特集JVRSJ Vol.14 No.3 September, 2009

インダストリアル触感デザイン

11139

特集 ■インダストリアル触感デザイン

自動車組立ラインでの触覚デザイン

武居直行

首都大学東京

TAKESUE NAOYUKI

村山英之

トヨタ自動車MURAYAMA HIDEYUKI

1．はじめにシストすると，軽々動かすことができるようになるが，バーチャルリアリティの一分野として，力覚提示技

逆にちょっとした手ぶれでも簡単に動いてしまい，思っ術は，医療・福祉の分野やエンターテインメントなどた操作ができない．楽に動かし，思ったとおりに操作すにおいて注目され，発展してきた．その一つの形態としることで作業を達成できたとき，作業者は良い操作感 ( 触て，コンピュータ内に作り上げた仮想的な物体を，ハプ感 ) を感じる．

ティックデバイスを通じて触れ，操作するというものが本稿では，自動車組立ラインにおけるウィンドウ搭ある ( 図 1 の上段 )．また，別の形態として，遠隔に存在載アシスト ( 図 2) の事例 [7] を示す．ウィンドウという，するデバイス同士を情報通信により結合し，あたかもす大きくて重量もあるワークを，一人で楽に動かせるだけぐ近くで触れ，操作しているように動作するものがあるでなく，手ぶれすることなく思った通りに組み付けるこ( 図 1 の中段 )．これはマスタ・スレーブ型のテレマニピュとを可能とし，作業者が良好な操作感とともに作業を遂レーションとして知られている．本稿では，図 1 下段に行することを支援する .

示すように，操作デバイスとワークが遠隔ではなく，近接して “ 触れる ” ことができる生産現場での力覚提示技術の一実例を紹介したい．これはパワーアシストシステ
ムとして知られている形態の一つである [1-4]．
工場では，重量物を取り扱うことが少なくない．その作業者の身体的な負担を軽減するために，スプリングバランサやパワーアシストが使われることがある．バランサは重力を補償してくれるが，慣性力は変わらず，水平方向の加減速や位置決めは作業者に負担を強いる．パワーアシストは，重量物を軽々扱えるように等価的に慣性力なども変化する能力をもつが，単に軽くなればよいというものではない．対象とする作業に応じて，適した動特性を設定すると，作業性が向上することが知られている [5][6]．その動特性を設定することは，作業者にとっての触感のデザインとも言えるだろう．
作業者にとって，身体的には，筋負担が過度でなく，容易に操作できることが望まれ，パワーアシストはそれを実現する．また，精神的には，神経をすり減らさずとも思いのままに操作できることが望ましい．パワーをア

図111

力覚提示の三つの形態

12140

日本バーチャルリアリティ学会誌第 14 巻 3 号 2009 年 9 月

図2

特集

図3

ウィンドウ搭載アシスト

インダストリアル触感デザイン

従来の二人作業2．ウィンドウ搭載作業
まず，対象とするウィンドウ搭載作業について説明する．ウィンドウ搭載作業は，10 〜 15kg 程度あるウィンドウガラスを車体に組み付ける作業である．従来は，バランサなどでその重量は支え，図 3 のように息の合った二人が左右両側から把持し，組み付けていた．一つのウィンドウ搭載作業自体は 7 秒ほどで完了するものであるが，熟練するには相性の合う二人組で 1 ヶ月以上を要していた．
図 4 に作業の模式図を示す．この図のように，ガラスの上端にはアップストッパーと呼ばれるピンが取り付

図4

ウィンドウ搭載作業けられており，これらを車体の孔に決まった方向で挿入して組み付ける．また，ガラスの縁一周には接着剤が塗布されており，ストッパー挿入後にガラスを車体に押しで行けば良いので精度要求はなく，仮にうまくはまらな付け，その接着剤を密着させる．意匠上の問題および水いときにはやり直すことができる．これに対し，ウィン漏れ防止のため，接着剤を他の部分に接触させたり，組ドウ搭載では，接着剤があるためやり直しができない上，み付けをやり直したり，といったことはできない．リア

前後 ±2[mm]，左右 ±4.5[mm] と要求精度が高く，これまでウィンドウの場合は車体とトランクの隙間 ( クリアランの技術では実現することが難しかった．

ス ±15mm) をぶつからないように通して組み付ける必要
3．ウィンドウ搭載作業での触感デザインがあるため，より難しくなる．
図 2 に示したウィンドウ搭載アシストは，この作業を本ウィンドウ搭載アシストでは，力覚センサで計測し片側一人で短期間に行えるよう支援するロボット装置でた操作力に基づき，操作部の機械インピーダンス特性をある．ロボットでの完全自動化ではなく，最終的な品質仮想的に制御している．仮想インピーダンスの質量や粘は人が確認し，機械が人と共存して作業を支援すること性を小さくすることで，軽く動作し，負荷を軽減するこで，設備トラブルや生産変動にフレキシブルに対応できとができる．しかし，ストッパーを孔に挿入するようなるというメリットがある．

位置決めや直進性が必要な作業では，手ぶれにより簡単

従来から，インスツルメンツパネル ( インパネ ) 搭載にずれてしまい，作業性能 ( 位置精度・作業時間・品質

スキルアシスト [6] が実用化されていた．しかし，インなど ) が低下してしまう．

パネ搭載の要求精度は左右 ±5[mm]，上下 ±15[mm] で，高位置決め精度をよくするには，粘性が高いほうがよ

精度位置決めを支援するガイド機能はない．また，車体

い [5]．しかし，高い粘性は高速で移動するときには，重が搬送される前後方向には，止まるところまで押し込んたい負荷になる．作業者にとって，「楽に動かせ意のま12

特集

JVRSJ Vol.14 No.3 September, 2009

インダストリアル触感デザイン

図6

図513141

従来方法での直進操作時の誤差と操作力方向

ストッパーの位置修正と挿入範囲のときには下降しようとしているということ ) が必ず成り立つとは限らないが，操作力方向がこの範囲に収まに操れる」操作感を得るには，固定したインピーダンまっているときは，下降しようとしている意図と判断し，ス特性では難しく，可変インピーダンスが必要となる

この範囲から超える場合には位置を調整しようとしてい[5][6][8]．筆者らは操作力に応じて粘性を変化させる，簡る意図と判断することにした．そして，下降しようとし便な可変則 [8] を実装した．しかし，その可変インピーている範囲のときには，手ぶれ ( 車体前後方向 ) を抑制

ダンスだけでは，±2mm の精度で確実にストッパーを孔するようにガイドすることにした．図 7 に本手法での実に挿入することはなお難しい．図 5 にウィンドウガラス

験結果の一例を示す．操作力方向は変動しているが，誤の上端部分を示す．この図の点線楕円で示した箇所のよ差は ±0.5[mm] 以内に収まっていることが確認できる．

うに，目標位置への経路を調整しながら，目標前後位置上 ( 一点鎖線楕円で示した箇所 ) では，ぶれないよう直進性を保ちつつ下降する必要がある．
決められた軌道上を移動する場合は，軌道に沿って仮想的な壁 (virtual fixture．例えば [9][10]) を配置し，目標地点に誘導する手段が利用できる．ハプティックデバイスとして，そのような仮想環境を構築することは広く行われている．しかし，今回の場合，目標地点は作業者が目視して決めているため，この手法はそのまま利用できない．
他の方法として，位置調整のときには前後方向に移動

図7し，下降・挿入のときには前後方向には動かずに下方だ

新手法での直進操作時の誤差と操作力方向けに移動するように，切り換えることも考えられる．しかし，手動で切り換えるのはわずらわしく，7 秒での作

このガイドは，操作力をガイドの方向に向けて触ろう業完了は難しくなる．異方性摩擦 [10][11] により，手動とした途端，ガイドが働かなくなるため，通常のガイドで切り換えないことは可能であるが，斜め方向に滑らかのように触ることができない．そのため，ガイドされてに移動させることが簡単ではなかった．

いる触感がないにも関わらず，ガイドされていることにそこで，操作力の方向に着目することにした．作業なる．その結果，まっすぐに下降させようとすると，あ者が真下に下降させようとしたときの位置誤差 ( ぶれ

たかも自分がうまくなったと錯覚するほどまっすぐに移量 ) と操作力方向の一例を図 6 に示す．最大で 2.7[mm]動させることができる．またガイドの方向に操作すると，ほどの誤差が生じているが，操作力方向は平均値 μ ＝滑らかに位置を修正することも可能であった．このよう

0.65[deg]，標準偏差 σ ＝ 5.9[deg] となっており，約 20[deg]に操作力の方向に応じてガイド機能を切り換える本手法( ≒ 3σ) の範囲で収まっている．

では，熟練者も違和感を持つことなく，修正も容易な手まっすぐに下降しようとしたときに操作力方向が ±ぶれ補正ガイドとして働き，時間をかけずに作業を完了

20[deg] の範囲だったという事実に対して，その逆 ( このすることができた．

13

14142

日本バーチャルリアリティ学会誌第 14 巻 3 号 2009 年 9 月特集

インダストリアル触感デザイン[8] 武居，菊植，佐野，望山，澤田，藤本：位置決め作

4．まとめ
本稿では，自動車組立ラインにおいて実用化された業アシストのための操作力依存可変ダンピング制御，ウィンドウ搭載アシストを，触感デザインという観点か

日本ロボット学会誌，Vol.25, No.2, pp.306-313 (2007)

ら紹介した．従来のウィンドウ搭載作業は，屈強な男性[9] A. Bettini, P. Marayong, S. Lang, A. M. Okamura, and G.

作業員が二人作業で担当しており，習熟まで 1 ヶ月以上

D. Hager: Vision-Assisted Control for Manipulation Using

かかるほど，最終組立の中でももっとも技能を要する工

Virtual Fixtures, IEEE Trans. on Robotics, vol.20, no.6,

程だった．現在では，
本ウィンドウ搭載アシストにより，

pp.953-966 (2004)

女性作業員も担当できるようになり，また，新人が 2 週[10] R. Kikuuwe, N. Takesue, and H. Fujimoto: A Control

間程度で習熟しており，誰でも容易に搭載できるように

Framework to Generate Nonenergy-Storing Virtual Fixtures:なった．さらに，従来は 60 秒だったサイクルタイムが，Use of Simulated Plasticity, IEEE Transactions on Robotics,

現在稼動中のラインでは 48 秒にすることができた．

Vol.24, No.4, pp.781-793 (2008)

本稿が生産現場での触感デザインという題に即した内[11] N. Takesue, R. Kikuuwe, A. Sano, H. Mochiyama and容になったか不安だが，読者の一助になれば幸いである．

H. Fujimoto: Tracking Assist System Using Virtual Friction
Field, Proc. of IEEE/RSJ IROS'05, pp.2134-2139 (2005)

謝辞
実用機を製作頂いた ( 株 ) アラキ製作所の高柳課長，【略歴】

鈴木主任，柴田主任，そして，ライン導入に御尽力頂い

武居直行（TAKESUE Naoyuki）

た，藤原主幹をはじめとするトヨタ自動車 組立生技部

首都大学東京の皆様と，高岡工場 組立部 第 12 組立課の現場作業者の2000 年大阪大学大学院工学研究科電子制御機械工学専

皆様に感謝いたします．

攻博士後期課程修了．2000 年大阪大学助手．2003 年名システムデザイン学部

准教授古屋工業大学寄附講座講師．その後，准教授を経て，参考文献

2008 年より現職．博士 ( 工学 )．ロボットの運動制御，触[1] 中内，安西：ヒューマン・群知能ロボット・インター覚テクノロジー，人間・機械系などの研究に従事．日本

フェースシステム−人間とロボットの協調について−，機械学会，日本ロボット学会，計測自動制御学会，電気計測と制御，Vol.31, No.11, pp.1167-1172 (1992)

学会，精密工学会，IEEE の会員．

[2] 猪岡，池浦：人間工学に接近するロボティクス，人間工学，Vol.38, No.5, pp. 231-236 (2002)

村山英之（MURAYAMA Hideyuki）[3] 山田，森園：人間／ロボット共存システム，人間工学，トヨタ自動車株式会社

Vol.38, No.5, pp.243-248 (2002)

パートナーロボット部

1997 年 東北大学大学院 工学研究科 修士課程修了．1997[4] 金岡：マンマシンシナジーを実現するフィジカル

年より三菱電機 ( 株 ) 生産技術センターにて，半導体とインタラクションに関する一考察，計測自動制御学

冷熱機器の組立・検査技術開発に従事．2003 年よりト会システムインテグレーション部門講演会 (SI2006),

ヨタ自動車 ( 株 ) 生技開発部，2005 年よりパートナーロ

pp.370-373 (2006)

ボット部にて，パワーアシスト技術，人の技能支援技術[5] Y. Yamada, H. Konosu, T. Morizono and Y. Umetani:と人と協働する組立作業支援ロボットの開発・実用化を

Proposal of Skill-Assist: A System of Assisting Human

行っている．

Workers by Reflecting Their Skills in Positioning Tasks,
Proc. IEEE Int. Conf. on Systems, Man, and Cybernetics,
Tokyo, IV, pp.11-16 (1999)[6] 鴻巣，荒木，山田：自動車組立作業支援装置スキル
アシストの実用化，日本ロボット学会誌，Vol.22, No.4,pp.508-514 (2004)[7] 村山，藤原，武居，松本，鴻巣，藤本：人と協働する技能支援ロボット ウィンドウ搭載アシスト，第 26 回
日本ロボット学会学術講演会，RSJ2008AC1B1-04 (2008)14