JP5324506B2 - 疑似体験装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械への挟まりや巻き込まれを擬似的に体験できる疑似体験装置に関する。

種々の機械を用いた工場での労働災害を防止するためには作業者の安全意識を高めることが重要である。機械への挟まりや巻き込まれはこうした災害で代表的なものである。作業者への注意喚起や座学による安全教育は安全意識を高めるための有効な手段の一つであるが、より効果的な対策をこれらとは異なる観点から検討することが必要である。

例えば、機械への挟まりや巻き込まれを作業者に擬似的に体験させることができれば作業者の記憶に残り易いため安全意識の向上に効果的であるが、このような要求を十分に満足できる適当な装置がなかった。

そこで、本発明は、機械への挟まりや巻き込まれを擬似的に体験できる疑似体験装置を提供することを目的とする。

本発明の疑似体験装置は、一対のローラ（３、４）を互いに接近させた状態でそれぞれ回転駆動する駆動機構（５）と、前記一対のローラのうち、少なくとも一方のローラを他方のローラから離れる方向に移動可能な移動機構（６）と、前記駆動機構にて互いに接近させた状態で回転駆動されている前記一対のローラ間への物体の進入を検出する検出手段（７５）と、前記検出手段が物体の進入を検出した場合に、前記一対のローラが互いに遠ざかるように前記移動機構を制御し、かつ前記一対のローラのそれぞれの回転が停止するように前記駆動機構を制御する解放制御手段（８１、８２）と、前記一対のローラ間に物体が挟まった際の圧力を調整可能な調整手段（６１、７４）と、を備え、前記解放制御手段は、前記検出手段が物体の進入を検出してから所定時間経過後に前記一対のローラが互いに離れるように前記移動機構を制御することにより、上述した課題を解決する。

この疑似体験装置によれば、互いに接近させた状態で回転する一対のローラ間に物体が進入した場合に各ローラの回転が停止され、かつ一対のローラが互いに遠ざかる。そのため、作業者等の被験者が模擬手などをローラ間に進入させることにより、被験者に対してローラへの挟まりや巻き込まれを擬似的に体験させることができる。しかも、ローラ間への物体の進入を検出してからローラが遠ざかるまでの間にタイムラグが設定されるので、ローラへ巻き込まれる感覚を効果的に被験者に与えることが可能になる。更に、ローラ間に物体が挟まった際の圧力を調整できるので、ローラ間へ挟まれる感覚の強さを調整できる。

本発明の疑似体験装置の一態様において、前記一対のローラのそれぞれの回転が停止するように前記駆動機構が前記解放制御手段にて制御される際に前記一対のローラのそれぞれの慣性を打ち消す方向のトルクを発生させるトルク発生手段（１５）を更に備えてもよい。この態様によれば、各ローラの回転が停止される際にはこれらの慣性が打ち消されるため各ローラが惰性で回転することを抑制できる。トルク発生手段は、駆動機構の駆動源から各ローラまでの動力伝達経路内にブレーキを設けたり、駆動機構の駆動源に対するトルク制御を行うことによって実現可能である。

本発明の疑似体験装置の一態様において、前記駆動機構には、前記一対のローラのそれぞれを回転駆動するための駆動源として電動機（１５）が設けられており、前記電動機の回転速度と目標値との差分が設定値以上となった場合及び前記電動機の負荷が設定値以上となった場合のうち少なくとも一つの条件が成立したときに前記一対のローラのそれぞれの回転が停止するように前記駆動機構を制御する停止制御手段（８１、８３）を更に備え、前記電動機から前記一対のローラに至る動力伝達経路内に、負荷されるトルクが設定値を超えた場合にトルク伝達を解除するトルクリミッタ（３３、３４）が設けられてもよい。この態様によれば、電動機の回転速度及び負荷に関する条件の少なくとも一つが成立した場合に各ローラが停止されるとともに、負荷されるトルクが設定値を超えた場合にはトルクリミッタによりトルク伝達が物理的に遮断される。このように多重の安全装置が設けられるため疑似体験装置の安全性が向上する。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上説明したように、本発明の疑似体験装置によれば、互いに接近させた状態で回転する一対のローラ間に物体が進入した場合に各ローラの回転が停止され、かつ一対のローラが互いに遠ざかるため、作業者等の被験者が模擬手などをローラ間に進入させることにより、被験者に対してローラへの挟まりや巻き込まれを擬似的に体験させることができる。しかも、ローラ間への物体の進入を検出してからローラが遠ざかるまでの間にタイムラグが設定されるので、ローラへ巻き込まれる感覚を効果的に被験者に与えることが可能になる。更に、ローラ間に物体が挟まった際の圧力を調整できるので、ローラ間へ挟まれる感覚の強さを調整できる。

本発明の一形態に係る疑似体験装置の要部を示した正面図。 図１の矢印IIの方向から疑似体験装置を見た状態を示した図。 図１の矢印IIIの方向から疑似体験装置を見た状態を示した図。 図１の矢印IVの方向から疑似体験装置を見た状態を示した図。 移動機構を模式的に示した図。 制御系の機能を説明するブロック図。

図１は本発明の一形態に係る疑似体験装置の要部を示した正面図である。図２〜図４は図１の矢印II、III、IVの各方向から疑似体験装置を見た状態を示している。なお、図１では図の見やすさを優先するため他の部材に隠れて見えない一部の部材については透過図として図示されている。これらの図に示すように、疑似体験装置１は移動及び設置が容易なキャスター付きの筐体（不図示）に対して複数のボルト２にて取り付けられている。疑似体験装置１は、上下に並んだ一対のローラ３、４と、各ローラ３、４を回転駆動する駆動機構５と、上側のローラ３を下側のローラ４から離れる方向に、即ち図１の矢印方向に移動させることが可能な移動機構６とを備えている。

各ローラ３、４は筐体に固定されたベースプレート７に支持されている。各ローラ３、４は外周が弾力性のあるウレタン樹脂で形成された弾性体のローラとして構成されている。上側のローラ３は軸線Ａｘ１に沿って延びるローラ軸１０に固定されている。ローラ軸１０は移動機構６にて回転自在に支持されている。下側のローラ４は軸線Ａｘ２（図３）に沿って延びるローラ軸１２に固定されている。図３に示したように、ローラ軸１２はベースプレート７と、そのベースプレート７に対して平行に延びていて筐体に対してボルト２にて固定された支持プレート９とによって回転自在に支持されている。

駆動機構５は、駆動源としての電動機１５と、電動機１５から各ローラ３、４へ動力を伝達する伝達機構１６とを備えている。電動機１５は不図示の電源装置に接続されている。電動機１５は現在の回転速度及び負荷を検出可能な検出装置１８を内蔵している。伝達機構１６は、電動機１５の動力をローラ３の側及びローラ４の側のそれぞれに分割する動力分割部２０と、電動機１５の動力を動力分割部２０に伝達する一次伝達部２１と、動力分割部２０にて分割された動力を各ローラ３、４に伝達する２つの二次伝達部２２Ａ、２２Ｂとを備えている。

動力分割部２０は上下に並び互いに平行な一対の回転軸２５、２６と、各回転軸２５、２６に固定されかつ互いに噛み合う一対のギア２７、２８とを備えている。各ギア２７、２８は同一構成である。これにより、上側の回転軸２５に入力された動力は一対のギア２７、２８にて下側の回転軸２６に分割される。図４に示したように、上側の回転軸２５は軸線Ａｘ３方向に延びており、下側の回転軸２６は軸線Ａｘ４方向に延びている。各回転軸２５、２６はベースプレート７と、そのベースプレート７に対して平行に延びていて筐体に対してボルト２にて固定された支持プレート２９とによって回転自在に支持されている。

一次伝達部２１は、軸線Ａｘ５の方向に延びるモータ軸１５ａとカップリング３０を介して結合された駆動軸３１と、駆動軸３１の回転を動力分割部２０の回転軸２５に伝達するベルト伝達機構３２とを備えている。駆動軸３１は支持プレート２９にて回転自在に支持されている。ベルト伝達機構３２は、トルクリミッタ３３を介して駆動軸３１に取り付けられた駆動プーリ３５と、トルクリミッタ３４を介して回転軸２５に取り付けられた被駆動プーリ３６と、各プーリ３５、３６に巻き掛けられた歯付きベルト３７とを備えている。各プーリ３５、３６には歯付きベルト３７と噛み合うプーリ歯が形成されている。電動機１５から一対のローラ３、４までの動力伝達経路内にトルクリミッタ３３、３４が設けられているので、動力伝達経路内に無理なトルクが働いた場合にはトルクリミッタ３３、３４によってトルク伝達が物理的に遮断されるので疑似体験装置１の安全性が向上する。

二次伝達部２２Ａ、２２Ｂは、同一の伝達速度比を持つベルト伝達機構としてそれぞれ構成されている。上側の二次伝達部２２Ａは回転軸２５に固定された駆動プーリ４０と、上側のローラ軸１０に固定された被駆動プーリ４１と、移動機構６にて回転自在に支持されたテンションプーリ４２と、これらプーリ４０〜４２に噛み合った状態で巻き掛けられた歯付きベルト４３とを備えている。同様に、下側の二次伝達部２２Ｂは回転軸２６に固定された駆動プーリ４４と、下側のローラ軸１２に固定された被駆動プーリ４５と、支持プレート９にて回転自在に支持されたテンションプーリ４６と、これらプーリ４４〜４６に噛み合った状態で巻き掛けられた歯付きベルト４７とを備えている。

駆動機構５が以上の構成を備えているため、電動機１５の動力が動力分割部３０にて２つに分割され、一方の動力が二次伝達部２２Ａを経由して上側のプーリ３に、他方の動力が二次伝達部２２Ｂを経由して下側のプーリ４にそれぞれ伝達される。これによって、各プーリ３、４は互いに同一の回転速度で図１の矢印方向に回転駆動される。

移動機構６は、軸線Ａｘ３の回りに揺動可能な揺動アーム５０と、揺動アーム５０を駆動する駆動装置５１とを備えている。揺動アーム５０は、ベースプレート７を挟むようにして並べられかつ互いに平行な一対のアーム部材５３、５４と、これら一対のアーム部材５３、５４を先端側で連結する連結部材５５とが組み合わされることによって構成されている。揺動アーム５０の基端側は２つのブッシュ５７、５８を介して回転軸２５に対して相対回転可能な状態で連結されている。また、揺動アーム５０の先端側の連結部材５５は中空円筒状に構成されており、その中空部分は上側のローラ軸１０にて貫かれている。連結部材５５は２つのブッシュ５９、６０を介してローラ軸１０に対して相対回転可能な状態でローラ軸１０に組み付けられている。従って、ローラ３及びローラ軸１０が回転状態のままで揺動アーム５０を揺動させることができる。

駆動装置５１は空気圧で作動するエアシリンダ装置６１と、エアシリンダ装置６１と揺動アーム５０の先端側とをリンク結合するリンク部材６２とを備えている。図１に示すように、エアシリンダ装置６１は、往復動可能な状態で設けられたピストン６４と、ピストン６４に連結されたピストンロッド６５とを備えており、ピストン６４の両側にはポート６８、６９を介して圧縮空気が導入される。図１の状態は、ピストン６４が不図示のストッパにて下向きの移動が規制された状態である。ピストンロッド６５にはその長さを調整可能なねじ式のナックルジョイント等の調整機構が設けられている。その調整機構によってピストンロッド６５の長さを調整することにより、ローラ３、４間のクリアランスＣＬの大きさを調整できる。クリアランスＣＬは０、即ち各ローラ３、４が接触した状態から、最大１５ｍｍ程度まで調整可能である。実機テストを行った結果、クリアランスＣＬの大きさが１０ｍｍの際に模擬手を挟むのに適していることが確認できた。

エアシリンダ装置６１の各ポート６８、６９は以下に説明する空気圧回路に接続されている。図５は移動機構６を模式的に示した図である。図示するように、エアシリンダ装置６１に接続される空気圧回路Ｃは、各ポート６８、６９に接続された２つの通路７０、７１と、各通路７０、７１と圧力源７３との接続状態を切り替える電磁弁７２と、エアシリンダ装置６１の伸び側の空気室６７の圧力を調整する調整弁７４とを有している。この図から明らかなように、電磁弁７２が図示の位置にある場合はピストン６４の両側に位置する各空気室６６、６７に圧縮空気が導かれる。調整弁７４の操作によって空気室６７の圧力が空気室６６の圧力よりも減圧されることで、上側のローラ３を下側のローラ４へ接近させる方向の力が働く。この力の大きさを調整弁７４の操作量を変化させて調整することによってローラ３、４間に物体が挟まった際の圧力を調整できる。これにより、ローラ３、４間に挟まれる感覚の強さを調整できる。従って、エアシリンダ装置６１及び調整弁７４とが協働することによって本発明に係る調整手段として機能する。

図示の状態から電磁弁７２に電圧が印可されると空気室６７の圧力が維持された状態で空気室６６の圧力が大気圧となる。このため、エアシリンダ装置６１が伸び側にストロークして揺動アーム５０は図の上向きに揺動する。即ち、移動機構６によって上側のローラ３が下側のローラ４から離れる方向に移動する。なお、エアシリンダ装置６１はピストンロッド６５の位置を検出する位置センサ７５を内蔵している。

疑似体験装置１の動作はコンピュータとして構成された制御装置にて制御される。図６は疑似体験装置１の制御系の機能を説明するブロック図である。制御装置８０には疑似体験装置１に対する所定の制御プログラムが保持されいる。制御装置８０がその制御プログラムを実行することにより、制御装置８０には制御実行部８１、ローラ間進入判定部８２及び電動機動作判定部８３が論理的にそれぞれ構成される。

制御実行部８１は不図示の電源スイッチや各種設定情報を入力するキーボード等の外部入力装置８５からの入力情報に基づいて主電源のＯＮ・ＯＦＦ制御、電動機１５の回転速度制御や移動機構６を駆動する空気圧回路の圧力源７３の制御等を行う。その他にも、制御実行部８１はローラ間進入判定部８２及び電動機動作判定部８３のそれぞれの判定結果に応答して電動機１５及び移動機構６の各動作を制御する。

ローラ間進入判定部８２は一対のローラ３、４の間への物体の進入の有無を判定する。即ち、ローラ間進入判定部８２は被験者が疑似体験のために模擬手等の物体をローラ３、４間に進入させたか否かを判定する。その進入の有無はエアシリンダ装置６１に内蔵された位置センサ７５の信号から、一対のローラ３、４間のクリアランスＣＬが設定値に設定された状態の基準位置に対するずれ量を検出し、そのずれ量に基づいて判定される。そのずれ量が閾値を超えた場合はローラ３、４間に物体が進入したと判定し、その判定結果を制御実行部８１に送る。位置センサ７５は本発明に係る検出手段に相当する。

制御実行部８１はその判定結果を受けてから所定時間経過後に一対のローラ３、４が互いに遠ざかるように移動機構６の電磁弁７２を操作する。そして、制御実行部８１はこの操作と並行して電動機１５を停止させる。電動機１５を停止させる際は、各ローラ３、４が惰性で回転することを防止するため、電動機１５の出力トルクを反転させて減速期間を可能な限り小さくしている。電動機１５の出力トルクを反転させることにより各ローラ３、４の慣性を打ち消す方向のトルクが発生するため各ローラ３、４は直ちに停止する。これにより、被験者は一対のローラ３、４による挟まれ及び巻き込まれから解放されて疑似体験が終了する。このように、電動機１５の出力トルクが反転するように制御されることにより、電動機１５は本発明に係るトルク発生手段として機能する。なお、上記の所定時間は、巻き込まれの感覚を被験者に効果的に与えるために適切な時間に設定される。所定時間が短すぎると、被験者の体感としては挟まれの感覚が支配的となり巻き込まれを感じなくなるためである。例えば、電動機１５の回転速度が１０００ｒｐｍに設定されている場合、その所定時間を０．１ｓｅｃに設定することにより、その所定時間が巻き込まれの感覚を与えるために有効なタイムラグとなる。

電動機動作判定部８３は、電動機１５に内蔵された検出装置１８からの信号に基づいて電動機の回転速度（回転数）及び負荷をそれぞれ監視する。電動機１５は回転速度の目標値にて動作するように制御実行部８１にて制御されるが、電動機動作判定部８３はその目標値と検出装置１８が検出する回転速度との差分を演算する。そして、電動機動作判定部８３はその差分が所定値よりも大きいか否かを判定し、差分が所定値よりも大きい場合は異常が発生したものと判定し、その判定結果を制御実行部８１へ送る。また、電動機動作判定部８３は検出装置１８が検出する電動機１５の負荷が所定値よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定値よりも大きい場合は異常が発生したものと判定し、その判定結果を８１へ送る。異常の有無を判定するための各所定値は実験等により経験的に定められる。

制御実行部８１は、異常が発生した旨の判定結果を電動機動作判定部８３から受けた場合、電動機１５を停止させる。この停止も上記と同様に、電動機１５の出力トルクを反転させて減速期間を可能な限り小さくすることによって各ローラ３、４が惰性で回転することを抑制して各ローラ３、４を直ちに停止させる。このように、電動機動作判定部８３は電動機１５の回転速度及び負荷を監視することにより疑似体験装置１の異常の有無を判定し、その判定結果に基づいて電動機１５を停止させるので疑似体験装置１の安全性が向上する。

なお、制御装置８０は、疑似体験装置１の安全性を更に向上させるため、疑似体験装置１の伝達機構１６等の機構部を覆う不図示のカバーが開かれた場合に電動機１５を停止させるとともに、エアシリンダ装置６１へ供給する空気の圧力が基準値よりも低下した場合に電動機１５を停止させるようにしている。

本形態においては、図６に示した制御装置８０のローラ間進入判定部８２と制御実行部８１とが協働することにより本発明に係る解放制御手段として機能する。また、電動機動作判定手段８３と制御実行部８１とが協働することにより本発明に係る停止制御手段として機能する。

但し、本発明は以上の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態の移動機構６は一対のローラ３、４のうち上側のローラ３を移動させるものであるが、一対のローラ３、４の両方を移動させる形態に変更することもできる。また、本発明に係る一対のローラの配置は任意であり、必ずしもこれらが上下方向（鉛直方向）に並ぶ必要はなく左右方向（水平方向）に並ぶようにしてもよい。更に、一対のローラは回転軸線が水平となる姿勢で配置されなくてもよい。例えば、その回転軸線が鉛直となる姿勢で又は水平方向に対して傾いた状態となる姿勢で一対のローラが配置される形態で本発明を実施できる。

上記形態に係る駆動機構５に適用された動力伝達手段は一例にすぎず適宜変更可能である。例えば、歯車機構やチェーン機構等のベルト機構以外の他の動力伝達手段を利用して本発明に係る駆動機構を実現してよい。図示した移動機構６も一例に過ぎず、例えばその駆動源として電動機を利用することもできる。

一対のローラ間への物体の進入検出方法としては、一対のローラ間のクリアランス内を横切る光を出射する発光部と、その光を受光する受光部とを備えた光学的センサを設け、その光学的センサによって上記光が遮られたか否かにより、一対のローラ間への物体の進入の有無を検出することも可能である。

１ 疑似体験装置
３、４ ローラ
５ 駆動機構
６ 移動機構
１５ 電動機（駆動源、トルク発生手段）
３３、３４ トルクリミッタ
６１ エアシリンダ装置（調整手段）
７４ 調整弁（調整手段）
７５ 位置センサ（検出手段）
８１ 制御実行部（解放制御手段、停止制御手段）
８２ ローラ間進入判定部（解放制御手段）
８３ 電動機動作判定部（停止制御手段）

Claims (3)

1. 一対のローラを互いに接近させた状態でそれぞれ回転駆動する駆動機構と、前記一対のローラのうち、少なくとも一方のローラを他方のローラから離れる方向に移動可能な移動機構と、前記駆動機構にて互いに接近させた状態で回転駆動されている前記一対のローラ間への物体の進入を検出する検出手段と、前記検出手段が物体の進入を検出した場合に、前記一対のローラが互いに遠ざかるように前記移動機構を制御し、かつ前記一対のローラのそれぞれの回転が停止するように前記駆動機構を制御する解放制御手段と、前記一対のローラ間に物体が挟まった際の圧力を調整可能な調整手段と、を備え、
   前記解放制御手段は、前記検出手段が物体の進入を検出してから所定時間経過後に前記一対のローラが互いに遠ざかるように前記移動機構を制御することを特徴とする疑似体験装置。
2. 前記一対のローラのそれぞれの回転が停止するように前記駆動機構が前記解放制御手段にて制御される際に前記一対のローラのそれぞれの慣性を打ち消す方向のトルクを発生させるトルク発生手段を更に備える請求項１に記載の疑似体験装置。
3. 前記駆動機構には、前記一対のローラのそれぞれを回転駆動するための駆動源として電動機が設けられており、
   前記電動機の回転速度と目標値との差分が設定値以上となった場合及び前記電動機の負荷が設定値以上となった場合のうち少なくとも一つの条件が成立したときに前記一対のローラのそれぞれの回転が停止するように前記駆動機構を制御する停止制御手段を更に備え、
   前記電動機から前記一対のローラに至る動力伝達経路内に、負荷されるトルクが設定値を超えた場合にトルク伝達を解除するトルクリミッタが設けられている請求項１又は２に記載の疑似体験装置。

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