(57)【要約】【課題】訓練者の動作に関連する知識を提示することで、効率的な技能習得を支援すること。【解決手段】制御装置１１は、作業の動作が行われる適正範囲と、その適正範囲についての関連知識とを対応付けた動作判断指標情報が格納される格納部４０と、訓練者の動作を計測した結果である動作情報を検知する動作情報検知部３３と、動作情報検知部３３で検知された動作情報が格納部４０の適正範囲から外れたか否かを判定する動作判定部３４と、動作判定部３４により適正範囲から外れた動作情報に対して、その外れた適正範囲に対応づけられている関連知識を格納部４０から取得して報知する報知部３５とを有する。【選択図】  図２
2020012858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業の動作が行われる適正範囲と、その適正範囲についての関連知識とを対応付けた動作判断指標情報が格納される格納部と、
訓練者の動作を計測した結果である動作情報を検知する動作情報検知部と、
前記動作情報検知部で検知された前記動作情報が前記格納部の前記適正範囲から外れたか否かを判定する動作判定部と、
前記動作判定部により前記適正範囲から外れたと判定された動作情報に対して、その外れた適正範囲に対応づけられている前記関連知識を前記格納部から取得して報知する報知部とを有することを特徴とする
技能訓練装置。
【請求項２】
前記格納部に格納される前記動作判断指標情報には、さらに、作業の動作が行われるときの姿勢情報も対応付けられており、
前記報知部は、前記外れた適正範囲に対応づけられている前記関連知識を報知するときに、前記外れた適正範囲に対応づけられている前記姿勢情報も併せて報知することを特徴とする
請求項１に記載の技能訓練装置。
【請求項３】
前記報知部は、前記外れた適正範囲に対応づけられている前記関連知識を報知するときに、前記訓練者の動作時の視野映像と前記関連知識との合成表示を報知することを特徴とする
請求項１に記載の技能訓練装置。
【請求項４】
前記報知部は、前記合成表示の出力先を、前記訓練者が装着しているヘッドマウントディスプレイとすることを特徴とする
請求項３に記載の技能訓練装置。
【請求項５】
前記格納部には、作業の動作が行われる前記適正範囲として、溶接対象物に溶接材を注入させる溶接範囲が定義され、その溶接範囲に対応する前記関連知識として、溶接器具の軌跡が前記溶接範囲内に収まるように動かす旨の溶接知識が定義され、
前記動作判定部は、前記訓練者が把持する溶接器具が前記溶接範囲から外れたときに、前記溶接知識を報知するように前記報知部を制御することを特徴とする
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の技能訓練装置。
【請求項６】
技能訓練装置は、格納部と、動作情報検知部と、動作判定部と、報知部とを有しており、
前記格納部には、作業の動作が行われる適正範囲と、その適正範囲についての関連知識とを対応付けた動作判断指標情報が格納され、
前記動作情報検知部は、訓練者の動作を計測した結果である動作情報を検知し、
前記動作判定部は、前記動作情報検知部で検知された前記動作情報が前記格納部の前記適正範囲から外れたか否かを判定し、
前記報知部は、前記動作判定部により前記適正範囲から外れたと判定された動作情報に対して、その外れた適正範囲に対応づけられている前記関連知識を前記格納部から取得して報知することを特徴とする
技能訓練方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、技能訓練装置、および、技能訓練方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
昨今の社会情勢に伴い、モノづくりの環境は大きく変化している。海外生産の増加や海外からの調達品の増加、熟練技能者の減少などにより、モノづくりの技能を維持しにくくなっており、品質管理はより厳しい状況にさらされている。これまでの技能伝承方法としては、熟練技能者から直接的な指導によって、引き継がれてきた。
しかしながら、技能を伝える手段が充分でなく、感覚的な指導になることが多いため、指導に時間が要したり、不正確に伝わったりするため、完全には伝承されず、失われてしまうことも危惧される。
【０００３】
一方で近年の計測技術の発展により、熟練の技能を計測して、評価する取り組みが見られるようになってきた。例えば、種々の計測機器を用いて、対象者の作業を計測し、評価する取り組みが行われている。計測されたデータは過去に計測したデータと比較することにより、良否が評価され、品質管理や溶接作業の訓練に用いる方法が提案されている。
特許文献１には、訓練者の動作を３次元座標で取得することにより、動きを定量的に表現することで技能訓練する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７１１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
なお、熟練者から初心者へ技能を伝えるには、単にノウハウを教材ビデオなどで鑑賞させるよりも、初心者の現在の動作についての適切な関連知識をタイミングよく提示させることが、本質的な理解の手助けになる。例えば、既に習得済みのノウハウは表示せず、現在弱点となっている動作のノウハウを表示することで、訓練者の学習効率は高まる。
しかし、特許文献１などの従来の技術は、訓練者の現在の動作を単にパラメータ化して数値にするだけであり、技能のノウハウを効率よく伝えるという技能訓練の用途には不向きであった。
【０００６】
そこで、本発明は、訓練者の動作に関連する知識を提示することで、効率的な技能習得を支援することを、主な課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の技能訓練装置は、以下の特徴を有する。
本発明は、作業の動作が行われる適正範囲と、その適正範囲についての関連知識とを対応付けた動作判断指標情報が格納される格納部と、
訓練者の動作を計測した結果である動作情報を検知する動作情報検知部と、
前記動作情報検知部で検知された前記動作情報が前記格納部の前記適正範囲から外れたか否かを判定する動作判定部と、
前記動作判定部により前記適正範囲から外れたと判定された動作情報に対して、その外れた適正範囲に対応づけられている前記関連知識を前記格納部から取得して報知する報知部とを有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、訓練者の動作に関連する知識を提示することで、効率的な技能習得を支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に関する技能訓練システムを示す全体図である。
【図２】本発明の一実施形態に関する制御装置の詳細を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に関する溶接される前の溶接対象物を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に関する溶接された後の溶接対象物を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に関する図４の母材を見下ろした平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に関する図５の平面図において、事前に適正範囲格納部に登録されている適正範囲を示す平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に関する図６の平面図で定義された適正範囲をもとに、関連知識を表示した画面例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、技能訓練システムの全体図を示す。
技能訓練システムは、訓練者である溶接士１の動きを計測して溶接する技能を訓練する。なお、訓練対象とする技能は、溶接だけでなく、ろう付け、塗装、グラインダ、磨き、鋳造などの任意の作業動作である。
溶接士１は、溶接対象物２を半自動溶接する作業者である。溶接士１は、把持するトーチ４の先端部である溶接ワイヤ４ｂ（図５）からのアーク（発光）から目を守るために、顔に遮光面３を装着している。
溶接対象物２は、例えば２つの板状の母材である。これらの母材間を溶接ワイヤ４ｂからアークの発熱により溶け出した溶接材で接続することで、２つの母材が１つの金属板のように接合される。
【００１２】
図１に示す溶接の作業現場には、溶接用の機材に加え、技能訓練用の機材が配備されている。
制御装置（技能訓練装置）１１は、各計測装置（視野映像用カメラ１５、マーカ計測用カメラ１４と、電気計測装置１２）に接続され、各計測装置の動作を制御する。なお、制御装置１１と５台のマーカ計測用カメラ１４との間の通信ケーブルを図示省略したが、制御装置１１と各マーカ計測用カメラ１４との間の通信手段は、無線通信でもよいし、有線通信でもよい。
半自動溶接電源５は、トーチ４に溶接用の電力を供給する。電気計測装置１２は、半自動溶接電源５が供給する電力として、溶接電流・溶接電圧を計測する。
【００１３】
マーカ計測用カメラ１４は、溶接士１および溶接対象物２の周囲に配置されている。マーカ計測用カメラ１４は、作業現場内の各所に配置されているマーカ１３を撮影し、その撮影画像からモーションキャプチャによりマーカ１３の各位置を取得する。このマーカ１３は、例えば、溶接士１、遮光面３、トーチ４、溶接対象物２などに貼り付けられている（図示では球形）。
【００１４】
視野映像用カメラ１５は、溶接士１から見た溶接中の視野を撮影するためのカメラである。図１では、視野映像用カメラ１５の視野の一例として、溶接士１の背後の撮影位置から溶接士１の前方を撮影範囲とするような位置に配置した。
なお、溶接対象物２が大きく、溶接中に作業者の視野が移動する場合には、視野映像用カメラ１５も追従して移動するほうがよい。または溶接士１の身体の一部に（例えば遮光面３に）、視野映像用カメラ１５を取り付けてもよい。
【００１５】
以上説明した図１の技能訓練システムは、実際にアーク光を出して溶接訓練する現場での実地訓練を想定した。一方、バーチャル訓練システムにおいても同様の機能を搭載することが可能である。そのときには、溶接士１は、顔に遮光面３を装着する代わりに、ヘッドマウントディスプレイを装着する。
そして、ヘッドマウントディスプレイに搭載されたジャイロセンサなどから溶接士１の動作情報を計測することとしてもよい。さらに、訓練動作に合わせた技能の状態を、ヘッドマウントディプレイ上に模擬的に表示してもよい。
【００１６】
図２は、制御装置１１の詳細を示す構成図である。
制御装置１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、ハードディスクなどの記憶手段（記憶部）と、ネットワークインタフェースとを有するコンピュータとして構成される。
このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部により構成される制御部（制御手段）を動作させる。
【００１７】
制御装置１１は、視野映像取得部２１と、映像データ格納部２２と、空間位置対応部２３と、計測装置制御部３１と、計測データ格納部３２と、動作情報検知部３３と、動作判定部３４と、報知部３５と、格納部４０とを有する。格納部４０には、適正範囲格納部４１と、関連知識格納部４２と、動作姿勢関係情報格納部４３とが対応付けられた動作判断指標情報が格納されている。
【００１８】
視野映像取得部２１は、視野映像用カメラ１５の計測データである溶接士１の視野映像を取得し、映像データ格納部２２に記憶する。
計測装置制御部３１は、各計測装置から以下に例示する計測データを受信し、蓄積データとして計測データ格納部３２に記憶する。
・マーカ計測用カメラ１４によるトーチ４の計測データとして、トーチ４の高さ、トーチ４の角度、トーチ４を持つひじの角度
・マーカ計測用カメラ１４による溶接ワイヤ４ｂの計測データとして、平均移動速度、ウィービング条件、溶加材の供給量
・マーカ計測用カメラ１４による遮光面３の計測データとして、溶接士１の頭の位置など
・電気計測装置１２の計測データとして、電流値、電圧値などの溶接条件データ
なお、計測センサによる計測データは、視覚情報（映像）に限定されず、聴覚情報（音）、触覚情報（熱、圧力）も扱ってもよい。
【００１９】
空間位置対応部２３は、映像データ格納部２２の視野映像データと、その視野内における計測データ格納部３２の計測データとで、互いの空間位置（３次元位置）を対応付ける。この対応付け処理により、映像データ格納部２２の視野映像データと、その視野内における計測データ格納部３２の計測データとで、ある対象物が、同じ時刻に同じ場所に存在することがわかる。これにより、ウィービング幅などの計測データを視野映像データに合成表示できる。
【００２０】
動作情報検知部３３は、計測データ格納部３２の計測データをもとに、溶接士１の動作情報を検知する。動作情報検知部３３は、例えば、マーカ１３を用いたモーションキャプチャ、加速度・角速度・地磁気計測装置、全地球測位システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）、屋内全地球測位システム（屋内ＧＰＳ）、ステレオカメラとして実現される。なお、動作情報検知部３３は、視野映像取得部２１が同期して作動することで、溶接士１の動作と溶接士１の視野映像とを対応付けることができる。
動作判定部３４は、動作情報検知部３３の動作情報と、適正範囲格納部４１の適正範囲とをもとに、報知部３５に出力させる関連知識格納部４２の関連知識、動作姿勢関係情報格納部４３の動作姿勢関係情報を決定する。
【００２１】
適正範囲格納部４１の適正範囲とは、例えば、アークを発しながら溶接対象物２上を移動するトーチ４の溶接ワイヤ４ｂの移動範囲である（詳細は図６の適正範囲８５を参照）。
関連知識格納部４２には、技能の品質に関するノウハウ、理屈、理論、過去事例、動作判断の着眼点などが格納されている。動作判断の着眼点については、動作を判断するための目安やヒントとなっている。例えば、溶接時のウィービング幅の見極め方として、「ワイヤと開先の位置が一致するところまで、ウィービングする」（詳細は図７）などの溶接知識が関連知識格納部４２に格納される。
【００２２】
動作姿勢関係情報格納部４３には、溶接士１がある動作を実行するために適切な姿勢をデータ化したものが格納されている。安定した模範姿勢や、疲労が少ない模範姿勢などの適正な姿勢データが、事前に動作姿勢関係情報格納部４３に登録されている。姿勢データのパラメータとして、例えば、溶接時のウィービング動作では、頭の位置や角度、腕の位置や角度、ひじの位置や角度、腰の位置や角度、足の位置や角度などが重要である。
【００２３】
報知部３５は、動作判定部３４が決定した動作情報に関連する関連知識と、動作姿勢関係情報とを、画面表示や音声出力などで溶接士１などのユーザへ報知する。ここでの報知されるユーザとは、訓練者である溶接士１本人に限定されず、溶接士１と同じ作業場にいる他の作業員やその監督者、作業場とは別室にいる訓練聴講者なども該当する。
なお、報知部３５は、これらの報知する情報について、さらに、空間位置対応部２３において対応付けられた視野映像データも合成して報知してもよい。つまり、溶接士１の視野映像中に、格納部４０の各情報（適正範囲、関連知識、動作姿勢関係情報）が合成されて表示される。
これにより、溶接士１などのユーザは、リアルタイムに合成された改善提案を確認することで、すぐに適切な作業に修正できる。つまり、溶接士１の動作が連続的に変化した場合でも、前記の合成表示を溶接士１などのユーザに見せることにより、動作判断の着眼点や適正範囲などを容易に把握させることができる。なお、合成表示の出力先は、訓練者が装着しているヘッドマウントディスプレイとしてもよい。
【００２４】
以上、図１，図２をもとに、技能訓練システムの概要を説明した。以下、図３〜図７を参照して、実際の溶接現場において技能訓練システムが溶接士１を支援する具体例を説明する。
図３は、溶接される前の溶接対象物２を示す斜視図である。
図４は、溶接された後の溶接対象物２を示す斜視図である。
溶接対象物２は、左側の母材８９ａと、右側の母材８９ｂとの組み合わせである。母材８９ａのＸ軸＋方向の端部である突合せ部８３ａと、母材８９ｂのＸ軸−方向の端部である突合せ部８３ｂとが互いに突合せ部８３として密着する。
そして、母材８９ａのＺ軸＋方向の開先端部８２ａと、母材８９ｂのＺ軸＋方向の開先端部８２ｂとは母材間が密着した状態でも距離が空いている。この距離の空間に対して溶接材であるビード８８が流し込まれることで、２つの母材が溶接される。
【００２５】
図５は、図４の母材８９ａ，８９ｂを上部（Ｚ軸＋方向）から見下ろした平面図である。溶接士１は、Ｙ軸＋方向から蛇行（ウィービング）しながらＹ軸−方向に向かうようにトーチ４の溶接ワイヤ４ｂを移動させる。この溶接ワイヤ４ｂの先端部のウィービング軌跡を、矢印で図示した。ウィービング軌跡は、折り返し点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で示すように、移動途中で３箇所折り返している。
ウィービング幅ＴＷを、ウィービング軌跡のうちのＸ軸−方向の最小値（つまり折り返し点Ｐ１，Ｐ３）から、Ｘ軸＋方向の最大値（つまり折り返し点Ｐ２）までの幅として定義する。
動作情報検知部３３は、トーチ４に付されたマーカ１３の計測データなどを参照して、ウィービング軌跡と、ウィービング幅ＴＷとを追跡する。
【００２６】
図６は、図５の平面図において、事前に適正範囲格納部４１に登録されている適正範囲を示す平面図である。
適正範囲８５は、溶接対象物２に溶接材を注入させる溶接範囲であり、開先端部８２ａ〜開先端部８２ｂのＸ軸幅と、母材８９ａ，８９ｂのＹ軸長さとをもとにした略長方形として登録される。つまり、この適正範囲８５内に溶接ワイヤ４ｂのビード８８を流し込めるように、ウィービング軌跡を溶接士１に形成させることが、適正な作業といえる。
一方、適正範囲８５のＸ軸幅を図６よりも突合せ部８３側に狭く設定することで、ウィービング軌跡が開先端部８２ａまたは開先端部８２ｂをまたぐ前に、関連知識を表示させることもできる。
【００２７】
図７は、図６の平面図で定義された適正範囲８５をもとに、関連知識を表示した画面例である。
表示ディスプレイ８０には、図５と同様に、動作情報検知部３３が検知したウィービング軌跡が、蛇行する矢印として表示されている。しかし、図７では第２折り返し地点Ｐ２が、適正範囲８５の外側にはみ出してしまった。
ここで、動作判定部３４は、ウィービング軌跡が適正範囲８５を外れたことを検知する。そして、報知部３５は、その適正範囲８５に対応する関連知識格納部４２の関連知識として、「ワイヤと開先の位置が一致するところまで、ウィービングする」旨の関連知識表示８１を表示する。換言すると、ウィービング軌跡が適正範囲８５を外れるまでは、適正な作業が行われているので、関連知識表示８１の表示を省略してもよい。
さらに、関連知識表示８１には、関連知識の内容を示す文字列に加え、図７の折り返し点Ｐ２を指す矢印のように、どの部分で関連知識が適用されるかを示す位置情報も併せて表示してもよい。
【００２８】
また、動作判定部３４は、ウィービング軌跡が適正範囲８５を外れたときに、そのウィービング軌跡を行ったときの溶接士１の姿勢についても判定してもよい。
例えば、ウィービング動作時の模範姿勢として、「ひじの高さが肩の高さから15cm下」である姿勢とし、「ひじの高さが肩の高さから15cm下±5cmの範囲」を適正範囲格納部４１の姿勢適正範囲として、事前に登録しておく。そして、動作判定部３４は、溶接士１の姿勢が姿勢適正範囲から外れた場合には、模範姿勢との差分情報などを改善提案として、報知部３５を介して溶接士１に報知することができる。
【００２９】
以上説明した本実施形態では、動作判定部３４が動作情報検知部３３の動作情報と、適正範囲格納部４１の適正範囲とをもとに、報知部３５に出力させる関連知識格納部４２の関連知識、動作姿勢関係情報格納部４３の動作姿勢関係情報を決定する。
これにより、溶接士１の現在の動作についての適切な関連知識をタイミングよく提示させることで、未習得のノウハウを本質的に理解させることができる。
さらに、報知部３５が出力する関連知識を、視野映像用カメラ１５の視野映像と合成することにより、図７に示したようなウィービングの折り返し地点などの適正範囲８５と、その関連知識表示８１とを関連知識とを、３次元空間座標を使ってタイミングをよく、的確な位置で表示することができる。
【００３０】
なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【００３１】
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線ＬＡＮに限定せず、有線ＬＡＮやその他の通信手段に変更してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１      溶接士
２      溶接対象物
３      遮光面
４      トーチ
４ｂ    溶接ワイヤ
５      半自動溶接電源
１１    制御装置（技能訓練装置）
１２    電気計測装置
１３    マーカ
１４    マーカ計測用カメラ
１５    視野映像用カメラ
２１    視野映像取得部
２２    映像データ格納部
２３    空間位置対応部
３１    計測装置制御部
３２    計測データ格納部
３３    動作情報検知部
３４    動作判定部
３５    報知部
４０    格納部
４１    適正範囲格納部
４２    関連知識格納部
４３    動作姿勢関係情報格納部
８０    表示ディスプレイ
８１    関連知識表示
８２    開先端部
８３    突合せ部
８５    適正範囲
８８    ビード
８９    母材
【図１】
2020012858.tif 000003
【図２】
2020012858.tif 000004
【図３】
2020012858.tif 000005
【図４】
2020012858.tif 000006
【図５】
2020012858.tif 000007
【図６】
2020012858.tif 000008
【図７】
2020012858.tif 000009