JP5594088B2 - 製造ラインの検討システム - Google Patents

Description

本発明は、製造ラインを構築する際に、製造設備と製品の干渉の有無や作業者の作業性等を事前に検討するためのシステムである製造ラインの検討システムの技術に関する。

従来、新たな製造ラインを構築する際には、当該製造ラインに導入する予定の製造設備が、他の設備や製造ライン上の製品に干渉することなく問題なく稼動できることや、作業者が製造ライン上で作業性良く作業を行うことができること等を、事前のシミュレーションにより確認して、製造設備等の配置を検討することが一般的に行われている。
また、このような検討作業においては、製品の試作品等を実際に配置して、シミュレーションを行う場合があるが、製品が車両等の大型の物体である場合には、製造ラインに試作品（試作車両）を配置するのに手間が掛かるという問題があった。

そこで、このような製造ラインにおける検討作業を、パーソナルコンピュータ等により仮想モデルを生成することによって、画面上の仮想モデルを用いて三次元シミュレーションを行うことができる技術が開発されており、例えば、以下に示す特許文献１に開示され、公知となっている。

特許文献１に開示された従来技術では、製造ラインの構築に関連する部品・工程・配置・資源等の製品・製造データベースに基づいて工程フローを作成し、工程フローと、製品を製造するための少なくとも設備および作業者からなる製造資源情報と、製品を製造する場所の制約条件とに基づいて製造資源をレイアウト配置し、このレイアウト設計結果と製造資源情報とに基づいて、製造ライン仮想モデルを生成し、この製造ライン仮想モデルを用いて製造ラインの動きをシミュレーションする構成としている。
このような構成により、実際の製品を、実際の製造設備に配置することなく、容易に製造ラインにおける製造設備の配置等を検討することを可能にしている。

特開２００３−４４１１５号公報

しかしながら、製造設備の改造や、製品および当該製品を構成する部品の設計変更等は頻繁に行われるのが通常であり、仮想モデルによる検討を正確に行うためには、製品・製造データベースを、常に最新の情報に維持しておくことが必要となり、データベースの整備に多大なる労力が掛かっていた。
また、データベースの整備が不十分であると、製造ラインを構築した後に、検討したにも関わらず結局手戻りが発生する場合も少なくなかった。
このため、データベースの整備に要する労力を軽減させつつ、検討精度を向上させて、最終的な手戻りを少なくできる検討システムの開発が望まれていた。

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、製造ラインの構築に際して、製造設備等の三次元データの整備に係る労力を軽減させつつ、検討精度を向上させて、手戻りの発生を抑制することができる製造ラインの検討システムを提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、製品および該製品を構成する部品の三次元形状データを有する製品データベースと、前記製品を製造するための製造設備の三次元形状データを有する製造設備データベースと、前記製品および前記製造設備が配置される工程スペースの三次元形状データを有する工程データベースと、前記製品、前記部品、前記製造設備および前記工程スペースのうち、検討作業を行う作業者の目前に実物が存在するものと存在しないものを、現実の工程スペースの撮影データから判定するリアル映像判定手段と、前記リアル映像判定手段の判定結果に基づき、前記製品、前記部品、前記製造設備および前記工程スペースのうち、検討作業を行う作業者の目前に実物が存在しないものについて、前記製品データベース、前記製造設備データベースおよび前記工程データベースに基づいて、仮想の各三次元映像を生成する仮想映像生成手段と、前記作業者の目前に、前記仮想映像生成手段により生成した仮想の各三次元映像を、前記製品、前記部品、前記製造設備および前記工程スペースのうち、前記作業者の目前に実物が存在するものの当該実物の映像と、位置合せしつつ表示する仮想映像表示手段と、を備えるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、データベースの整備に要する手間を省くことができ、また、検討精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る検討システムの全体構成を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る検討システムの使用状況を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る検討システムにおける映像入力部および映像表示部を示す模式図、（ａ）映像入力部および映像表示部を示す側面模式図、（ｂ）図３（ａ）に示すＸ方向視において映像表示部に表示される映像を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る検討システムにおけるリアル映像とバーチャル映像の合成状況を示す模式図、（ａ）リアル映像とバーチャル映像の第一の合成態様を示す図、（ｂ）リアル映像とバーチャル映像の第二の合成態様を示す図。 本発明の一実施形態に係る検討システムによる検討状況を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る検討システムにおいて作業者が認識する映像を示す模式図、（ａ）車両がバーチャル映像である場合を示す図、（ｂ）製造装置、治具、部品および工程スペースがバーチャル映像である場合を示す図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係る製造ラインの検討システムの全体構成について、図１〜図４を用いて説明をする。
尚、本実施形態では、製造ラインで製造する製品が車両である場合を例示して説明をするが、本発明に係る製造ラインの検討システムの適用対象たる製造ラインを車両の製造ラインに限定するものではない。

図１および図２に示す如く、本発明の一実施形態に係る製造ラインの検討システムである検討システム１は、工程スペース１４に導入される製造設備１２および治具１３によって、製品たる車両１０および部品１１の製造（組立）が適切に行えるかどうかを事前に検討するためのシステムであり、車両データベース２、製造設備データベース３、工程データベース４、演算装置５、映像入力部６、映像表示部７等を備えている。

車両データベース２は、製造設備１２により製造する（組み立てる）対象製品たる車両１０と、当該車両１０を構成する各部品１１・１１・・・についての三次元形状に係るデータが予め記憶されているデータベースである。
具体的には、例えば、車両データベース２には、車両１０の外形寸法や、該車両１０を構成するフレームの形状および寸法、および車両１０に搭載される部品１１（例えば、エンジンやバッテリー等）の形状および寸法等、に係るデータが記憶されている。

製造設備データベース３は、製造設備１２についての三次元形状に係るデータが予め記憶されているデータベースである。
尚、この製造設備データベース３には、製造設備１２の本体に係るデータのみならず、製造設備１２と同時に使用される治具１３に係るデータも記憶されている。
具体的には、例えば、製造設備データベース３には、製造設備１２の形状および寸法や、治具１３の形状および寸法等、に係るデータが記憶されている。

工程データベース４は、製造設備１２が導入される工程スペース１４の三次元形状に係るデータが予め記憶されているデータベースである。
具体的には、例えば、工程データベース４には、製造設備１２を配置する建屋の形状および寸法や、製造設備１２の配置場所に既に設置されている他の設備の形状、寸法、排置位置等、に係るデータが記憶されている。

また、工程データベース４には、製造設備１２を用いた製造工程における製造順序に係る情報が記憶されている。
具体的には、例えば、工程データベース４には、車両１０を構成する各部品１１・１１・・・がどのタイミングで組み付けられていくかという情報が記憶されており、この組立順序に係る情報と、車両データベース２に記憶されている車両１０の形状に係る情報と組み合わせることによって、車両１０の製造工程の進行状況に応じて、そのときの車両１０の組立状態を仮想的に再現することができる。

演算装置５は、製造設備１２の検討に用いられる仮想の三次元モデル（以下、バーチャル映像Ｖと呼ぶ）を演算により生成するための装置であり、各データベース２・３・４、と接続されている。
そして、演算装置５は、各データベース２・３・４に記憶されている各情報に基づいて、車両１０、部品１１、製造設備１２、治具１３、工程スペース１４等のバーチャル映像Ｖを生成することができる。

また、演算装置５は、現実に存在する物体の映像（以下、リアル映像Ｒと呼ぶ）を取り込んで、リアル映像Ｒに基づいて、現実に存在する物体の配置を演算により算出するとともに、この算出結果と整合するように、リアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖとを位置合せして、リアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖが混在した仮想三次元モデルを生成することができる。
尚、ここでいう「リアル映像Ｒ」は、検討作業を行っている作業者が直接的に視認できる物体の映像や、当該作業者の視野範囲に存在する物体のカメラ等を介して間接的に視認できる映像の両方を含む概念として規定している。

図２および図３（ａ）（ｂ）に示す如く、映像入力部６は、作業者の視野範囲に現実に存在する車両１０、部品１１、製造設備１２、治具１３、工程スペース１４等のリアル映像Ｒを演算装置５に入力するための部位である。
映像入力部６としては、例えば、作業者の頭部や顔面等に装着して、当該作業者の視野範囲に存在する物体を撮影することができるカメラ等を採用することができる。

また、映像入力部６によりリアル映像Ｒを演算装置５に取り込む場合には、同時に作業者の視野範囲に配置された基準位置を設定するための複数のマーカー１５・１５・・・の映像を取り込む構成としており、各マーカー１５・１５・・・の見え方に応じて、演算装置５によって、作業者の視点位置や視線方向を判断する構成としている。

映像表示部７は、作業者の視野範囲において、演算装置５によって生成したバーチャル映像Ｖを表示することができる装置であり、例えば、メガネ状の形態であって、レンズに相当する部位に、映像を映し出すことができるスクリーン７ａを配置した、図３（ａ）（ｂ）に示すような態様の映像表示部７を採用することができる。

また、図４（ａ）に示す如く、映像表示部７は、映像入力部６により演算装置５に入力された車両１０、部品１１、製造設備１２、治具１３、工程スペース１４等のリアル映像Ｒを、演算装置５により生成したバーチャル映像Ｖと同時に表示することが可能であり、マーカー１５・１５・・・の位置を基準としてリアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖを位置合せしつつ、各映像Ｒ・Ｖを表示することができる。

あるいは、図４（ｂ）に示す如く、映像表示部７のスクリーン７ａを透過性のある素材で構成することにより、作業者がスクリーン７ａを透過して現実に存在する物体のリアル映像Ｒを直接視認するとともに、スクリーン７ａに表示されるバーチャル映像Ｖを作業者に視認させることによって、マーカー１５・１５・・・の位置を基準としてリアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖを位置合せしつつ、バーチャル映像Ｖのみを表示する構成とすることも可能である。

尚、本実施形態では、マーカー１５・１５・・・の位置を基準として、リアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖを位置合せする構成としているが、例えば、映像表示部７に作業者の位置や視線方向等を検出するための位置センサを設ける構成とし、当該位置センサにより検出した位置情報に基づいて、リアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖを位置合せする構成等も採用し得る。
そして、例えば、映像表示部７を透過性のある素材で構成する場合において、位置センサにより検出した位置情報に基づいて、リアル映像Ｒとバーチャル映像Ｖを位置合せする構成とする場合には、映像入力部６を省略することが可能である。

次に、本発明の一実施形態に係る検討システム１による検討状況について、図５および図６を用いて説明をする。
まず始めに、検討システム１による第一の検討状況として、部品１１、製造設備１２（治具１３）および工程スペース１４が現実に存在する場合であって、試作された車両１０を仮想モデル化して組立作業の検討を行う場合について説明をする。
尚、本実施形態では、説明の便宜上、図６（ａ）（ｂ）において、現実に存在する物体には（Ｒ）の文字を付して表示しており、仮想モデルには（Ｖ）の文字を付して表示するようにしている。

図５に示す如く、映像表示部７を装着した作業者Ａは、その視野において、車両１０、部品１１、製造設備１２、治具１３、工程スペース１４を視認している。
ここで、作業者Ａが視認している映像は、図６（ａ）に示すように、現実に存在する工程スペース１４に配置された製造設備１２の所定位置に、バーチャル映像Ｖとして映し出される車両１０と、現実に存在する治具１３を用いて把持した部品１１である。

そして、図５および図６（ａ）に示す如く、例えば、検討作業を行う作業者Ａが、現実に存在する治具１３を使用して、現実の部品１１を把持するとともに、映像表示部７にバーチャル映像Ｖとして映し出された車両１０のボンネット内に向かって、現実に存在する部品１１を組み付けるように実際に動作する。

これにより、製造設備１２において、治具１３を用いた部品１１の取り付け作業が、作業性よく行うことができるか否かや、エルゴノミクスの観点から見た作業者Ａに対する腕や手首等への負担を検討することができる。

そして、映像入力部６および映像表示部７を複数組み備える構成とすることにより、この検討に係る作業状況（即ち、作業者Ａの動作状況）は、図５に示すように、別の作業者Ｂが、別の視点位置および視線方向から見た状態を含めて検討することが可能になる。
これにより、実際に組立作業のシミュレーションを行っている作業者Ａの視点からでは把握しにくい点（例えば、作業姿勢が適切であるかどうか等のエルゴノミクスの観点から見た作業性や作業者Ｂの死角となる部位に隙間が確保されているか否か等）についても、容易に検討をすることができ、より精度の高い（手戻りのない）検討を行うことができる。
尚、本実施形態では、映像入力部６および映像表示部７を二組組み備える構成の検討システム１を例示しているが、三組以上の映像入力部６および映像表示部７を備える構成とすることも可能である。

次に、検討システム１による第二の検討状況として、車両１０が現実に存在する場合であって、部品１１、製造設備１２（治具１３）および工程スペース１４を仮想モデル化して製造ラインの検討を行う場合について説明をする。

図５に示す如く、映像表示部７を装着した作業者Ａは、その視野において、車両１０、部品１１、製造設備１２、治具１３、工程スペース１４を視認している。
ここで、作業者Ａが視認している映像は、図６（ｂ）に示すように、バーチャル映像Ｖとして映し出された工程スペース１４に配置されたバーチャル映像Ｖの製造設備１２の所定位置に、リアル映像Ｒの車両１０と、バーチャル映像Ｖとして映し出される治具１３を用いて把持したバーチャル映像Ｖの部品１１である。
ここで作業者Ａは、治具１３の代替となる部材であってマーカー１５を付設したダミー治具１６を把持している。

そして、図５および図６（ｂ）に示す如く、例えば、検討作業を行う作業者Ａが、ダミー治具１６を用いて、映像表示部７にバーチャル映像Ｖとして映し出された治具１３を実際に操作するように動作して、仮想の部品１１を仮想の治具１３によって把持する状態を仮想モデル化して表示するとともに、現実に存在する車両１０のボンネット内に向かって、仮想モデル化された部品１１を組み付ける動作を行う。
このような場合でも、製造設備１２において、部品１１を治具１３を用いて作業性よく組み付けることができるか否かや、エルゴノミクスの観点から見た腕や手首等への負担を検討することができる。

そして、映像入力部６および映像表示部７を複数組み備える構成であれば、この第二の検討状況における作業状況においても、第一の検討状況と同様、図５に示すように、別の作業者Ｂが、別の視点位置および視線方向から見た作業状況を含めて、さらに詳細な検討をすることが可能である。

尚、検討システム１による第一の検討状況の場合、製造設備１２が現実に存在しているため、検討システム１の構成において、製造設備データベース３を省略することも可能である。
また、検討システム１による第二の検討状況の場合、車両１０が現実に存在しているため、検討システム１の構成において、車両データベース２のうち、車両１０の全体形状に係るデータベースを省略することが可能であり、車両１０を構成するための各部品１１・１１・・・に関する三次元形状の情報のみをデータベースに記憶しておく構成とすることが可能である。
即ち、本実施形態に係る検討システム１では、現実に存在している物体から得られるリアル映像Ｒを必ず使用するもの（即ち、バーチャル映像Ｖを生成する必要がないもの）については、その物体に係るデータベースを省略する構成とすることが可能である。

このように、本発明の一実施形態に係る製造ラインの検討システム１では、検討を行う作業者の目前において現実に存在している物体は、リアル映像Ｒを表示して、現実に存在していない物体は、バーチャル映像Ｖを生成する構成としているため、検討に必要な三次元モデルの全てをデータベースとして整備しておく必要がなく、各データベース２・３・４に記憶させておく情報を入力する手間を従来に比して軽減することができる。
また、本発明の一実施形態に係る製造ラインの検討システム１では、一部を現実に存在する物体をそのまま用いて検討するため、検討精度をより高めることができる。

即ち、本発明の一実施形態に係る組立装置の検討システム１は、製品たる車両１０および該車両１０を構成する部品１１の三次元形状データを有する製品データベースである車両データベース２と、車両１０を製造するための製造設備１２および治具１３の三次元形状データを有する製造設備データベース３と、車両１０および製造設備１２が配置される工程スペース１４の三次元形状データを有する工程データベース４と、車両１０、部品１１、製造設備１２および工程スペース１４のうち、検討作業を行う作業者の目前に実物が存在しないものについて、車両データベース２、製造設備データベース３および工程データベース４に基づいて、仮想の各三次元映像（バーチャル映像Ｖ）を生成する仮想映像生成手段たる演算装置５と、作業者の目前に、演算装置５により生成したバーチャル映像Ｖを、車両１０、部品１１、製造設備１２および工程スペース１４のうち、作業者の目前に実物が存在するものの当該実物の映像（リアル映像Ｒ）と、位置合せしつつ表示する映像表示手段たる映像表示部７と、を備えるものである。
このような構成により、三次元形状データの準備に要する手間を省略することができ、また、検討精度を向上させることができる。

１ 検討システム
２ 車両データベース
３ 製造設備データベース
４ 工程データベース
５ 演算装置
６ 映像入力部
７ 映像表示部
１０ 車両
１１ 部品
１２ 組立装置
１３ 組立用治具
１４ 工程スペース

Claims (1)

1. 製品および該製品を構成する部品の三次元形状データを有する製品データベースと、
   前記製品を製造するための製造設備の三次元形状データを有する製造設備データベースと、
   前記製品および前記製造設備が配置される工程スペースの三次元形状データを有する工程データベースと、
   前記製品、前記部品、前記製造設備および前記工程スペースのうち、検討作業を行う作業者の目前に実物が存在するものと存在しないものを、現実の工程スペースの撮影データから判定するリアル映像判定手段と、
   前記リアル映像判定手段の判定結果に基づき、前記製品、前記部品、前記製造設備および前記工程スペースのうち、検討作業を行う作業者の目前に実物が存在しないものについて、前記製品データベース、前記製造設備データベースおよび前記工程データベースに基づいて、仮想の各三次元映像を生成する仮想映像生成手段と、
   前記作業者の目前に、
   前記仮想映像生成手段により生成した仮想の各三次元映像を、
   前記製品、前記部品、前記製造設備および前記工程スペースのうち、前記作業者の目前に実物が存在するものの当該実物の映像と、
   位置合せしつつ表示する仮想映像表示手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする製造ラインの検討システム。

Images