JP2006192564A - 作業補助装置と作業補助方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業対象物に対する処理用具の軌跡が重視される作業を補助する技術を提供する。
【解決手段】作業補助装置は、作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、人の操作に追従して処理用具の位置と姿勢を調節する作業補助装置であって、人が処理用具に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、操作力検出手段で検出した操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を計算する運動計算手段と、所定時間後の処理用具の位置と姿勢を運動計算手段で計算した位置と姿勢に調節するアクチュエータとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業対象物の所定の箇所に処理を施す人の作業を補助する技術に関する。特に、処理を施すために用いる処理用具の位置と姿勢を、人の操作に追従するように調節することによって、作業対象物の所定の箇所に処理を施す人の作業を補助する技術に関する。

人の操作に追従するように処理用具の位置や姿勢をアクチュエータによって変えることによって、人の作業を補助する技術が開発されている。この種の技術では、人が処理用具に加えている操作力と、結果的に実現される処理用具の運動の間に、下記（１）式の関係が成立していると、人は良好な操作感を得えられ、作業性が向上することが知られている。

ここで、ｑは処理用具の位置と姿勢のベクトルであり、ｄ^２ｑ／ｄｔ^２はその２階微分、ｄｑ／ｄｔは１階微分である。Ｍは処理用具の加速度に対する比例マトリクスであり、処理用具に再現される質量に相当する。Ｄは処理用具の速度に対する比例マトリクスであり、処理用具に再現される粘性係数に相当する。Ｋは処理用具の位置に対する比例マトリクスであり、処理用具に再現されるばね定数マトリクスに相当する。ｆは人による操作力ベクトルである。
上記の知見を活用した技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の装置では、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータと、そのアクチュエータを制御するコントローラを備えている。そのコントローラは、作業者が可動体に加える操作力と、操作力とアクチュエータによって実現される重量物の運動との間に、上記（１）式が成立するようにアクチュエータの出力を調節する。実現される重量物の運動には、上記（１）式によって運動特性が記述される搬送物モデルの運動が実現される。特許文献１は、重量物の搬送作業を複数の作業段階に大別するとともに、作業段階毎に上記（１）式の係数Ｍ、Ｄ、Ｋを切換えることが有効であることを報告している。
特開２０００−８４８８１号公報

作業対象物の所定箇所に処理を施す場合、作業対象物に対する処理用具の軌跡が重要である作業も多い。作業対象物に対する処理用具の軌跡が重要である作業では、作業者が処置用具に加えた操作をすべての方向に均一に補助すると、作業対象物に対する処理用具の軌跡を意図したものに実現することが困難となる。軌跡に沿った操作を補助するだけでなく、軌跡から外れる操作をも補助してしまうと、作業対象物に対する処理用具の軌跡を意図したものに実現できない。従来の技術では、処理用具の軌跡が重要である作業を補助することは困難である。
例えば、自動車のウインドガラスには、周縁に沿って接着剤を塗布する作業が必要とされる。ウインドガラスを固定しておいて作業すると、作業者はウインドガラスの周りを一周しなければならない。自動車のウインドガラスは大型であり、一周する作業を繰返すと作業者にかかる負荷が高くなってしまう。そこで、ウインドガラスを回転しながら周縁に沿って接着剤を塗布する方式が有利となる。処理に必要な用具（例えば接着剤を吐出するガン）が重いこともあり、その場合には、処理用具の位置と姿勢をアクチュエータによって調節することが必要となる。
上記に例示されるように、作業空間内で回転している作業対象物の所定箇所に処理を施す作業を実施するために、処理用具の位置と姿勢をアクチュエータによって調節する技術が必要とされている。このとき、処理用具の位置と姿勢をアクチュエータによって完全に調節してしまう産業ロボット方式が多用されているが、その方式では多品種混合生産の場合にコストが増大してしまう。人の持つ優れた能力と、ロボットのパワーを併用することができれば、優れた品質の製品を生産性よく生産することが可能となる。人と機械の協調作業が可能なシステムが必要とされている。
すなわち、作業空間内で回転している作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、処理用具の位置と姿勢を調節するアクチュエータを制御し、人の操作に追従して処理用具の位置と姿勢が調節される作業補助技術が必要とされている。この技術でも、人の操作に追従して処理用具の位置と姿勢が調節することによって、作業対象物に対する処理用具の軌跡が意図した軌跡とよく一致する技術が必要とされている。
本発明は、上記の問題を解決する。本発明では、作業対象物に対する処理用具の軌跡が重視される作業を補助する技術を提供する。特に、処理用具の位置と姿勢を調節するアクチュエータを制御することによって得られる作業対象物に対する処理用具の軌跡が、作業者の意図した軌跡とよく一致する結果をもたらす技術を提供する。

本発明は、作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、人の操作に追従して、処理用具の位置と姿勢を調節する作業補助装置に具現化することができる。この装置は、人が処理用具に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、操作力検出手段で検出した操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を計算する運動計算手段と、所定時間後の処理用具の位置と姿勢を、運動計算手段で計算した位置と姿勢に調節するアクチュエータを備える。

例えば塗料を塗布する塗布ローラを用いて作業する場合、塗布ローラの転動方向に力を加えると簡単に移動するのに対し、それに直交する方向に力を加えても容易には移動しない。すなわち、処理用具の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている。
本発明の運動計算手段では、処理用具の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルを利用し、その処理用具に操作力を加えたときに生じる運動を計算し、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を計算する。
もっとも、処理用具は広がりを持っており、処理用具の移動方向が処理用具の姿勢から決まる部位には選択の余地がある。処理用具の外部に位置する仮想的な部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まるとする処理用具モデルを利用してもよい。
処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる方向に規制されている処理用具モデルを用いると、移動が許される方向には効率的に補助される一方、移動が許されない方向には補助されない結果が実現される。
処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる方向に規制されている処理用具モデルを用い、移動が許される方向には効率的に補助される一方、移動が許されない方向には補助されない装置を実験してみると、作業者は自己の希望する作業対象物の所定軌跡に沿って、処理用具を移動させやすい結果が得られることが確認されている。
本発明の作業補助装置によると、作業者が希望する作業対象物上の軌跡に沿って、アクチュエータが処理用具を移動させる結果が得られやすい。

前記したように、処理用具は広がりを持っており、処理用具の移動方向が処理用具の姿勢から決まる部位には選択の余地がある。
一つのモデルでは、処理用具の処理部位の移動方向が、処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されているとする。
ここでいう処理部位とは、作業対象物に対して処理を施す処理用具内の部位を意味するものであり、例えば接着剤吐出ノズルの開口の位置をいう。
このモデルを用いると、作業者が処理用具を操作したときに、処理用具の処理部位が処理用具の姿勢から決まる方向にのみに移動する結果をもたらす作業補助が実行される。処理用具の処理部位を、目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

あるいは、処理用具の処理部位から所定方向に所定距離だけオフセットした部位の移動方向が、処理用具の姿勢から決まる方向に規制されているモデルを利用してもよい。
このことを比喩的に例示すると、方位が固定されている前輪と、方位が自在に回転する後輪を持つ台車の後輪位置に処理部位を備えている処理用具を用いて作業する場合に相当する。処理用具は、後輪位置に存在する処理部位から所定方向に所定距離だけオフセットした位置にある前輪の方向にしか移動できない。
このモデルを用いると、処理用具の姿勢の変化と、処理用具の処理部位の移動方向の変化の間に、位相差が生じる。その位相差によって、目標とする軌跡の曲率が大きく変化している場合でも、作業者は処理用具の処理部位を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

あるいは、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が、処理用具の姿勢の変化よりも遅れて変化するモデルを利用してもよい。
このことを比喩的に例示すると、トレーラ型の処理用具を用いることに相当する。駆動力を持つ台車が方位を変えても、牽引される台車の方位はすぐには変わらない。牽引される台車の移動可能方向は、遅れて回転する。
このモデルを用いると、牽引される台車の側に処理部位が存在する処理用具を用いて作業しているときに得られる結果をもたらす作業補助が実行される。この場合にも、処理用具の姿勢の変化と、処理用具の処理部位の移動方向の変化の間に、位相差を生じさせることができる。その位相差によって、目標とする軌跡の曲率が大きく変化している場合でも、作業者は処理用具の処理部位を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が、処理用具の姿勢の変化よりも遅れて変化するモデルを利用する場合、処理用具の姿勢の変化速度が大きいときほど、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向と処理用具の姿勢との角度差が大きくなることが好ましい。
このモデルを用いると、作業者は、処理用具の姿勢の変化と、処理用具の処理部位の移動方向の変化の間に生じる位相差を、処理用具に加えた操作によって調節することが可能となる。それにより、目標とする軌跡の曲率が大きく変化している場合でも、作業者は処理用具の処理部位を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が、処理用具の姿勢の変化よりも遅れて変化するモデルを利用する場合、運動計算手段は、検出した操作力に、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向と処理用具の姿勢との角度差に所定の係数を乗じたトルクを加算して、処理用具の位置と姿勢を計算することが好ましい。
この作業補助装置では、作業者が処理用具に姿勢を変化させる操作を加えた時に、作業者は処理用具から姿勢変化に抗する反力を感じることができる。作業者は、処理用具から受ける反力によって、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向と処理用具の姿勢との角度差を知得することができる。目標とする軌跡の曲率が大きく変化している場合でも、作業者は処理用具の処理部位を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

前記トルクを計算する所定の係数は、前記角度差が大きいときほど、小さく設定することが好ましい。
例えば目標とする軌跡の曲率が大きい場合、作業者は処理用具の姿勢を大きく変化させる必要がある。処理用具の姿勢を大きく変化させている状態では、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向と処理用具の姿勢との角度差は大きくなる。この場合、前記した角度差に乗ずる係数を小さく設定することによって、作業者に過剰な反力を与えてしまうことを防止することができる。一方、例えば目標とする軌跡が直線である場合、作業者は処理用具の姿勢を一定に維持するために、処理用具の姿勢を細かに操作する必要がある。処理用具の姿勢を細かに操作している状態では、前記した角度差は極めて小さくなる。この場合、トルクを計算する係数を大きく設定することによって、作業者が知得できる大きさの反力を作業者に与えることができる。
この作業補助装置によると、目標とする軌跡の曲率に応じて作業者に適度な反力が与えられる。目標とする軌跡の曲率が大きく変化している場合でも、作業者は処理用具の処理部位を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

運動計算手段は、検出した操作力に、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向に沿う所定の力を加算して、処理用具の位置と姿勢を計算することが好ましい。
この作業補助装置では、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向に向けて、処理用具が能動的に移動する。作業者は、処理用具の姿勢を調節することに専念することもでき、処理用具の処理部位を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。

本発明の技術は、作業空間内で作業対象物の位置と姿勢が経時的に変化している場合に特に有用である。この場合には、作業空間に固定された座標系で作業対象物の位置と姿勢の経時的変化を検出する手段を付加し、運動計算手段が、作業対象物に固定された座標系で計算した処理用具の位置と姿勢に、前記の検出手段で検出した作業対象物の位置と姿勢を加味して、作業空間に固定された座標系における処理用具の位置と姿勢を計算することが好ましい。

特に作業空間内で回転している作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助する場合に有用である。このための補助装置は、人が処理用具に加えている操作力を作業空間に固定された座標系で検出する操作力検出手段と、検出された操作力を作業対象物に固定された座標系に変換する手段と、作業対象物に固定された座標系に変換された操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を作業対象物に固定された座標系で計算する第１運動計算手段と、第１運動計算手段で計算された処理用具の位置と姿勢に、作業空間に固定された座標系において前記所定時間内に生じる処理用具の位置と姿勢の変化を加え、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を作業空間に固定された座標系で計算する第２運動計算手段と、所定時間後の処理用具の位置と姿勢を、第２運動計算手段で計算した位置と姿勢に調節するアクチュエータを備えている。
この補助装置によると、作業空間内で回転している作業対象物の所定軌跡に沿って処理用具を移動させる補助結果が得られやすく、作業者が動き回る負担が軽減される。

本発明の技術は、作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、人の操作に追従して、処理用具の位置と姿勢を調節する方法にも具現化される。この方法は、人が処理用具に加えている操作力を検出する操作力検出工程と、操作力検出工程で検出した操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を計算する運動計算工程と、処理用具の位置と姿勢を変化させるアクチュエータを制御し、所定時間後の処理用具の位置と姿勢を、運動計算工程で計算した位置と姿勢に調節する工程とを備えている。
この方法によると、作業者は、処理用具を目標とする軌跡に沿わせて移動させやすい。処理用具が目標とする軌跡に沿って移動する補助結果が実現されやすい。

本発明により、作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するための有用な技術が提供される。

最初に、以下に説明する実施例の主要な形態を列記する。
（形態１） 作業補助装置は、処理用具の位置と姿勢を変化させるロボットアームと、ロボットアームの動作を制御するコントローラを備えている。コントローラは、処理用具の位置と姿勢を検出しながら、処理用具の位置と姿勢をフィードバック制御する。
（形態２） 作業補助装置は、作業対象物を回転させながら支持するターンテーブルを備えている。ターンテーブルは、作業対象物の回転角を検出するセンサを備えている。
（形態３） 作業補助装置は、電子計算機を備えている。その電子計算機は、各種の計算処理を実行するＣＰＵと、ＣＰＵが利用するプログラムやデータを記憶しているＲＯＭやＲＡＭを備えている。

（実施例１）
本発明を具体化した実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例で説明する作業補助装置を示している。作業補助装置は、自動車のフロントガラスＷの所定箇所（周縁に沿った位置）に接着剤を塗布する作業者の作業を補助するために、作業者の操作に追従して、処理用具（塗布ガン１０）の位置や姿勢をロボットアーム２０によって調節する。
なお本実施例では、本実施例の特徴を明確に説明するために、フロントガラスＷはフラットな平面ガラスであるとし、作業者は塗布ガン１０の位置と姿勢を平面内で調節するものとする。
図１に示すように、ターンテーブル５０によって、フロントガラスＷは角速度ωで回転している。作業者は、回転しているフロントガラスＷの周縁に塗布ガン１０を用いて接着剤を塗布する作業を行う。塗布ガン１０は、吐出口１０ａから接着剤を吐出する。吐出口１０ａは、作業対象物に接着剤の塗布処理を施す処理部位である。作業者には、塗布ラインＨに沿って規定量（単位長さ当たりの塗布量）の接着剤を塗布することが求められている。塗布ラインＨは、フロントガラスＷの周縁に沿う位置に設定されている。

図１に示すように、作業者の作業空間には、作業者の作業空間に固定されたｘｙ固定座標系が定められている。この固定座標系は、原点がフロントガラスＷの回転軸Ｃ上に位置しており、回転軸Ｃに対して垂直に広がっている。また固定座標系とは別に、フロントガラスＷに固定したｘ_ｊｙ_ｊ移動座標系が定められている。この移動座標系は、原点がフロントガラスＷの回転軸Ｃ上に位置しており、回転軸Ｃに対して垂直に広がっている。固定座標系に対して移動座標系は、フロントガラスＷの回転運動に伴って角速度ωで回転している。以下では、固定座標系に対する移動座標系の回転角をαとする。
塗布ガン１０では、塗布ガン１０の向き（姿勢）に対して、塗布ガン１０の操作方向が定められている。図２に示すように、塗布ラインＨに接着剤を正しく塗布するためには、塗布ガン１０の向き（姿勢方向）Ｎを塗布ラインＨの接線方向に合わせながら、塗布ガン１０を移動させる必要がある。図中の矢印Ｒは、塗布ラインＨに対する塗布ガン１０の移動方向を示している。塗布ラインＨの接線方向に対して塗布ガン１０の姿勢Ｎが変動すると、接着剤の塗布量が変化してしまう。作業者は、回転している塗布ラインＨに追従して、塗布ガン１０の位置と姿勢を調節する必要がある。塗布ラインＨが静止している場合、塗布ガン１０の姿勢方向と塗布ガン１０が移動すべき方向は一致するが、塗布ラインＨが運動している場合は、塗布ガン１０の姿勢方向と塗布ガン１０が移動すべき方向は必ずしも一致しない。塗布ガン１０の位置と姿勢の経時変化は複雑なものとなる。

図１に示すように、作業補助装置は、作業者が塗布ガン１０に加えている操作力を検出する力覚センサ６と、塗布ガン１０の位置と姿勢を変化させるロボットアーム（アクチュエータ）２０と、ロボットアーム２０の動作を制御するコントローラ３０と、電子計算機４０と、フロントガラスＷを支持して回転させるターンテーブル５０を備えている。ターンテーブル５０には、フロントガラスＷの回転角を検出するためのエンコーダ５４が設けられている。
塗布ガン１０は、力覚センサ６を介してロボットアーム２０の先端部に取り付けられている。力覚センサ６やエンコーダ５４は、電子計算機４０に接続されている。電子計算機４０は、コントローラ３０に接続されている。

力覚センサ６は、作業者が塗布ガン１０に加えている操作力を検出するためのセンサである。力覚センサ６は、作業者が塗布ガン１０に加えている操作力をｘｙ固定座標系で検出する。図３に示すように、力覚センサ６は、固定座標系における操作力のなかで、少なくともｘ軸方向の操作力ｆ_ｘと、ｙ軸方向の操作力ｆ_ｙと、ｘｙ平面内の回転方向の操作力ｆ_θの３方向の操作力を検出することができる。
力覚センサ６では、塗布ガン１０を脱着できるように構成されており、他の各種の処理用具を装着可能に構成されている。力覚センサ６は、塗布ガン１０に限らず、作業者が各種の処理用具に加えている操作力を検出することもできる。力覚センサ６の出力信号は電子計算機４０に入力される。
ロボットアーム２０は、複数のリンクが複数の関節を介して連結されている多関節ロボットアームである。ロボットアーム２０は、複数の関節の各関節角を回転させるアクチュエータ群（図示せず）を備えている。ロボットアーム２０は６軸の自由度を持つロボットアームである。ロボットアーム２０は、塗布ガン１０の位置と姿勢を自由に変化させることができる。
なお、塗布ガン１０の位置は、図３に示す基準点Ｐ_０の位置（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ）によって記述する。また塗布ガン１０の姿勢は、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎとｙ軸方向とがなす回転角θ（以下、この回転角θを姿勢角θということがある）よって記述する。塗布ガン１０の位置と姿勢（以下、位置姿勢ということがある）は、位置姿勢行列ｑ＝［ｘ_ｍ，ｙ_ｍ，θ］^Ｔによって記述することができる。行列の右肩に付す記号Ｔは、転置行列を示すものであり、位置姿勢行列ｑは３行１列の行列（列ベクトル）である。なお、吐出口１０ａは、基準点Ｐ_０から塗布ガン１０の姿勢方向Ｎに沿って距離Ｌ１だけ離れている。

コントローラ３０は、ロボットアーム２０の動作を制御する。コントローラ３０には、電子計算機４０から塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢の目標値を入力される。また、ロボットアーム２０の各アクチュエータにはエンコーダが取り付けられており、コントローラ３０はエンコーダ群の出力信号から塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢の実際値を把握している。コントローラ３０は、塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢の目標値と実際値を比較しながら、ロボットアーム２０の動作をフィードバック制御する。コントローラ３０が検出した塗布ガン１０の位置姿勢の実際値は、電子計算機４０にも入力される。ロボットアーム２０およびコントローラ３０には、市販のロボットアームシステムを採用することができる。
ターンテーブル５０は、フロントガラスＷを支持する支持軸５２を備えている。支持軸５２は回転することができ、支持しているフロントガラスＷを回転させる。支持軸５２の回転速度は調節可能となっている。本実施例では、一定の角速度ωで回転駆動するように調節されている。またターンテーブル５０は、支持軸５２の回転角を検出するエンコーダ５４を備えている。エンコーダ５４の出力信号は、電子計算機４０に入力される。

電子計算機４０は、力覚センサ６の出力信号や、塗布ガン１０の位置姿勢に関するコントローラ３０の出力信号や、ターンテーブル５０のエンコーダ５４の出力信号に基づいて、塗布ガン１０にとらせる位置姿勢を計算する。詳しくは、塗布ガン１０の位置姿勢の目標値を所定時間Δｔ毎に計算する。電子計算機４０は、記憶部であるＲＯＭ、ＲＡＭや、演算部であるＣＰＵや、入出力ポート等を備えている。
図４に、電子計算機４０が実行する処理の流れを示すフローチャートを示す。電子計算機４０は、図４に示す処理フローを、所定時間Δｔ毎に繰り返し実行する。図４に示すフローに沿って、作業支援装置の動作の流れを説明する。電子計算機４０は、以下に説明する処理を実行するためのプログラムやデータを、ＲＯＭやＲＡＭに記憶している。

図４のステップＳ２では、固定座標系におけるフロントガラスＷの回転角α（ｔ）と角速度ω（ｔ）を検出する。電子計算機４０は、ターンテーブル５０のエンコーダ５４の出力信号に基づいて、フロントガラスＷの回転角α（ｔ）や角速度ω（ｔ）を検出することができる。固定座標系におけるフロントガラスＷの回転角α（ｔ）と角速度ω（ｔ）は、固定座標系に対する移動座標系の回転角α（ｔ）と角速度ω（ｔ）に等しい。
ステップＳ４では、力覚センサ６の出力値から、固定座標系における操作力ｆ（ｔ）＝［ｆ_ｘ，ｆ_ｙ，ｆ_θ］^Ｔを検出する。
ステップＳ６では、移動座標系における操作力ｆ_ｊ（ｔ）＝［ｆ_ｘｊ（ｔ），ｆ_ｙｊ（ｔ），ｆ_θｊ（ｔ）］^Ｔに変換する。移動座標系における操作力ｆ_ｊと、固定座標系における操作力ｆとの間には、次式の関係が成立する。
ｆ_ｘｊ＝（ ｃｏｓα）・ｆ_ｘ＋（ｓｉｎα）・ｆ_ｙ
ｆ_ｙｊ＝（−ｓｉｎα）・ｆ_ｘ＋（ｃｏｓα）・ｆ_ｙ
ｆ_θｊ＝ｆ_θ
電子計算機４０は、ステップＳ２で検出したフロントガラスＷの回転角α（ｔ）と、ステップＳ４で検出した固定座標系における操作力ｆ（ｔ）から、上記の関係を用いて移動座標系における操作力ｆ_ｊ（ｔ）に変換する。

ステップＳ８では、塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢ｑ（ｔ）＝［ｘ_ｍ（ｔ），ｙ_ｍ（ｔ），θ（ｔ）］^Ｔと、その速度ｄｑ（ｔ）／ｄｔ＝［ｄｘ_ｍ（ｔ）／ｄｔ，ｄｙ_ｍ（ｔ）／ｄｔ，ｄθ（ｔ）／ｄｔ］^Ｔを検出する。電子計算機４０は、固定座標系における塗布ガン１０の位置姿勢ｑ（ｔ）を、コントローラ３０から入力する。また電子計算機４０は、例えば今回の動作サイクルで検出した塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢ｑ（ｔ）と、前回の動作サイクルで検出した塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢ｑ（ｔ−Δｔ）から、塗布ガン１０の固定座標系における速度ｄｑ（ｔ）／ｄｔを検出することができる。
ステップＳ１０では、塗布ガン１０の移動座標系における位置姿勢ｑ_ｊ（ｔ）＝［ｘ_ｍｊ（ｔ），ｙ_ｍｊ（ｔ），θ_ｊ（ｔ）］^Ｔと、その速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔ＝［ｄｘ_ｍｊ（ｔ）／ｄｔ，ｄｙ_ｍｊ（ｔ）／ｄｔ，ｄθ_ｊ（ｔ）／ｄｔ］^Ｔを算出する。
塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢ｑと、移動座標系における位置姿勢ｑ_ｊの間には、下記の（２）式の関係が成立する。塗布ガン１０の固定座標系における速度ｄｑ／ｄｔと、移動座標系における速度ｄｑ_ｊ／ｄｔの間には、下記の（３）式の関係が成立する。塗布ガン１０の固定座標系における加速度ｄ^２ｑ／ｄｔ^２と、移動座標系における加速度ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２の間には、下記の（４）式の関係が成立する。（２）〜（４）式中のＴを（５）式に示す。

電子計算機４０は、ステップＳ２で検出したフロントガラスＷの回転角α（ｔ）と角速度ω（ｔ）と、ステップＳ８で検出した塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢ｑ（ｔ）と速度ｄｑ（ｔ）／ｄｔから、上式を用いて塗布ガン１０の移動座標系における位置姿勢ｑ_ｊ（ｔ）とその速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔを算出する。
以上のステップによって、塗布ガン１０に加えられている操作力と、塗布ガン１０の位置姿勢と、塗布ガン１０の速度を、移動座標系で把握することができる。

ステップＳ１２では、塗布ガン１０の移動座標系における運動に対して、車輪型の運動拘束条件を設定する。図５を参照して、車輪型の運動拘束条件について説明する。図５は、仮想的な車輪軸１２が設けられている塗布ガン１０を模式的に示している。車輪軸１２は、吐出口１０ａの位置Ｐ_１に設けられている。車輪軸１２の進行方向は、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎを向いている。この車輪軸１２付きの塗布ガン１０では、車輪軸１２によって、吐出口１０ａが塗布ガン１０の法線方向Ｓへ横滑りすることが禁止される。この車輪軸１２付きの塗布ガン１０では、吐出口１０ａの移動方向が塗布ガン１０の姿勢方向Ｎと一致することとなり、塗布ガン１０を正しい操作方向に操作することが容易となる。このステップでは、作業者が操作する塗布ガン１０の運動に、この車輪軸１２が設けられた塗布ガン１０の運動を再現するための運動拘束条件を設定する。
塗布ガン１０の速度ｄｑ_ｊ／ｄｔに対して、吐出口１０ａにおける法線方向Ｓの速度は［ｃｏｓθ_ｊ，ｓｉｎθ_ｊ，−Ｌ１］・ｄｑ_ｊ／ｄｔと表される。ここで、Ｌ１は、塗布ガン１０の基準点Ｐ_０と吐出口１０ａの距離である。作業者が操作する塗布ガン１０の運動に車輪型の運動拘束を与えるためには、吐出口１０ａにおける法線方向Ｓの速度がゼロとなればよいので、車輪型の運動拘束条件は下記の（６）式で記述することができる。

図４のステップＳ１４では、ステップＳ６で算出した移動座標系における操作力ｆ_ｊ（ｔ）に基づいて、塗布ガン１０の移動座標系における加速度ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２の目標値を計算する。塗布ガン１０の移動座標系における加速度ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２の目標値は、次式を用いて計算することができる。

ここで、Ｍは塗布ガン１０の加速度に対する比例マトリクスであり、塗布ガン１０に再現する質量および慣性モーメントを記述している。Ｄは塗布ガン１０の速度に対する比例マトリクスであり、塗布ガン１０に再現する粘性係数を記述している。上記の（７）式に、ステップＳ１２で設定した運動拘束条件を記述する（６）式を加味することによって、作業者が塗布ガン１０に加えている操作力ｆ_ｊを、図５に示した車輪軸１２付きの塗布ガン１０に加えた時に生じる運動を計算することができる。以下に計算手順の一例を示す。

（６）式の運動拘束条件から、下記の（８ａ）,（８ｂ）式を定めることができる。

上記の（８）式を用いて、（７）式を下記の（９）式に変形することができる。

ただし、

である。
以上から、塗布ガン１０の加速度ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２は、下記の（１１）式によって計算することができる。

上記の（１１）式の右辺に、ステップＳ６で算出した移動座標系における操作力ｆ_ｊ（ｔ）や、ステップＳ１０で算出した塗布ガン１０の位置姿勢ｑ_ｊ（ｔ）と速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔを代入することによって、塗布ガン１０の移動座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２を計算することができる。

ステップＳ１６では、塗布ガン１０の固定座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ／ｄｔ^２を計算する。固定座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ／ｄｔ^２は、前記した（４）式を用いて計算することができる。具体的には、（４）式に、ステップＳ１０で算出した塗布ガン１０の移動座標系における位置姿勢ｑ_ｊ（ｔ）と速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔと、ステップＳ１４で計算した塗布ガン１０の移動座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２を代入して、固定座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ／ｄｔ^２を計算することができる。
ステップＳ１８では、塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢の所定時間後の目標値ｑ（ｔ＋Δｔ）を計算する。固定座標系における位置姿勢の所定時間後の目標値ｑ（ｔ＋Δｔ）は、ステップＳ８で検出した塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢ｑ（ｔ）と速度ｄｑ（ｔ）／ｄｔと、ステップＳ１６で計算した塗布ガン１０の固定座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２から、数値的な積分によって計算することができる。
ステップＳ２０では、ステップＳ１８で計算した塗布ガン１０の固定座標系における位置姿勢の所定時間後の目標値ｑ（ｔ＋Δｔ）を、コントローラ３０に教示する。コントローラ３０は、塗布ガン１０の実際の位置姿勢が所定時間後に目標値ｑ（ｔ＋Δｔ）となるように、ロボットアーム２０を制御する。

電子計算機４０は、上記した処理フローを所定時間Δｔ毎に繰り返す。その結果、作業者が操作している塗布ガン１０は、あたかも図５に示す車輪軸１２が設けられているように運動する。塗布ガン１０に実現される運動では、フロントガラスＷに対する塗布ガン１０の移動方向と、フロントガラスＷに対する塗布ガン１０の姿勢方向Ｎが連動する。それにより、例えば塗布ガン１０の姿勢方向Ｎを塗布ラインＨの接線方向に調節し続けていれば、塗布ガン１０の吐出口１０ａを塗布ラインＨに沿って移動させることができる。また、フロントガラスＷに対して塗布ガン１０が、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎのみに移動するので、接着剤の塗布量の変動が抑制される。
この作業補助装置では、作業者が塗布ガン１０をフロントガラスＷに対して相対的に移動させたときに、塗布ガン１０の位置や姿勢の変化に対して慣性力や粘性力が作用しているような操作感が作業者に与えられる。作業者は、塗布ガン１０とフロントガラスＷとの相対運動を力覚的に知ることができ、回転しているフロントガラスＷに対して塗布ガン１０を操作しやすい。

（実施例２）
本実施例では、実施例１の作業支援装置において、作業者が塗布ガン１０を操作したときに、塗布ガン１０に再現する運動特性を変更した例を説明する。
本実施例では、作業者が操作する塗布ガン１０の運動に、図６に示すように、吐出口１０ａと異なる位置に仮想的な車輪軸１４が設けられている塗布ガン１０の運動を再現する。車輪軸１４は、吐出口１０ａから塗布ガン１０の姿勢方向Ｎに沿って距離Ｌ２だけオフセットした位置Ｐ_２に設けられている。このオフセットした車輪軸１４が設けられている塗布ガン１０では、オフセットした車輪軸１４によって、吐出口１０ａから距離Ｌ２だけ離れた位置Ｐ_２の移動方向が車軸方向に規制され、塗布ガン１０の法線方向Ｓへ横滑りすることが禁止される。作業者が操作する塗布ガン１０の運動に、車輪軸１４がオフセットして設けられている塗布ガン１０の運動を再現するためには、実施例１のステップＳ１２（図４）において、以下に説明する運動拘束条件を設定すればよい。

塗布ガン１０の移動座標系における速度ｄｑ_ｊ／ｄｔに対して、吐出口１０ａから塗布ガン１０の方向Ｎに距離Ｌ２だけオフセットした位置Ｐ_２おける法線方向Ｓの速度は、［ｃｏｓθ_ｊ，ｓｉｎθ_ｊ，−（Ｌ１＋Ｌ２）］・ｄｑ_ｊ／ｄｔと表される。この法線方向Ｓの速度がゼロとなればよいので、運動拘束条件は、

と記述することができる。実施例１の運動拘束条件を記述する（６）式と比較して、Ｌ１の部分を（Ｌ１＋Ｌ２）に変更したものとなる。
以下、ステップＳ１４以降の処理を実施例１と同様に行うことによって、作業者が操作している塗布ガン１０の運動に、オフセット車輪軸１４が設けられている塗布ガン１０の運動を再現することができる。

図７は、塗布ラインＨに沿って直線部Ａから円弧部Ｂを通って直線部Ｃに至るまで、塗布ガン１０を操作したときの様子を示している。図８は、その操作時における塗布ガン１０の移動座標系における姿勢角θ_ｊの変化を経時的に示している。図８のグラフＧ２は本実施例のように吐出口１０ａからオフセットした車輪軸１４を仮想した場合の結果を示しており、グラフＧ１は実施例１のように吐出口１０ａの位置に車輪軸１４を仮想した場合を示している。グラフＧ１、Ｇ２を比較してわかるように、本実施例では、直線部Ａから円弧部Ｂに移る際や、円弧部Ｂから直線部Ｃに移る際に、姿勢角θ_ｊの変化が緩やかとなっている。これは、塗布ガン１０の姿勢の変化と、塗布ガン１０の吐出口１０ａの移動方向の変化の間に、遅れ（位相差）が生じることに起因している。作業者は、直線部と円弧部が複合する塗布ラインＨに沿って、塗布ガン１０を正しく操作することが容易となる。
仮想する車輪軸１４のオフセット量を調整したり、あるいは逆方向にオフセットさせることによって、上記の位相差（遅れや進み）を調整することができる。それにより、作業者に合わせて操作感を調整することもできる。

（実施例３）
本実施例においても、実施例１の作業支援装置において、作業者が塗布ガン１０を操作したときに、塗布ガン１０に再現する運動特性を変更したまた別の例を説明する。
本実施例では、作業者が操作する塗布ガン１０の運動に、図９に示すように、車輪軸リンク１６が吐出口１０ａの位置に回転可能に連結されている塗布ガン１０の運動を再現する。車輪軸リンク１６のリンク長さはＬ２とする。車輪軸リンク１６の方向Ｎ２は、ｙ_ｊ軸方向からの回転角φ_ｊで記述される。この車輪軸リンク１６が設けられている塗布ガン１０では、車輪軸リンク１６によって、吐出口１０ａから車輪軸リンク１６の方向Ｎ２に距離Ｌ２だけ離れた位置Ｐ_３の移動方向が車軸方向に規制され、車輪軸リンク１６の法線方向Ｓへ横滑りすることが禁止される。また、塗布ガン１０と車輪軸リンク１６の間には、両者の姿勢角θ_ｊ，φ_ｊの間にインピーダンス特性を付与するバネ−ダンパ部１８が設けられている。それにより、塗布ガン１０には下記の（１３）式で記述される反力トルクｆ_ｃｊが付与される。この処理用具モデルでは、処理用具１０に対して所定の位置関係にある部位Ｐ_３の移動方向が、処理用具１０の姿勢の変化よりも遅れて変化する。

作業者が操作する塗布ガン１０の運動に、車輪軸リンク１６が設けられている塗布ガン１０の運動を再現するためには、実施例１のステップＳ１２（図４）において、以下に説明する運動拘束条件を設定すればよい。
本実施例では、図４に示すステップＳ１２において、実施例１の運動拘束条件に換えて、図９に示す車輪軸リンク１６が設けられている塗布ガン１０の運動を再現するための運動拘束条件を設定する。
塗布ガン１０の移動座標系における速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔと車輪軸リンク１６の回転速度ｄφ_ｊ／ｄｔに対して、吐出口１０ａから車輪軸リンク１６の方向Ｎ２に距離Ｌ２だけオフセットした位置Ｐ_３おける法線方向Ｓの速度は、［ｃｏｓφ_ｊ，ｓｉｎφ_ｊ，−Ｌ１ｃｏｓ（φ_ｊ−θ_ｊ），−Ｌ２］・［（ｄｑ_ｊ／ｄｔ）^Ｔ，ｄφ_ｊ／ｄｔ］^Ｔと表される。この法線方向Ｓの速度がゼロとなればよいので、運動拘束条件は下記の（１４）式で記述することができる。

図４に示す次のステップＳ１４では、上記の（１４）式を用いて、塗布ガン１０の移動座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２を計算する。本実施例では、塗布ガン１０に、（１６）式で示した反力トルクｆ_ｃｊが付与されることから、加速度の目標値ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２は次の（１５）式を用いて計算することができる。

上記の（１５）式に、上記の（１４）式を加味することによって、図９に示した車輪軸リンク１６が設けられた塗布ガン１０の運動を計算することができる。以下に計算手順の一例を示す。
（１４）式に、ステップＳ１０で算出した塗布ガン１０の移動座標系における位置姿勢ｑ_ｊ（ｔ）と速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔと、前回の動作ステップで計算した車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊ（ｔ−Δｔ）を代入して、車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊの変化速度ｄφ_ｊ（ｔ）／ｄｔを計算することができる。計算した姿勢角φ_ｊの変化速度ｄφ_ｊ（ｔ）／ｄｔを積分することによって、車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊ（ｔ）を計算することができる。次いで、（１５）式に、塗布ガン１０の移動座標系における位置姿勢ｑ_ｊ（ｔ）と速度ｄｑ_ｊ（ｔ）／ｄｔと、計算した車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊ（ｔ）と変化速度ｄφ_ｊ（ｔ）／ｄｔを代入して、塗布ガン１０の移動座標系における加速度の目標値ｄ^２ｑ_ｊ／ｄｔ^２を計算することができる。
以下、ステップＳ１６以降の処理を行うことによって、作業者が操作している塗布ガン１０の運動に、車輪軸リンク１６が設けられている塗布ガン１０の運動を再現することができる。

図１０は、塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０を操作したときの様子を示している。図１０に示すように、本実施例によると、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎが変化する際に、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎと塗布ガン１０の移動方向Ｎ２とが異なることとなる。姿勢方向Ｎと移動方向Ｎ２の間にはインピーダンス特性が付与されているので、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎの変化に対して、塗布ガン１０の移動方向Ｎ２の変化に遅れ（位相差）が生じる。この遅れが生じることによって、作業者は塗布ガン１０の軌道や姿勢の修正をより自然な感覚で行うことが可能となる。

（実施例４）
本実施例では、実施例３で説明した作業支援装置において、塗布ガン１０と車輪軸リンク１６の間に設けられているバネ−ダンパ部１８の特性を、作業支援中に調整する例について説明する。
図９に示すバネ−ダンパ部１８の特性は、前記した（１６）式中の比例係数Ｋ_ｃや比例係数Ｄ_ｃを増減調整することによって、調整することができる。本実施例では、前記した（１６）式中の比例係数Ｋ_ｃを、車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊと塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊとの差分｜φ_ｊ−θ_ｊ｜（絶対値）に応じて増減調整する例について説明する。

図１１は、本実施例で用いる比例係数Ｋ_ｃと角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜との関係の一例を示している。図１１に例示するような比例係数Ｋ_ｃと角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜との関係は、予め電子計算機４０に教示しておくことができる。図１１に示すように、比例係数Ｋ_ｃは、角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜に応じて増減変化するように定められている。詳しくは、角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜が大きいほど、比例係数Ｋ_ｃは小さく定められている。電子計算機４０は、教示された比例係数Ｋ_ｃと角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜との関係を参照して、反力トルクｆ_ｃｊの計算に用いる比例係数Ｋ_ｃを、角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜に応じて決定することができる。それにより、作業支援中において、角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜が大きいときほど、塗布ガン１０に付与される反力トルクｆ_ｃｊは小さくなり、角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜が小さいときほど、塗布ガン１０に付与される反力トルクｆ_ｃｊは小さくなる。なお、図１１中のＫｃ（φ_ｊ−θ_ｊ）を記述する式において、Ｋ１は比例係数Ｋ_ｃの最小値であり、Ｋ２は比例係数Ｋ_ｃの最大値であり、γは調整用のパラメータである。これらのＫ１、Ｋ２、γは、作業者が感じる操作感等を加味して適宜設定することができる。

フロントガラスＷの塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０を操作する場合、塗布ラインＨの直線部では、塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊを移動座標系において略一定に維持する必要がある。塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊを移動座標系において略一定に維持している間、即ち、姿勢角θ_ｊの変化速度ｄθ_ｊ／ｄｔが小さい状態では、車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊと塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊとの角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜が、比較的に小さく計算される。このとき本実施例では、比例係数Ｋ_ｃが比較的に大きく設定されることから、塗布ガン１０の姿勢変化に対して、反力トルクｆ_ｃｊが比較的に大きく付与される。従って、塗布ラインＨの直線部に沿って塗布ガン１０を操作している間は、塗布ガン１０の姿勢を変化させるのに要する操作力が、比較的に大きくなる。換言すれば、作業者が塗布ガン１０に加えた操作力に対して、塗布ガン１０の姿勢変化が抑制される。例えば作業者が手ぶれ等を起こした場合でも、塗布ガン１０の姿勢変化は小さく抑えられ、直線状の塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０の姿勢を正しく維持することができる。
一方、塗布ラインＨの円弧部に沿って塗布ガン１０を操作する場合では、塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊを移動座標系において大きく変化させる必要がある。塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊを移動座標系において大きく変化させている間、即ち、姿勢角θ_ｊの変化速度ｄθ_ｊ／ｄｔが大きい状態では、上記した車輪軸リンク１６の姿勢角φ_ｊと塗布ガン１０の姿勢角θ_ｊとの角度差｜φ_ｊ−θ_ｊ｜が、比較的に大きく計算される。このとき本実施例では、比例係数Ｋ_ｃが比較的に小さく設定されることから、塗布ガン１０の姿勢変化に対して、反力トルクｆ_ｃｊが比較的に小さく付与される。従って、塗布ラインＨの円弧部に沿って塗布ガン１０を操作している間は、塗布ガン１０の姿勢を変化させるのに要する操作力が、比較的に小さくなる。作業者は、過大な反力を受けることなく、円弧状の塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０の姿勢を容易に変化させることができる。
本実施例の技術を用いることによって、塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０を操作したときに、直線や曲線といった塗布ラインＨの形状に応じて、塗布ガン１０の操作性を適切に調整することが可能となる。

（実施例５）
本実施例では、塗布ガン１０に再現する運動特性に、塗布ガン１０が能動的に移動する自走特性を加える例について説明する。本実施例で説明する自走特性は、実施例１〜４で説明した各種の方式に、適宜付与することができる。以下では、実施例１の方式に、自走特性を加える例について説明する。
図１２は、自走特性が付与された塗布ガン１０のモデルを示している。図１２に示すように、本実施例では、塗布ガン１０に再現する運動を計算する際に、作業者による操作力に加えて、塗布ガン１０に作用する自走力ｆ_ｆｊを設定する。このとき自走力ｆ_ｆｊは、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎに沿って設定する。自走力ｆ_ｆｊは、例えば、塗布ガン１０の姿勢方向Ｎに沿った流れ場（速度Ｖ_ｒ）を仮想し、その流れ場から塗布ガン１０に加えられる粘性力Ｄ_ｒ・Ｖ_ｒを計算して、塗布ガン１０に加える自走力ｆ_ｆｊに用いることができる。

図１３は、本実施例において、電子計算機４０が実行する処理の流れを示すフローチャートである。図１３に示すフローは、実施例１で説明した図４に示すフローと比較して、新たなステップＳ１１が、ステップＳ１０とステップＳ１２の間に挿入されている。図１３に示すフローに沿って、塗布ガン１０に自走特性を加える処理動作について説明する
図１３に示すように、電子計算機４０は、ステップＳ２〜ステップＳ１０の処理を実施例１と同様に実行して、塗布ガン１０に加えられている操作力と、塗布ガン１０の位置姿勢と、塗布ガン１０の速度を、移動座標系で把握する。
ステップＳ１１では、ステップＳ６で計算した移動作業系における操作力ｆ_ｊに、図１２に示した自走力ｆ_ｆｊを付与する。図１２に示した自走力ｆ_ｆｊ＝Ｄ_ｒ・Ｖ_ｒは、下記する（１６）式と、ステップＳ１０で計算した塗布ガン１０の移動座標系における姿勢角θ_ｉを用いて計算することができる。なお、流れ場の速度Ｖ_ｒやそれに対する比例係数Ｄ_ｒは、予め電子計算機４０に教示しておくことができる。このとき、流れ場の速度Ｖ_ｒは、例えば一定の値とすることもできるし、移動座標系における位置に応じて変化するように定めることもできる。

ステップＳ１２以降の処理は、操作力ｆ_ｊの代わりにステップＳ１１で計算した操作力ｆ_ｊと自走力ｆ_ｆｊとの合力（ｆ_ｊ＋ｆ_ｆｊ）を用いることを除いて、実施例１と同様に実行される。それにより、作業者が塗布ガン１０を操作したときに、図１２に示した自走力ｆ_ｆｊが付加された運動が塗布ガン１０に再現される。
また、ステップＳ１２における運動拘束式の設定処理において、実施例２で説明した運動拘束式（（１２）式）や、実施３で説明した運動拘束式（（１４）式）を用いることによって、実施例２や実施例３の方式に自走特性を付与した作業補助を実現することができる。

通常、フロントガラスＷの塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０を操作する際に、作業者は、塗布ガン１０の姿勢を塗布ラインＨの接線方向に維持しつつ、塗布ガン１０を塗布ラインＨに沿って移動させる必要がある。作業者は、塗布ガン１０の位置と姿勢の両者を調整する必要があり、困難な作業を強いられる。
本実施例の技術によると、塗布ガン１０は自身の姿勢方向Ｎに向けて能動的に移動することから、塗布ガン１０の姿勢が塗布ラインＨの接線方向に維持されていれば、塗布ガン１０は塗布ラインＨに沿って能動的に移動する。従って、フロントガラスＷの塗布ラインＨに沿って塗布ガン１０を操作する際に、塗布ガン１０の姿勢を塗布ラインＨの接線方向に維持する操作のみが必要とされ、塗布ガン１０を塗布ラインＨに沿って移動させる操作を不要にすることができる。作業者は、塗布ガン１０の姿勢を調整する操作に専念することが可能となり、塗布ガン１０を塗布ラインＨに沿って正確に操作することが可能となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本発明の技術は、作業対象や処理用具によって限定されるものではなく、様々な作業対象に対して様々な処理用具を操作する作業に適用できる。このときの作業対象は、実体のある物体に限られず、コンピュータ画面等に再現表示されている仮想物体であってもよい。
本発明の技術は、人が直接的に処理用具を操作する作業に限られず、人が処理用具を遠隔操作する作業にも適用できる。人が処理用具を模した操作子を操作し、人の操作に追従するようにアクチュエータがその操作子の位置と姿勢を調節する。それと並行して、実際の処理を施す処理用具の位置と姿勢を、また別のアクチュエータによって同様に調節すればよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

作業補助装置の構成を示す図。 塗布ガンに所望される運動を示す図。 塗布ガンの位置姿勢の基準となる点を示す図。 電子計算機が実行する処理の流れを示すフローチャート。 車輪軸が吐出口の位置に設けられている塗布ガンを示す模式図。 車輪軸が吐出口からオフセットして設けられている塗布ガンを示す模式図。 実施例２による塗布ガンの運動を示す図。 実施例２による塗布ガンの姿勢角の変化を経時的に示す図。 車輪軸が吐出口に回転可能に連結されている塗布ガンを示す模式図。 実施例３による塗布ガンの運動を示す図。 実施例４で用いる角度差φ_ｊ−θ_ｊと比例係数Ｋ_ｃの関係を例示するグラフ。 実施例５で付加する自走特性を説明する図。 実施例５の電子計算機が実行する処理の流れを示すフローチャート。

符号の説明

６・・力覚センサ
１０・・塗布ガン（処理用具）
１２・・車輪軸
１４・・オフセットした車輪軸
１６・・車輪軸リンク
２０・・ロボットアーム（アクチュエータ）
３０・・コントローラ
４０・・電子計算機
５０・・ターンテーブル
５４・・エンコーダ
Ｈ・・塗布ライン

Claims (11)

1. 作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、人の操作に追従して、処理用具の位置と姿勢を調節する作業補助装置であって、
   人が処理用具に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、
   操作力検出手段で検出した操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を計算する運動計算手段と、
   所定時間後の処理用具の位置と姿勢を、運動計算手段で計算した位置と姿勢に調節するアクチュエータと、
   を備える作業補助装置。
2. 前記処理用具モデルでは、処理用具の処理部位の移動方向が、処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されていることを特徴とする請求項１の作業補助装置。
3. 前記処理用具モデルでは、処理用具の処理部位から所定方向に所定距離だけオフセットした部位の移動方向が、処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されていることを特徴とする請求項１の作業補助装置。
4. 前記処理用具モデルでは、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が、処理用具の姿勢の変化よりも遅れて変化することを特徴とする請求項１から３のいずれかの作業補助装置。
5. 前記処理用具モデルでは、処理用具の姿勢の変化速度が大きいときほど、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向と処理用具の姿勢との角度差が大きくなることを特徴とする請求項４の作業補助装置。
6. 前記運動計算手段は、検出した操作力に、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向と処理用具の姿勢との角度差に所定の係数を乗じたトルクを加算して、処理用具の位置と姿勢を計算することを特徴とする請求項５の作業補助装置。
7. 前記運動計算手段は、前記トルクを計算する所定の係数を、前記角度差が大きいときほど、小さく設定することを特徴とする請求項６の作業補助装置。
8. 前記運動計算手段は、検出した操作力に、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向に沿う所定の力を加算して、処理用具の位置と姿勢を計算することを特徴とする請求項１から７のいずれかの作業補助装置。
9. 作業空間に固定された座標系で、作業対象物の位置と姿勢の経時的変化を検出する手段をさらに備えており、
   前記運動計算手段は、作業対象物に固定された座標系で計算した処理用具の位置と姿勢に、検出した作業対象物の位置と姿勢を加味して、作業空間に固定された座標系における処理用具の位置と姿勢を計算することを特徴とする請求項１から８のいずれかの作業補助装置。
10. 作業空間内で回転している作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、人の操作に追従して、処理用具の位置と姿勢を調節する作業補助装置であって、
    人が処理用具に加えている操作力を作業空間に固定された座標系で検出する操作力検出手段と、
    検出された操作力を作業対象物に固定された座標系に変換する手段と、
    作業対象物に固定された座標系に変換された操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を作業対象物に固定された座標系で計算する第１運動計算手段と、
    第１運動計算手段で計算された処理用具の位置と姿勢に、作業空間に固定された座標系において前記所定時間内に生じる処理用具の位置と姿勢の変化を加え、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を作業空間に固定された座標系で計算する第２運動計算手段と、
    所定時間後の処理用具の位置と姿勢を、第２運動計算手段で計算した位置と姿勢に調節するアクチュエータと、
    を備える作業補助装置。
11. 作業対象物の所定箇所に処理を施す人の作業を補助するために、人の操作に追従して、処理用具の位置と姿勢を調節する方法であって、
    人が処理用具に加えている操作力を検出する操作力検出工程と、
    操作力検出工程で検出した操作力を、処理用具に対して所定の位置関係にある部位の移動方向が処理用具の姿勢から決まる所定の方向に規制されている処理用具モデルに加えたときに、所定時間後に現れる処理用具の位置と姿勢を計算する運動計算工程と、
    処理用具の位置と姿勢を変化させるアクチュエータを制御し、所定時間後の処理用具の位置と姿勢を、運動計算工程で計算した位置と姿勢に調節する工程と、
    を備える作業補助方法。

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