日本ロボット学会誌 Vol. 37 No. 10, pp.923〜927, 2019

解923

説

人間–ロボット協働作業系の安全
Safety of Human-Robot Collaborative Operation Systems

金唯 眞∗

田 陽 滋∗

山Eugene Kim∗ , Yoji Yamada∗ and Shogo Okamoto∗1. は じ∗岡 本 正 吾∗∗名古屋大学大学院工学研究科

Department of Mechanical Systems Engineering, Nagoya University

非接触状態にあって不安全な接触を回避するための速度制

め に御を規定した Speed and separation monitoring（SSM）

現在のセル生産現場では自動化に伴う教示作業の不効率の二つの要求事項に対応づけることができる [3]. 本稿ではや品質の低下の課題をもっている．そこで，ロボットの自特にロボット安全を目的とする後者の規制観点でのこれま

動運転中もこれに安全柵を設けることなく，その稼働空間での研究事例を解説する．に人間が侵入し，ロボットと共存作業ができないか，という2. 接触安全の規範検討が数多くみられる．IFR（International Federation ofRobotics）は，現在の人間・ロボット協働作業形態の多くは，人間とロボットの間の協調作業を可能にするために，ロ協働作業空間とよばれるロボットの作業空間に人間が侵入

ボット周りのフェンスやライトカーテンのような古典的なするものの，空間的に交わるところがない（coexistence），安全柵をなくすことには大きな関心が持たれている．Ya-

あるいは両者が交互にシーケンス作業を行う（sequential

mada らはこの議論を，ロボットと人間の接触がどの程度collaboration）水準にある，としている [1]．このような段まで許容されるか，という問題に置き換え，許容すべき最階の協働作業において人間の安全性を確保するためには，小の面積を規定したうえで，剛体と接触したときの人間の実用的な観点ではまず C 規格とよばれる産業用ロボット

痛みの許容限界，すなわち痛覚耐性値を身体上の 12 か所に関する国際安全規格 ISO 10218-1，-2 [2] や技術仕様書に対して求めた [6]．また，これを規範として機械的に制限

ISO/TS15066 [3] を理解しなければならない．加えて，こされた保護空間での人間とロボットの接触動作を可能にす

れらの要求事項から引用される安全にかかわる要素技術やる人間ロボット（H-R）共存システムを提案した [7]．その人間の標準的なデータの掲載された，いわゆる B 規格レベ

後，斎藤らによって人間の全身に対して網羅的に調査が行

ルの規格群についても，体系的に理解する必要がある．まわれた [8]．一方で，Povse らや Desmoulin らは接触力だず前提になるのが，以下の安全性である．すなわち，人間けでなく衝突の間のエネルギー密度を利用して，接触時のとの協働作業が許されるために，ロボットは，本質安全設重篤度との関連性について，分析を行った [10] [11]．他方，計に則って製造されないかぎり，上記の ISO 規格で要求さHaddadin らは衝撃のストレスと関連する皮膚の損傷を調れる安全度水準を有する制御系が作り込まれていなければ査するため人間の接触部位による衝突の重篤を見積もる方ならない [2]．国内でも，労働安全の枠組みで労働安全規則法を拡張した [12]．また，Fujikawa と Sugiura らによって，に準拠する必要があるが，安衛則第 150 条の 4（運転中の人間とロボットの相互作用におけるロボット設計の安全基危険の防止）の施行通達（改正後）[4] に上記の規格群が参準を得るために，衝撃による打撲耐性の主要なパラメータ照されており，製造者やインテグレータを中心に国際安全として，最大衝撃力を接触面積で除した平均接触圧力と総規格の要求事項に準拠する努力が払われている．

移動エネルギーが議論された [13] [14]．一般に，傷害の重人間がロボットと安全に共存するための研究は，これま篤度を見積もる場合に，最悪の状態として，挟まれを対象で Post-collision safety と Pre-collision safety の大きく二とする．しかし，ロボットとの接触は，動的な接触も多いつの流れの安全戦略に分類されてきた [5]．これらは，ロボことから，PFL 規範の場合は，準静的接触に加え，動的接ティクス一般の研究の枠組みの中でも，衝突回避問題ある触と呼ばれる過渡的接触の二つに分類して，それぞれの場いは人間検出技術として数多く存在する．別の規制観点で合に対する標準的な値が用意されている．

これらの研究領域をとらえると，現在の規格体系の中では，ISO/TS 15066 の PFL 機能は，C 規格レベルでまさに人ロボット接触時に人間が痛みを感じ始めるまでを安全規範

間とロボットの間の許容できる機械的接触を動力と力の制として制御を行う Power and force limiting（PFL）と，限として規定した安全技術開発のベースになる要求事項である．そして，以上で紹介した PFL の規範を満たす，製品

原稿受付 2019 年 10 月 10 日
キーワード：Human-robot Collaboration, Potential Runaway
Motion in Task Space, Safety-related Sensor∗ 〒464–8603 名古屋市千種区不老町∗ Chikusa–ku, Nagoya–shi, Aichi

日本ロボット学会誌 37 巻 10 号

化されているロボットとしては，人間と衝突する最悪の場合でもその重篤度が許容できるように，産業用ロボットの範疇であっても比較的軽く，定格出力が小さく抑えられるように設計されているものがまず存在する．これらは，い—15—

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唯 眞

山 田 陽 滋岡 本正 吾M̃ = T τ M

わゆる本質安全設計を指向したロボットとして分類される．
まず，リスクアセスメントの結果，接触力やこれを与え

111
τ1max , τ2max , ..., τmmax

（4 ）



る運動量の変化，あるいはロボットから人間に供給される

ただし，T τ = diag

エネルギーが大きいと判断された場合に，ロボットのトルると，ジョイントトルクから求まるロボットのエンドエクや動力等を制限する制御系を設計する必要がある．先のフェクタの加速度のだ円体は，主軸 を σdi udi とする

文献 [7] は，接触力が超えないようにロボットを停止するにと，J(q)M̃である．す−1

は，ロボット表面の被覆をどのように設計するかの議論を(q) を特異値分解して得られる，udi (i =1, .., m)，m ≤ 3 で張られる空間を近似的に潜在暴走空間行ったものであるが，Haddadin らは，衝突時の傷害の重として見積もることができる．あとは，その定量化の際に，篤度を低減するための速度制御として，以下の提案を行っロボットの反応時間 Tr の間の暴走中の速度 v(t) のうち，ている [12]．すなわち，ロボットエンドエフェクタの最大最も接近している人間の部位の方向成分を用い，動的可操速度（の大きさ）vmax は，任意の u 方向への有効質量 mu

作性だ円体によって得られる加速度をもって移動する距離に対して次のように置くことができるというものである．

を計算する．

4. 非接触の人間存在検知技術

vmax (mu ) = reg.lim[c1 (i, ai )mu + c2 (i, ai ), v1 , v2 ]（1 ）

先に述べた，本質安全設計に基づいていない，あるいはただし，c1 (i, ai ) ≤ 0 と c2 (i, ai ) はエンドエフェクタの種PFL 規範を満たしていない産業用ロボットでも，その安全関連制御系が要求される安全度水準を満たし，SSM 要求を

類 a とそれらが持つ接触ハザードの形状の個数 i によって決まる係数であり，v1 と v2 はそれぞれ最小と最大の速度を意味する．同研究では，豚皮膚を用いて典型的なエンドエフェクタの形状と速度に対する皮膚組織の傷害の程度に従って c1 と c2 を決めるとしている．次に，エンドエフェクタの速度を v に対して，vmax と u 方向へのエンドエフェクタの速度 v u との比較で新しい速度 v  を計算する．

v =⎧⎨vv⎩v max vu if  v u ≤ vmaxOtherwise先の速度として採択するというものである．

接触の人間存在検知技術を搭載する方法を考える．
従来は，
ISO 13855 で規定する機械全般に適用可能な Minimum distance とよばれる安全距離が存在したが，2016 年に正式にロボットに対する保護間隔距離として SSM の機能が ISO/TS 15066 にてその姿を現した [3]．この安全手することによってリスク低減を達成する安全機能である．
また，分離距離が最低の保護間隔距離を違反する場合，ロボットは保護停止を実行するが，分離距離が保護間隔距離より遠くなるとただちにロボットの動きは再開できる．以3. 潜 在 暴 走 空 間降，SSM の機能は安全性評価，生産性などの多様な観点か

冒頭の，Yamada ら [7] の議論を，ロボットの故障耐性を考慮し，これに人間の接近がどの程度まで許容されるか，という問題に置き換えた場合の規範が，潜在暴走空間である [15]．製造環境において，ロボットの制御系に要求される安全度水準は，単一故障に対して耐性を持つことである．
これは，（多重でない）単一の故障が起きても，ロボットが安全要求仕様として備えている自己診断機能によってこれを検出することができ，あらかじめ用意された安全な状態に移行することができる安全性能を意味する．いま，ロボットのジョイント角ベクトルを q ，エンドエフェクタの速度を v(q)，さらにヤコビ行列を J (q) でそれぞれ表した
とき，ロボットのエンドエフェクタの加速度 v̇ は(q)τ̃ (q)

人間との物理的な接触を想定しない保護装置，いわゆる非を許し，両者間の分離距離が保護間隔距離以上を常に維持に対して上記の反復的に行い，最も低い速度を最終的な手v̇(q) = J (q)M̃との協働作業が許される．この場合には，通常の運転時に，法はロボットシステムと作業者が同時に作業空間内で作業（2 ）最後にエンドエフェクタのすべてのリスクの存在する部位−1満たすロボットシステムを構築することができれば，人間ら研究されており，ここでは実際の安全規範に準拠して検証された研究を以下に簡単に紹介する．

Szabo らはレーザスキャナを用いて人の位置を特定し，SSM 機能を搭載したロボットの速度を制御することで保護間隔距離を維持する再現プラットフォームを報告した [16]．
これを受けて，Jeremy らはロボット可動範囲および位置決
め誤差の推定から衝突確率と重篤度を求め，そのリスクに関する検討を行い評価した [17]．一方で，Petersen らはクラウドベースのプラットフォームを使用し，ロボットの経路計画ツールを提案し，ロボットと人間間の最小保護間隔距離を計算する方法を紹介した [18]. さらに，Byner らはロボットと人間の幾何学的な動きを考慮し，より正確な保護間隔距離を計算するための Dynamic SSM を提案した [19].
最後に，Kim らは作業設計段階で保護間隔距離への侵入を（3 ）確率的に見積る方法を提案し，実験とシミュレーション結で表される．ここで，重力とコリオリ力を考慮して定義し果との比較を行い，その活用方法を議論した [20].

た関節駆動トルク τ̃ = [τ̃1 , τ̃2 , ...τ̃n ]T ，(τ̃i = τi /τimax ) を上記の研究はすべて，より安全で生産性の高い協調作業用いて正規化された慣性行列 M̃ を以下のように示すこと

プロセスを構築するためには，危険区域に対する人の存在ができる検出のみならず，人間の運動状態も精度高く検出できる機

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Dec., 2019

人間–ロボット協働作業系の安全能を備えることが重要であるとする共通の見解に支えられ925

グビジョンセンサシステムが提案された [29]．以降，複数ている．従来のライトカーテンやレーザスキャナ類の安全のカメラで 3D イメージを構築し，水平面に投影した監視関連センサはロボット周りのフェンスを除去できて，比較対象の領域に高さを有する人間が侵入したか否かの判断に的設置が簡単な利点があったが，検出範囲の技術的な制約よって，ハザードエリアにおける人間の存在検知を達成すから，安全距離の増加により生産性が損なわれる問題点がる Safety-Eye が安全関連センサとして商用化された [30]．

あった．本稿では，近来に報告された安全用途として提案，

しかし，カメラビジョンは外乱の影響に左右されない人間

もしくは開発されているセンサ動向を簡略に紹介をする．

検出性能を備えようとすると，大型で高価になり，さらに，オクルージョンの問題が解決できないために，使用例は限5. 安全関連センサシステム

定されているのが現状である．

5. 3 レーザスキャナ

2019 年に，安全関連センサ（システム）の設計，開発，実装と妥当性確認を目的とする IEC/TS 62998 という新しい技術仕様書が出版された．この安全規格では，非接触の人レーザスキャナは，固定式，もしくは移動式として産業現場で人の位置検出のために用いられる最も代表的な安全間検出原理やそのための媒体を明示的に限定しない．した関連センサである．特に，Szabo ら [16] や Jeremy [17] らがって，ライトカーテンやレーザスキャナのような，既存の研究のように，ペイロードの大きいロボットでも SSM 機の電気的検知保護装置の技術要求事項を規定した国際安全能を発揮できるように，レーザスキャナを搭載した事例が†規格 IEC 61496 シリーズに準拠しない仕様の装置であっすでに数多く報告されている [31]．ただし最近の研究動向ても，非接触の人間存在検知を目的とする安全関連センサは，レーザスキャナが単体の使用されることは少なく，de（SRS: Safety-related sensor）あるいは安全関連センサシ

Gea ら [32] や Safeea ら [33] の研究のように人の存在検出ステム（SRSS: Safety-related sensor system）として導入のために画像センサや IMU センサを補助する位置付けにすることが可能になったことを意味する．本章では人の安されており，センサフュージョンの分野で幅広く使用され全を目的とするセンサの研究とすでに製品化された安全関ている．しかし，レーザスキャナもまた周りの強い光や，連センサを紹介する．

表面反射，ほこりなどの環境要素によって検出の信頼度が5. 1 近接領域での人間存在検知センサ低下したり，センサ内部の鏡が振動や衝撃に弱いという点

ロボットの衝突回避のための初期の研究は，まずは衝突はレーザスキャナの性能を損なう理由として指摘されてい回避だけを目的とするロボットを取り巻く至近領域の情報

る [35]．

を取得することに重点を置いた．特に，赤外線を利用した

5. 4 電波式センサ

人間の位置検出方法は，長い間ロボットと人間の回避のた

電波式センサは対象物体までの距離によって変わる位相めに注目されてきた [21]. また，低価格の超音波センサをの遅れを検知することで距離を測る Time of Flight（TOF）利用することで，実用的な回避システムの構築したり，静式センサである．電波式センサは，すでに自動車業界や医電容量式センサやレーザを用いた至近距離センシング方法

療分野等で活用されており，光学技術を使用するレーザスを提案するなど様々な検出原理を利用した研究がされてきキャナやカメラセンサより太陽光や照明に影響されることた [22]〜[25]. 以降，至近距離センサの研究は安全の観点まがないため，次世代の安全関連センサとして注目されていで拡張され，人の手の検出を目的とする静電容量式センサ

る．特に，Kim ら [34] と Zlatanski ら [35] によって，電波の提案と評価や，複数の赤外線センサを用いた最適配置方を使用する安全センサとしての提案とその性能評価方法が法などが議論された [26] [27]. しかし，これらのセンサは，報告されている．また，最近は世界初の電波式安全関連センロボットのごく近傍での限られた領域内での距離検出のみ

サとして，周波数変調を行う FM-CW 原理を使用し，作業可能であり，人間の安全を確保するための計測性能面での者の動きを検出する LBK System が公開されている [36].

要求レベルを満足するには困難があった．

しかし，電波レーダを用いた安全技術は，従来の安全関連セ

5. 2 カメラビジョンセンシング

ンサと比較して計算の複雑さが増え，空間分解能が低下す

カメラを用いたビジョンセンシングの長所は色や位置関るほか，視野が狭くなる問題点を抱いている．電波式セン係から得られる人間と環境の区別が比較的容易であること

サ技術は高度な機能のため大きな可能性があると思われてである．カメラビジョンを用いた初期の研究として，簡単おり，検出されたターゲットに関していかに豊富な情報をな背景イメージと RGB 情報上の差を見ることで人間を認受信信号から抽出することができるかが当面の課題である．

識するアプローチがあった [28]．また，複数の単眼カメラ

6. おを用いて作業者の姿勢と位置を計測するマーカトラッキン

わ り に

以上，本稿ではセル生産現場において，昨今導入事例が† このシリーズでは IEC 61496-1 の一般要求事項. ESPE：
Electro-増えていると想到される人間とロボットの協働作業に伴うSensitive Protective Equipment（電気的検知保護設備）と題される規格を筆頭にして，能動的光電保護装置（AOPD）：ライトカーテン，拡散反射形能動的光電保護装置（AOPDDR）：レーザスキャナ，そして視覚的保護装置（VBPD）：画像センサが順番にパート番号 2-4 シリーズにわたって技術的な要求事項を規定している．

安全性確保の方法について，現行の国際安全規格に規定さ日本ロボット学会誌 37 巻 10 号

れる以下の二つの要求事項に沿った技術に関する研究を解説した．1）接触安全の PFL（Power and Force Limiting）
規範では，リスクとして許容される危害の程度とこの規範—17—

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唯 眞

山 田 陽 滋を満たすための制御戦略について，2）非接触安全要求のSSM（Speed and Separation Monitoring）では，安全関連制御系の一部を担う人間存在の検出技術，をそれぞれ紹介した．先に掲げた IFR は，今後両者が協調作業を行うようになり，やがてロボットが人間の意図を汲んで即応作業を行うという近未来指向の人間・ロボット協働系の実現を予言している．Easy-to-Use の観点から，人間・ロボットの共存系には，充実したマン・マシン・インタフェイス技術が導入され，教示作業のインテリジェント化が模索されていくものと思われる．安全度の水準が低い確率論をいかにロボット安全に取り込むか，現行規格体系の柔軟な解釈を要求する技術が次々と生まれていくに違いない．
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金 唯眞（Eugene Kim）

山田陽滋（Yoji Yamada）

2018 年 3 月名古屋大学大学院博士前期課程修1983 年 3 月名古屋大学大学院博士前期課程修了．同年 4 月豊田工業大学助手勤務．1992 年
工学博士（東京工業大学）．1993 年豊田工業大学助教授．同年 Stanford University 客員研究員．2004 年 4 月から，産業技術総合研究了．現在名古屋大学大学院工学研究科（機械理工学専攻）博士後期課程在学中．人間・ロボット協働系に関する研究に従事．
（日本ロボット学会学生会員）

岡本正吾（Shogo Okamoto）
2010 年博士（情報科学，東北大学）．名古屋大学大学院工学研究科機械理工学専攻助教を経て，現在機械システム工学専攻准教授．主としてハプティクス，人支援技術，感性に関する研究に従事．（日本ロボット学会正会員）

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所知能システム研究部門安全知能研究グルー
プ長．2008 年 4 月から名古屋大学大学院工学研究科機械理工学専攻（改組により 2017 年から機械システム工学専攻）教授．これまで，ロボットのセンサ・通信・知的制御に関する研究，および，人間–ロボット共存系の研究に従事．近年は，安全知能が主題．
（日本ロボット学会正会員）—19—2019 年 12 月