(57)【要約】【課題】作業者の意図を考慮に入れた判断を行うことによって、パワーアシスト装置の動作を適切に制御するための技術を提供する。【解決手段】操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能である装置のための、制御技術であって、操作者の腕部までの距離を少なくとも計測しうる第１の距離センサと、該操作者の下体までの距離を少なくとも計測しうる第２の距離センサと、第１及び第２の距離センサによる計測値に対して所定の演算を行い、該演算の結果に基づいて第１の信号を出力する演算処理手段とを備え、前記所定の演算が、接近する操作インタフェースを操作すべく該操作インタフェースに操作者が手を差し伸べる際の、予め調べられたデータパターンを用いて、センサによる計測値を処理することを特徴とする。【選択図】図２
2009285775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能な装置のための、制御システムであって、
・ 前記装置と、該装置の操作者の腕部との距離を少なくとも計測しうるように配される第１の距離センサと、
・ 前記装置と前記操作者の体の下部との距離を少なくとも計測しうるように配される第２の距離センサと、
・ 前記第１及び第２の距離センサによる計測値に対して所定の演算を行い、該演算の結果に基づいて第１の信号を出力する演算処理部と、
を備え、前記所定の演算は、接近する操作インタフェースを操作すべく該操作インタフェースに操作者が手を差し伸べる際の、前記第１及び第２の距離センサまたはこれらの同等物の予め調べられた出力データパターンを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することを含む、制御システム。
【請求項２】
前記予め調べられた出力データパターンを用いて前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することは、前記予め調べられた出力データパターンで学習させた隠れマルコフモデルを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することである、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記演算処理部は、前記所定の演算とは別に、前記第１及び前記第２の距離センサの少なくとも一方のセンサの出力信号から、前記装置と前記操作者との距離を判断し、該判断に基づいて第２の信号を出力するように構成される、請求項１又は２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記演算処理部は、前記第１及び第２の距離センサの一方の出力信号と他方の出力信号とを比較し、これらの相違が大きい時に、第３の信号を出力するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の制御システム。
【請求項５】
操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能な装置であって、請求項１から４のいずれかに記載の制御システムを備える、装置。
【請求項６】
前記第１の距離センサは前記操作インタフェースの近傍に設置される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の距離センサは斜め下方向にスキャンを行うように設置される、請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記制御システムの前記演算処理部のＣＰＵは、前記装置の演算処理部のＣＰＵと同一である、請求項５から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記装置の演算処理部は、前記第１の信号に基づいて、警報の生成，移動部分の減速，移動停止のうち少なくとも１つを行うように構成される、請求項５から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記操作インタフェースが力覚センサを備えるグリップ部を有する、請求項５から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
パワーアシスト装置である、請求項５から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
装置のためのソフトウェアであって、
前記装置は、ＣＰＵと、操作者の手によって操作される操作インタフェースと、操作者の腕部までの距離を少なくとも計測可能な第１の距離センサと、前記操作者の体の下部までの距離を少なくとも計測可能な第２の距離センサとを備え、少なくとも前記操作インタフェースを含む部分が前記操作者に対して移動可能に構成された装置であり、
前記ソフトウェアは、前記ＣＰＵを、前記第１及び第２の距離センサによる計測値に対して所定の演算を行い、該演算の結果に基づいて第１の信号を出力する手段として動作させるように構成され、ここで前記所定の演算は、接近する操作インタフェースを操作すべく該操作インタフェースに操作者が手を差し伸べる際の、前記第１及び第２の距離センサまたはこれらの同等物の予め調べられた出力データパターンを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することを含む、
ソフトウェア。
【請求項１３】
前記予め調べられた出力データパターンを用いて前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することは、前記予め調べられた出力データパターンで学習させた隠れマルコフモデルを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することである、請求項１２に記載のソフトウェア。
【請求項１４】
ＣＰＵと、操作者の手によって操作される操作インタフェースと、操作者の腕部までの距離を少なくとも計測可能な第１の距離センサと、前記操作者の体の下部までの距離を少なくとも計測可能な第２の距離センサとを備え、少なくとも前記操作インタフェースを含む部分が前記操作者に対して移動可能に構成された装置であって、請求項１２又は１３に記載のソフトウェアをその記憶装置に格納する、装置。
【請求項１５】
操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能な装置を制御する方法であって、
・ 前記装置と、該装置の操作者の腕部との距離を少なくとも計測しうるように第１の距離センサを設置し、
・ 前記装置と前記操作者の体の下部との距離を少なくとも計測しうるように第２の距離センサを設置し、
・ 前記第１及び第２の距離センサによる計測値に対して所定の演算を行い、該演算の結果に基づいて所定の制御を行う、
ことを含み、ここで前記所定の演算は、接近する操作インタフェースを操作すべく該操作インタフェースに操作者が手を差し伸べる際の、前記第１及び第２の距離センサまたはこれらの同等物の予め調べられた出力データパターンを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することを含む、制御方法。
【請求項１６】
前記予め調べられた出力データパターンを用いて前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することは、前記予め調べられた出力データパターンで学習させた隠れマルコフモデルを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することである、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーアシスト装置などの、操作インタフェースを含む部分が操作者に対して移動可能な装置を制御するための技術に関するものであり、例えば、移動機構を含む部分の衝突危険性をインテリジェントに予測して移動制御を行うことなどに利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
加齢化傾向の進む労働集約的な生産現場で働く熟練作業者に継続的な雇用機会と労働達成感を与えることを目的とし、本発明者らは、人間機械共働型パワーアシストシステム「スキルアシスト」の研究開発を行ってきた（非特許文献１）。スキルアシストは既に実用化されており、現在国内外の自動車生産ラインで活躍している。このスキルアシストによる作業をさらに効率化するために、パワーアシストのような手動制御モードだけでなく、これに自動搬送のような自動制御モードを組み合わせることが考えられる。例えば、遠隔地で組み立てられたインパネを、組立ライン上を移動する自動車のフレーム付近までスキルアシストが自動搬送することができれば、そのフレームに近い距離からはパワーアシスト制御で作業者の最終確認を伴う搭載作業を行うことができる。このような自動制御モードと手動制御モードとの組み合わせはシステムとマンパワーの効率的な配置と関わるため、コストの観点からも極めて望ましいことであり、関連研究として著者らは既にスキルアシストが自動から手動へモードをなめらかに切り換えるための制御手法を提案している（非特許文献２）。
【０００３】
図１に、上に紹介したスキルアシストの概要を示す。スキルアシスト１００は、前後移動方向に設けられるレーン１０９ａ，電動アクチュエータ１０２ａを介してレーン１０９ａに取り付けられる、左右移動方向のレーン１０９ｂ，電動アクチュエータ１０２ｂを介してレーン１０９ｂに取り付けられる、上下移動方向のレーン１０９ｃ，電動アクチュエータ１０２ｃを介してレーン１０９ｃに取り付けられる支柱１１４，支柱１１４に固定されるエンドエフェクタ１０４を有する。エンドエフェクタ１０４は、主に、パワーアシストを必要とする重量物を取り付けるための要素である。電動アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｃは、自動又は手動制御により作動することができ、エンドエフェクタ１０４を前後・左右・上下各方向に移動させることができる。
【０００４】
支柱１１４には台１１６を介して力覚センサ１０８が設置され、力覚センサ１０８には操作ハンドル１０６が設けられている。手動制御モードにおいて、操作者が、操作ハンドル１０６を握ってエンドエフェクタ１０４を動かそうと力を加えると、その力はハンドル１０６の根元に装備された力覚センサ１０８に検出され、力覚センサ１０８のセンサに基づいて電動アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｃが作動し、エンドエフェクタ１０４を動かす。また、レーン１０９ａ〜１０９ｃには移動量センサ１１０ａ〜１１０ｃが設けられており、エンドエフェクタ１０４の移動量を検出して電動アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｃへ適切なフィードバックをかける。移動量センサとしては、リニアエンコーダやロータリーエンコーダを用いることができる。エンドエフェクタ１０４には、例えば数１０ｋｇ〜数１００ｋｇといった重量物を取り付けることができる。操作者は、ハンドル１０６を握って操作するだけで、エンドエフェクタ１０４に取り付けられた重量物を軽々と動かすことができる。
【０００５】
自動制御モードにおいて、スキルアシスト１００は、エンドエフェクタ１０４に取り付けられた部品を操作者へ自動制御により搬送する。つまり、例えば、制御器から生成された目標位置と目標速度に従って電動アクチュエータ１０２ａが動作することにより、エンドエフェクタ１０４がレーン１０９ａに沿って移動し、遠方の作業区域から部品が操作者へ運ばれる。操作者が力覚センサに接触すると、スキルアシスト１００は自動制御モードから手動制御モードへ切り換わり、以後電動アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｃは、力覚センサ１０８及び移動量センサ１１０ａ〜１１０ｃの出力に基づいて動作する。また、スキルアシスト１００には緊急停止スイッチ１１２が設けられており、緊急の際に押すことで、スキルアシスト１００の動作をいつでも停止することができる。自動制御と手動制御のモード間のなめらかな切り換えは、やはり発明者の提案による非特許文献２の方法に従い、非定常インピーダンス制御則をスキルアシストに適用することで実現する。手動制御モードでは、制御器がエンドエフェクタの仮想インピーダンスを自動的に調整することで、重量部品の操作が可能となる（非特許文献１）。
【０００６】
自動制御モードではスキルアシストが重量物を自動搬送することで作業の効率化を図ることができる。その反面、操作者に向って移動するため、操作者のエラーによりモードが正常に切り換わらずスキルアシストが操作者に衝突し重篤な傷害を負わせる可能性がある。そこで、産業用ロボットの安全の観点からこのモード切り換えを考えると、スキルアシストは操作者との衝突を回避するために安全距離を保った場合のみ自動制御モードが許され、その安全距離以下でスキルアシストが操作者に接近した場合、もしくは距離計測そのものが失敗した場合には必ず停止するように構成されることが好ましい（非特許文献３）。安全距離以下の接近により一旦停止した状況では、手動制御モードは、操作者がイネーブルスイッチを押すことではじめて可能されるべきである。
【０００７】
このように、自動制御を伴うパワーアシスト装置は、安全面に十分に配慮した設計がなされるべきであり、操作者とパワーアシスト装置との関係が危険な状態になった場合は、装置の減速や停止、自動制御モードから手動制御モードへの切り換えなど、しかるべき処置をとるべきである。ところが、操作者がパワーアシスト装置を操作するにはどうしてもパワーアシスト装置を直接触って操作しなければならないことから、たとえ操作者とパワーアシスト装置との距離を計測しても、操作者とパワーアシスト装置とが接近している状況が、操作を行うために生じている状況なのか、あるいは操作者の不注意により意図せずにパワーアシスト装置の接近を許している状況なのかを判断することができなかった。従って従来は、安全性を確保するために、一律に減速や停止等の制御モードの切り換えといった処置を取らざるを得なかった。しかしながら、これらの処置を繰り返すことは、生産性の観点からみればエネルギーと作業時間の多大な損失であることは明白である。
【０００８】
自動制御を伴うパワーアシスト装置を使用する上での安全面を考慮した研究として、Schraft らが行った重量部品組み立て用人間協働型ロボットの研究がある（非特許文献４）。この研究では自動区域、搬送区域、組み立て区域と3 つの区域に従ってロボットの動作を厳密に区別しており、センサライトカーテンなどにより危険区域をあらかじめ設定することで自動モード運転における安全距離を維持している。しかしながらSchraft らの研究には、作業者の意図を判断してパワーアシスト装置の動作を制御するという思想は窺うことが出来ない。
【非特許文献１】Yamada, Y., Konosu, H., Morizono, T., and Umetani, Y., "Proposal of Skill-Assist: A System of Assisting Human Workers by Reflecting Their Skills in Positioning Tasks", Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, part IV, pp.11-16, Tokyo, Japan, 1999.
【非特許文献２】Lee, S., Yoon, S., Hara, S., and Yamada, Y., "Smooth Switching Control for Transferring from Automatic Traveling Mode to Power Assist Mode of Skill-Assist", IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol.2, no.4, pp.479-481, 2007.
【非特許文献３】ISO Technical Committee 184 / Subcommittee 2, ISO10218-1:2006, Robots for Industrial Environments -- Safety requirements -- Part 1: Robot, ISO, 2006.
【非特許文献４】Schraft, R., D., Meyer, C., Parlitz, C., and Helms, E., "PowerMate - A Safe and Intuitive Robot Assistant for Handling and Assembly Tasks", Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.4085-4090, Barcelona, Spain, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような背景の下、本願の発明者は、作業者の意図が考慮された判断を行うことを可能にすることによって、パワーアシスト装置の動作を適切に制御するための技術を開発しようとした。ただし、かかる技術開発の結果誕生した発明は、上記の課題に対する解決策を提供するのみならず、他の技術的課題に対する解決策をも提供しうるものである。すなわち、以下の説明から諒解可能なように、本発明は、パワーアシスト装置の制御に適した実施形態のみならず、他の様々な装置の制御に適した実施形態をも含むものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、パワーアシスト装置のような、操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能である装置のための、制御技術を提供するものである。この制御技術は、
・ 前記装置と、該装置の操作者の腕部との距離を少なくとも計測しうるように配される第１の距離センサと、
・ 前記装置と前記操作者の体の下部との距離を少なくとも計測しうるように配される第２の距離センサと、
・ 前記第１及び第２の距離センサによる計測値に対して所定の演算を行い、該演算の結果に基づいて第１の信号を出力する演算処理手段と、
を含み、さらに前記所定の演算が、接近する操作インタフェースを操作すべく該操作インタフェースに操作者が手を差し伸べる際の、前記第１及び第２の距離センサまたはこれらの同等物の予め調べられた出力データパターンを用いて、前記第１及び第２のセンサによる前記計測値を処理することを特徴とする。設計者は、上記第１の出力信号を、警報の生成や移動部分の減速、移動停止など、様々な目的に使用するように上記装置を設計することができる。
【００１１】
以下、上記の構成が、なぜ本発明の目的を達成しうるのかを説明する。
【００１２】
図１に例示されるようなパワーアシスト装置が自動制御で移動中であるとき、操作者が手動制御に切り換えようとするならば、その操作者はパワーアシスト装置の操作インタフェース（例、ハンドル１０６）へ手を差し伸べる行為を行うであろう。本願発明者はこの動作に着目した。以下、操作者が操作インタフェースに手を差し伸べる行為をリーチングと呼ぶことにする。このリーチングをモニタリングするため、本願発明者は、パワーアシスト装置と操作者の腕部との距離を計測するための第１の距離センサ、及び、パワーアシスト装置と操作者の下体との距離を計測するための第２の距離センサを用いることとした。
【００１３】
図２は、図１のパワーアシスト装置（スキルアシスト１００）を、本願発明に従って変更したパワーアシスト装置の例（スキルアシスト２００）を描いた図である。図１において点線で囲まれた領域１２０が、図２において点線で囲まれた領域２２０に対応する。スキルアシスト１００とスキルアシスト２００の外観上の相違は、この領域１２０に係る構造と領域２２０に係る構造の違いのみであるので、図２においては領域２２０以外の部分の描画を省略している。また、図２において、図１と同様の要素は同一の符号を付してそれを表している。
【００１４】
図２に描かれるスキルアシスト２００において、力覚センサ１０８は、図１の先行技術のように台１１６に設置されるのではなく、台１１６の上方に位置する支柱１１４に設けられた別の台２０４上に設置される。そして、少なくとも操作者の腕部までの距離を計測するための第１の距離センサ２０６が、力覚センサ１０８の直下に位置するように、台１１６に設置される。さらに、台１１６の下面に、操作者の体の下部までの距離を計測するための第２の距離センサ２０８が取り付けられる。
【００１５】
後に示される実験データを取得した時は、第１及び第２の距離センサ２０６，２０８として、北陽電機株式会社製のレーザレンジセンサ（Laser Range Sensor；以下LRSと表記する場合がある）URG-04LXが用いられた。第１の距離センサ２０６は、操作者の上体をスキャンすることで操作者の存在を検知すると共に、特に、スキルアシスト１００のモード切り換え行為に伴う操作者の腕の動きを検知する。第２の距離センサ２０８は、特に操作者の体の下部までの距離を検出すべく、スキャン方向が斜め下方向になるように取り付けられる。スキャン方向が斜め下方向になるように取り付けるのは、操作者の足元から胴体をスキャンすることで死角なくし、常時操作者の存在を検知するためである。
【００１６】
予備実験から上体検出用のレーザレンジセンサ２０６の検出範囲はスキルアシスト１００の走行方向（図１における前後移動方向）に対して左方向−４°〜右方向８°をカバーするように設定した。ここで、０°の軸は操作者の右腕とセンサ２０６を結ぶ軸にほぼ一致する。図２Ａの中段のイラストを参照されたい。センサ２０６の配置を図２Ａのようにしたのは、操作者の右腕の動きを確実に捉えるためである。また、下体検出用のレーザレンジセンサ２０８の検出範囲は広く４５°をカバーするように設定した。なおこの例では、センサ２０８に対する０°の軸は、センサ２０６に対する０°の軸とほぼ同一平面上に位置している。図２Ａ下段のイラストを参照のこと。さらに、操作者がしゃがんだ状態でスキルアシスト１００に衝突する可能性を考慮し、下体検知用レーザレンジセンサ２０８は、床面に対して２５°の傾きで取り付けられた。図２Ａ上段のイラストを参照のこと。また図２も参照のこと。
【００１７】
レーザレンジセンサ２０６，２０８のスキャンデータから時系列的な特徴を効率よく抽出するため、本発明者は、単位時間に得られた距離データの最小値（最小距離）に着目した。図３は、自動制御により操作者へ接近しつつあるスキルアシスト（具体的にはエンドエフェクタ１０４やハンドル１０６などを含む部分）に対してリーチングが行われたときのスキルアシストの移動量と、上体と下体のスキャンデータから抽出した最小距離の時間変化を測定したデータをグラフ化したものである。ここで上体までの最小距離データと比較するため、下体までの最小距離データは床面に対して写像した距離で示している。このデータによると、スキルアシストの接近により下体までの最小距離は比較的なだらかに減少しているのに対し、上体での距離に関してはリーチングにより急激な変化がおきている箇所（符号３００で示した箇所）が確認できる。
【００１８】
実験から最小距離データの特徴は以下のようにまとめられた。
（１）リーチングが無ければ２つの最小距離データは共に類似した減少傾向を見せる。
（２）リーチングが行われると上体までの最小距離データが急激に減少する箇所が現れる。
（３）操作者が正しい位置で待機しなければ最小距離データに乱れが生じる。
【００１９】
すなわち、操作者が、自動制御で接近中のパワーアシスト装置を手動制御に切り換えようと意図してリーチングを行った場合（（２）の場合）は、図３に示されるような特徴が現れるが、不注意による接近を許してしまったなど何らかの理由で手動制御に切り換えようとはしない場合（（１）の場合）や、操作者の体勢が正常なものではない場合（（３）の場合）は、図３に示されるような特徴が見られない。従って、図３の特徴が現れるか否かは、接近するパワーアシスト装置に対する操作者の操作意図に関連している。
【００２０】
このような特徴は、本願発明者により初めて発見されたものである。そして、この特徴を利用することにより、接近するパワーアシスト装置に対する操作者の操作意図を判定することが可能となり、ひいてはかかる判定結果を利用した制御方法が実現されることになる。
【００２１】
図４は、リーチングが行われ、自動制御から手動制御モードへの切り換えが正常に行われた際に計測された距離データを２次元軌道で示したものである。図中の矢印は時間経過による軌道の変化方向を示す。この計測では操作者がスキルアシストの走行方向（図１における前後移動方向）に対して胴体の方向を正面に向けた場合、横に向けた場合、変化させた場合など、計12回にわたり最小距離を測定した。
【００２２】
図４のデータから、操作者の姿勢の変化にはさほど影響されず、軌道はほぼ類似した経路を辿ることが分かる。従って、本願発明者による操作意図推定は、高い安定性を有しうることが理解できる。いずれの場合でも、上体検知用ＬＲＳ２０６から得られる最小距離が約０.５ｍの付近で、操作者が操作ハンドル１０６にリーチングすることにより、その後に最小距離が急激に減少することが示されている。
【００２３】
以上の説明で明らかなように、本願発明者が明らかにしたところによれば、操作者の上体、特に腕部との距離を少なくとも計測するための第１の距離センサと、操作者の体の下部との距離を少なくとも計測するための第２の距離センサとを用いると共に、リーチングの際のセンサ出力データパターンを予め調べておき、この出力データパターンを利用して上記第１及び第２の距離センサの計測値を処理することにより、操作者の操作意図を考慮に入れた制御を実現することができる。
【００２４】
例えば、操作者とパワーアシスト装置とが接近している状況を検知した時、それが手動操作を開始しようとしているために生じている正常な状況なのか、操作者の不注意により意図せずにパワーアシスト装置の接近を許している危険状況なのかを判定することができ、その判定結果に基づいて、パワーアシスト装置の移動速度の調節や緊急停止などの制御を従来よりも適切に行うことができる。従って本発明は、装置の無駄な減速や停止の頻度を減らし、電力や作業時間の損失を抑え、生産性を高めるといった目的に資することができる。
【００２５】
そして、ここで開示された制御技術が、「移動中の機器の操作インタフェースへ手を差し伸べる」という行為における距離の変化パタンを利用するものであることから、本明細書で開示される技術思想は、パワーアシスト装置の制御にのみ用いられうるのではなく、操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能である装置一般に対して、適用が可能なものである。
【００２６】
本発明の具現化のいくつかの例は添付の特許請求の範囲に特定されている。しかしながら、本発明の具現化のバリエーションは、特許請求の範囲に特定されるものに限らず、本願の特許請求の範囲や明細書、図面および当業者の通常の技術的能力に基づいて、当業者が想定可能な全てのものを含むことに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、以上に示された新たな知見を用いて制御のための判断を行うための、一例を紹介する。この例では、先に図４を用いて示された、正常なリーチングが行われた時の最短距離データのパタンを隠れマルコフモデルによってモデル化し、このモデルに基づいたアルゴリズムによって、図２に描かれる実施例（スキルアシスト２００）の衝突予測を行う。
【００２８】
〔隠れマルコフモデル〕
モード切り換え時に行われるリーチングをモニタリングし、安全な状態と非安全な状態を予測するために、本実施例では隠れマルコフモデル（Hidden Markov Model；HMM）を用いる。HMM はノイズなどによる学習パタンの乱れに対してロバストであり、識別されたパタンに至るまでの履歴をトレースできるデータ処理構造を含んでいることから本発明におけるパタン識別手法として適合していると考えられる。（参考：Yamada, Y., Morizono, T., Umetani, Y., and Konosu, H., "Working Toward a Dependable Skill-Assist with a Method for Preventing Accidents Caused by Human Error", IEEE Robotics and Automation Magazine, pp.34-45, vol.11, issue 2, 2004.）
【００２９】
あるパタンh に対するHMM は以下のように表すことができる。
2009285775.tif 000003
ここで、
2009285775.tif 000004
は状態i番目から状態j (1≦i, j≦N)への状態遷移確率の分布、
2009285775.tif 000005
は状態jおいてk番目の観測信号vkが出力される確立分布、
2009285775.tif 000006
は初期状態の確率分布である. これらのモデルパラメタはBaum-Welchのアルゴリズムにより逐次算出される。（参考：Levinson, S. E., Rabiner, L., R., and Sondhi, M., M., "An Introduction to the Application of the Theory of Probabilistic Functions of a Markov Process to Automatic Speech Recognition", Bell System Technical Journal, vol. 62, no. 4, pp.1035-1074, 1983.）
【００３０】
結果的にモデルλhで観測：
2009285775.tif 000007
（t は観測時刻.τは最終観測時刻を示す）が出力される確率は、以下のように算出される。
2009285775.tif 000008
ここで、
2009285775.tif 000009
である。ここでsiはi番目の状態、stは時刻tでの状態を示す。αtは下記の漸化式により算出される。
2009285775.tif 000010
2009285775.tif 000011
判別の基準になる値としては観測データが出力される確率である式(2)を用いるが、この計算を逐次コンピュータで実行するとアンダーフローを起こしやすいため実際にはLog 関数によりスケーリングすることで値の更新を行う。
【００３１】
〔学習データの計測〕
先に説明したように、図４は、リーチングが行われ、自動制御から手動制御へのモードの切り換えが正常に行われた際に計測された最小距離データを２次元軌道で示したものである。計測は、操作者がスキルアシストの走行方向に対して胴体の方向を正面に向けた場合、横に向けた場合、変化させた場合など、計12回にわたり行われた。図４に示されるように、２次元軌道は操作者の姿勢の変化にはさほど影響されず、ほぼ類似した経路を辿る。そこで、図４のデータに基づき、リーチングモニタリングに用いるHMMを学習させるための、最小距離データの２次元軌道に基づき定義した安全状態s1と非安全状態s2 を定義する。定義の様子を図５に示す。図４と対比して参照されたい。２次元軌道を利用することで，切り換えタイミングに依存することなく学習に必要な状態の定義が可能となり，定義の作業自体も容易となる。安全状態s1 はスキルアシストが操作者から十分離れている場合、あるいは操作者により自動から手動へ制御モードが切り換わった場合をその条件とする。２次元軌道が状態s1を離脱すると、観測データの出力確率、つまり学習されたパタンである確率は低い値を示すことになる。
【００３２】
〔アルゴリズムの検証〕
上に定義された状態s1、s2、及びこれらに基づいて学習されたHMMに基づき、本実施例の衝突ハザード予測アルゴリズムをスキルアシストの制御モード切り換え実験により検証した。その結果を以下に紹介する。
【００３３】
図６は、操作者が定位置に待機している状態で、接近するスキルアシスト２００（より正確にはエンドエフェクタ１０４）の操作ハンドル１０６に触れることにより、力覚センサ１０８がそれを感知し、自動制御モードから手動制御モードへ切り換えが正常に行われた場合の実験結果を示している。図７は、操作者が同じ位置に待機しており、エンドエフェクタ１０４が操作者の方へ移動してくるものの、操作ハンドル１０６にリーチングすることなく、スキルアシスト２００が自動制御モードのまま衝突直前までに至る場合のデータを示す。
【００３４】
図６Ａと図７Ａは、それぞれ上段からエンドエフェクタ１０４の変位と速度、操作者までの最小距離、Ｌｏｇ関数によりスケーリングされた観測データの出力確率、判定結果、および力覚センサ１０８のデータと制御モードを表す。図６Ｂと図７Ｂは、それぞれ２つのレーザレンジセンサ（２０６，２０８）により計測された最小距離データの２次元軌道を示す。実験時は、安全を確保するために、操作者はスキルアシスト２００のレーンに設けられた走行方向の機械リミッタ外側の定位置で待機させた。レーザレンジセンサ２０６及び２０８のデータは非同期処理により約0.1sで制御ループ取り込まれており、制御ループは0.005sの周期で処理を行う。衝突ハザード予測アルゴリズムの判断はスケーリングされた確率により行い、予備実験によって−２５以上を安全、−２５未満から−３５以上を警告、−３５未満を危険と閾値の設定を行った。判断結果は１、０、−１の整数で表し、それぞれ安全、警告、危険を示す。またスキルアシストの制御モードは０を自動制御モード、１を手動制御モードとする。
【００３５】
図６Ｂの場合においては、２次元軌道が学習された軌道に類似した経路を辿っていることから、図６Ａのスケーリングされた出力確率は、多少の変動はあるものの、急激な変化は無く安全の判断を維持している。これに対して図７Ｂでは、操作者が操作ハンドルにリーチングしなかったことで、軌道が時間の経過により学習された軌道とは異なる経路をたどり、図７Ａに示す確率が負の方向に大きく変化している。この結果、スキルアシスト２００から操作者までの距離約0.3m手前で警告、約0.25m手前で危険の判断を下していることがわかる。
【００３６】
このように、本願発明者の提案に従えば、「操作者が操作意図を有していないのにスキルアシスト２００の接近を許している」という状況を機械が判断することが可能となる。かかる判断が可能となれば、その判断結果を利用して、警報ブザーを鳴動させたり、電動アクチュエータ１０２ａを制御してエンドエフェクタ１０４を緊急停止させたりするなどの制御を行うようにパワーアシスト装置を設計することは、当業者にとっては容易であろう。一方、スキルアシスト２００が接近しても危険ではない、すなわち操作者がリーチングを行っており、手動制御を行う意図を有しているならば、操作者は十分な注意力をもってエンドエフェクタ１０４の接近に対処しているとして、エンドエフェクタ１０４の減速を行わないか、あるいは必要最小限の減速のみを行うなどのように制御することができるだろう。従って、本願発明者の提案によれば、装置の不要な減速や停止を最小限に抑えることができ、エネルギーと作業時間の損失を防ぎ、生産性を向上させることが可能となる。
【００３７】
当業者であれば以上の説明から容易に想像できるように、本願発明者の提案に係る衝突予測は、２つのセンサ２０６，２０８を用いる他は、基本的にソフトウェア処理によって行うことができる。従って、本願発明者の提案に係る衝突予測を行うためのハードウェア構成を模式的に描くと、図８のようになる。
【００３８】
図８において、符号８００は、必要なハードウェア構成の全体を概念的に表している。メモリ８０４には、上に説明したような、実験データによって学習されたHMMに基づく判定アルゴリズムが格納されており、ＣＰＵ８０２は、当該アルゴリズムに従ってレーザレンジセンサ２０６，２０８から出力されるデータの処理を実行する。メモリ８０４には、レーザレンジセンサ２０６，２０８の測定間隔を定めるなど、測定を制御するためのプログラムが格納されていてもよい。ＣＰＵ８０２は、当該プログラムの命令に従ってセンサ２０６，２０８の動作を制御する。判定アルゴリズムが所定の結果、例えば「要警告」「危険」などに対応する結果を得た場合は、ＣＰＵ８０２は、適当な出力信号８０６を生成する。この出力信号８０６は、例えばスキルアシスト２００の警報機の作動や、電動アクチュエータ１０２ａ〜ｃの減速・停止・加速などのために利用されることができる。
【００３９】
実施形態によっては、ＣＰＵ８０２やメモリ８０４は、スキルアシスト２００が有するCPUやメモリと同一のものであることができる。またむしろ、そのような実施形態の方が多いと思われる。現在の装置は大抵CPUやメモリを備えているので、すると本実施例に係る衝突予測方式は、上体用と下体用の２つの距離センサを追加し、必要なソフトウェアをインストールするだけで、既存の装置に適用することが原理的には可能である。従って本発明は、その実施形態によっては、実装が極めて容易であるという利点を有する。またこのことから、本発明の実施形態は、上記のアルゴリズムを含むソフトウェアが含むことが理解できるだろう。
【００４０】
ただし、距離センサを設置するに当たっては、一方のセンサが操作者の上体、特に腕部までの距離を計測可能なように設置する必要がある。また、他方のセンサは操作者の体の下部までの距離を計測可能なように設置しなければならない。これらのセンサの配置は、必要な計測を行うことができるのであれば、特に制限されない。しかしながら、本発明による制御技術は、移動中の機器の操作インタフェースへ手を差し伸べる」という行為における腕部（又は手）までの距離の変化パタンを利用するものであることから、上体用センサの設置位置は、操作インタフェースの近傍であると便利である。これが、図２の実施例において、ＬＲＳ２０６が操作ハンドル１０６の直下に設置されていたことの理由である。
【００４１】
また、下体用センサは、操作者の足元から胴体をスキャンすることで死角なくし、常時操作者の存在を検知することを可能にするため、スキャン方向が斜め下方向になるように取り付けられることが好ましい。このような設置方法を採用すれば、操作者がしゃがんだ状態であっても、操作者の存在を検知することができるだろう。
【００４２】
メモリ８０４に格納されるソフトウェアは、センサ２０６，２０８の出力データに対して、上述の操作者意図推定に基づく衝突予測を行うだけでなく、単純に、これらのセンサの少なくとも一方の出力信号から装置と操作者の距離を計測し、その計測結果に応じて所定の信号を出力するように、ＣＰＵ８０２に命令するものであってもよい。例えば、上述の操作者意図推定に基づく衝突予測の結果が如何なるものであっても、装置と操作者との距離が一定以下になれば、停止信号を出力するようにプログラムすることができるだろう。従って、このような実施形態におけるＣＰＵ８０２の出力信号は、上記の出力信号８０６と同じ信号であってもよいし、違う信号であってもよい。
【００４３】
何度も説明してきたように、本発明の実施形態は、操作者の上体、特に腕部までの距離を計測可能なセンサと、操作者の体の下部までの距離を計測可能なセンサを用いる必要がある。しかし、上体及び下体までの距離を計測できればよいので、センサの数には特に制限はない。すなわち、必要な計測ができるのであれば、図８におけるセンサ２０６，２０８は同一の筐体に収まる１つのセンサ装置であってもよいし、逆に、センサ２０６，２０８の少なくとも一方が、物理的に異なる複数のセンサであっても構わない。本発明の範囲には、かかる実施形態が含まれることを理解されたい。
【００４４】
上体用と下体用に２台以上のセンサを用いる場合、通常の条件では、これらの出力は互いに類似した時間的変化を示すであろう。従って、センサ２０６の出力とセンサ２０８の出力の時間的変化が大きく異なる場合は、どちらかのセンサが異常をきたしている可能性があると言える。そこで、メモリ８０４に格納されるソフトウェアは、センサ２０６と２０８の出力データを比較し、これらの相違が大きい時に第３の信号を出力するように、ＣＰＵ８０２に命令するものであってもよい。第３の信号は、例えば、センサ異常を操作者に知らせるために利用されることができる。
【００４５】
以上、本発明の理解に資するために本発明の実施形態の例を詳細に説明したが、本発明の実施形態は以上に止まるものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱せずに、様々な実施形態を取りうるものであることは言うまでもない。図２に描かれた実施形態は、装置の一部が自動制御により移動しうるパワーアシスト装置であったが、本発明は、タイヤ等で自走しうるパワーアシスト装置（例えば特開２００５−５９６４０の図１に描かれるようなパワーアシスト装置）に対しても、むろんのこと適用可能である。前述のように、本発明は、一般に、操作者の手によって操作される操作インタフェースを備え、且つ少なくとも該操作インタフェースを含む部分が該操作者に対して移動可能な様々な装置に対して適用可能である。操作インタフェースも、図２の操作ハンドル１０６のように棒状のものに限らず、自動車のステアリングのようなホイール形状であったり、バイクのステアリングのような横棒式のものであったり、レバー状のものであったり、プッシュボタンが並んだ操作パネルのようなものであったりしてもよい。とにかく、操作者の手によって操作される操作インタフェースであることが重要である。
【００４６】
前述の実施例では、正常なリーチングが行われた時のセンサ出力データパターンによって学習させた隠れマルコフモデルを用いて、センサの計測値を処理していたが、本発明の実施形態はそのような方法に限定されるものではなく、当業者が通常知っている、センサの出力データパターンを評価可能な如何なる方法を用いる場合も、本発明の実施形態に含まれうることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】先行技術におけるパワーアシスト装置の一例を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例となりうるパワーアシスト装置の一例を説明するための図である。
【図２Ａ】スキルアシスト２００におけるレーザレンジセンサ２０６，２０８の走査範囲を説明するための図である。
【図３】ある実施例において、リーチングが行われたときのパワーアシスト装置の移動量と、上体と下体のスキャンデータから抽出した最小距離の時間変化を測定したデータをグラフ化した図である。
【図４】ある実施例において、リーチングが行われ、自動制御から手動制御へのモードの切り換えが正常に行われた際に計測された距離データを２次元軌道で示した図である。
【図５】図４のデータに基づく安全状態s1と非安全状態s2 の定義例。
【図６】説明された実施例の性能検証例。
【図７】説明された実施例の性能検証例。
【図８】説明された実施例のハードウェア構成例。
【符号の説明】
【００４８】
１００    スキルアシスト
１０２ａ-１０２ｃ    電動アクチュエータ
１０４    エンドエフェクタ
１０６    操作ハンドル
１０８    力覚センサ
１０９ａ-１０９ｃ    レーン
１１０ａ-１１０ｃ    移動量センサ
１１２    緊急停止スイッチ
１１４    支柱
１１６    台
１２０    領域
２００    スキルアシスト
２０４    台
２０６ 上体用距離センサ
２０８ 下体用距離センサ
２２０    領域
８０２    ＣＰＵ
８０４    メモリ
８０６    出力信号
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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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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【図７】
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【図８】
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