(57)【要約】【課題】ロボットと人の接触をシミュレートすることを目的として、ロボットと人体部位モデルの接触圧を解析する技術を提供する。【解決手段】人体部位モデル３０は、人体の部位を模擬した構造をもつ。ロボット装置１０は、第１圧力センサを搭載した接触用ツール１２を装着し、接触用ツール１２を動かして、人体部位モデル３０に接触させる。解析装置４０は、第１圧力センサにより検出された検出値を取得して、接触用ツール１２と人体部位モデル３０の接触圧を解析する。人体部位モデル３０は第２圧力センサを有して構成され、解析装置４０は、第２圧力センサにより検出された検出値を取得して、人体部位モデル３０が受けた外力を解析する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の部位を模擬した人体部位モデルと、
第１圧力センサを搭載した接触用ツールを装着し、前記接触用ツールを動かして、前記人体部位モデルに接触させるロボット装置と、
前記第１圧力センサにより検出された検出値を取得して、前記接触用ツールと前記人体部位モデルの接触圧を解析する解析装置と、を備えた接触圧解析システムであって、
前記人体部位モデルは、第２圧力センサを有して構成され、前記解析装置は、前記第２圧力センサにより検出された検出値を取得して、前記人体部位モデルが受けた外力を解析する、
ことを特徴とする接触圧解析システム。
【請求項２】
前記第２圧力センサは、前記人体部位モデルの表面よりも内側に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の接触圧解析システム。
【請求項３】
前記第２圧力センサは、前記接触用ツールにより前記人体部位モデルに加えられる外力を検出する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の接触圧解析システム。
【請求項４】
前記人体部位モデルは、人体部位に対応する骨部、筋肉部、皮膚部を有し、皮膚部表面の内側に、前記第２圧力センサが配置される、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の接触圧解析システム。
【請求項５】
人体部位に対応する骨部、筋肉部、皮膚部を有し、皮膚部表面の内側に、面圧センサが配置された人体部位モデル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、人体部位モデルに関する技術およびロボットと人体部位モデルの接触圧を解析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の産業ロボットシステムは、人を損傷から保護するために、人からロボットを分離することを原則としていた。近年では、産業用ロボットと人の協働作業を規定した国際規格(ISO10218-1,10218-2)、JIS B8433-1,8433-2が発行され、ロボットと人の協働作業の研究が進展している。日本では平成25年12月24日に「基発1224第2号通達」が発行され、産業用ロボットと人の協働作業を可能とする安全基準が明確化されている。当該通達は、リスクアセスメントで安全を確認すること、ロボットと人の接触はISO10218-1を補足する技術仕様書TS15066を準拠することを求めている。ISO/TS15066は、人へのリスクを減少させるための協働空間の設計、および実装のガイドラインを提供する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】ＩＳＯ／ＴＳ１５０６６：Ｒｏｂｏｔｓ  ａｎｄ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ−Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ  ｒｏｂｏｔｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ISO/TS15066は、人体の部位ごとの「生体力学的制限値」を示し、ロボットによる人体部位への接触圧が、その制限値（閾値）を超えてはならないとしている。ロボットと人の間で直接「生体力学的制限値」を測定することは、人への危害が想定されるため許されない。そこで人ではない人体部位モデルとロボットを使用した実験方法の確立が求められる。
【０００５】
本開示はこうした状況に鑑みてなされており、ロボットと人の接触をシミュレートすることを目的として、ロボットと人体部位モデルの接触圧を解析する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の接触圧解析システムは、人体の部位を模擬した人体部位モデルと、第１圧力センサを搭載した接触用ツールを装着し、接触用ツールを動かして、人体部位モデルに接触させるロボット装置と、第１圧力センサにより検出された検出値を取得して、接触用ツールと人体部位モデルの接触圧を解析する解析装置と、を備える。人体部位モデルは、第２圧力センサを有して構成され、解析装置は、第２圧力センサにより検出された検出値を取得して、人体部位モデルが受けた外力を解析する。
【０００７】
本発明の別の態様は、人体部位に対応する骨部、筋肉部、皮膚部を有し、皮膚部表面の内側に、面圧センサが配置された人体部位モデルである。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、ロボットと人体部位モデルの接触圧を解析する技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例の接触圧解析システムの概要を示す図である。
【図２】接触用ツールを示す図である。
【図３】人体部位モデルの一例を示す図である。
【図４】ISO/TS15066に規定された人体弾性係数を示す図である。
【図５】ＰＣの構成を示す図である。
【図６】ディスプレイ装置に表示される面圧センサの検出値から導出される接触圧の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、実施例の接触圧解析システム１の概要を示す。接触圧解析システム１は、ロボットと人の接触をシミュレートすることを目的として、ロボット装置１０と人体部位モデル３０の接触圧を解析するシステムとして構成される。ロボット装置１０および人体部位モデル３０の周囲には安全確保用の柵２が設けられる。解析装置４０は、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と呼ぶ）４２、キーボードやマウスなどのユーザインタフェース４４およびディスプレイ装置４６を備え、ユーザにより利用される。ユーザはユーザインタフェース４４を操作して、ＰＣ４２にロボット装置１０の実験用の動作指示を入力できる。
【００１２】
制御装置２０はＰＣ４２から動作指示を受け、ロボット装置１０の各関節を構成するモータを駆動することで、ロボット装置１０に人体部位モデル３０への接触動作を行わせる。ＰＣ４２は、ロボット装置１０および人体部位モデル３０から圧力センサの検出値を取得して、ロボット装置１０と人体部位モデル３０の接触圧を解析する。
【００１３】
ロボット装置１０は、小型の多関節ロボットであって、先端部に、接触用ツール１２を装着する。ロボット装置１０は、その先端部が３０ｃｍの距離を０．３５秒以下で移動できる高速性能を有することが好ましい。単方向移動の１軸アクチュエータであっても接触実験は実施できるが、ロボット装置１０として多関節ロボットを使用することで、自由度の高い接触実験を行うことができる。人体部位モデル３０への接触用ツール１２の接触方向、接触スピード、接触位置は、ＰＣ４２に入力するパラメータにより指定可能であり、これにより実験作業の効率向上と幅広いデータの収集が実現可能となる。
【００１４】
接触用ツール１２は、ロボット装置１０の先端部に取り付けられるエンドエフェクタであり、ロボット装置１０は、接触用ツール１２を人体部位モデル３０に押し当てる。接触用ツール１２の内部には、第１圧力センサであるロードセルまたは歪みゲージが埋め込まれ、ロードセルまたは歪みゲージの検出値は、解析装置４０のＰＣ４２に送られる。
【００１５】
ＰＣ４２は、ロボット装置１０専用の制御アプリケーションを実行し、ユーザはディスプレイ装置４６に表示されるアプリ画面から、ユーザインタフェース４４を操作してロボット装置１０の動作を指示できる。制御アプリケーションは制御装置２０を介してロボット装置１０に動作指令を伝達する。
【００１６】
接触圧解析システム１における実験の一つの目的は、ロボット装置１０の接触用ツール１２を人体部位モデル３０に接触させたときに、ISO/TS15066に示される人体部位ごとの「生体力学的制限値」を超えないような接触の仕方および接触用ツール１２の先端形状（接触する箇所の形状）を探し出すことにある。接触の仕方とは、接触用ツール１２が人体部位モデル３０に接触する方向、接触スピードおよび接触位置を含む。接触圧解析システム１では、ロボット装置１０の接触用ツール１２が人体部位モデル３０に接触するときの接触圧を検出し、その接触圧が人体部位モデル３０に相当するISO/TS15066で定義される人体部位の「生体力学的制限値」のときの接触圧の変化と時間的経緯の総合圧力の変化を確認する。
【００１７】
図２（ａ）はISO/TS15066で定められた形状の接触用ツール１２の正面図を示し、図２（ｂ）は接触用ツール１２の側方断面図を示す。この例で接触子１２ｂは、一辺を１４ｍｍとする正方形断面を有し、その先端部である接触面１２ａには２ｍｍの面取りがなされている。エンドエフェクタの接触面１２ａは人と接触する可能性のある箇所であり、接触時に人体に損傷を与えないように適切な面取りがなされており、接触面積は１ｃｍ２である。接触子１２ｂは支持部１２ｃにより支持され、支持部１２ｃは、基部１２ｄに４本のねじでねじ止めされる。支持部１２ｃと基部１２ｄの間には、第１圧力センサであるロードセル１２ｅが配置される。なお第１圧力センサとして歪みゲージが配置されてもよい。ロボット装置１０の先端には、エンドエフェクタ装着用のフランジ部１０ａが設けられ、基部１２ｄが、フランジ部１０ａにねじ止めされることで、接触用ツール１２がロボット装置１０に装着される。接触圧解析システム１では、接触用ツール１２に第１圧力センサを取り付けているが、接触面積を１ｃｍ２に設定していることは接触実験において重要である。
【００１８】
ロードセル１２ｅは、最大で５００Ｎを測定可能な性能仕様を有することが好ましい。ロードセル１２ｅは、接触用ツール１２の内部に埋め込まれ、接触用ツール１２が人体部位モデル３０に接触したときに、検出した圧力値を出力信号線１２ｆから出力する。ロードセル１２ｅの出力は、増幅器（図示せず）を介し、ＰＣ４２の拡張スロット内のＡ／Ｄ変換器に入力され、デジタル信号値に変換される。ロードセル１２ｅが増幅器およびＡ／Ｄ変換器を内蔵する場合、ロードセル１２ｅの出力は、直接ＰＣ４２に入力されてよい。接触圧解析システム１においてＰＣ４２は、ロードセル１２ｅの検出値を１ｍｓ間隔でサンプリングして記憶するとともに、サンプリング時のロボット装置１０の座標位置、具体的にはロボット装置１０に装着した接触用ツール１２の接触面１２ａの座標位置を同期して記憶する。
【００１９】
図３は、人体部位モデル３０の一例を示す。図３に示す人体部位モデル３０は、人の二の腕を模擬した上腕モデルである。上腕骨を想定した骨部３０ａは、アルミニウム棒であり、弾力のある筋肉を想定したゴムをアルミニウム棒に巻いて、筋肉部３０ｂを作成する。筋肉部３０ｂは、ISO/TS15066に規定する人体弾性係数をもつシリコンゴム又はウレタンを使用してよい。筋肉部３０ｂの周囲には、皮膚を想定したゴムを巻いて皮膚部３０ｃを作成する。
【００２０】
図４は、ISO/TS15066に規定された人体弾性係数を示す。実施例の人体部位モデル３０は上腕モデルであるため、有効ばね定数Ｋが３０Ｎ／ｍｍとなるように、骨部３０ａ、筋肉部３０ｂ、皮膚部３０ｃからなる３層構造モデルが形成される。
【００２１】
人体部位モデル３０は、第２圧力センサである面圧センサ３０ｄを有して構成される。面圧センサ３０ｄは、接触用ツール１２により人体部位モデル３０に加えられる外力を検出する。面圧センサ３０ｄは、皮膚表面よりも内側に配置されることが好ましい。面圧センサ３０ｄを埋め込む皮膚表面からの深さおよび位置は、統計的手法により求められてよい。なお人体部位モデル３０は、筋肉部３０ｂと皮膚部３０ｃの間に、面圧センサ３０ｄを挟んで配置してよい。面圧センサ３０ｄは、接触用ツール１２が人体部位モデル３０に接触したときに、検出した圧力値を出力信号線３０ｅからＰＣ４２に出力する。第２圧力センサである面圧センサ３０ｄの出力値は、第１圧力センサであるロードセル１２ｅ（または歪みゲージ）の出力値と比較されて、その出力値の妥当性が確認されてよい。
【００２２】
ベース３４に固定装置３２が取り付けられ、人体部位モデル３０は、固定装置３２に対して固定金具により固定される。人体部位モデル３０が固定装置３２に固定された状態で所定値を超える外力を加えられると、固定金具が外れて人体部位モデル３０を解放する機械的機構が設けられる。固定が解除される外力値は、ばね力により自由に設定可能であることが好ましく、静的な固定解除力はプッシュプルゲージ等で事前に測定して、所望の値となるように調整することが好ましい。この機械的機構は、人体部位モデル３０をスライドさせるガイドを有し、固定が解除されると、人体部位モデル３０は、ガイドに沿って移動する。この機械的機構は、人体が痛みを感じたときの回避行動を模したものとなっている。このような機械的機構を設けることで、万が一、ロボット装置１０が人体部位モデル３０に過剰な力をかけた場合であっても、面圧センサ３０ｄが破壊される前に、人体部位モデル３０の固定を解除することが可能となる。
【００２３】
図５は、ＰＣ４２の構成を示す。ＰＣ４２は、第１取得部５０、第２取得部５２および解析部５４を備える。第１取得部５０は、接触用ツール１２のロードセル１２ｅにより検出された検出値を取得する。第２取得部５２は、人体部位モデル３０の面圧センサ３０ｄにより検出された検出値を取得する。
【００２４】
解析部５４は、第１取得部５０が取得したロードセル１２ｅの検出値から、人体部位モデル３０の接触圧を解析する。解析部５４は、接触圧の時間変化、圧力変化の微分解析、接触時の運動エネルギーの分析、ピーク圧力値の位置検出の解析を行う。特に解析部５４は圧力値に関し、接触圧のピーク値、平均値、積分値を導出し、ISO/TS15066の生体力学的制限値との照合を行ってもよい。ここで接触圧のピーク値が、生体力学的制限値を超えていれば、解析部５４は、そのときの接触用ツール１２の動作情報をディスプレイ装置４６に出力する。この動作情報は、ロボットと人の協働作業を改善するために利用される。
【００２５】
また解析部５４は、第２取得部５２が取得した面圧センサ３０ｄの検出値から、人体部位モデル３０が受けた外力を解析する。
図６は、ディスプレイ装置４６に表示される面圧センサ３０ｄの検出値から導出される接触圧の分布図の例を示す。解析部５４は、面圧センサ３０ｄの検出値から各ポイントの接触圧を導出して２次元座標に展開し、時間の経過とともに検出値が変化する様子をディスプレイ装置４６に表示してもよい。このとき解析部５４は、接触圧が生体力学的制限値を超えている箇所を、所定の色（たとえば赤色）で表現してもよい。これによりユーザは、人体部位モデル３０のどの位置の接触圧が生体力学的制限値を超えているかを認識できるようになる。
【００２６】
このように解析部５４は、ロボット装置１０側のロードセル１２ｅと、人体部位モデル３０側の面圧センサ３０ｄの双方の検出値から、ロボット装置１０と人体部位モデル３０の接触圧を解析できる。そのため解析の結果、ロードセル１２ｅの検出値によれば接触圧が生体力学的制限値以下であるが、面圧センサ３０ｄの検出値によると接触圧が生体力学的制限値を超えているようなケースも発見できる。このように実施例の接触圧解析システム１によれば、ロボット装置１０と人体部位モデル３０の接触実験から様々な知見を得られるようになり、ロボットと人の協働作業の研究を、より一層進展させることが可能となる。
【００２７】
第２圧力センサを組み込んだ人体部位モデル３０は、第１圧力センサの出力値と第２圧力センサの出力値との関係が妥当であるか否かを確認される。具体的にＰＣ４２は、第１圧力センサにより検出された検出値と、前記第２圧力センサにより検出された検出値との関係から、第２圧力センサの検出値が妥当であるか否かを判定する。たとえば両センサの検出値が一致していれば、第２圧力センサの検出値が妥当であることを判定されてもよい。第２圧力センサの妥当性が確認されると、人体部位モデル３０は単独使用が可能となり、人との協働作業のための開発中のロボット、または、導入したロボットの予期しないロボット動作による人との接触圧、または、介護などロボットとの接触を前提とするロボットとの接触圧を測定するために利用される。
【００２８】
以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００２９】
本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の接触圧解析システムは、人体の部位を模擬した人体部位モデルと、第１圧力センサを搭載した接触用ツールを装着し、接触用ツールを動かして、人体部位モデルに接触させるロボット装置と、第１圧力センサにより検出された検出値を取得して、接触用ツールと人体部位モデルの接触圧を解析する解析装置と、を備える。人体部位モデルは、第２圧力センサを有して構成され、解析装置は、第２圧力センサにより検出された検出値を取得して、人体部位モデルが受けた外力を解析する。
【００３０】
この態様によると、ロボット装置と人体部位モデルの双方に圧力センサを設けることで、収集データの信頼性が向上するとともに、双方の圧力センサの検出値を用いた解析を行うことが可能となる。
【００３１】
第２圧力センサは、人体部位モデルの表面よりも内側に配置されることが好ましい。これにより第２圧力センサの耐久性を高めることができる。第２圧力センサは、接触用ツールにより人体部位モデルに加えられる外力を検出してよい。人体部位モデルは、人体部位に対応する骨部、筋肉部、皮膚部を有し、皮膚部表面の内側に、第２圧力センサを配置されてよい。皮膚部表面の内側に第２圧力センサを配置することで、第２圧力センサの耐久性を確保できる。
【００３２】
本開示の別の態様は、人体部位に対応する骨部、筋肉部、皮膚部を有し、皮膚部表面の内側に、面圧センサが配置された人体部位モデルである。この態様の人体部位モデルは、面圧センサを備えることで、外力分布を二次元的に測定できる。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・接触圧解析システム、１０・・・ロボット装置、１２・・・接触用ツール、１２ｅ・・・ロードセル、２０・・・制御装置、３０・・・人体部位モデル、３０ｄ・・・面圧センサ、４０・・・解析装置、４２・・・ＰＣ、５０・・・第１取得部、５２・・・第２取得部、５４・・・解析部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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