦＩｘと仮想摩擦力ＦＲｘの合力（ＦＩｘ−ＦＲｘ）に応じた加速度ｄｄｐｘが計算される。なお前述したように仮想摩擦力ＦＲｘの正負は、実際に操作子に付与する摩擦力ＦＲｘの正負とは反対に操作力ＦＩｘと同じ向きに設定されるので（ＦＩｘ−ＦＲｘ）は操作力ＦＩｘと仮想摩擦力ＦＲｘの合力を表すこととなる。
基準点移動位置計算部６６は第５式で得られる加速度ｄｄｐｘを２回積分して基準点Ｐの移動位置を求める。求められた基準点Ｐの移動位置はアクチュエータドライバ６８に送られる。アクチュエータドライバ６８は基準点Ｐの移動位置を実現するように移動機構１１に備えられたアクチュエータ群１６を駆動する。
こうして作業者は操作抵抗力（ＦＲｘ＋Ｃｐ・ｄｐｘ）を操作子１８から感じつつ、基準点Ｐをｘ軸方向へ移動させることができる。なお、基準点Ｐの速度ｄｐｘが無視できるくらいに小さい場合には操作抵抗力は摩擦力ＦＲｘとほぼ等しくなる。
結果として、作業者は第１側方４２側で目標軌道Ｌに沿った仮想的な定規に基準点Ｐを押し付けながら基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させることができる。目標軌道Ｌに沿った仮想的な定規に基準点Ｐを押し付ける状態を実現することで、基準点Ｐを蛇行させることなく目標軌道Ｌに沿った移動を補助することができる。
こうして作業者は操作抵抗力（ＦＲｘ＋Ｃｐ・ｄｐｘ）を操作子１８から感じつつ、基準点Ｐをｘ軸方向へ移動させることができる。なお、基準点Ｐの速度ｄｐｘが無視できるくらいに小さい場合には操作抵抗力は摩擦力ＦＲｘとほぼ等しくなる。
結果として、作業者は第１側方４２側で目標軌道Ｌに沿った仮想的な定規に基準点Ｐを押し付けながら基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させることができる。目標軌道Ｌに沿った仮想的な定規に基準点Ｐを押し付ける状態を実現することで、基準点Ｐを蛇行させることなく目標軌道Ｌに沿った移動を補助することができる。
なお、基準点Ｐの位置が案内面４０における目標軌道Ｌの第２側方４４側に位置する場合にはｘ軸とｙ軸の両方向に仮想摩擦力ＦＲｘ、ＦＲｙとして小さな値を設定する。基準点Ｐが案内面内で目標軌道Ｌの第２側方４４側に位置する場合には、作業者は小さな操作力で基準点Ｐを任意の場所に移動させることができる。
上記説明は２次元に限定したが３次元に拡張しても同様である。この場合には上記説明の中で「基準点Ｐ」を「投影位置」と置き換えることなる。この場合、作業者は目標軌道Ｌを含み、案内面４０に対して直交する面内が仮想的な壁の役割を果たす。作業者はこの仮想的な壁に基準点Ｐを第１側方４２側に押し付けるように操作子を操作することで、仮想的な壁に沿って基準点Ｐを移動させることができる。仮想的な壁に沿って基準点Ｐを目標軌道Ｌまで移動させた後に目標軌道Ｌの伸びる方向に基準点Ｐを移動させるように操作子を操作すればよい。作業者は仮想的な壁を基準点Ｐをふらつかせないためのよりどころとしつつ、目標軌道Ｌに沿って基準点Ｐを移動させることができる。
上記説明は２次元に限定したが３次元に拡張しても同様である。この場合には上記説明の中で「基準点Ｐ」を「投影位置」と置き換えることなる。この場合、作業者は目標軌道Ｌを含み、案内面４０に対して直交する面内が仮想的な壁の役割を果たす。作業者はこの仮想的な壁に基準点Ｐを第１側方４２側に押し付けるように操作子を操作することで、仮想的な壁に沿って基準点Ｐを移動させることができる。仮想的な壁に沿って基準点Ｐを目標軌道Ｌまで移動させた後に目標軌道Ｌの伸びる方向に基準点Ｐを移動させるように操作子を操作すればよい。作業者は仮想的な壁を基準点Ｐをふらつかせないためのよりどころとしつつ、目標軌道Ｌに沿って基準点Ｐを移動させることができる。
本実施例において、移動機構１１が請求項の「移動機構」および「抵抗力付与機構」の一態様に相当する。移動機構１１に取り付けられた位置センサ郡１５とこのセンサの出力を処理して基準点Ｐの位置を算出する基準点位置計算部６０を合わせたものが請求項の「位置センサ」の一態様に相当する。図２の目標軌道データ記憶部５０が請求項の「目標軌道記憶手段」の一態様に相当する。そして図３において基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致する場合に第４式の仮想摩擦力ＦＲｙを操作力ＦＩｙと同じ大きさに設定することが、請求項の「投影位置と目標軌道が一致しているときには仮想案内面内で目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う大きな操作抵抗力を付与させる」ことの一態様に相当する。さらに上記実施例の説明において、基準点Ｐの位置が案内面内で目標軌道Ｌの第２側方４４側に位置する場合にはｘ軸とｙ軸の両方向に仮想摩擦力ＦＲｘ、ＦＲｙとして小さな値を設定することが請求項の「投影位置が目標軌道の他方の側方にあるときには小さな操作抵抗力を付与させる」ことの一態様に相当する。
また、第１式乃至第４式を計算する基準点移動位置計算部６０が、請求項の「計算手段」の一態様に相当する。そして、図３に示すように基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致するときに、案内面４０において目標軌道Ｌの第１側方４２（目標軌道の一方の側方）から第２側方４４（目標軌道の他方の側方）に向う方向への仮想摩擦力ＦＲｙを目標軌道Ｌに沿った方向（ｘ軸方向）の仮想摩擦力ＦＲｘより大きな値に設定する処理（基準点移動位置計算部６０にて処理が実行される）が、請求項の「計算手段が計算する計算式には少なくとも仮想物体の運動を妨げる仮想摩擦力の項が含まれ、投影位置が案内面内における目標軌道の一方の側方にあるときには仮想摩擦力を大きな値に設定し、目標軌道の他方の側方にあるときには仮想摩擦力を小さな値に設定して仮想物体に生じる運動を計算すること」の一例に相当する。
また、第１式乃至第４式を計算する基準点移動位置計算部６０が、請求項の「計算手段」の一態様に相当する。そして、図３に示すように基準点Ｐが目標軌道Ｌに一致するときに、案内面４０において目標軌道Ｌの第１側方４２（目標軌道の一方の側方）から第２側方４４（目標軌道の他方の側方）に向う方向への仮想摩擦力ＦＲｙを目標軌道Ｌに沿った方向（ｘ軸方向）の仮想摩擦力ＦＲｘより大きな値に設定する処理（基準点移動位置計算部６０にて処理が実行される）が、請求項の「計算手段が計算する計算式には少なくとも仮想物体の運動を妨げる仮想摩擦力の項が含まれ、投影位置が案内面内における目標軌道の一方の側方にあるときには仮想摩擦力を大きな値に設定し、目標軌道の他方の側方にあるときには仮想摩擦力を小さな値に設定して仮想物体に生じる運動を計算すること」の一例に相当する。
なお上記実施例において、仮想案内面４０における目標軌道Ｌの第１側方４２から第２側方４４へ向う操作抵抗力（仮想摩擦力に等しい）ＦＲｙには上限値が設けられており、操作力ＦＩのうち、目標軌道の他方の側方から一方の側方へ向う操作力成分ＦＩｙが前記上限値よりも小さい場合には、目標軌道Ｌの第１側方４２から第２側方へ向う操作抵抗力ＦＲｙを、操作力ＦＩのうち、目標軌道Ｌの第２側方４４から第１側方４２へ向う操作力成分ＦＩｙと同じ大きさに設定することも好適である。
これにより作業者は、投影位置を目標軌道Ｌの第２側方４４の側から第１側方４２の側へ移動させる際、あたかも目標軌道Ｌを境にして第１側方４２の側では大きなクーロン摩擦力（静止摩擦力）を受けるかのように操作子１８から操作抵抗力ＦＲｙを感じることができる。静止摩擦力を下回る操作力ＦＩｙでは、基準点Ｐ（３次元空間においては投影位置）は目標軌道Ｌに一致したところでそれ以上は目標軌道Ｌの第１側方４２の側へは移動しない。
その一方で作業者は上限値を超える作業力ＦＩｙを目標軌道Ｌの第２側方４４の側から第１側方４２の側へ向う方向へ加えると、その操作力ＦＩｙは静止摩擦力を上回り、基準点Ｐを目標軌道Ｌの第１側方の側へ移動させることができる。このことについては図４を元に後述する。
これにより作業者は、投影位置を目標軌道Ｌの第２側方４４の側から第１側方４２の側へ移動させる際、あたかも目標軌道Ｌを境にして第１側方４２の側では大きなクーロン摩擦力（静止摩擦力）を受けるかのように操作子１８から操作抵抗力ＦＲｙを感じることができる。静止摩擦力を下回る操作力ＦＩｙでは、基準点Ｐ（３次元空間においては投影位置）は目標軌道Ｌに一致したところでそれ以上は目標軌道Ｌの第１側方４２の側へは移動しない。
その一方で作業者は上限値を超える作業力ＦＩｙを目標軌道Ｌの第２側方４４の側から第１側方４２の側へ向う方向へ加えると、その操作力ＦＩｙは静止摩擦力を上回り、基準点Ｐを目標軌道Ｌの第１側方の側へ移動させることができる。このことについては図４を元に後述する。
次に図４から図７を用いて、実施例における案内面の設定の変形例を説明する。以下では説明を簡単にするために図４から図７は図１の作業補助装置１０と作業対象であるフロントガラス等について次のように図示を簡略化または省略した。まず目標軌道Ｌを２次元に限定した。塗布器具３０に力センサ２０が直接固定されており、力センサ２０に操作子１８が固定されているとした。塗布器具３０を支持して移動させる移動機構部１１および目標軌道Ｌが設定されているフロントガラスＷも図示を省略した。図１ではフロントガラスＷは回転すると説明したがここでは目標軌道Ｌは固定されているとした。またローカル座標系ｘｙは図３と同様に設定した。また、以下では摩擦力ＦＲを操作抵抗力ＦＲと称することにする。さらに以下では目標軌道Ｌの一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力について説明するので、操作抵抗力ＦＲのうちｘ軸方向の成分ＦＲｘについては図示を省略した。
まず図２に示した目標軌道データ記憶部５０に記憶された目標軌道Ｌのデータと実際に望ましい目標軌道がずれていた場合について図４により説明する。フロントガラスＷの取り付けや移動機構１１の組立などには誤差が生じることが多い。従って記憶された目標軌道のデータと現実に望ましい目標軌道にも誤差が生じる場合が多い。本実施例ではそのような場合にも望ましい目標軌道に対して基準点Ｐを蛇行させずに容易に追従させることができる。
図４でも図３と同様に案内面４０は図４の紙面と同一の平面に設定されている。目標軌道Ｌの第１側方４２は目標軌道Ｌの図４の紙面下側に設定され、第２側方４４は図４の紙面上側に設定してある。
図４でも図３と同様に案内面４０は図４の紙面と同一の平面に設定されている。目標軌道Ｌの第１側方４２は目標軌道Ｌの図４の紙面下側に設定され、第２側方４４は図４の紙面上側に設定してある。
この変形例では、目標軌道Ｌと直交する方向に加える力ＦＩｙに対する操作抵抗力ＦＲｙに上限値ｆｒｍａｘが設けてある。
今、目標軌道データ記憶部５０に記憶された目標軌道のデータによると図４に示した目標軌道Ｌとなるが、現実に望ましい目標軌道は図４に示す目標軌道Ｌ２である場合を例とする。なお、現実に望ましい目標軌道Ｌ２とは作業者が現場で実際の塗布ラインＬを目視で見ることで認識される。従って作業者はできるだけ実際の塗布ラインＬ２（望ましい目標軌道Ｌ２）に基準点Ｐを近づける必要がある。作業者が操作子１８に対して目標軌道Ｌと直交する方向に加える力ＦＩｙが操作抵抗力ＦＲｙの上限値ｆｒｍａｘより小さい場合には図３と同様に基準点Ｐは図５に破線で示すＰａの位置となる。このとき塗布器具は破線３０ａに示す位置となる。なお図５に示すｆｒｍａｘがＦＲｙに相当する。
作業者はｙ軸の正の方向に操作抵抗力ＦＲｙの上限値ｆｒｍａｘを超える力を操作子１８に加える。このときの操作力をＦＩ＋ｄＦＩとする。「ＦＩ＋ｄＦＩ」のｙ軸方向の成分をＦＩｙ＋ｄＦＩｙとする。ここでＦＩｙは操作抵抗力の上限値ｆｒｍａｘと同じ大きさの力であり、ｄＦＩｙがｆｒｍａｘを超える分の力である。このとき、第４式は
ＦＩｙ＋ｄＦＩｙ＝Ｍｐ・ｄｄｐｙ＋Ｃｐ・ｄｐｙ＋ｆｒｍａｘ ・・・（第６式）
となる。ＦＩｙとｆｒｍａｘは等しいので、基準点Ｐには次の式で表されるｙ軸方向の加速度を生じさせることができる。
ｄｄｐｙ＝（ｄＦＩｙ−Ｃｐ・ｄｐｙ）／Ｍｐ ・・・（第７式）
従って、操作抵抗力ＦＲｙに上限値を設けることによって、作業者はその上限値を上回る操作力を加えれば、基準点Ｐを目標軌道データ記憶部に記憶された目標軌道Ｌから第１側方４２側に基準点Ｐを移動させることができる。作業者はその上限値を上回る操作力を加減することで、実際の目標軌道Ｌ２に基準点Ｐを一致させることができる。図４では作業者が加える操作力ＦＩ＋ｄＦＩによって、基準点Ｐが実際の目標軌道Ｌ２上の点Ｐｂに一致した状態での塗布器具３０ｂを実線で描いてある。
このように操作抵抗力に上限値を設けることによって、目標軌道データ記憶部５０に記憶された目標軌道Ｌより実際の目標軌道Ｌ２が第１側方４２側にずれていた場合であっても作業者は基準点Ｐを実際の目標軌道Ｌ２に一致させることができる。
操作力ＦＩ＋ｄＦＩの大きさを加減する必要があるとはいえ、従来技術のように目標軌道Ｌに交差する方向になんら基準点Ｐを安定させるための力のよりどころがない場合と比較するとはるかに目標軌道Ｌに沿って基準点Ｐを移動させることが容易となる。上記のケースは弾力性のある定規を用いてペンで線をなぞることに喩えることができる。なぞるべき線が定規の内側に隠れてしまった場合には定規にペンを当てる力を増すことで、定規を撓ませることができる。同様の理由で本変形例においても、データ上での目標軌道と望ましい目標軌道Ｌにずれが生じている場合でも基準点Ｐを容易に望ましい目標軌道に沿って移動させることができる。
このとき、作業者は望ましい目標軌道Ｌ２の方向へ操作抵抗力より大きな操作力を加える。ある程度の大きさ（本例ではｆｒｍａｘ）操作抵抗力を感じつつ基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２に沿って進めることができる。操作者は望ましい目標軌道Ｌ２に交差する方向である程度の大きさ（本例ではｆｒｍａｘ）の操作抵抗力を感じることができる。この操作抵抗力を操作力のよりどころとすることで、目標軌道に交差する方向に対して基準点Ｐを安定させることができる。これによって基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２に沿って移動させる際に基準点Ｐを蛇行させることがない。望ましい目標軌道Ｌ２に沿って蛇行することなく基準点Ｐを進める作業を補助する装置を実現することができる。
今、目標軌道データ記憶部５０に記憶された目標軌道のデータによると図４に示した目標軌道Ｌとなるが、現実に望ましい目標軌道は図４に示す目標軌道Ｌ２である場合を例とする。なお、現実に望ましい目標軌道Ｌ２とは作業者が現場で実際の塗布ラインＬを目視で見ることで認識される。従って作業者はできるだけ実際の塗布ラインＬ２（望ましい目標軌道Ｌ２）に基準点Ｐを近づける必要がある。作業者が操作子１８に対して目標軌道Ｌと直交する方向に加える力ＦＩｙが操作抵抗力ＦＲｙの上限値ｆｒｍａｘより小さい場合には図３と同様に基準点Ｐは図５に破線で示すＰａの位置となる。このとき塗布器具は破線３０ａに示す位置となる。なお図５に示すｆｒｍａｘがＦＲｙに相当する。
作業者はｙ軸の正の方向に操作抵抗力ＦＲｙの上限値ｆｒｍａｘを超える力を操作子１８に加える。このときの操作力をＦＩ＋ｄＦＩとする。「ＦＩ＋ｄＦＩ」のｙ軸方向の成分をＦＩｙ＋ｄＦＩｙとする。ここでＦＩｙは操作抵抗力の上限値ｆｒｍａｘと同じ大きさの力であり、ｄＦＩｙがｆｒｍａｘを超える分の力である。このとき、第４式は
ＦＩｙ＋ｄＦＩｙ＝Ｍｐ・ｄｄｐｙ＋Ｃｐ・ｄｐｙ＋ｆｒｍａｘ ・・・（第６式）
となる。ＦＩｙとｆｒｍａｘは等しいので、基準点Ｐには次の式で表されるｙ軸方向の加速度を生じさせることができる。
ｄｄｐｙ＝（ｄＦＩｙ−Ｃｐ・ｄｐｙ）／Ｍｐ ・・・（第７式）
従って、操作抵抗力ＦＲｙに上限値を設けることによって、作業者はその上限値を上回る操作力を加えれば、基準点Ｐを目標軌道データ記憶部に記憶された目標軌道Ｌから第１側方４２側に基準点Ｐを移動させることができる。作業者はその上限値を上回る操作力を加減することで、実際の目標軌道Ｌ２に基準点Ｐを一致させることができる。図４では作業者が加える操作力ＦＩ＋ｄＦＩによって、基準点Ｐが実際の目標軌道Ｌ２上の点Ｐｂに一致した状態での塗布器具３０ｂを実線で描いてある。
このように操作抵抗力に上限値を設けることによって、目標軌道データ記憶部５０に記憶された目標軌道Ｌより実際の目標軌道Ｌ２が第１側方４２側にずれていた場合であっても作業者は基準点Ｐを実際の目標軌道Ｌ２に一致させることができる。
操作力ＦＩ＋ｄＦＩの大きさを加減する必要があるとはいえ、従来技術のように目標軌道Ｌに交差する方向になんら基準点Ｐを安定させるための力のよりどころがない場合と比較するとはるかに目標軌道Ｌに沿って基準点Ｐを移動させることが容易となる。上記のケースは弾力性のある定規を用いてペンで線をなぞることに喩えることができる。なぞるべき線が定規の内側に隠れてしまった場合には定規にペンを当てる力を増すことで、定規を撓ませることができる。同様の理由で本変形例においても、データ上での目標軌道と望ましい目標軌道Ｌにずれが生じている場合でも基準点Ｐを容易に望ましい目標軌道に沿って移動させることができる。
このとき、作業者は望ましい目標軌道Ｌ２の方向へ操作抵抗力より大きな操作力を加える。ある程度の大きさ（本例ではｆｒｍａｘ）操作抵抗力を感じつつ基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２に沿って進めることができる。操作者は望ましい目標軌道Ｌ２に交差する方向である程度の大きさ（本例ではｆｒｍａｘ）の操作抵抗力を感じることができる。この操作抵抗力を操作力のよりどころとすることで、目標軌道に交差する方向に対して基準点Ｐを安定させることができる。これによって基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２に沿って移動させる際に基準点Ｐを蛇行させることがない。望ましい目標軌道Ｌ２に沿って蛇行することなく基準点Ｐを進める作業を補助する装置を実現することができる。
図４では、目標軌道データ記憶装置５０（図２参照）に記憶させる目標軌道Ｌは実際に基準点Ｐを移動させる際に一致させる望ましい目標軌道とした。その場合、図４に示す変形例では、目標軌道Ｌの第１側方４２側に望ましい目標軌道Ｌ２がずれた場合には操作力ＦＩのうち、目標軌道の第２側方４４から第１側方４２へ向う方向への操作力を加減することで基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２に一致させることができた。望ましい目標軌道Ｌ２が目標データ記憶部５０に記憶された目標軌道Ｌから第２側方４４側にずれる可能性もある。その場合には小さな抵抗力しか操作子には作用しない。従って望ましい目標軌道Ｌ２に対して基準点Ｐが蛇行してしまう可能性がある。そこで図５に示すように、望ましい目標軌道Ｌ２に対して、案内面４０上でその両側に基準点Ｐの位置ずれの許容値ｄＨだけ距離をおいた仮の目標軌道ＬａとＬｂを目標軌道データ記憶部５０に記憶しておく。そしてデータ上の目標軌道Ｌａに対して望ましい目標軌道Ｌ２とは反対側に第１側方４２ａを設定する。同様にデータ上の目標軌道Ｌｂに対して望ましい目標軌道Ｌ２とは反対側に第１側方４２ｂを設定する。図５ではデータ上の目標軌道ＬａとＬｂに対して斜線を引いた側が第１側方４２ａ、４２ｂである。
望ましい目標軌道Ｌ２がデータ上の目標軌道Ｌａの第１側方４２ａの側にずれている場合には作業者は基準点Ｐをデータ上の目標軌道Ｌａの第１側方４２ａの方向に「ｆｒｍａｘ」以上の操作力ＦＩを操作子１８に加える。そうすれば「ｆｒｍａｘ」を超えた分の操作力によって基準点Ｐをデータ上の目標軌道Ｌａの第１側方４２ａの側へ移動させることができる。逆に望ましい目標軌道Ｌ２がデータ上の目標軌道Ｌｂの第１側方４２ｂの側にずれている場合には作業者は基準点Ｐを目標軌道Ｌｂの第１側方４２ｂの方向に「ｆｒｍａｘ」以上の操作力ＦＩを操作子１８に加える。そうすれば「ｆｒｍａｘ」を超えた分の操作力によって基準点Ｐをデータ上の目標軌道Ｌｂの第１側方４２ｂの側へ移動させることができる。
望ましい目標軌道Ｌ２がデータ上の目標軌道Ｌａの第１側方４２ａの側にずれている場合には作業者は基準点Ｐをデータ上の目標軌道Ｌａの第１側方４２ａの方向に「ｆｒｍａｘ」以上の操作力ＦＩを操作子１８に加える。そうすれば「ｆｒｍａｘ」を超えた分の操作力によって基準点Ｐをデータ上の目標軌道Ｌａの第１側方４２ａの側へ移動させることができる。逆に望ましい目標軌道Ｌ２がデータ上の目標軌道Ｌｂの第１側方４２ｂの側にずれている場合には作業者は基準点Ｐを目標軌道Ｌｂの第１側方４２ｂの方向に「ｆｒｍａｘ」以上の操作力ＦＩを操作子１８に加える。そうすれば「ｆｒｍａｘ」を超えた分の操作力によって基準点Ｐをデータ上の目標軌道Ｌｂの第１側方４２ｂの側へ移動させることができる。
この変形例では、望ましい目標軌道Ｌ２の両側で基準点Ｐの位置ずれ誤差ｄＨの分だけずらした位置にデータ上の目標軌道ＬａとＬｂを設定する。作業者は仮の目標軌道Ｌａ又はＬｂに押し付ける力とともに目標軌道の方向へ操作力を操作子に加える。望ましい目標軌道Ｌ２に対して基準点Ｐをその許容位置誤差内に納まるようにしつつ、望ましい目標軌道Ｌ２に交差する方向には蛇行することなく基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２の方向へ移動させることができる。さらに本変形例では、望ましい目標軌道Ｌ２が案内面４０のいずれの側へずれた場合であっても仮の目標軌道Ｌａ、Ｌｂに対して操作抵抗力より大きな操作力を加えることによって、ある程度の大きさ（本例ではｆｒｍａｘ）の操作抵抗力を感じつつ基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２に沿って進めることができる。操作者は望ましい目標軌道Ｌ２に交差する方向である程度の大きさ（本例ではｆｒｍａｘ）の操作抵抗力を感じることができる。この操作抵抗力を操作力のよりどころとすることで、目標軌道に交差する方向に対して基準点Ｐを安定させることができる。これによって、基準点Ｐを望ましい目標軌道Ｌ２の許容誤差範囲内で基準点Ｐを蛇行させることなく基準点Ｐを進める作業を補助する装置を実現することができる。
次に目標軌道が屈曲する部分を含む場合、又は目標軌道が曲線を描く場合について図６を参照して説明する。図６に示す目標軌道Ｌは屈曲部Ｒと曲線部Ｔを含む。案内面４０は紙面に一致して設定されている。なお本明細書では、「屈曲部」も曲線部の極端な態様として、「曲線部」の概念に含まれる。
図６では、紙面と同一の面に案内面４０が設定されている。
屈曲部Ｒの付近では目標軌道Ｌの第１側方４２ｃを、目標軌道Ｌの屈曲部Ｓの角度の大きい側（図６に目標軌道Ｌに対して斜線が引いてある側）に設定している。「屈曲部」は曲線部の極端な態様であるので、「屈曲部Ｓの角度の大きい側」とは「曲線部のカーブの外側」に設定することと同義である。目標軌道Ｌの第２側方４４ｃを目標軌道Ｌのカーブの内側に設定する。
図６では、紙面と同一の面に案内面４０が設定されている。
屈曲部Ｒの付近では目標軌道Ｌの第１側方４２ｃを、目標軌道Ｌの屈曲部Ｓの角度の大きい側（図６に目標軌道Ｌに対して斜線が引いてある側）に設定している。「屈曲部」は曲線部の極端な態様であるので、「屈曲部Ｓの角度の大きい側」とは「曲線部のカーブの外側」に設定することと同義である。目標軌道Ｌの第２側方４４ｃを目標軌道Ｌのカーブの内側に設定する。
カーブＴの付近では、目標軌道Ｌの第１側方４２ｄは、目標軌道Ｌのカーブの外側（図６に目標軌道Ｌに対して斜線が引いてある側）に設定している。目標軌道Ｌの第２側方４４ｄはカーブの内側に設定される。なおカーブの外側とは、カーブに対して、そのカーブに対する曲率半径の中心が位置する側と反対側を意味する。
図６に示すように、また上記したように本変形例では、案内面４０における目標軌道Ｌの第１側方と第２側方の設定を目標軌道Ｌ上の点Ｓの前後で変えている。
図６に示すように、また上記したように本変形例では、案内面４０における目標軌道Ｌの第１側方と第２側方の設定を目標軌道Ｌ上の点Ｓの前後で変えている。
第１側方４２ｃ、４２ｄと第２側方４４ｃを設定することで、屈曲部やカーブを有する目標軌道Ｌに対しても目標軌道Ｌに交差する方向には蛇行させることなく（ふらつかせることなく）容易に基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させることができる。これは次の理由による。
紙に描かれた屈曲線に対してその屈曲線と同じ形状の定規を当ててその屈曲線をペンでなぞる場合には屈曲線の外側（角度の大きい側）に定規を当てる方がなぞりやすい。同様に紙に描かれた曲線（カーブ）に対してその曲線と同じ形状の定規を当ててその曲線をペンでなぞる場合には曲線の外側に定規を当てる方がなぞりやすい。作業者はペンを定規に押し当てつつ定規に沿って移動させる。このとき逆に屈曲線に対して屈曲線の内側（角度の小さい側）に定規を当てて屈曲した線をなぞると、屈曲部では定規が鋭角に屈曲することになるので、それまで定規に当てるように加えていた力がよりどころを失ってペンが定規から大きく外れてしまう可能性がある。屈曲部の角度の大きい側に定規を当てると屈曲部では定規は鋭角に屈曲する。ペンは定規の鋭角に屈曲した部分で一旦停止させられる。そして改めて屈曲した先の方向にペンを移動させることができる。このときペンを定規に押し当てる力が勢い余ってペンが定規から大きく外れることはない。
図６に示した第１側方４２ｃ、４２ｄの設定は、上記の紙に描かれた曲線をペンでなぞる作業の際の定規の役割を果たす。紙に描かれた曲線をペンでなぞる作業の際の定規と同じ理由で図６に示した第１側方４２ｃ、４２ｄの設定によって、目標軌道Ｌに交差する方向に蛇行させることなく（ふらつかせることなく）基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させやすくすることができる。
紙に描かれた屈曲線に対してその屈曲線と同じ形状の定規を当ててその屈曲線をペンでなぞる場合には屈曲線の外側（角度の大きい側）に定規を当てる方がなぞりやすい。同様に紙に描かれた曲線（カーブ）に対してその曲線と同じ形状の定規を当ててその曲線をペンでなぞる場合には曲線の外側に定規を当てる方がなぞりやすい。作業者はペンを定規に押し当てつつ定規に沿って移動させる。このとき逆に屈曲線に対して屈曲線の内側（角度の小さい側）に定規を当てて屈曲した線をなぞると、屈曲部では定規が鋭角に屈曲することになるので、それまで定規に当てるように加えていた力がよりどころを失ってペンが定規から大きく外れてしまう可能性がある。屈曲部の角度の大きい側に定規を当てると屈曲部では定規は鋭角に屈曲する。ペンは定規の鋭角に屈曲した部分で一旦停止させられる。そして改めて屈曲した先の方向にペンを移動させることができる。このときペンを定規に押し当てる力が勢い余ってペンが定規から大きく外れることはない。
図６に示した第１側方４２ｃ、４２ｄの設定は、上記の紙に描かれた曲線をペンでなぞる作業の際の定規の役割を果たす。紙に描かれた曲線をペンでなぞる作業の際の定規と同じ理由で図６に示した第１側方４２ｃ、４２ｄの設定によって、目標軌道Ｌに交差する方向に蛇行させることなく（ふらつかせることなく）基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させやすくすることができる。
図６に示す第１側方４２ｃ、４２ｄの作用を具体的に説明する。
基準位置Ｐが図６にＰｃで示す位置にあるところから、作業者は操作力ＦＩを目標軌道Ｌの第１側方４２ｃの側に押し付けつつｘ軸の方向に向けるように操作子１８を動かす。操作力ＦＩのうちｙ軸方向の成分ＦＩｙに対しては操作抵抗力ＦＲｙが作用して均衡する。操作力ＦＩのうち目標軌道Ｌに沿った方向の成分ＦＩｘにより基準点Ｐはｘ軸の方向に目標軌道Ｌに沿って移動する。（なお前述したように操作抵抗力ＦＲのうちｘ軸成分ＦＲｘは図示を省略してある）。
第１側方４２ｃは目標軌道Ｌの屈曲部Ｒで角度の大きい方に設定されているので、基準点Ｐが目標軌道Ｌの屈曲部Ｒに到達すると、基準点Ｐをそれまで移動させるように作用していた操作力ＦＩの成分ＦＩｘに対しても大きな操作抵抗力が発生することになる。その結果、それまでの操作力ＦＩでは基準点Ｐは目標軌道Ｌの屈曲部Ｒで一旦停止する。そこで作業者は改めて目標軌道Ｌに沿った方向に操作力の成分が生じるように操作力ＦＩの方向を調整する。調整の結果、屈曲した後の目標軌道Ｌに沿った方向の操作力の成分が生じれば、基準点Ｐは屈曲後の目標軌道Ｌに沿って移動を再開する。このように目標軌道Ｌが屈曲する部分Ｒを含む場合には、第１側方４２ｃを目標軌道Ｌの屈曲部Ｒの角度の大きい側に設定する（第２側方４４ｃを目標軌道Ｌの屈曲部Ｒの角度の小さい方に設定する）ことで、屈曲部Ｒにおいても基準点Ｐを目標軌道Ｌから大きくずらすことなくスムーズに目標軌道Ｌに沿って移動させることができる。
次に基準点Ｐが図６に示すＰｄの位置のように目標軌道ＬのカーブＴに達する場合について説明する。カーブＴの付近では目標軌道Ｌの第１側方４２ｄは、目標軌道Ｌに対するカーブＴの外側に設定されている。従って基準点ＰがカーブＴを進むにつれて、基準点Ｐを進めるように作用していた操作力ＦＩのＦＩｘ成分に対しても大きな操作抵抗力ＦＲが発生してくる。基準点Ｐｄは、カーブＴの外側から内側に向う操作抵抗力ＦＲによって強制的にカーブＴに沿ってカーブさせられる。作業者は操作力ＦＩの方向を概ねカーブＴの基準点Ｐに先行する目標軌道の方向に向けるだけで、基準点Ｐを容易に目標軌道Ｌに沿って進めることができる。
基準位置Ｐが図６にＰｃで示す位置にあるところから、作業者は操作力ＦＩを目標軌道Ｌの第１側方４２ｃの側に押し付けつつｘ軸の方向に向けるように操作子１８を動かす。操作力ＦＩのうちｙ軸方向の成分ＦＩｙに対しては操作抵抗力ＦＲｙが作用して均衡する。操作力ＦＩのうち目標軌道Ｌに沿った方向の成分ＦＩｘにより基準点Ｐはｘ軸の方向に目標軌道Ｌに沿って移動する。（なお前述したように操作抵抗力ＦＲのうちｘ軸成分ＦＲｘは図示を省略してある）。
第１側方４２ｃは目標軌道Ｌの屈曲部Ｒで角度の大きい方に設定されているので、基準点Ｐが目標軌道Ｌの屈曲部Ｒに到達すると、基準点Ｐをそれまで移動させるように作用していた操作力ＦＩの成分ＦＩｘに対しても大きな操作抵抗力が発生することになる。その結果、それまでの操作力ＦＩでは基準点Ｐは目標軌道Ｌの屈曲部Ｒで一旦停止する。そこで作業者は改めて目標軌道Ｌに沿った方向に操作力の成分が生じるように操作力ＦＩの方向を調整する。調整の結果、屈曲した後の目標軌道Ｌに沿った方向の操作力の成分が生じれば、基準点Ｐは屈曲後の目標軌道Ｌに沿って移動を再開する。このように目標軌道Ｌが屈曲する部分Ｒを含む場合には、第１側方４２ｃを目標軌道Ｌの屈曲部Ｒの角度の大きい側に設定する（第２側方４４ｃを目標軌道Ｌの屈曲部Ｒの角度の小さい方に設定する）ことで、屈曲部Ｒにおいても基準点Ｐを目標軌道Ｌから大きくずらすことなくスムーズに目標軌道Ｌに沿って移動させることができる。
次に基準点Ｐが図６に示すＰｄの位置のように目標軌道ＬのカーブＴに達する場合について説明する。カーブＴの付近では目標軌道Ｌの第１側方４２ｄは、目標軌道Ｌに対するカーブＴの外側に設定されている。従って基準点ＰがカーブＴを進むにつれて、基準点Ｐを進めるように作用していた操作力ＦＩのＦＩｘ成分に対しても大きな操作抵抗力ＦＲが発生してくる。基準点Ｐｄは、カーブＴの外側から内側に向う操作抵抗力ＦＲによって強制的にカーブＴに沿ってカーブさせられる。作業者は操作力ＦＩの方向を概ねカーブＴの基準点Ｐに先行する目標軌道の方向に向けるだけで、基準点Ｐを容易に目標軌道Ｌに沿って進めることができる。
次に図７を用いて目標軌道で交わる２つの仮想案内面を設定する場合を示す。図７（Ａ）、（Ｂ）には説明のための座標系が示してある。図７（Ａ）は案内面と目標軌道ＬのＸＺ平面の図を示している。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）を矢印Ｂ方向からみたときの案内面と目標軌道ＬのＹＺ平面の図を示す。
目標軌道Ｌは図７のＸ軸に一致している。一方の案内面４０ｅはＸＺ平面に設定されている。案内面４０ｅの第１側方側４２ｅは案内面４０ｅ上でｚ軸の負の側に設定されている。他方の案内面４０ｆはＸＹ平面に設定されている。案内面４０ｆの第１側方側４２ｆは案内面４０ｆ上でｙ軸の正の側に設定されている。目標軌道Ｌがｘ軸に一致しており、案内面４０ｅがＸＺ平面に設定されているので、案内面４０ｅは目標軌道Ｌを含む面である。同様に案内面４０ｆはＸＹ平面に設定されているので、案内面４０ｆも目標軌道Ｌを含む面である。
目標軌道Ｌは図７のＸ軸に一致している。一方の案内面４０ｅはＸＺ平面に設定されている。案内面４０ｅの第１側方側４２ｅは案内面４０ｅ上でｚ軸の負の側に設定されている。他方の案内面４０ｆはＸＹ平面に設定されている。案内面４０ｆの第１側方側４２ｆは案内面４０ｆ上でｙ軸の正の側に設定されている。目標軌道Ｌがｘ軸に一致しており、案内面４０ｅがＸＺ平面に設定されているので、案内面４０ｅは目標軌道Ｌを含む面である。同様に案内面４０ｆはＸＹ平面に設定されているので、案内面４０ｆも目標軌道Ｌを含む面である。
作業者は基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させるために、操作子１８に操作力ＦＩを加える。操作力ＦＩのＸＹＺの３軸夫々の方向の力成分をＦＩｘ、ＦＩｙ、ＦＩｚとする。Ｘ方向成分ＦＩｘによって基準点ＰはＸ軸方向に移動させることができる。
ＦＩｚに対しては図７（Ａ）に示すように案内面４０ｅの第１側方４２ｅから第２側方４４ｅへ向う方向の操作抵抗力ＦＲｚが作用する。大きな操作抵抗力ＦＲｚによって、作業者は基準点Ｐをｚ軸の負の方向へは移動させ難くなる。
ＦＩｙに対しては図７（Ｂ）に示すように案内面４０ｆの第１側方４２ｆから第２側方４４ｆに向う方向の操作抵抗力ＦＲｙが作用する。大きな操作抵抗力ＦＲｙによって、作業者は基準点Ｐをｙ軸の正の方向へは移動させ難くなる。
操作抵抗力は案内面４０ｅにより作用するＦＲｚと案内面４０ｆにより作用するＦＲｙとの合力ＦＲｙｚとなる。この合力ＦＲｙｚが操作力ＦＩのうち、ｙｚ平面内の合力ＦＩｙｚに抗して作用する。作業者は案内面４０ｅと４０ｆのなす角度Ｋの範囲内となるようにｙｚ平面内の操作力ＦＩｙｚの方向をむけるだけで、基準点Ｐをｙｚ平面内で目標軌道Ｌに一致させることができる。
目標軌道Ｌで交わる２つの案内面４０ｅ、４０ｆのそれぞれにおいて操作抵抗力ＦＲｚ、ＦＲｙを計算し、抵抗力付与機構が合力ＦＲｙｚを操作子に付与する。これによって、作業者が操作子に加える操作力ＦＩの、目標軌道Ｌに交差する方向の操作力成分の合力ＦＩｙｚに抗する操作抵抗力を付与することができる。作業者は目標軌道Ｌに交差する方向の操作力成分の合力ＦＩｙｚの向きを２つの案内面４０ｅ、４０ｆがなす角度Ｋの範囲内となるように大まかに調整するだけで、作業補助装置は基準点Ｐを目標軌道Ｌにそって蛇行させずに進める作業を補助することができる。
ＦＩｚに対しては図７（Ａ）に示すように案内面４０ｅの第１側方４２ｅから第２側方４４ｅへ向う方向の操作抵抗力ＦＲｚが作用する。大きな操作抵抗力ＦＲｚによって、作業者は基準点Ｐをｚ軸の負の方向へは移動させ難くなる。
ＦＩｙに対しては図７（Ｂ）に示すように案内面４０ｆの第１側方４２ｆから第２側方４４ｆに向う方向の操作抵抗力ＦＲｙが作用する。大きな操作抵抗力ＦＲｙによって、作業者は基準点Ｐをｙ軸の正の方向へは移動させ難くなる。
操作抵抗力は案内面４０ｅにより作用するＦＲｚと案内面４０ｆにより作用するＦＲｙとの合力ＦＲｙｚとなる。この合力ＦＲｙｚが操作力ＦＩのうち、ｙｚ平面内の合力ＦＩｙｚに抗して作用する。作業者は案内面４０ｅと４０ｆのなす角度Ｋの範囲内となるようにｙｚ平面内の操作力ＦＩｙｚの方向をむけるだけで、基準点Ｐをｙｚ平面内で目標軌道Ｌに一致させることができる。
目標軌道Ｌで交わる２つの案内面４０ｅ、４０ｆのそれぞれにおいて操作抵抗力ＦＲｚ、ＦＲｙを計算し、抵抗力付与機構が合力ＦＲｙｚを操作子に付与する。これによって、作業者が操作子に加える操作力ＦＩの、目標軌道Ｌに交差する方向の操作力成分の合力ＦＩｙｚに抗する操作抵抗力を付与することができる。作業者は目標軌道Ｌに交差する方向の操作力成分の合力ＦＩｙｚの向きを２つの案内面４０ｅ、４０ｆがなす角度Ｋの範囲内となるように大まかに調整するだけで、作業補助装置は基準点Ｐを目標軌道Ｌにそって蛇行させずに進める作業を補助することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。
例えば、操作抵抗力には上限値が設けられており、投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側方にある場合に、目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力の上限値が、前記「投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側方にある場合」以外の操作抵抗力の上限値よりも大きく設定されていることが好ましい。そして操作力の各方向への上限値が前記上限値を超えない場合には各方向の操作抵抗力を操作力と同じ大きさに設定することが好ましい。
これによると、投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側方にある場合には、目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力の上限値のみが大きく設定される。すなわち、投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側にあるときに、投影位置をさらに目標軌道から離れる方向には大きな操作力が必要となる。一方それ以外の方向に投影位置を移動させようとする操作力に対しては小さな操作抵抗力が設定される。小さな操作抵抗力を超える操作力を加えることで、「投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側にあるときに、投影位置をさらに目標軌道から離れる方向」へは小さな操作力で移動させることができる。
また操作力が操作抵抗力の上限値より小さい場合には操作抵抗力は操作力と同じ大きさに設定される。これによって操作力を弱めた場合でも操作力より操作抵抗力が大きくなることがなく、操作力の方向と反対の方向に投影位置が移動してしまうことを防止することができる。
これによると、投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側方にある場合には、目標軌道の一方の側方から他方の側方へ向う操作抵抗力の上限値のみが大きく設定される。すなわち、投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側にあるときに、投影位置をさらに目標軌道から離れる方向には大きな操作力が必要となる。一方それ以外の方向に投影位置を移動させようとする操作力に対しては小さな操作抵抗力が設定される。小さな操作抵抗力を超える操作力を加えることで、「投影位置が仮想案内面における目標軌道の一方の側にあるときに、投影位置をさらに目標軌道から離れる方向」へは小さな操作力で移動させることができる。
また操作力が操作抵抗力の上限値より小さい場合には操作抵抗力は操作力と同じ大きさに設定される。これによって操作力を弱めた場合でも操作力より操作抵抗力が大きくなることがなく、操作力の方向と反対の方向に投影位置が移動してしまうことを防止することができる。
また、例えば上記実施例では、基準点移動位置計算部６６では、操作抵抗力を付与した結果の基準点Ｐの移動位置を計算した。即ちコントローラ２２は基準点Ｐの移動位置を指令値として移動機構１１を制御した。この他にもコントローラ２２は操作抵抗力を加味した上で基準点Ｐで発生させるべき力を軌道機構１１の指令値とすることもできる。この場合は事前に移動機構１１のハードウエアの実際の特性を把握しておく。なお、以下では式を１次元に限定して説明する。ハードウエアの実際の特性は次式で表される。
ＦＩ＋ＦＡ＝Ｍａ・ｄｄｐａ＋Ｃａ・ｄｐ＋ＦＢ ・・・（第８式）
ここで、ＦＩは作業者が操作子に加える操作力を基準点Ｐの位置に変換した値であり、ＦＡは移動機構のアクチュエータが基準点Ｐで出力すべき力である。またＭａとＣａとＦＢは移動機構１１の基準点Ｐにおけるハードウエアの実際の質量、粘性、クーロン摩擦力である。ｄｄｐは基準点Ｐの加速度を表す。ｄｐは基準点Ｐの速度を表す。そして基準点Ｐにおいて実現すべき望ましい動特性は前述した第１式で表される。
ＦＩ＝Ｍｐ・ｄｄｐ＋Ｃｐ・ｄｐ＋ＦＲ ・・・（第１式）
ここで、（第８式）−（Ｍａ／Ｍｐ）・（第１式）より
ＦＩ＋ＦＡ−（Ｍａ／Ｍｐ）・ＦＩ＝Ｍａ・ｄｄｐａ＋Ｃａ・ｄｐ＋ＦＢ
−（Ｍａ／Ｍｐ）・（Ｍｐ・ｄｄｐ＋Ｃｐ・ｄｐ＋ＦＲ） ・・・（第９式）
が得られる。第９式より、望ましい動特性を得るためにアクチュエータが出力すべき力ＦＡは、
ＦＡ＝｛Ｃａ−（Ｍａ／Ｍｐ）・Ｃｐ｝ｄｐ＋ＦＢ
−｛１−（Ｍａ／Ｍｐ）｝・ＦＩ−（Ｍａ／Ｍｐ）・ＦＲ・・・（第１０式）
となる。
基準点移動位置計算部６６は、第１０式において基準点Ｐの位置に応じた操作抵抗力ＦＲを設定し、また力センサ２０から操作力ＦＩを検出して第１０式を計算する。得られた力ＦＡ（移動機構１１が基準点Ｐで発生すべき力）を実現するように、力ＦＡを移動機構１１の各アクチュエータが出力すべき力に変換して各アクチュエータへの力指令値を出力する。
以上のように作業補助装置１０は、操作抵抗力ＦＲを付与した上で基準点Ｐで発生すべき力ＦＡを制御目標値とすることもできる。
ＦＩ＋ＦＡ＝Ｍａ・ｄｄｐａ＋Ｃａ・ｄｐ＋ＦＢ ・・・（第８式）
ここで、ＦＩは作業者が操作子に加える操作力を基準点Ｐの位置に変換した値であり、ＦＡは移動機構のアクチュエータが基準点Ｐで出力すべき力である。またＭａとＣａとＦＢは移動機構１１の基準点Ｐにおけるハードウエアの実際の質量、粘性、クーロン摩擦力である。ｄｄｐは基準点Ｐの加速度を表す。ｄｐは基準点Ｐの速度を表す。そして基準点Ｐにおいて実現すべき望ましい動特性は前述した第１式で表される。
ＦＩ＝Ｍｐ・ｄｄｐ＋Ｃｐ・ｄｐ＋ＦＲ ・・・（第１式）
ここで、（第８式）−（Ｍａ／Ｍｐ）・（第１式）より
ＦＩ＋ＦＡ−（Ｍａ／Ｍｐ）・ＦＩ＝Ｍａ・ｄｄｐａ＋Ｃａ・ｄｐ＋ＦＢ
−（Ｍａ／Ｍｐ）・（Ｍｐ・ｄｄｐ＋Ｃｐ・ｄｐ＋ＦＲ） ・・・（第９式）
が得られる。第９式より、望ましい動特性を得るためにアクチュエータが出力すべき力ＦＡは、
ＦＡ＝｛Ｃａ−（Ｍａ／Ｍｐ）・Ｃｐ｝ｄｐ＋ＦＢ
−｛１−（Ｍａ／Ｍｐ）｝・ＦＩ−（Ｍａ／Ｍｐ）・ＦＲ・・・（第１０式）
となる。
基準点移動位置計算部６６は、第１０式において基準点Ｐの位置に応じた操作抵抗力ＦＲを設定し、また力センサ２０から操作力ＦＩを検出して第１０式を計算する。得られた力ＦＡ（移動機構１１が基準点Ｐで発生すべき力）を実現するように、力ＦＡを移動機構１１の各アクチュエータが出力すべき力に変換して各アクチュエータへの力指令値を出力する。
以上のように作業補助装置１０は、操作抵抗力ＦＲを付与した上で基準点Ｐで発生すべき力ＦＡを制御目標値とすることもできる。
また、実施例では操作子１８が移動機構１１に設置している形態を例示したが、操作子１８が移動機構１１に固定されておらず、他の機構、即ち操作子に操作抵抗力を付与する抵抗力付与機構を移動機構１１とは別途に設けることも好ましい。
また、上記実施例では、基準点と目標軌道は必ずしも作業器具の先端（作業を行う箇所）とその作業対象となる塗布ラインや溶接ラインである必要はない。作業器具の作業を行う箇所とその作業対象となる塗布ラインや溶接ラインが一致するように、基準点と目標軌道は作業器具の先端とその作業対象となる塗布ラインや溶接ラインに対して夫々オフセットを設けた位置に設定してもよい。また移動機構が保持する対象物がワークである場合には、ワーク上に設定された基準点と、その基準点が追従すべき軌道を目標軌道として設定すればよい。
また移動機構は対象物を位置決めする際の自由度と同じかそれ以上の自由度を有していればどのような構造であってもよい。図１に示すような多リンク構造でもよいし、ガントリクレーンのような構造であってもよい。
また移動機構は対象物を位置決めする際の自由度と同じかそれ以上の自由度を有していればどのような構造であってもよい。図１に示すような多リンク構造でもよいし、ガントリクレーンのような構造であってもよい。
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合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合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し得るものであり、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。
１０：作業補助装置
１１：移動機構
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：リンク
１３：移動機構基部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：関節
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：位置センサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：アクチュエータ
１８：操作子
２０：力センサ
２２：コントローラ
２４：ワーク支持装置
２６：ワーク回転支持軸
３０：塗布器具（対象物）
４０、４０ｅ、４０ｆ：案内面
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ：第１面
４４、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆ：第２面
５０：目標軌道データ記憶部
５２：基準点データ記憶装部
５４：案内面設定部
５６：案内面データ記憶部
５８：機構部データ記憶部
６０：基準点位置計算部
６２：基準点／案内面相対位置計算部
６６：基準点移動力計算部
６８：アクチュエータドライバ
Ｗ：フロントガラス
Ｌ：塗布ライン（目標軌道）
Ｐ：基準点
１１：移動機構
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：リンク
１３：移動機構基部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：関節
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：位置センサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：アクチュエータ
１８：操作子
２０：力センサ
２２：コントローラ
２４：ワーク支持装置
２６：ワーク回転支持軸
３０：塗布器具（対象物）
４０、４０ｅ、４０ｆ：案内面
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ：第１面
４４、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆ：第２面
５０：目標軌道データ記憶部
５２：基準点データ記憶装部
５４：案内面設定部
５６：案内面データ記憶部
５８：機構部データ記憶部
６０：基準点位置計算部
６２：基準点／案内面相対位置計算部
６６：基準点移動力計算部
６８：アクチュエータドライバ
Ｗ：フロントガラス
Ｌ：塗布ライン（目標軌道）
Ｐ：基準点
Claims (6)
- 作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、動力を利用して対象物を移動させる移動機構と、
基準点の位置を検出する位置センサと、
目標軌道を記憶する目標軌道記憶手段と、
基準点の移動位置を指示するために作業者が操作する操作子と、
操作子に操作抵抗力を付与する抵抗力付与機構と、
抵抗力付与機構を制御する付与機構制御器と、
移動機構を制御する移動機構制御器を備えており、
付与機構制御器は、目標軌道を含む仮想案内面を設定し、位置センサで検出される基準点の位置を仮想案内面に投影した位置（投影位置と称する）と目標軌道が一致しているときには仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う第１の操作抵抗力を抵抗力付与機構によって操作子に付与させるとともに、投影位置が目標軌道の他方の側方にあるときには第１の操作抵抗力よりも小さい第２の操作抵抗力を付与させ、
抵抗力付与機構は、目標軌道がカーブを含む場合に、仮想案内面における目標軌道の前記一方の側方をカーブの外側に設定し、
移動機構制御器は、操作子が受ける操作力と操作抵抗力の合力に基づいて対象物を移動させることを特徴とする作業補助装置。 - 移動機構が抵抗力付与機構を兼ねており、
移動機構上のひとつの剛体に対象物と操作子が支持されており、
その剛体と操作子の間には力センサが介在していることを特徴とする請求項１に記載の作業補助装置。 - 移動機構制御器は、力センサで検出された力が仮想物体に加えられたときに生じる運動を計算する計算手段を有し、計算された運動を基準点に実現するように移動機構を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の作業補助装置。
- 計算手段が計算する計算式には少なくとも仮想物体の運動を妨げる仮想摩擦力の項が含まれ、投影位置が案内面内における目標軌道の一方の側方にあるときには仮想摩擦力を第１の値に設定し、目標軌道の他方の側方にあるときには仮想摩擦力を第１の値よりも小さい第２の値に設定して仮想物体に生じる運動を計算することを特徴とする請求項３に記載の作業補助装置。
- 仮想案内面における目標軌道の一方の側方から他方の側方に向う第１の操作抵抗力に上限値が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の作業補助装置。
- 付与機構制御器は、目標軌道で交わる２つの仮想案内面のそれぞれにおいて操作抵抗力を計算し、その合力を抵抗力付与機構によって操作子に付与させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の作業補助装置。
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2005
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