作業モード切替点設定方法とその装置及び作業補助装置
【課題】 作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定する。
【解決手段】 作業モード切替点設定装置１０ａのコントローラ１４ａの物理データ記憶部３２には作業者が加えた操作物理量（操作力）と移動機構１２に支持された対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）が入力される。クラスタリング部３８では操作物理量と対象物物理量を含むｎ個の物理量を要素とするｎ次元の点群をクラスタリングする。操作物理量まで含めてクラスタリングするので作業モードごとに精度よく点群を分類できる。境界設定部４０ではｎ個の物理量から操作物理量を除いたｍ個の物理量に基づいて各クラスタに属する点群をｍ次元空間で分離する境界面を設定する。その境界面が作業モードの切替点となる。
【解決手段】 作業モード切替点設定装置１０ａのコントローラ１４ａの物理データ記憶部３２には作業者が加えた操作物理量（操作力）と移動機構１２に支持された対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）が入力される。クラスタリング部３８では操作物理量と対象物物理量を含むｎ個の物理量を要素とするｎ次元の点群をクラスタリングする。操作物理量まで含めてクラスタリングするので作業モードごとに精度よく点群を分類できる。境界設定部４０ではｎ個の物理量から操作物理量を除いたｍ個の物理量に基づいて各クラスタに属する点群をｍ次元空間で分離する境界面を設定する。その境界面が作業モードの切替点となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者自身が一連の作業を行う際の作業モードの切替点を設定する方法と装置に関する。また、支持した対象物を移動させる移動機構の制御アルゴリズムを設定された切替点に基づいて切り替えて作業者が対象物を移動させる作業を補助する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークや作業器具などの対象物を作業者が直接持って移動させる代わりに、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる機構によって作業者の作業を補助する作業補助装置が開発されている。作業補助装置は操作子を備えている。作業者が操作子を操作すると、その操作に従って移動機構が動作し、対象物を初期の位置から目的の位置へ移動させることができる。作業の種類としては、例えば重量物の搬送であったり、部品を所定の位置に組み付ける作業であったりする。
作業者が作業補助装置を利用して対象物を初期の位置から目的の位置へ移動させる一連の作業を詳細に観察すると、作業者は一連の作業中に幾つかの異なる作業目的を経時的に切り替えていることがわかる。例えば作業初期には静止している対象物を加速させようとする目的で操作子を操作する。次に対象物を概ね目的位置の方向へ向けて移動させる目的で操作子を操作する。目的位置付近では対象物の移動速度を減速させる目的で操作子を操作する。最後に目的の位置へ対象物を位置決めする目的で操作子を操作する。この作業目的は作業者が意識的に切り替えている場合もあるが無意識的に切り替えている可能性もある。本明細書では、これらの夫々の作業目的に基づいた作業者の操作を作業モードと呼ぶことにする。例えば作業初期に静止している対象物を加速させようとする目的で操作子を操作することを加速作業モードと呼ぶ。対象物を概ね目的位置の方向へ向けて移動させる目的で操作子を操作することを移動方向制御作業モードと呼ぶ。目的位置付近で対象物の移動速度を減速させる目的で操作子を操作することを減速作業モードと呼ぶ。目的の位置へ対象物を位置決めする目的で操作子を操作することを位置決め作業モードと呼ぶ。作業補助装置が夫々の作業モードに応じて移動機構を制御するアルゴリズムを切り替えることができれば作業者の作業を一層効果的に補助することが容易になる。
【０００３】
作業モードを切り替えたことを作業者が明示的に作業補助装置に指示するように構成すれば、その指示に従って移動機構を制御するアルゴリズムを切り替えればよい。しかしそれでは作業者に余計な操作を強いることになる。また作業者が無意識に作業モードを切り替える場合もある。従って作業者が作業モードを切り替える条件を作業補助装置が判断できることが望ましい。
【０００４】
特許文献１には、対象物の加速度の値などによって予め作業モードが分割されており、移動機構を制御するためのインピーダンス制御則中の仮想質量や仮想粘性係数などのパラメータを各作業モードに応じて調整する技術が開示されている。例えば静止している対象物を加速させる作業モードでは仮想質量を小さい値に変更することによって、作業者は小さな操作力を操作子に加えるだけで重量物を加速させることができる。また目的位置付近で対象物を減速させる作業モードでは仮想粘性係数を大きい値に変更することによって、作業者は操作子に加える力を調整せずとも対象物を徐々に減速させることができる。
また特許文献２には、作業中の作業者の操作状態と対象物の所定の状態を検出して作業状態（作業モード）を推定し、推定された作業状態に基づいて移動機構の制御アルゴリズムを切り替える技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−８４８８１号公報
【特許文献２】特開２００５−１１８９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、複数の被験者に各種の搬送作業を実施してもらい、そのときの加速度の経時的なデータから作業補助装置の設計者が主観的に作業モードの切替点を設定している。作業モードの切替点を設計者が主観に基づいて設定するために、設定された切替点と実際に作業者が作業中に作業モードを切り替える点とが一致しない場合がある。
また、作業には対象物の位置や速度あるいは作業者が操作子に加える操作力など複数の物理量が関わっている。作業モードの作業目的によってはその作業モードの特徴をよく表す物理量が異なる場合がある。どの物理量がその作業モードを特徴付けるかは事前にはわからない。複数の物理量の変化の組み合わせがその作業モードを特徴付ける可能性もある。
作業モードを特徴付ける物理量が分からない場合や複数の物理量がその作業モードを特徴付ける場合などでは、設計者の主観に基づいていては作業モード切替点を正確に設定することは至難となる。
【０００７】
特許文献２では、作業中に作業モードが切り替えられたことを推定する。この推定は、作業中の作業者の操作状態と対象物の所定の状態を検出して行われる。より具体的にはその推定には、隠れマルコフモデルやニューラルネットワークあるいはファジイ推論が用いられる。ファジイ推論などは、その作業モードを特徴付ける物理量が予め明確でないような場合には有効であるかもしれない。しかし特許文献２では作業中の作業者の操作状態と対象物の所定の状態から作業モードを推定するため、推定誤差が生じる可能性がある。
【０００８】
作業モードに応じて移動機構の制御アルゴリズムを切り替える作業補助装置では、実際の作業モードと作業補助装置が判別又は推定した作業モードが異なると、実際の作業モードには不適切な移動機構の制御アルゴリズムが選択されてしまう。そのため作業補助装置の動作が反って作業者の作業を困難にしてしまうおそれがある。
作業者が作業補助装置を利用する場合には、作業者が作業モードを切り替える点とできるだけ一致するように、作業補助装置が各作業モードに対応した制御アルゴリズムを切り替える切替点を設定することのできる技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
作業モードが切り替えられると、作業の内容によって作業に関する物理量のいずれかが他の物理量より大きく変化する。作業に関する物理量のいずれもが大きく変化しないということは、同じような作業が続いている、即ち同じ作業モードが続いていると考えられるからである。
大きく変化する物理量はひとつの場合もあれば複数の物理量の複合的な変化である可能性もある。見方を変えれば各作業モードの特徴をよく表す何らかの物理量が存在する。作業に関する物理量には、対象物そのものの移動に関する物理量（対象物物理量と称する）と、作業者が操作子に加える物理量（操作物理量と称する）がある。
そこで作業者が作業モードを切り替える切替点を作業補助装置内のデータとして設定するには、作業者にその作業を実行してもらい、そのときの作業に関するできるだけ多くの物理量を経時的に記憶し、記憶した多くのデータに基づいて作業モードの切替点を設定することが合理的である。
【００１０】
しかし一方では操作物理量は作業モードの切替点のパラメータに含むべきではない。操作物理量は作業者が自身の作業モードを切り替えた結果により生じる物理量であり作業モードを切り替えるためのパラメータではないからである。例えば、作業中に作業者は対象物が目的地位置付近に近づいたことを視認したとする。作業者は視認した結果に基づいて作業モードを等速移動作業モードから位置決め作業モードに切り替える。作業モードを切り替えた結果、作業者が操作子に与える操作物理量が変化する。操作物理量は作業モードの切替点を設定する際のパラメータに用いるべきではない。
【００１１】
そこで本発明では、作業モードの特徴をよく掴むために、作業中の操作物理量と対象物物理量の両方を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する。ｎ個の物理量の値で構成されるｎ次元の点群をクラスタリングする。クラスタリングされた各クラスタは作業モードの特徴をよく表すものとなる。その上で各クラスタに属する点群を、ｎ個の物理量から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間で夫々異なる領域に含まれるようにｍ次元空間を領域分割する。領域分割した際の境界が作業モード切替点となる。即ち次に作業を行った際、作業中に検出されるｍ個の対象物物理量の値で示されるｍ次元空間内の軌跡が境界を通過した時点が作業モードの切替点として設定できる。設定された切替点には操作物理量は含まれない。
【００１２】
本発明によれば、作業モードごとの特徴をより正確に掴むために作業中の操作物理量と対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する。作業中の操作物理量と対象物物理量を含むｎ個の物理量の所定時間毎のデータから各作業モードの特徴をよく表す点群の集合（クラスタ）を得ることができる。各クラスタの点群によって作業モードをより正確に分離できる。各クラスタから操作物理量を除いたｍ個の物理量で表されるｍ次元空間内で各クラスタの点群を夫々含む領域に分割する。領域を分割する境界が作業モードの切替点となる。切替点の設定には操作物理量は含まれず、対象物物理量のみから設定される。作業モードをその特徴によって正確に分離した上で対象物物理量に依存する操作モードの切替点を設定することが可能となる。
【００１３】
本発明は、操作子と、支持した対象物を動力によって移動させる移動機構とを有しており、作業者が操作子を操作することによって移動機構への指示が入力される作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定する方法に具現化できる。この方法は、作業者によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する工程と、移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する工程と、一連の作業を実行し、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する工程を有する。
さらに、記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング工程と、「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定工程と、設定されたｍ次元空間の作業モード境界のデータを作業モードの切替点として記憶する工程を有する。
【００１４】
ここで操作物理量とは例えば操作子に加えられる操作力や操作子の位置などがある。操作子がジョイスティックであれば操作物理量はジョイスティックの傾斜角や傾斜方向などでもよい。また、対象物物理量とは例えば、対象物の位置や速度や加速度などがある。
また「所定時間毎」とは例えばサンプリング周期毎でよい。
また「クラスタリング」とは、点群をその類似度に基いて分類すること、またそのための統計学的手法のことである。例えば、ｎ次元空間内で点間距離の近い点同士をまずグループ化し、夫々のグループ内の点群の平均位置の近いグループ同士を融合することを繰り返して点群全体を最終的に幾つかのグループに分割する手法が知られている。
また、「ｎ個の物理量」とは、検出可能な全ての物理量であってもよいし、検出可能な物理量のうちの幾つかを選択したものであってもよい。幾つかの物理量を選択する場合には、ＧＭＤＨ（Group Method of Data Handling）といわれる手法を用いてその作業に関わる度合いの高い物理量のみを選択してもよい。さらに「ｎ」が４以上の場合には「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間は超空間となる。
また、「一連の作業を実行」するとは、１回の実行でもよいし複数回の実行であってもよい。
また「特定数のクラスタに分類する」場合の特定数とは任意の数であってよいが作業モードをあまりに多くの数に分割することは好ましくはない。特定数とは概ね２から６程度が好ましい。
さらに、境界設定工程は、例えば隣接する２つのクラスタの夫々に属する点群から互いに他方のクラスタに属する点群に近い複数の点を抽出し、それらの点から最小二乗法によってｍ次元空間を２分する平面（ｍが２の場合は直線となり、ｍが４以上の場合は超平面となる）を領域の境界として分割すればよい。このとき、複数の点の平均をとるので「夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する」とは、各クラスタに属する点群全てがｍ次元空間の同一の領域に含まれるように分割するのみならず、クラスタの外縁付近の点は「同一の領域」に含まれなくともクラスタに属する大半（好ましくは９０％以上）の点群が「同一の領域」に含まれるように分割することを含む。
【００１５】
上記方法によれば、一連の作業を実行した際に操作物理量と対象物物理量の両者を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点の所定時間毎のデータが記憶される。記憶されたｎ次元の点群をクラスタリングする。その際に操作物理量と対象物物理量の両者を含むｎ次元の点群がクラスタリングされる。よって操作物理量も含めた作業モードの特徴をよく表すクラスタリングができる。
操作物理量を除くｍ次元空間において、各クラスタに含まれるｎ次元の点群が一つの領域に含まれるように領域分割する。領域を分割する境界が作業モードの切替点として設定できる。設定された作業モードの切替点には操作物理量は含まれない。本来作業モード切替点には含まれるべきではない操作物理量を用いて作業モードの特徴をよく表すクラスタを得た後に操作物理量を含まずに作業モード切替点を設定することができる。
【００１６】
境界設定工程は、作業終了時のｍ個の物理量の値で特定される点を原点とするｍ次元空間を設定し、隣接する２つのクラスタの夫々に属する点群から互いに他方のクラスタの点群に近い複数の点を抽出し、抽出された複数の点の平均位置を求め、原点を中心にして原点からその平均位置までの距離を半径とする球面を作業モード境界とすることが好ましい。
【００１７】
作業終了時には対象物は目的位置で静止する。従って作業終了時のｍ個の物理量の値は常に等しくなる。上記方法では、この作業終了時のｍ次元の点の位置を原点としたｍ次元空間を設定する。各作業モード領域の境界はその原点からｍ次元空間の球面となる。換言すれば、各作業モード領域は、原点からｍ次元の点の距離が所定範囲内となる領域となる。
これは、各作業モードにおいて、対象物物理量のうちのある物理量が大きすぎた場合には他の物理量がその大きすぎた物理量を抑制する方向に変化し、全体として作業目的を達成するという知見に基づく。例えば、対象物を等速に移動させる作業モードにおいて、速度が速すぎた場合には速度を落とすように操作力が加えられる。そのため対象物の加速度が変化する。その結果、速度と加速度を要素とする２次元の点の原点からの距離は概ね同じとなる。即ち、作業に関するｍ個の物理量の値で示されるｍ次元の点において、ｍ個の物理量のうち幾つかの要素の値が過去の作業時の物理量の値と大きく異なっていても、他の要素の値がｍ次元の点の位置を同じ作業モードの領域に属するように変化する。
上記方法によれば、ｍ次元の点の要素の値のうち幾つかの値が過去の作業時の物理量の値と大きく異なっていてもそのｍ次元の点は同じ作業モードに属するものとして判断することが可能となる。
【００１８】
境界設定工程は、ｎ次元の各要素の値を正規化した点群に基づいて求めた前記球面を作業モード境界とすることが好ましい。
ここで正規化するとは、一連の作業で取得される各物理量の所定時間毎のデータについて、物理量ごとに、その一連の作業毎のデータ中の最大値の絶対値でその物理量の全ての経時的な値を除することを言う。この正規化によって各物理量は1.0から-1.0の間で変化するデータとなる。
ｎ次元の点群を正規化することで、例えば対象物の初期位置だけが異なる作業に対しても、同じ作業モード領域の分割データを用いることが可能となる。
【００１９】
本発明はまた、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者自身が一連の作業を行う際の作業モードの切替点を設定する装置に具現化することもできる。この装置は、対象物を支持可能であり、動力によって対象物を移動させる移動機構と、移動機構に対する指示を与えるために作業者が操作する操作子と、作業者の操作によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する操作物理量検出器と、移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する対象物物理量検出器と、一連の作業を実行した際に、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する物理量記憶手段と、記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング手段と、「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定手段と、設定されたｍ次元空間の作業モード境界を作業モードの切替点として記憶する境界データ記憶手段を備える。
上記装置によっても前述した方法と同様に一連の作業における作業モード切替点を設定することができる。
【００２０】
本発明はまた、上記の方法若しくは装置によって得られた作業モード境界データに基づいて、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者が行う一連の作業を補助する装置に具現化することもできる。この装置は、移動機構と、対象物物理量検出器と、作業モード境界のデータを記憶する境界データ記憶手段と、夫々の作業モードに対応した制御アルゴリズム群と、現在作業モード判別器と、制御器を備える。
移動機構は、対象物を支持可能であり、作業者が操作する操作子の操作物理量に基づいて動力によって対象物を移動させる。
対象物物理量検出器は、対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する。
現在作業モード判別器は、作業中に、対象物物理量検出器によって検出された現在の物理量から、作業モード境界を設定する際に用いた「ｍ個の対象物物理量」で構成される現在のｍ次元の点がいずれの作業モード領域に属するかを判別する。
制御器は、アルゴリズム群の中から、判別された作業モード領域の作業モードに対応した制御アルゴリズムを選択し、操作物理量を入力として選択されたアルゴリズムに基づいて移動機構を制御する。
【００２１】
上記構成によれば、作業モード切替点設定方法若しくは作業モード切替点設定装置によって設定された作業モード切替点の境界データと、現在の作業中に検出したｍ次元の対象物物理量の値によるｍ次元点を照合して現在の作業モードを特定することができる。そして特定された現在の作業モードに適したアルゴリズムを選択して移動機構を制御できる。現在の作業モードを正確に特定することができ、作業モードに適した制御アルゴリズムで作業者の作業を補助することができる。
【００２２】
上記作業補助装置は、特定数のクラスタに分類されたｎ次元の点群の経時的な変化から各作業モードでの作業者の行動モデル関数を同定し、同定された行動モデル関数に基づいて各作業モードに対応した制御アルゴリズムを設定することが好ましい。
【００２３】
前述の作業モード切替点設定方法あるいは作業モード切替点設定装置を利用する過程で各作業モードにおける「ｎ個の物理量」の値で構成されるｎ次元の点群の所定時間毎のデータが得られる。このデータは観点を変えると、対象物の物理量を入力とし、作業者によって操作子に加えられる物理量を出力とする制御系の入出力関係の経時的データを表していると認識することもできる。ここでいう制御系は作業者を意味する。従ってこのデータから制御系（作業者）の伝達関数を同定することができる。作業者の伝達関数とは換言すると、作業者が作業中に対象物物理量を観察（検出）した結果、どのような操作力を出力するか、その作業者の特性を表す行動モデル関数ともいうべきものである。作業者の伝達関数（行動モデル関数）が同定できると、夫々の行動モデル関数に適した移動機構の制御アルゴリズムを設定することができる。よって作業モードごとに作業者の特性に適したアルゴリズムで移動機構を制御することができ、作業者の作業を一層効果的に補助することができる。
なお、上記入出力のデータから行動モデル関数を同定するには例えば最小二乗法などの手法を用いることが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本願発明によれば、操作子と、支持した対象物を動力によって移動させる移動機構とを有しており、作業者が操作子を操作することによって移動機構への指示が入力される作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定することができる。
また、作業補助装置を用いた作業中の現在の時点がどの作業モードであるかを作業対象物の移動に関する物理量から判別することができ、現在の作業モードに適したアルゴリズムで作業補助装置を制御して作業者の作業を効果的に補助することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） クラスタリングには凝集法による階層的クラスタ解析を用いることが好ましい。またクラスタ合併時の重み漸化方式としてはWard方を用いることが好ましい。この手法は、デンドログラムを得られるために結合時のクラスタ間距離を調べることができ、それをもとにした作業モード数の判断がし易く、各クラスタ間の分離点が求め易いという利点がある。
（第２形態） 点群を特定数のクラスタに分割する際の特定数は、デンドログラム上での各クラスタ間距離におけるクラスタの総数と、クラスタの数が減少するときのクラスタ間距離とを参照して決定することが好ましい。
【実施例】
【００２６】
図面を参照して実施例を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１に本発明に係る一実施例の作業モード切替点設定装置１０ａの模式図を示す。なお図１では説明を簡単にするために、装置１０ａを２次元の図として描いてある。
図１の例は、部品２８（対象物）をＳの位置から移動させて、静止している組付け対象部品１００の孔１０２へＧの位置で組み付ける作業を行うものである。図１では部品２８の最終位置Ｇを原点としたＸＹ座標系を設定してある。
【００２７】
作業モード切替点設定装置１０ａは、部品２８を支持して移動させるための移動機構１２と、この移動機構を制御する切替点設定装置コントローラ１４ａを備える。なお、作業モード切替点設定装置１０ａに対して１０ｂと符号を付してあり、また切替点設定装置コントローラ１４ａに１４ｂと符号を付してあるのは、同じ移動機構１２を後に説明する作業補助装置として用いる場合に全体の装置が作業補助装置１０ｂとなり、切替点設定装置コントローラ１４ａが作業補助装置１０ｂを制御する場合に補助装置コントローラ１４ｂとなることを示している。即ち本実施例では作業モード切替点設定装置１０ａを作業補助装置１０ｂとしても機能させることができる。作業補助装置１０ｂについては実施例２で説明する。
【００２８】
移動機構１２は多リンク機構であり、リンク１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、隣接するリンクを揺動可能に連結する関節１８ａ、１８ｂ、１８ｃを備えている。関節１８の夫々には関節角を計測するエンコーダ１９ａ、１９ｂ、１９ｃが備えられている。また各関節１８にはリンク１６を揺動させるためのアクチュエータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えている。なお、リンク１６ａ、１６ｂ、１６ｃを合わせて総称する場合には添え字ａ、ｂ、ｃを省略してリンク１６と表す。関節１８ａ、１８ｂ、１８ｃも関節全部を総称する場合には関節１８と表す。アクチュエータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃやエンコーダ１９ａ、１９ｂ、１９ｃについても同様である。
【００２９】
移動機構１２の先端のリンク１６ｃにはグリッパ２６が取り付けられている。グリッパ２６はその先端の爪が開閉可能であり部品２８を支持することができる。
移動機構１２の先端のリンク１６ｃにはまた力センサ２２を介して操作子２４が備えられている。作業者によって操作子２４が操作されると、操作子２４が受ける操作力は力センサ２２で検出される。検出された操作力は切替点設定装置コントローラ１４ａに送られる。切替点設定装置コントローラ１４ａでは送られた操作力に基づいて移動機構１２を動作させるべく、各アクチュエータ２０に対してトルク指令値（または位置指令値や速度指令値でもよい）を出力する。
切替点設定装置コントローラ１４ａは、例えばインピーダンス制御則に基づいて入力された操作力から各アクチュエータ２０に対する指令値を生成する。ここでインピーダンス制御とは、支持された部品２８の位置に仮想的な質量と仮想的な粘性係数を設定し、入力された操作力によってこの仮想質量と仮想粘性係数を有する部品２８に生じる運動を設定する運動方程式を設定する。操作力を入力として設定された運動方程式を解くことで仮想質量等が設定された部品２８の加速度を求める。求められた加速度が部品２８の位置で実現されるように各アクチュエータ２０への指令値を出力する。仮想質量を小さい値に設定することで作業者は小さい操作力で部品２８を移動させることが可能となる。また粘性係数を適切に設定することで、作業者が操作力をゼロとした場合には部品２８を徐々に減速するように移動させることができる。
【００３０】
各関節１８に備えられたエンコーダ１９からは各関節１８の関節角が検出される。検出された各関節角と移動機構１２の幾何学的構造から支持された部品２８の位置を算出することができる。算出された部品２８の位置は切替点設定装置コントローラ１４ａに送られる。
【００３１】
次に図２に本実施例による作業モード切替点設定装置１０ａのブロック図を示す。
作業者が一連の作業中に操作子２４に加えた操作力は力センサ２２によって検出されて切替点設定装置コントローラ１４ａ内のサンプリングホルダ３０ａに入力される。制御周期（サンプリング周期）毎にサンプリングされた操作力Ｆｘ、Ｆｙは物理量データ記憶部３２に入力される。
同時に移動機構１２の位置センサ３４によって検出された対象物２８の位置が切替点設定装置コントローラ１４ａ内のサンプリングホルダ３０ｂに入力される。ここで位置センサ３４とは、移動機構１２に取り付けられたエンコーダ１９と、各エンコーダ１９の出力値と移動機構１２のリンク構造の幾何学的な構成から対象物２８の位置を算出する計算手段を含むものである。
サンプリングホルダ３０ｂによって制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙと、サンプリングされた操作力Ｆｘ、Ｆｙは移動機構制御部４４に送られる。作業モード切替点設定装置１０ａ内の移動機構制御部４４には特定のアルゴリズムが実装されている。移動機構制御部４４はその特定のアルゴリズムに基づいて操作力Ｆｘ、Ｆｙに従って対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙを移動させるように移動機構１２のアクチュエータ２０へトルク指令値（あるいは位置指令値や速度指令値）を出力する。作業モードの切替点の設定を行うための作業実行時には、移動機構制御部４４には予め決められた特定のアルゴリズムが実装されていればよい。
【００３２】
サンプリングホルダ３０ｂから出力された対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙは微分器３６ａに入力されて対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙが求められる。さらに対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙは他の微分器３６ｂに入力されて対象物２８の加速度Ａｘ、Ａｙが求められる。制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙおよび、求められた対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙおよび加速度Ａｘ、Ａｙは物理量データ記憶部３２に入力される。
物理量データ記憶部３２ではサンプリング毎の操作力Ｆｘ、Ｆｙと対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙとその速度Ｖｘ、Ｖｙおよびその加速度Ａｘ、Ａｙで構成される８個の物理量の値を要素とする８次元の点の集まり（点群）として記憶される。
一連の作業を複数回実行し、作業毎に８次元の点群の所定時間毎のデータが記憶される。
作業が複数回実行された後に記憶された点群のデータはクラスタリング部３８によって参照され、８次元の点群を８個の物理量（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ａｘ、Ａｙ）を各軸とする８次元空間における近接する点群の集まりとして特定数のグループ（クラスタ）にクラスタリングされる。各クラスタに属する点群の夫々の要素は類似した値を有する。従って各クラスタの点群が夫々各作業モードの特徴を表す点群となる。
ここで特定数とは作業モードの数と規定する数であり、一連の作業の種類にもよるが概ね２から６程度が好ましい。作業モードをあまりにも細分化すると、夫々の作業モードに応じた制御アルゴリズムを設定するコストがかかる。また作業者にとっては作業中に制御アルゴリズムが頻繁に切り替えられることも作業のし易さを損ねる結果にもなりかねないからである。
次に特定数のグループに分けられた点群は、境界設定部４０によって、８個の物理量（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ａｘ、Ａｙ）から操作物理量である（Ｆｘ、Ｆｙ）を除いた６個の物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ａｘ、Ａｙ）で表される６次元空間内の各領域に分割される。境界設定部４０では８次元の点群のうちの操作物理量（Ｆｘ、Ｆｙ）の値を無視して扱う。これにより元々８次元であった点群は６個の対象物物理量からなる６次元の点群として扱われる。
境界設定部４０では、特定数のクラスタに分類された夫々の点群を、６個の対象物物理量で表される６次元空間で夫々別の領域に含まれるような境界を６次元空間に設定する。境界の設定手法については後述する。この境界が作業モードの切替点（切替点の集合としての面）となる。また各領域が夫々異なる作業モードを表す。以後、領域を作業モード領域と称する場合もある。ここで、境界を設定する６次元空間は操作物理量を含まず対象物物理量だけからなる空間である。従って作業モードの切替点には操作物理量は含まれない。
本実施例では、各作業モードの特徴を表す点群をクラスタに分類する際には操作物理量を考慮する。作業に関わる物理量の経時的な点群を作業モードの特徴を表す点群ごとにクラスタリングするには各点に含まれる情報（物理量の個数）は多い方がより正確に各作業モードの特徴を表す点群に分類できるからである。しかし作業モードの切替点を特定する際には操作物理量の値を無視した点群を用いる。これにより、作業モード切替点の設定の際には操作物理量を除外することができる。
【００３３】
境界設定部４０によって分割された６次元空間の各作業モード領域の境界のデータは境界データ記憶部４２に記憶される。境界データ記憶部４２に各作業モード領域の境界のデータが記憶されるということは、境界データ記憶部は境界によって分割される各作業モード領域のデータを記憶することと等価である。
即ち、ひとたび境界データが生成されて記憶されれば、次に作業を実行する際、実行中に検出されたｎ個の対象物物理量の値がどの作業モード領域に属しているかを判別することにより現在の作業モードを特定することが可能となる。また、検出されたｎ個の対象物物理量の値が経時的にみて境界を通過したときが作業モードの切替点として特定できる。
【００３４】
次に図３を用いて図２の作業モード切替点設定装置１０ａによる処理の流れを説明する。
まずステップＳ１００で一連の作業を実行する。その作業実行中にステップＳ１０２で力センサの出力Ｆｘ、Ｆｙ（操作物理量）と対象物の位置Ｐｘ、Ｐｙとその速度Ｖｘ、Ｖｙおよびその加速度Ａｘ、Ａｙ（対象物物理量）を検出し記憶する。
一連の作業をＭ回実行するまでステップＳ１０２の操作物理量と対象物物理量の検出と記憶を繰り返す（ステップＳ１０４：ＮＯの場合）。「Ｍ回」とは任意の数でよいが概ね５回から２０回程度が適切である。
作業をＭ回実行したら（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、次にステップＳ１０６で記憶された点群を特定数のグループにクラスタリングする（特定数のグループに分ける）。ここでステップＳ１０６のクラスタリング処理では、記憶された「８個の物理量」の値で構成される８次元の点群を、「８個の物理量」を座標軸とする８次元空間内で点間距離の近い点同士をクラスタ（グループ）化し、さらにグループ間距離の近いクラスタ同士を一つのクラスタに融合していく。最終的には全点群は単一のクラスタに統合される。
次にステップＳ１０８の作業モード数の決定処理では、ステップＳ１０６のクラスタリング処理で隣接するクラスタが融合して最終的に一つのクラスタに統合された結果から、適切なクラスタ数を決定する。このときのクラスタ数が作業モードの数となる。作業モード数の決定の手法については次の図４で詳細に説明する。
【００３５】
ステップＳ１０８で全部の点群が特定数のグループに分けられた後に、夫々のグループに含まれる点群の大半が夫々別個の領域に属するように６次元空間を領域分割するための境界を設定する。ここで「夫々のグループに含まれる点群の大半」と表現したのは以下の理由による。即ち、領域分割するために、隣接するグループの夫々に含まれる点群のうち、隣接する夫々のグループの点群から、境界に近い複数の点を抽出する。そしてその複数の点の平均位置を求める。６次元空間の原点からその平均位置までの距離を半径とした超球面を２つの隣接するグループ（クラスタ）を分ける６次元空間の境界とする。従って平均位置を求める際に用いた複数の点のうちいくつかは、超球面によって分割された２つの領域のうち、もともとは一方のグループに含まれていた点が他方のグループの点群の領域に属してしまうことがあるからである。この領域分割によって、夫々のグループに含まれる大半の点群は同一の領域に属することになるが、そのグループに含まれる点のうち他のグループに含まれる点群との距離が近い点はもともと含まれていたグループの領域とは異なる領域に属する場合がある。別言すれば、ステップＳ１１０の境界設定処理は、夫々のグループ（クラスタ）に属する点群のうち少なくとも隣接するグループ（クラスタ）の点群に近い点を除いた点群が夫々異なる領域に含まれるように６次元空間を複数の領域（作業モード領域）に分割する境界を設定する、と表現できる。
【００３６】
ステップＳ１１０によって設定された６次元空間の境界のデータはステップＳ１１２で図２に示す境界データ記憶部４２に記憶される。
【００３７】
次にクラスタリング、すなわち複数回の作業実行の作業毎およびサンプリング時間毎に記憶された点群を特定数のグループに分ける処理について詳細に説明する。
その前に本実施例では、上記８個の物理量から点群をクラスタリングする場合に寄与度の低い物理量を除外するする処理を行う。扱う物理量を低減することができれば、計算コストを低減できるからである。本実施例では、作業モードごとに特定の物理量の変化がその作業モードを特徴付けることに着目している。ここで特定の物理量とは複数の物理量の組み合わせでもよい。また作業モードごとにその作業モードを特徴付ける物理量が異なってもよい。従って一連の作業に亘って経時的変化の小さい物理量は点群をクラスタリングする際のキーポイントとなる物理量とはなり得ない。そこで、そのような物理量は最初から除外することで以後のグループ化処理を高速化できる。
【００３８】
８個の物理量からクラスタリングに寄与しない物理量を削除する方法として本実施例ではＧＭＤＨ（Group Method of Data Handling）と呼ばれる手法を用いる。
作業者は対象物を視認することによって対象物物理量（対象物の位置Ｐｘ、Ｐｙとその速度Ｖｘ、Ｖｙおよびその加速度Ａｘ、Ａｙ）を認識（検出）し、認識した対象物物理量から次の操作物理量（操作力Ｆｘ、Ｆｙ）を決定する。ＧＭＤＨでは、作業者を、対象物物理量を入力とし、操作物理量を出力とする制御モデル（行動モデル）とみなす。図３のフローチャート図に示すステップＳ１０２の操作物理量／対象物物理量の検出と記憶によって記憶されたデータからＧＭＤＨによって作業者の行動モデルの関数を構築する。その行動モデル関数の中で出力Ｆｘ、Ｆｙに対する寄与度の低い対象物物理量を特定する。特定された物理量は作業者が操作力Ｆｘ、Ｆｙを決定するに際して参考とする度合いが低い物理量である。そのような物理量は記憶された点群をクラスタリングする際に重要な物理量とはならない。従って特定された物理量をクラスタリング処理の対象から除外する。発明者らの実験によると、本実施例における作業者の操作力Ｆｘに対しては対象物のｙ軸方向の速度Ｖｙと加速度Ａｙの寄与度が低いことが判明した（作業者の制御モデルの多項式は複雑であるので省略する）。そこで以下ではｘ軸方向の操作力Ｆｘについて、記憶した８個の物理量からＶｙとＡｙ、およびＦｙを除いた５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）を用いてクラスタリング処理を行う。物理量からＦｙを除いたのは操作力をｘ軸方向の操作力Ｆｘとｙ軸方向の操作力Ｆｙについてそれぞれ別個にクラスタリングを行うためである。以下では、説明を簡単化するために図１のｘ軸方向の操作力Ｆｘのための作業モード切替点の設定処理について説明する。ｙ軸方向の操作力Ｆｙについても同様の処理ができる。なおＧＭＤＨについては、文献（Farlow S.J, "Self-organizing method in modeling", Marcel Decker, 1984）に詳しい。
【００３９】
本実施例ではクラスタリングの具体的な手法として凝集法による階層的クラスタ解析を用いた。クラスタ合併時の重み漸化方式としてはWard方を用いた。この手法は、デンドログラムを得られるために結合時のクラスタ間距離を調べることができ、それをもとにした作業モード数の判断がし易く、各クラスタ間の分離点が求め易いという利点がある。
【００４０】
図４（Ａ）に、図２に示す物理量データ記憶部３２に記憶されている５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）のデンドログラムを示す。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の縦軸に示したｆｉｊの具体的意味を示す図である。ｆｉｊとは図４（Ｂ）に示すように、５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）のｊ回目の作業実行における時刻ｔｉでの値で構成される５次元点の座標を表す。図４（Ａ）の縦軸は５次元の点ｆｉｊ位置を模式的に１次元の縦軸上にプロットしたものである。そして横軸は２つの点（又は点とグループ、若しくは２つのグループ）の距離を示している。
図４（Ａ）のデンドログラム上に示されているコの字形の線は、２つの点（又は点とグループ、若しくは２つのグループ）の距離が近いためにそれらの２つの点がひとつにまとめられたことを示している。コの字形の線のうち、縦軸と平行な線の位置が横軸上での２つの点間距離を示している。
例えば点ｆ２１は第１回目の作業実施時の時刻ｔ２における物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の値の点を表している。また点ｆ２１と点ｆ２２は点間距離がＨ１であることを表している。実際には縦軸には全ての点群がプロットされるため、膨大な数の点群がプロットされる。例えば１回約１００秒かかる作業を0.1秒単位でサンプリングし、その作業を１０回繰り返したとすると、点群の総数は１万点となる。図４（Ａ）の縦軸には模式的に数点のみプロットしてある。
【００４１】
クラスタリングとは、点間距離の近い点同士を一つのグループ（クラスタ）にまとめる手法である。例えば点ｆ２１と点ｆ２２は点間距離がＨ１でその他の点より近いのでこの２つの点が一つのグループにまとめられる。次に点ｆ２１と点ｆ２２の平均位置と点ｆ１１の点間距離が短いので点ｆ２１と点ｆ２２と点ｆ１１がひとつのグループにまとめられる。同様に点ｆ３２と点ｆ３１は点間距離がＨ１未満でありこの２つの点が別のグループとしてまとめられる。さらに点ｆ３２と点ｆ３１の平均位置と点ｆ４１の点間距離がＨ１と短いのでこれら点ｆ３２と点ｆ３１と点ｆ４１が新たにひとつのグループとしてまとめられる。こうして点間距離の近い点同士が順次グループ化されていく。最終的には点間距離Ｈ５で全ての点群が単一のグループに統合される。
【００４２】
図４（Ａ）のデンドログラムから作業モードの数を決定する。作業モードの分割数は予め２から６の間と設定されている。そしてグループの分割数と、それらのグループが統合されるまでの点間距離とを参照する。
一つにまとめられた点群は、点間距離の近いもの同士である。これは５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の各要素の値が類似していることを示している。即ち一つのグループに含まれる点群は一つの作業モード中の点群として分類できることを意味している。そして２つのグループの点間距離が長いということは、一方のグループに含まれる夫々の点の５個の物理量の値のうち少なくとも一つが他のグループに含まれる点の同じ物理量の値と大きく異なっていることを示している。従って２つのグループの点間距離が長いということは、夫々のグループの点群で代表される作業モードの特徴が大きく異なることを意味している。
例えば図４（Ａ）に示すようにグループＥとグループＦは点間距離がＨ５でようやく一つのグループに統合される。統合される際の点間距離が長いほど２つのグループ内の点群で代表される作業モードの特徴が大きく異なっている。即ちグループＥとグループＦの２つの作業モードに分けるとその切り替え点では作業の特徴が大きく異なることを意味している。作業モードの分割は少ない方が好ましいが、少なすぎると作業の切り替え時点で夫々の作業モードの特徴が大きく異なることになる。従って夫々の作業モードに応じた制御アルゴリズムも大きく異なるものとして設定される。一連の作業の途中で制御アルゴリズムが大きく異なるのは作業者に違和感を与え兼ねない。従って適切な点間距離で作業モードを分割する方がよい。
グループＡとグループＢは点間距離Ｈ３でひとつのグループＥに統合される。グループＣとグループＤは点間距離Ｈ４でひとつのグループＦに統合される。点間距離Ｈ３とＨ４は近接している。このことは、グループＡで代表される作業モードとグループＢで代表される作業モードの特徴の相違の程度と、グループＣで代表される作業モードとグループＤで代表される作業モードの特徴の相違の程度が概ね同じ程度であることを示している。従ってグループＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つのグループに作業モードを分割すると、夫々の作業モードの切り替え時点での作業内容の相違の程度は概ね同じ程度となる。
一方、点間距離Ｈ２では５つのグループに分割することができる。しかしグループＡに統合される前の２つのグループは点間距離Ｈ２で統合される。このグループＡに統合される前の２つのグループは、グループＣとＤが統合される点間距離Ｈ４よりはるかに短い点間距離Ｈ２で統合される。従ってグループＡに統合される前の２つのグループに代表される作業モードの相違の程度は、グループＣとＤに代表される作業モードの相違の程度よりはるかに小さい。
作業モードの切り替え点の前後における作業モードの特徴の相違の程度は、同じ程度である方が作業者にとっては制御アルゴリズムの切り替え時点がわかり易い。そこで図４（Ａ）のデンドログラムからは、グループＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つに分割することが適切であると判断できる。
以上の処理は図３のフローチャートにおけるステップＳ１０８の作業モードの決定処理で行われる。上記の特定数の決定処理は、デンドログラム上での各クラスタ間距離におけるクラスタの総数と、クラスタの数が減少するときのクラスタ間距離とを参照して決定することができる。
【００４３】
次に図５を用いて、４つのグループの夫々に属する点群に基づいて作業モード領域を分割するための境界を設定する処理について説明する。図５（Ａ）は作業モードごとに対応して空間を分割する領域の設定を説明する模式図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示されるｈｉｊの内容を説明する図である。図５（Ｂ）に示すように図５（Ａ）に示されているｈｉｊは、ｊ回目の作業実行時の時刻ｔ１における４個の物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の位置を表す。即ちｈｉｊは、図４に示した各ｆｉｊの要素から操作物理量であるＦｘを除いた４次元の点を表している。
作業モード領域の境界を設定する処理では、全ての点群をグループ化する際に用いた５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）から操作物理量であるＦｘを除いた４個の物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）で表される４次元の点群を対象とする。ここで操作物理量を除くのは、次の理由による。即ち、本実施例では作業者を４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）を入力とし、操作物理量Ｆｘを出力とする行動モデルとみなしている。この行動モデルでは作業者は入力パラメータである４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）に基づいて作業モードを切り替える。作業モードを切り替える際に操作物理量は関与しない。従って作業モードを領域分割する空間は、操作物理量を除く４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）が構成する４次元空間とする。
【００４４】
説明を簡単にするために図５（Ａ）は対象物の位置ＰｘとＰｙを軸とする２次元平面を描いてある。実際には４個の物理量からなる４次元空間で領域分割をするが４次元空間は描画できないので２次元平面に置き替えて説明する。また、横軸のＰｘと縦軸のＰｙは夫々正規化されており、｛Ｐｘ、Ｐｙ｝＝｛１．０、１．０｝の点が図１に示す対象物２８のスタート点Ｓに相当し、｛Ｐｘ、Ｐｙ｝＝｛０．０、０．０｝の点が図１に示す対象物２８の最終点Ｇに相当する。点Ｓから点Ｇに伸びる実線は作業実行１回目の対象物２８の軌跡を示し、破線は作業実行２回目の対象物２８の軌跡を示す。
【００４５】
図５（Ａ）に示す点ｈ２１は、作業実行１回目の時系列の点群で図４のグループＡに含まれる点群のうち、グループＢに含まれる点群に最も近い点ｆ２１に相当する点を表す。また点ｈ３１は、作業実行１回目の時系列の点群で図４のグループＢに含まれる点群のうち、グループＡに含まれる点群に最も近い点ｆ３１に相当する点を表す。同様に点ｈ２２は、作業実行２回目の時系列の点群で図４のグループＡに含まれる点群のうち、グループＢに含まれる点群に最も近い点ｆ２２に相当する点を表す。また点ｈ３２は、作業実行２回目の時系列の点群で図４のグループＢに含まれる点群のうち、グループＡに含まれる点群に最も近い点ｆ３２に相当する点を表す。即ち、点ｈ２１、点ｈ３１、点ｈ２２、点ｈ３２、は図４で互いに隣接するグループＡとＢに含まれる点群のうち、他方のグループの点群に近い点である。この４つの点の平均を取った点が点ｈ２３である。
次に座標系の原点から点ｈ２３までの距離Ｒ２を計算し、原点を中心として距離Ｒ２を半径とする円Ｗ２を設定する。この円Ｗ２は、図４のグループＡに属する点群が含まれる領域Ｚ１とグループＢに属する点群が含まれる領域Ｚ２の境界線となる。即ちこの円Ｗ２がグループＡに属する点群に代表される作業モードとグループＢに属する点群に代表される作業モードの境界点（の集合）となる。
なお、上記の処理では、隣接する２つのグループＡ、Ｂの夫々に属する点群から互いに他方のグループの点群に近い複数の点（点ｈ２１、点ｈ３１、点ｈ２２、点ｈ３２）を抽出し、抽出された複数の点の平均位置（点ｈ２３）を求め、原点を中心にして原点からその平均位置（点ｈ２３）までの距離Ｒ２を半径とする円Ｗ２を設定した。従って領域Ｚ１にはグループＡに属する点群の大半が含まれるが平均を取ったためにもともとはグループＡに属していた点であったが領域分割の際にグループＢの点群が含まれる領域Ｚ２に含まれてしまうものもある。本実施例では、「５個の物理量から操作物理量を除いた４個の対象物物理量で表される４次元空間内で、夫々のクラスタに属する４次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるように４次元空間を分割する境界を設定する」との表現は、夫々の領域に夫々対応する点群の全てが含まれる場合のみならず、２つのクラスタの境界付近の点群を除く大半の点群が夫々クラスタごとに別の領域に含まれるように４次元空間を分割する境界を設定することも含まれる。
【００４６】
図５（Ａ）では、座標軸をＰｘとＰｙの２次元としたが、実際には４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）を座標軸とする４次元空間で上記処理を行う。従って領域を分割する境界Ｗ２は４次元空間での超球面となる。この超球面Ｗ２が作業モードの切替点（の集合）に相当する。即ち超球面Ｗ２を設定する処理が、作業モードの切替点を設定する処理に相当する。
【００４７】
同様に図４のグループＢと隣接するグループＣとの境界付近の複数の点を抽出し、それらの点の原点からの平均距離Ｒ３を求め、原点を中心として半径Ｒ３の超球面Ｗ３を設定する。また図４のグループＣと隣接するグループＤとの境界付近の複数の点を抽出し、それらの点の原点からの平均距離Ｒ４を求め、原点を中心として半径Ｒ４の超球面Ｗ４を設定する。図４（Ａ）のグループＢに属する点群が含まれる領域Ｚ２とグループＣに属する点群が含まれる領域Ｚ３を分割する超球面Ｗ３も作業モードの切替点を設定する境界となる。同様に超球面Ｗ４も作業モードの切替点を設定する境界となる。
【００４８】
ここで、図１に示した作業モード切替点設定装置１０ａで対象物２８を点Ｓから点Ｇへ移動させる作業を行う際、作業中に取得した４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の値が示す点が領域Ｚ１に含まれる場合に、その時点の作業は作業モードＡにあると称する。また、作業中に取得した４個の対象物物理量の値が示す点が領域Ｚ２に含まれる場合に、その時点の作業は作業モードＢにあると称する。同様に作業中に取得した４個の対象物物理量の値が示す点が超球面Ｗ３とＷ４で囲まれた領域Ｚ３に含まれる場合を作業モードＣと称し、超球面Ｗ４の内側の領域Ｚ４に含まれる場合を作業モードＤと称する。
【００４９】
次に図５で説明した各作業モードの分割が作業中に取得した物理量の経時的変化にどのように対応するかを図６により説明する。なお図６は説明のための模式図であり実際の試験結果ではない。
図６は同じ作業を２回実行した際の各物理量の経時的変化を示す。図６（Ａ）は操作力Ｆｘの経時的変化を示す。図６（Ｂ）は対象物２８のｘ軸方向の位置Ｐｘの経時的変化を示す。図６（Ｃ）は対象物２８のｘ軸方向の速度Ｖｘの経時的変化を示す。図６（Ｄ）は対象物２８のｘ軸方向の加速度Ａｘの経時的変化を示す。図６（Ｅ）は対象物２８のｙ軸方向の位置Ｐｙの経時的変化を示す。また全てのグラフにおいて横軸は経過時間ｔを示す。時間ｔを含め、全ての物理量は正規化して示してある。ここで正規化とは、作業実行ごとの時系列の点群の各要素（各物理量）の値に対して、その時系列の要素中の最大値の絶対値で全ての要素の値を除することをいう。従って全ての物理量は無次元化され、その値は-1.0から1.0の間の値をとる。検出した点群の各要素を正規化して表すことで、例えば作業開始位置や目標位置が異なったとしても一連の作業全体が同じであれば、作業モード切替点を設定する境界データを共通に利用することができる。
また各グラフにおいて実線は作業実行１回目の経時的変化を示し、破線は作業実行２回目の経時的変化を示す。
【００５０】
図５で説明したように本実施例では対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の値が示す点がどの作業モード領域にあるかでその時点の作業モードが特定される。図６では作業実行１回目については縦軸に平行な短破線が作業モードの切替点を示す。作業実行１回目では図６の上方に示すＡ１の期間が作業モードＡに相当する。同様に、Ｂ１の期間が作業モードＢに相当し、Ｃ１の期間が作業モードＣに相当し、Ｄ１の期間が作業モードＤに相当する。
また作業実行２回目については縦軸に平行な長破線が作業モードの切替点を示す。作業実行２回目では、図６の下方に示すＡ２の期間が作業モードＡに相当する。同様に、Ｂ２の期間が作業モードＢに相当し、Ｃ２の期間が作業モードＣに相当し、Ｄ２の期間が作業モードＤに相当する。
作業実行１回目の作業モードＡは図６（Ｄ）の加速度Ａｘの値がａ１の位置で急激に変化している。従ってこの点ａ１が作業モードＡと作業モードＢの境界を特定付ける要因となっていることが推定される。作業実行２回目の作業モードＡは図６（Ｄ）の加速度Ａｘの値がａ２の位置で急激に変化している。従ってこの点ａ２が作業モードＡと作業モードＢの境界を特徴付ける要因となっていることが推定される。なお、「推定される」とは、図５について説明したように本実施例では操作量Ｆｘを含めた５つの物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の点群を４つのグループに分割し、夫々のグループの点群に対して操作量Ｆｘを除く４つの物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の４次元点群によって４次元空間を領域分割（モード領域の分割）した結果であるので、作業モード領域の境界が各パラメータとどのように関連しているかは明示的に明らかではないからである。しかし作業実行１回目と２回目の双方とも作業モードＡと作業モードＢの境界では操作力Ｆｘが立ち上がりから定常状態に移行している。従って操作量Ｆｘを含めた５つの物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の点群をグループ化した際に、操作力Ｆｘと加速度Ａｘの組み合わせによって作業モードＡと作業モードＢの特徴の相違が表れたものと推定できる。作業モードＡの期間における操作力Ｆｘと加速度Ａｘのグラフから、作業モードＡは操作力Ｆｘを加え始めて対象物を静止状態から加速させる内容の作業であると考えられる。ここで「考えられる」との表現を用いたのは次の理由による。本実施例では従来技術のように主観に基づいての作業モード切替点の設定ではなく、作業実行中に得られた物理量の点群を夫々の作業モードの特徴を代表する点群ごとにグループ化している。従ってその作業モードがどのような作業目的（作業内容）であるかは判別しないからである。逆に本実施例では、各作業モードの作業内容に関わらず、作業実行中に検出した物理量の経時的な変化のデータから設計者の主観を排除してその作業を特徴付ける物理量を有する点群のグループ（クラスタ）によって作業モードの切替点を設定する。しかも点群をグループ化する際には作業者が出力する操作力も含めている。従って本実施例によって設定された作業モードの切替点は、作業者の各作業モードに対する作業目的に沿って設定されるといえる。
作業モードＢと作業モードＣの境界は対象物のｘ軸方向の位置Ｐｘが作業モードの切り替え点の主要なパラメータとなっていることが推定できる。作業実行１回目では点ｂ１を境界として作業モードが切り替わっている。作業実行２回目では点ｂ２を境界として作業モードが切り替わっている。作業モードＢの期間におけるＰｘとＰｙのグラフから、作業モードＢでは対象物の移動方向を目的位置の方向へ向ける内容の作業であると考えられる。
作業モードＣと作業モードＤの境界は対象物のｙ軸方向の位置Ｐｙが作業モードの切り替え点の主要なパラメータとなっていることが推定できる。作業実行１回目では点ｃ１で作業モードがＣからＤに切り替わっている。作業実行２回目では点ｃ２で作業モードがＣからＤに切り替わっている。作業モードＣは対象物の速度を徐々に減速させつつある内容の作業であると考えられる。作業モードＤはさらに速度を落として目標位置に位置決めする内容の作業であると推定される。
【００５１】
本実施例は、作業者に予め一連の作業を実行させる。その作業実行時に所定時間毎に操作物理量と作業対象物物理量の両者を含む物理量を取得する。得られた点群をクラスタリングによって一連の作業のうちの各作業モードを代表する点群のクラスタに分類する。各クラスタに属する点群に対して操作物理量を除いた対象物物理量だけで作業モードの切替点を設定する。クラスタリング時には操作物理量も加味するので各作業モードを代表する点群の分類がより精密になる。一方、作業モード切替点の設定においては操作物理量を除外する。作業モード切替点の設定に際して、作業モード切替点には含まれるべきではない操作物理量をも加味した精密に分類された各作業モードを代表する点群のクラスタを用いることによって、作業者による各作業モード切替点に極めて近い切替点を設定することが可能となる。
【００５２】
＜実施例２＞
次に実施例１の作業モード切替点設定装置１０ａを用いて作成された作業モード境界データに基づいて、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者が行う一連の作業を補助する作業補助装置について説明する。
図７は作業補助装置１０ｂのブロック図である。作業補助装置の構成は図１の構成と同じであるので説明を省略する。
この作業補助装置１０ｂは移動機構１２と作業補助装置コントローラ１４ｂを備えている。
移動機構１２は、アクチュエータ２０と位置センサ３４と操作子２４と力センサ２２を有している。これらは実施例１で説明した移動機構１２と同様であるので説明を省略する。
【００５３】
作業者が一連の作業中に操作子２４に加えた操作力は力センサ２２によって検出されて作業補助装置コントローラ１４ｂ内のサンプリングホルダ３０ａに入力される。制御周期（サンプリング周期）毎にサンプリングされた操作力Ｆｘ、Ｆｙは作業モード判別部４８に入力される。また操作力Ｆｘ、Ｆｙは移動機構制御部５４にも入力される。
同時に移動機構１２の位置センサ３４によって検出された対象物２８の位置が作業補助装置コントローラ１４ｂ内のサンプリングホルダ３０ｂに入力される。
サンプリングホルダ３０ｂによって制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙは移動機構制御部５４に送られる。
【００５４】
またサンプリングホルダ３０ｂから出力された対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙは微分器３６ａに入力されて対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙが求められる。さらに対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙは他の微分器３６ｂに入力されて対象物２８の加速度Ａｘ、Ａｙが求められる。制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙおよび、求められた対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙおよび加速度Ａｘ、Ａｙは作業モード判別部４８に入力される。
作業モード判別部４８では、境界データ記憶部４２に記憶されている、実施例１で説明した作業モード境界のデータと、入力された｛Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ｝のデータを照合し、現在の｛Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ｝の４次元点の位置が４次元空間のどの作業モード領域に属するかを判別する。ここで｛Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ｝の４次元点の位置が図５に示した領域Ｚ１に属する場合には現在の作業モードは作業モードＡであると判別される。同様に現在の４次元の点の位置が図５の領域Ｚ２に属する場合には作業モードＢであると判別される。４次元点の位置が領域Ｚ３に属する場合には作業モードＣであると判別され、領域Ｚ４に属する場合には作業モードＤであると判別される。判別された結果は、切替部５０に送られる。
【００５５】
一方アルゴリズム記憶部５２には夫々の作業モードに対応した制御アルゴリズム群が格納されている。夫々の制御アルゴリズムは異なる制御ロジックに基づいており、操作力Ｆｘ、Ｆｙを入力として移動機構１２を制御するものである。作業モードＡに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＡ（符号５２ａで示されている）である。同様に作業モードＢに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＢ（符号５２ｂで示されている）である。作業モードＣに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＣ（符号５２ｃで示されている）である。作業モードＤに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＤ（符号５２ｄで示されている）である。
【００５６】
切替部５０では、作業モード判別部４８で判別された作業モードに対応した制御アルゴリズムをアルゴリズムＡからＤの中から選択して移動機構制御部５４で実際に作動させる制御アルゴリズムに設定する。
移動機構制御部５４では、操作力Ｆｘ、Ｆｙと対象物の現在位置Ｐｘ、Ｐｙを入力とし、切替部５０で選択されたアルゴリズムに基づいて移動機構１２のアクチュエータ２０への指令値を出力する。
移動機構１２は移動機構制御部５４からの指令値に基づいて支持した対象物２８（図１参照）を移動させる。
なお、上記説明は操作力Ｆｘに対する制御アルゴリズムの選択と制御について説明したが、操作力Ｆｙに対する制御アルゴリズムについても同様である。なお、操作力Ｆｙに対する制御アルゴリズムは、操作力Ｆｘに対して用意された制御アルゴリズムＡからＤとは異なるアルゴリズム群であってもよい。
【００５７】
次に図８に図７に示したブロック図による制御の流れを示す。ここでも操作力Ｆｘに関する制御アルゴリズムの選択についてのみ説明する。
ステップＳ２００では現在の作業時点でのｍ個の対象物物理量を取得する。本実施例ではｍ個の物理量とは具体的には、対象物の位置Ｐｘ、Ｐｙと対象物のｘ軸方向の速度Ｖｘと対象物のｘ軸方向の加速度Ａｘの４つの物理量である。
次にステップＳ２０２では取得した４つの物理量の値で構成される４次元の点が境界データ記憶部４２に記憶された４次元空間のどの領域に属するかを判別する。そして判別された結果が図５の領域Ｚ１であればステップＳ２０４でアルゴリズムＡが選択される。同様に判別された結果が領域Ｚ２であればステップＳ２０６でアルゴリズムＢが選択される。判別された結果が領域Ｚ３であればステップＳ２０８でアルゴリズムＣが選択される。判別された結果が領域Ｚ４であればステップＳ２１０でアルゴリズムＤが選択される。
そしてステップＳ２１２により選択されたアルゴリズムで移動機構１２を制御する。以上の処理を作業が終了するまで繰り返す（ステップＳ２１４：ＮＯの場合）。
【００５８】
図７および図８に示したアルゴリズムＡからＤは各作業モードに応じて設計されている。その際に、作業モード切替点（作業モード領域の境界）を設定する過程でグループ化した各作業モードを代表する５次元の点群から、作業者の行動モデル関数を同定し、同定した行動モデル関数に対して適切な制御アルゴリズムを設定する。前述したように作業者は対象物物理量を入力として操作力を出力する制御系とみなすことができる。そこで作業者の行動モデル関数を以下の多項式で表現する。
Ｆｘ＝α１・Ｐｘ＋α２・Ｖｘ＋α３・Ａｘ＋α４・Ｐｙ ・・・（第１式）
第１式において、係数α１、α２、α３、α４は、各対象物物理量の、操作力Ｆｘに対する寄与度を表す係数である。次に、作業モード切替点を設定する際に用いた各グループ（クラスタ）ごとの５次元の経時的な点群｛Ｆｘ（ｔｉ）、Ｐｘ（ｔｉ）、Ｖｘ（ｔｉ）、Ａｘ（ｔｉ）、Ｐｙ（ｔｉ）｝から、作業モードごとに第１式の係数α１、α２、α３、α４を同定する。作業モードごとに異なる作業者の行動モデル関数が同定できる。なお、各係数α１、α２、α３、α４の同定に際しては最小二乗法を用いた。
【００５９】
図９に作業者の行動モデル関数を同定した結果の模式図を示す。図９はある作業実行時において検出したｘ軸方向の操作力Ｆｘ、対象物のｘ軸方向の位置Ｐｘ、対象物のｘ軸方向の速度Ｖｘ、対象物のｘ軸方向の加速度Ａｘ、対象物のｙ軸方向の位置Ｐｙ、の経時的変化のグラフを示す。図９（Ａ）が操作力Ｆｘのグラフであり、図９（Ｂ）が位置Ｐｘのグラフであり、図９（Ｃ）が速度Ｖｘのグラフであり、図９（Ｄ）が加速度Ａｘのグラフであり、図９（Ｅ）が位置Ｐｙのグラフである。図９（Ａ）から（Ｄ）のグラフにおいても夫々のグラフの縦軸および横軸は正規化した無次元量で表現されている。
また図９（Ａ）には検出した操作力Ｆｘを実線で示し、同定した行動モデル関数の結果を破線で示してある。同定した行動モデル関数の結果とは、作業モードごとに第１式の係数α１、α２、α３、α４を同定し、同定した係数の値を用いて第１式に各時刻のＰｘ、Ｖｘ、Ａｘ、Ｐｙの値を代入して得られたＦｘの値をグラフ化したものである。図９（Ａ）の実線と破線は作業モードごとによく一致している。
なお、同定した係数の値は以下の通りである。
作業モードＡ：α１＝-1559.0 α２＝-188.8 α３＝12.88 α４＝1562.0
作業モードＢ：α１＝-2.036 α２＝-0.0667 α３＝-0.0656 α４＝2.984
作業モードＣ：α１＝55.46 α２＝3.027 α３＝-8.588 α４＝-51.11
作業モードＤ：α１＝6.971 α２＝-1.055 α３＝-1.012 α４＝-3.607
即ち、作業モード境界を特定する際に用いた各グループごとの５次元の経時的な点群から作業者の各作業モードにおける行動モデル関数を同定することができる。各係数の値が作業モードごとに大きく異なることからも分かるように、各作業モードごとに作業者の行動特性（行動モデル）が大きく異なることが分かる。
この同定モデルを用いて作業補助装置１０ｂの移動機構制御部５４で実行されるアルゴリズムＡからＤを設計する。設計に際しては作業者の出力である操作力Ｆｘが滑らかに変化するように設計することが好ましい。作業者の操作力Ｆｘが滑らかに変化するということは作業が円滑に行われていることを示すからである。
【００６０】
なお、参考までに、図１に示す作業補助装置１０ｂを一連の作業を通して単一のアルゴリズムで移動機構１２を制御すると返って作業者にとって作業を行い難くすることについて説明を加えておく。
実施例１では、作業者は部品２８を位置Ｓから位置Ｇまで移動させる。作業者は位置Ｇにおいて組付け対象部品１００の孔１０２へ部品２８を挿入する。
この一連の作業は次の４つの作業モードに分割することができる。即ち、
（１）静止している部品２８を加速させる加速作業モード
（２）部品２８を概ね位置Ｇの方向に向けて移動させる移動方向制御作業モード
（３）部品２８が位置Ｇの付近に近づいたところで部品２８の速度を減速させる減速作業モード
（４）部品２８を組付け対象部品１００の孔１０２へ位置決めする位置決め作業モード
【００６１】
ここで作業中に実行される単一の制御アルゴリズムとして下記のインピーダンス制御アルゴリズムを例とする。
Ｆｘ＝Ｍｐ・Ａｘ＋Ｃｐ・Ｖｘ＋ＦＲｘ ・・・（第２式）
Ｆｙ＝Ｍｐ・Ａｙ＋Ｃｐ・Ｖｙ＋ＦＲｙ ・・・（第３式）
上式においてＦｘ、Ｆｙは作業者の操作力を表す。Ｍｐは部品２８の仮想質量を表す。Ｃｐは部品２８に作用する仮想粘性係数を表す。ＦＲは部品２８に作用する、速度に依存しないクーロン摩擦力を表す。また添え字ｘは図１に記した座標系のｘ軸方向を表し、添え字ｙは図１に記した座標系のｙ軸方向を表す。またＡｘは対象物２８のｘ軸方向の加速度を表す。Ｖｘは対象物２８のｘ軸方向の速度を表す。同様にＡｙ、Ｖｙは対象物２８のｙ軸方向の加速度と速度を夫々表す。この制御は部品２８を移動機構１２により移動させる際に、図１のｘ軸方向とｙ軸方向を別々に制御する。Ｍｐ、Ｃｐ、ＦＲも一連の作業を通して一定値に設定されているとする。
この場合、例えば（１）の加速作業モードでは、作業者は対象物２８を素早く加速させようとする。そのため、操作子２４を強く握る。ここでＭｐ、Ｃｐ、ＦＲの値が小さすぎると、インピーダンス制御特有のよく知られた発振現象が生じる可能性がある。
また（２）の移動方向制御作業モードでは、作業者は対象物２８を概ね位置Ｇの方向に向けて移動させようとする。ここでＭｐの値が大きすぎると、作業者が対象物２８の移動方向を修正するのに大きな操作力が必要になってしまう。またＣｐ、ＦＲの値が大きすぎると、対象物２８の移動方向に対して大きな抵抗力が作用するので作業者は常に大きな操作力を加え続けなければならなくなる。
また（３）の減速作業モードでは、Ｃｐ、ＦＲの値が小さすぎると、対象物２８の速度を減速させるために作業者は移動方向とは逆向きに操作力を加えなければならなくなる。
さらに（４）の位置決め作業モードでは、インピーダンス制御では部品２８に慣性力による運動が実現されるので部品２８を微妙に位置決めすることが難しくなってしまう。
このように、一連の作業中に作業補助装置を単一の制御アルゴリズムによって制御すると作業者に対して適切な作業補助が行われない可能性がある。
【００６２】
上記例に対して実施例２の作業補助装置では作業モードに応じて制御アルゴリズムを切り替えることができる。制御アルゴリズムを切り替えるタイミングは、実施例１で例示したように作業モード切替点設定装置１０ａで設定された作業モード境界データと現在の作業中に検出された物理量を比較することで特定できる。そして実施例２では、各作業モードに対応するアルゴリズムをその作業に対して同定された作業者の行動モデル関数を用いて設計することができる。作業モードごとに作業者の行動モデル関数が同定されているので、各作業モードごとの移動機構制御アルゴリズムの設計も容易となる。
【００６３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。
また、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合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合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し得るものであり、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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】作業モード切替点設定装置の概要を示す図である。
【図２】作業モード切替点設定装置のブロック図である。
【図３】作業モード切替点設定方法のフローチャート図である。
【図４】図４（Ａ）はクラスタリング処理を説明するデンドログラムである。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示したｆｉｊの内容を説明する図である。
【図５】図５（Ａ）は作業モード切替点（切替境界）を設定する処理を説明する図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示したｈｉｊの内容を説明する図である。
【図６】作業モードの切替点を特定した際の２回の作業実行時における設定された各作業モード切替点を例示した図である。
【図７】作業補助装置のブロック図である。
【図８】作業補助装置における処理のフローチャート図である。
【図９】対象物物理量から作業者の行動モデル関数を同定したときの行動モデル関数の出力の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１０ａ：作業モード切替点設定装置
１０ｂ：作業補助装置
１２：移動機構
１４ａ：切替点設定装置コントローラ
１４ｂ：作業補助装置コントローラ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：リンク
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：関節
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ：エンコーダ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：アクチュエータ
２２：力センサ
２４：操作子
２８：部品（作業対象物）
３０ａ、３０ｂ：サンプリングホルダ
３２：物理量データ記憶部
３４：位置センサ
３６ａ、３６ｂ：微分器
３８：クラスタリング部
４０：境界設定部
４２：境界データ記憶部
４４：移動機構制御部
４８：作業モード判別部
５０：切替器
５２：アルゴリズム記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者自身が一連の作業を行う際の作業モードの切替点を設定する方法と装置に関する。また、支持した対象物を移動させる移動機構の制御アルゴリズムを設定された切替点に基づいて切り替えて作業者が対象物を移動させる作業を補助する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークや作業器具などの対象物を作業者が直接持って移動させる代わりに、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる機構によって作業者の作業を補助する作業補助装置が開発されている。作業補助装置は操作子を備えている。作業者が操作子を操作すると、その操作に従って移動機構が動作し、対象物を初期の位置から目的の位置へ移動させることができる。作業の種類としては、例えば重量物の搬送であったり、部品を所定の位置に組み付ける作業であったりする。
作業者が作業補助装置を利用して対象物を初期の位置から目的の位置へ移動させる一連の作業を詳細に観察すると、作業者は一連の作業中に幾つかの異なる作業目的を経時的に切り替えていることがわかる。例えば作業初期には静止している対象物を加速させようとする目的で操作子を操作する。次に対象物を概ね目的位置の方向へ向けて移動させる目的で操作子を操作する。目的位置付近では対象物の移動速度を減速させる目的で操作子を操作する。最後に目的の位置へ対象物を位置決めする目的で操作子を操作する。この作業目的は作業者が意識的に切り替えている場合もあるが無意識的に切り替えている可能性もある。本明細書では、これらの夫々の作業目的に基づいた作業者の操作を作業モードと呼ぶことにする。例えば作業初期に静止している対象物を加速させようとする目的で操作子を操作することを加速作業モードと呼ぶ。対象物を概ね目的位置の方向へ向けて移動させる目的で操作子を操作することを移動方向制御作業モードと呼ぶ。目的位置付近で対象物の移動速度を減速させる目的で操作子を操作することを減速作業モードと呼ぶ。目的の位置へ対象物を位置決めする目的で操作子を操作することを位置決め作業モードと呼ぶ。作業補助装置が夫々の作業モードに応じて移動機構を制御するアルゴリズムを切り替えることができれば作業者の作業を一層効果的に補助することが容易になる。
【０００３】
作業モードを切り替えたことを作業者が明示的に作業補助装置に指示するように構成すれば、その指示に従って移動機構を制御するアルゴリズムを切り替えればよい。しかしそれでは作業者に余計な操作を強いることになる。また作業者が無意識に作業モードを切り替える場合もある。従って作業者が作業モードを切り替える条件を作業補助装置が判断できることが望ましい。
【０００４】
特許文献１には、対象物の加速度の値などによって予め作業モードが分割されており、移動機構を制御するためのインピーダンス制御則中の仮想質量や仮想粘性係数などのパラメータを各作業モードに応じて調整する技術が開示されている。例えば静止している対象物を加速させる作業モードでは仮想質量を小さい値に変更することによって、作業者は小さな操作力を操作子に加えるだけで重量物を加速させることができる。また目的位置付近で対象物を減速させる作業モードでは仮想粘性係数を大きい値に変更することによって、作業者は操作子に加える力を調整せずとも対象物を徐々に減速させることができる。
また特許文献２には、作業中の作業者の操作状態と対象物の所定の状態を検出して作業状態（作業モード）を推定し、推定された作業状態に基づいて移動機構の制御アルゴリズムを切り替える技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−８４８８１号公報
【特許文献２】特開２００５−１１８９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、複数の被験者に各種の搬送作業を実施してもらい、そのときの加速度の経時的なデータから作業補助装置の設計者が主観的に作業モードの切替点を設定している。作業モードの切替点を設計者が主観に基づいて設定するために、設定された切替点と実際に作業者が作業中に作業モードを切り替える点とが一致しない場合がある。
また、作業には対象物の位置や速度あるいは作業者が操作子に加える操作力など複数の物理量が関わっている。作業モードの作業目的によってはその作業モードの特徴をよく表す物理量が異なる場合がある。どの物理量がその作業モードを特徴付けるかは事前にはわからない。複数の物理量の変化の組み合わせがその作業モードを特徴付ける可能性もある。
作業モードを特徴付ける物理量が分からない場合や複数の物理量がその作業モードを特徴付ける場合などでは、設計者の主観に基づいていては作業モード切替点を正確に設定することは至難となる。
【０００７】
特許文献２では、作業中に作業モードが切り替えられたことを推定する。この推定は、作業中の作業者の操作状態と対象物の所定の状態を検出して行われる。より具体的にはその推定には、隠れマルコフモデルやニューラルネットワークあるいはファジイ推論が用いられる。ファジイ推論などは、その作業モードを特徴付ける物理量が予め明確でないような場合には有効であるかもしれない。しかし特許文献２では作業中の作業者の操作状態と対象物の所定の状態から作業モードを推定するため、推定誤差が生じる可能性がある。
【０００８】
作業モードに応じて移動機構の制御アルゴリズムを切り替える作業補助装置では、実際の作業モードと作業補助装置が判別又は推定した作業モードが異なると、実際の作業モードには不適切な移動機構の制御アルゴリズムが選択されてしまう。そのため作業補助装置の動作が反って作業者の作業を困難にしてしまうおそれがある。
作業者が作業補助装置を利用する場合には、作業者が作業モードを切り替える点とできるだけ一致するように、作業補助装置が各作業モードに対応した制御アルゴリズムを切り替える切替点を設定することのできる技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
作業モードが切り替えられると、作業の内容によって作業に関する物理量のいずれかが他の物理量より大きく変化する。作業に関する物理量のいずれもが大きく変化しないということは、同じような作業が続いている、即ち同じ作業モードが続いていると考えられるからである。
大きく変化する物理量はひとつの場合もあれば複数の物理量の複合的な変化である可能性もある。見方を変えれば各作業モードの特徴をよく表す何らかの物理量が存在する。作業に関する物理量には、対象物そのものの移動に関する物理量（対象物物理量と称する）と、作業者が操作子に加える物理量（操作物理量と称する）がある。
そこで作業者が作業モードを切り替える切替点を作業補助装置内のデータとして設定するには、作業者にその作業を実行してもらい、そのときの作業に関するできるだけ多くの物理量を経時的に記憶し、記憶した多くのデータに基づいて作業モードの切替点を設定することが合理的である。
【００１０】
しかし一方では操作物理量は作業モードの切替点のパラメータに含むべきではない。操作物理量は作業者が自身の作業モードを切り替えた結果により生じる物理量であり作業モードを切り替えるためのパラメータではないからである。例えば、作業中に作業者は対象物が目的地位置付近に近づいたことを視認したとする。作業者は視認した結果に基づいて作業モードを等速移動作業モードから位置決め作業モードに切り替える。作業モードを切り替えた結果、作業者が操作子に与える操作物理量が変化する。操作物理量は作業モードの切替点を設定する際のパラメータに用いるべきではない。
【００１１】
そこで本発明では、作業モードの特徴をよく掴むために、作業中の操作物理量と対象物物理量の両方を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する。ｎ個の物理量の値で構成されるｎ次元の点群をクラスタリングする。クラスタリングされた各クラスタは作業モードの特徴をよく表すものとなる。その上で各クラスタに属する点群を、ｎ個の物理量から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間で夫々異なる領域に含まれるようにｍ次元空間を領域分割する。領域分割した際の境界が作業モード切替点となる。即ち次に作業を行った際、作業中に検出されるｍ個の対象物物理量の値で示されるｍ次元空間内の軌跡が境界を通過した時点が作業モードの切替点として設定できる。設定された切替点には操作物理量は含まれない。
【００１２】
本発明によれば、作業モードごとの特徴をより正確に掴むために作業中の操作物理量と対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する。作業中の操作物理量と対象物物理量を含むｎ個の物理量の所定時間毎のデータから各作業モードの特徴をよく表す点群の集合（クラスタ）を得ることができる。各クラスタの点群によって作業モードをより正確に分離できる。各クラスタから操作物理量を除いたｍ個の物理量で表されるｍ次元空間内で各クラスタの点群を夫々含む領域に分割する。領域を分割する境界が作業モードの切替点となる。切替点の設定には操作物理量は含まれず、対象物物理量のみから設定される。作業モードをその特徴によって正確に分離した上で対象物物理量に依存する操作モードの切替点を設定することが可能となる。
【００１３】
本発明は、操作子と、支持した対象物を動力によって移動させる移動機構とを有しており、作業者が操作子を操作することによって移動機構への指示が入力される作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定する方法に具現化できる。この方法は、作業者によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する工程と、移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する工程と、一連の作業を実行し、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する工程を有する。
さらに、記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング工程と、「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定工程と、設定されたｍ次元空間の作業モード境界のデータを作業モードの切替点として記憶する工程を有する。
【００１４】
ここで操作物理量とは例えば操作子に加えられる操作力や操作子の位置などがある。操作子がジョイスティックであれば操作物理量はジョイスティックの傾斜角や傾斜方向などでもよい。また、対象物物理量とは例えば、対象物の位置や速度や加速度などがある。
また「所定時間毎」とは例えばサンプリング周期毎でよい。
また「クラスタリング」とは、点群をその類似度に基いて分類すること、またそのための統計学的手法のことである。例えば、ｎ次元空間内で点間距離の近い点同士をまずグループ化し、夫々のグループ内の点群の平均位置の近いグループ同士を融合することを繰り返して点群全体を最終的に幾つかのグループに分割する手法が知られている。
また、「ｎ個の物理量」とは、検出可能な全ての物理量であってもよいし、検出可能な物理量のうちの幾つかを選択したものであってもよい。幾つかの物理量を選択する場合には、ＧＭＤＨ（Group Method of Data Handling）といわれる手法を用いてその作業に関わる度合いの高い物理量のみを選択してもよい。さらに「ｎ」が４以上の場合には「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間は超空間となる。
また、「一連の作業を実行」するとは、１回の実行でもよいし複数回の実行であってもよい。
また「特定数のクラスタに分類する」場合の特定数とは任意の数であってよいが作業モードをあまりに多くの数に分割することは好ましくはない。特定数とは概ね２から６程度が好ましい。
さらに、境界設定工程は、例えば隣接する２つのクラスタの夫々に属する点群から互いに他方のクラスタに属する点群に近い複数の点を抽出し、それらの点から最小二乗法によってｍ次元空間を２分する平面（ｍが２の場合は直線となり、ｍが４以上の場合は超平面となる）を領域の境界として分割すればよい。このとき、複数の点の平均をとるので「夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する」とは、各クラスタに属する点群全てがｍ次元空間の同一の領域に含まれるように分割するのみならず、クラスタの外縁付近の点は「同一の領域」に含まれなくともクラスタに属する大半（好ましくは９０％以上）の点群が「同一の領域」に含まれるように分割することを含む。
【００１５】
上記方法によれば、一連の作業を実行した際に操作物理量と対象物物理量の両者を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点の所定時間毎のデータが記憶される。記憶されたｎ次元の点群をクラスタリングする。その際に操作物理量と対象物物理量の両者を含むｎ次元の点群がクラスタリングされる。よって操作物理量も含めた作業モードの特徴をよく表すクラスタリングができる。
操作物理量を除くｍ次元空間において、各クラスタに含まれるｎ次元の点群が一つの領域に含まれるように領域分割する。領域を分割する境界が作業モードの切替点として設定できる。設定された作業モードの切替点には操作物理量は含まれない。本来作業モード切替点には含まれるべきではない操作物理量を用いて作業モードの特徴をよく表すクラスタを得た後に操作物理量を含まずに作業モード切替点を設定することができる。
【００１６】
境界設定工程は、作業終了時のｍ個の物理量の値で特定される点を原点とするｍ次元空間を設定し、隣接する２つのクラスタの夫々に属する点群から互いに他方のクラスタの点群に近い複数の点を抽出し、抽出された複数の点の平均位置を求め、原点を中心にして原点からその平均位置までの距離を半径とする球面を作業モード境界とすることが好ましい。
【００１７】
作業終了時には対象物は目的位置で静止する。従って作業終了時のｍ個の物理量の値は常に等しくなる。上記方法では、この作業終了時のｍ次元の点の位置を原点としたｍ次元空間を設定する。各作業モード領域の境界はその原点からｍ次元空間の球面となる。換言すれば、各作業モード領域は、原点からｍ次元の点の距離が所定範囲内となる領域となる。
これは、各作業モードにおいて、対象物物理量のうちのある物理量が大きすぎた場合には他の物理量がその大きすぎた物理量を抑制する方向に変化し、全体として作業目的を達成するという知見に基づく。例えば、対象物を等速に移動させる作業モードにおいて、速度が速すぎた場合には速度を落とすように操作力が加えられる。そのため対象物の加速度が変化する。その結果、速度と加速度を要素とする２次元の点の原点からの距離は概ね同じとなる。即ち、作業に関するｍ個の物理量の値で示されるｍ次元の点において、ｍ個の物理量のうち幾つかの要素の値が過去の作業時の物理量の値と大きく異なっていても、他の要素の値がｍ次元の点の位置を同じ作業モードの領域に属するように変化する。
上記方法によれば、ｍ次元の点の要素の値のうち幾つかの値が過去の作業時の物理量の値と大きく異なっていてもそのｍ次元の点は同じ作業モードに属するものとして判断することが可能となる。
【００１８】
境界設定工程は、ｎ次元の各要素の値を正規化した点群に基づいて求めた前記球面を作業モード境界とすることが好ましい。
ここで正規化するとは、一連の作業で取得される各物理量の所定時間毎のデータについて、物理量ごとに、その一連の作業毎のデータ中の最大値の絶対値でその物理量の全ての経時的な値を除することを言う。この正規化によって各物理量は1.0から-1.0の間で変化するデータとなる。
ｎ次元の点群を正規化することで、例えば対象物の初期位置だけが異なる作業に対しても、同じ作業モード領域の分割データを用いることが可能となる。
【００１９】
本発明はまた、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者自身が一連の作業を行う際の作業モードの切替点を設定する装置に具現化することもできる。この装置は、対象物を支持可能であり、動力によって対象物を移動させる移動機構と、移動機構に対する指示を与えるために作業者が操作する操作子と、作業者の操作によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する操作物理量検出器と、移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する対象物物理量検出器と、一連の作業を実行した際に、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する物理量記憶手段と、記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング手段と、「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定手段と、設定されたｍ次元空間の作業モード境界を作業モードの切替点として記憶する境界データ記憶手段を備える。
上記装置によっても前述した方法と同様に一連の作業における作業モード切替点を設定することができる。
【００２０】
本発明はまた、上記の方法若しくは装置によって得られた作業モード境界データに基づいて、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者が行う一連の作業を補助する装置に具現化することもできる。この装置は、移動機構と、対象物物理量検出器と、作業モード境界のデータを記憶する境界データ記憶手段と、夫々の作業モードに対応した制御アルゴリズム群と、現在作業モード判別器と、制御器を備える。
移動機構は、対象物を支持可能であり、作業者が操作する操作子の操作物理量に基づいて動力によって対象物を移動させる。
対象物物理量検出器は、対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する。
現在作業モード判別器は、作業中に、対象物物理量検出器によって検出された現在の物理量から、作業モード境界を設定する際に用いた「ｍ個の対象物物理量」で構成される現在のｍ次元の点がいずれの作業モード領域に属するかを判別する。
制御器は、アルゴリズム群の中から、判別された作業モード領域の作業モードに対応した制御アルゴリズムを選択し、操作物理量を入力として選択されたアルゴリズムに基づいて移動機構を制御する。
【００２１】
上記構成によれば、作業モード切替点設定方法若しくは作業モード切替点設定装置によって設定された作業モード切替点の境界データと、現在の作業中に検出したｍ次元の対象物物理量の値によるｍ次元点を照合して現在の作業モードを特定することができる。そして特定された現在の作業モードに適したアルゴリズムを選択して移動機構を制御できる。現在の作業モードを正確に特定することができ、作業モードに適した制御アルゴリズムで作業者の作業を補助することができる。
【００２２】
上記作業補助装置は、特定数のクラスタに分類されたｎ次元の点群の経時的な変化から各作業モードでの作業者の行動モデル関数を同定し、同定された行動モデル関数に基づいて各作業モードに対応した制御アルゴリズムを設定することが好ましい。
【００２３】
前述の作業モード切替点設定方法あるいは作業モード切替点設定装置を利用する過程で各作業モードにおける「ｎ個の物理量」の値で構成されるｎ次元の点群の所定時間毎のデータが得られる。このデータは観点を変えると、対象物の物理量を入力とし、作業者によって操作子に加えられる物理量を出力とする制御系の入出力関係の経時的データを表していると認識することもできる。ここでいう制御系は作業者を意味する。従ってこのデータから制御系（作業者）の伝達関数を同定することができる。作業者の伝達関数とは換言すると、作業者が作業中に対象物物理量を観察（検出）した結果、どのような操作力を出力するか、その作業者の特性を表す行動モデル関数ともいうべきものである。作業者の伝達関数（行動モデル関数）が同定できると、夫々の行動モデル関数に適した移動機構の制御アルゴリズムを設定することができる。よって作業モードごとに作業者の特性に適したアルゴリズムで移動機構を制御することができ、作業者の作業を一層効果的に補助することができる。
なお、上記入出力のデータから行動モデル関数を同定するには例えば最小二乗法などの手法を用いることが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本願発明によれば、操作子と、支持した対象物を動力によって移動させる移動機構とを有しており、作業者が操作子を操作することによって移動機構への指示が入力される作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定することができる。
また、作業補助装置を用いた作業中の現在の時点がどの作業モードであるかを作業対象物の移動に関する物理量から判別することができ、現在の作業モードに適したアルゴリズムで作業補助装置を制御して作業者の作業を効果的に補助することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） クラスタリングには凝集法による階層的クラスタ解析を用いることが好ましい。またクラスタ合併時の重み漸化方式としてはWard方を用いることが好ましい。この手法は、デンドログラムを得られるために結合時のクラスタ間距離を調べることができ、それをもとにした作業モード数の判断がし易く、各クラスタ間の分離点が求め易いという利点がある。
（第２形態） 点群を特定数のクラスタに分割する際の特定数は、デンドログラム上での各クラスタ間距離におけるクラスタの総数と、クラスタの数が減少するときのクラスタ間距離とを参照して決定することが好ましい。
【実施例】
【００２６】
図面を参照して実施例を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１に本発明に係る一実施例の作業モード切替点設定装置１０ａの模式図を示す。なお図１では説明を簡単にするために、装置１０ａを２次元の図として描いてある。
図１の例は、部品２８（対象物）をＳの位置から移動させて、静止している組付け対象部品１００の孔１０２へＧの位置で組み付ける作業を行うものである。図１では部品２８の最終位置Ｇを原点としたＸＹ座標系を設定してある。
【００２７】
作業モード切替点設定装置１０ａは、部品２８を支持して移動させるための移動機構１２と、この移動機構を制御する切替点設定装置コントローラ１４ａを備える。なお、作業モード切替点設定装置１０ａに対して１０ｂと符号を付してあり、また切替点設定装置コントローラ１４ａに１４ｂと符号を付してあるのは、同じ移動機構１２を後に説明する作業補助装置として用いる場合に全体の装置が作業補助装置１０ｂとなり、切替点設定装置コントローラ１４ａが作業補助装置１０ｂを制御する場合に補助装置コントローラ１４ｂとなることを示している。即ち本実施例では作業モード切替点設定装置１０ａを作業補助装置１０ｂとしても機能させることができる。作業補助装置１０ｂについては実施例２で説明する。
【００２８】
移動機構１２は多リンク機構であり、リンク１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、隣接するリンクを揺動可能に連結する関節１８ａ、１８ｂ、１８ｃを備えている。関節１８の夫々には関節角を計測するエンコーダ１９ａ、１９ｂ、１９ｃが備えられている。また各関節１８にはリンク１６を揺動させるためのアクチュエータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えている。なお、リンク１６ａ、１６ｂ、１６ｃを合わせて総称する場合には添え字ａ、ｂ、ｃを省略してリンク１６と表す。関節１８ａ、１８ｂ、１８ｃも関節全部を総称する場合には関節１８と表す。アクチュエータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃやエンコーダ１９ａ、１９ｂ、１９ｃについても同様である。
【００２９】
移動機構１２の先端のリンク１６ｃにはグリッパ２６が取り付けられている。グリッパ２６はその先端の爪が開閉可能であり部品２８を支持することができる。
移動機構１２の先端のリンク１６ｃにはまた力センサ２２を介して操作子２４が備えられている。作業者によって操作子２４が操作されると、操作子２４が受ける操作力は力センサ２２で検出される。検出された操作力は切替点設定装置コントローラ１４ａに送られる。切替点設定装置コントローラ１４ａでは送られた操作力に基づいて移動機構１２を動作させるべく、各アクチュエータ２０に対してトルク指令値（または位置指令値や速度指令値でもよい）を出力する。
切替点設定装置コントローラ１４ａは、例えばインピーダンス制御則に基づいて入力された操作力から各アクチュエータ２０に対する指令値を生成する。ここでインピーダンス制御とは、支持された部品２８の位置に仮想的な質量と仮想的な粘性係数を設定し、入力された操作力によってこの仮想質量と仮想粘性係数を有する部品２８に生じる運動を設定する運動方程式を設定する。操作力を入力として設定された運動方程式を解くことで仮想質量等が設定された部品２８の加速度を求める。求められた加速度が部品２８の位置で実現されるように各アクチュエータ２０への指令値を出力する。仮想質量を小さい値に設定することで作業者は小さい操作力で部品２８を移動させることが可能となる。また粘性係数を適切に設定することで、作業者が操作力をゼロとした場合には部品２８を徐々に減速するように移動させることができる。
【００３０】
各関節１８に備えられたエンコーダ１９からは各関節１８の関節角が検出される。検出された各関節角と移動機構１２の幾何学的構造から支持された部品２８の位置を算出することができる。算出された部品２８の位置は切替点設定装置コントローラ１４ａに送られる。
【００３１】
次に図２に本実施例による作業モード切替点設定装置１０ａのブロック図を示す。
作業者が一連の作業中に操作子２４に加えた操作力は力センサ２２によって検出されて切替点設定装置コントローラ１４ａ内のサンプリングホルダ３０ａに入力される。制御周期（サンプリング周期）毎にサンプリングされた操作力Ｆｘ、Ｆｙは物理量データ記憶部３２に入力される。
同時に移動機構１２の位置センサ３４によって検出された対象物２８の位置が切替点設定装置コントローラ１４ａ内のサンプリングホルダ３０ｂに入力される。ここで位置センサ３４とは、移動機構１２に取り付けられたエンコーダ１９と、各エンコーダ１９の出力値と移動機構１２のリンク構造の幾何学的な構成から対象物２８の位置を算出する計算手段を含むものである。
サンプリングホルダ３０ｂによって制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙと、サンプリングされた操作力Ｆｘ、Ｆｙは移動機構制御部４４に送られる。作業モード切替点設定装置１０ａ内の移動機構制御部４４には特定のアルゴリズムが実装されている。移動機構制御部４４はその特定のアルゴリズムに基づいて操作力Ｆｘ、Ｆｙに従って対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙを移動させるように移動機構１２のアクチュエータ２０へトルク指令値（あるいは位置指令値や速度指令値）を出力する。作業モードの切替点の設定を行うための作業実行時には、移動機構制御部４４には予め決められた特定のアルゴリズムが実装されていればよい。
【００３２】
サンプリングホルダ３０ｂから出力された対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙは微分器３６ａに入力されて対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙが求められる。さらに対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙは他の微分器３６ｂに入力されて対象物２８の加速度Ａｘ、Ａｙが求められる。制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙおよび、求められた対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙおよび加速度Ａｘ、Ａｙは物理量データ記憶部３２に入力される。
物理量データ記憶部３２ではサンプリング毎の操作力Ｆｘ、Ｆｙと対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙとその速度Ｖｘ、Ｖｙおよびその加速度Ａｘ、Ａｙで構成される８個の物理量の値を要素とする８次元の点の集まり（点群）として記憶される。
一連の作業を複数回実行し、作業毎に８次元の点群の所定時間毎のデータが記憶される。
作業が複数回実行された後に記憶された点群のデータはクラスタリング部３８によって参照され、８次元の点群を８個の物理量（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ａｘ、Ａｙ）を各軸とする８次元空間における近接する点群の集まりとして特定数のグループ（クラスタ）にクラスタリングされる。各クラスタに属する点群の夫々の要素は類似した値を有する。従って各クラスタの点群が夫々各作業モードの特徴を表す点群となる。
ここで特定数とは作業モードの数と規定する数であり、一連の作業の種類にもよるが概ね２から６程度が好ましい。作業モードをあまりにも細分化すると、夫々の作業モードに応じた制御アルゴリズムを設定するコストがかかる。また作業者にとっては作業中に制御アルゴリズムが頻繁に切り替えられることも作業のし易さを損ねる結果にもなりかねないからである。
次に特定数のグループに分けられた点群は、境界設定部４０によって、８個の物理量（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ａｘ、Ａｙ）から操作物理量である（Ｆｘ、Ｆｙ）を除いた６個の物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ａｘ、Ａｙ）で表される６次元空間内の各領域に分割される。境界設定部４０では８次元の点群のうちの操作物理量（Ｆｘ、Ｆｙ）の値を無視して扱う。これにより元々８次元であった点群は６個の対象物物理量からなる６次元の点群として扱われる。
境界設定部４０では、特定数のクラスタに分類された夫々の点群を、６個の対象物物理量で表される６次元空間で夫々別の領域に含まれるような境界を６次元空間に設定する。境界の設定手法については後述する。この境界が作業モードの切替点（切替点の集合としての面）となる。また各領域が夫々異なる作業モードを表す。以後、領域を作業モード領域と称する場合もある。ここで、境界を設定する６次元空間は操作物理量を含まず対象物物理量だけからなる空間である。従って作業モードの切替点には操作物理量は含まれない。
本実施例では、各作業モードの特徴を表す点群をクラスタに分類する際には操作物理量を考慮する。作業に関わる物理量の経時的な点群を作業モードの特徴を表す点群ごとにクラスタリングするには各点に含まれる情報（物理量の個数）は多い方がより正確に各作業モードの特徴を表す点群に分類できるからである。しかし作業モードの切替点を特定する際には操作物理量の値を無視した点群を用いる。これにより、作業モード切替点の設定の際には操作物理量を除外することができる。
【００３３】
境界設定部４０によって分割された６次元空間の各作業モード領域の境界のデータは境界データ記憶部４２に記憶される。境界データ記憶部４２に各作業モード領域の境界のデータが記憶されるということは、境界データ記憶部は境界によって分割される各作業モード領域のデータを記憶することと等価である。
即ち、ひとたび境界データが生成されて記憶されれば、次に作業を実行する際、実行中に検出されたｎ個の対象物物理量の値がどの作業モード領域に属しているかを判別することにより現在の作業モードを特定することが可能となる。また、検出されたｎ個の対象物物理量の値が経時的にみて境界を通過したときが作業モードの切替点として特定できる。
【００３４】
次に図３を用いて図２の作業モード切替点設定装置１０ａによる処理の流れを説明する。
まずステップＳ１００で一連の作業を実行する。その作業実行中にステップＳ１０２で力センサの出力Ｆｘ、Ｆｙ（操作物理量）と対象物の位置Ｐｘ、Ｐｙとその速度Ｖｘ、Ｖｙおよびその加速度Ａｘ、Ａｙ（対象物物理量）を検出し記憶する。
一連の作業をＭ回実行するまでステップＳ１０２の操作物理量と対象物物理量の検出と記憶を繰り返す（ステップＳ１０４：ＮＯの場合）。「Ｍ回」とは任意の数でよいが概ね５回から２０回程度が適切である。
作業をＭ回実行したら（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、次にステップＳ１０６で記憶された点群を特定数のグループにクラスタリングする（特定数のグループに分ける）。ここでステップＳ１０６のクラスタリング処理では、記憶された「８個の物理量」の値で構成される８次元の点群を、「８個の物理量」を座標軸とする８次元空間内で点間距離の近い点同士をクラスタ（グループ）化し、さらにグループ間距離の近いクラスタ同士を一つのクラスタに融合していく。最終的には全点群は単一のクラスタに統合される。
次にステップＳ１０８の作業モード数の決定処理では、ステップＳ１０６のクラスタリング処理で隣接するクラスタが融合して最終的に一つのクラスタに統合された結果から、適切なクラスタ数を決定する。このときのクラスタ数が作業モードの数となる。作業モード数の決定の手法については次の図４で詳細に説明する。
【００３５】
ステップＳ１０８で全部の点群が特定数のグループに分けられた後に、夫々のグループに含まれる点群の大半が夫々別個の領域に属するように６次元空間を領域分割するための境界を設定する。ここで「夫々のグループに含まれる点群の大半」と表現したのは以下の理由による。即ち、領域分割するために、隣接するグループの夫々に含まれる点群のうち、隣接する夫々のグループの点群から、境界に近い複数の点を抽出する。そしてその複数の点の平均位置を求める。６次元空間の原点からその平均位置までの距離を半径とした超球面を２つの隣接するグループ（クラスタ）を分ける６次元空間の境界とする。従って平均位置を求める際に用いた複数の点のうちいくつかは、超球面によって分割された２つの領域のうち、もともとは一方のグループに含まれていた点が他方のグループの点群の領域に属してしまうことがあるからである。この領域分割によって、夫々のグループに含まれる大半の点群は同一の領域に属することになるが、そのグループに含まれる点のうち他のグループに含まれる点群との距離が近い点はもともと含まれていたグループの領域とは異なる領域に属する場合がある。別言すれば、ステップＳ１１０の境界設定処理は、夫々のグループ（クラスタ）に属する点群のうち少なくとも隣接するグループ（クラスタ）の点群に近い点を除いた点群が夫々異なる領域に含まれるように６次元空間を複数の領域（作業モード領域）に分割する境界を設定する、と表現できる。
【００３６】
ステップＳ１１０によって設定された６次元空間の境界のデータはステップＳ１１２で図２に示す境界データ記憶部４２に記憶される。
【００３７】
次にクラスタリング、すなわち複数回の作業実行の作業毎およびサンプリング時間毎に記憶された点群を特定数のグループに分ける処理について詳細に説明する。
その前に本実施例では、上記８個の物理量から点群をクラスタリングする場合に寄与度の低い物理量を除外するする処理を行う。扱う物理量を低減することができれば、計算コストを低減できるからである。本実施例では、作業モードごとに特定の物理量の変化がその作業モードを特徴付けることに着目している。ここで特定の物理量とは複数の物理量の組み合わせでもよい。また作業モードごとにその作業モードを特徴付ける物理量が異なってもよい。従って一連の作業に亘って経時的変化の小さい物理量は点群をクラスタリングする際のキーポイントとなる物理量とはなり得ない。そこで、そのような物理量は最初から除外することで以後のグループ化処理を高速化できる。
【００３８】
８個の物理量からクラスタリングに寄与しない物理量を削除する方法として本実施例ではＧＭＤＨ（Group Method of Data Handling）と呼ばれる手法を用いる。
作業者は対象物を視認することによって対象物物理量（対象物の位置Ｐｘ、Ｐｙとその速度Ｖｘ、Ｖｙおよびその加速度Ａｘ、Ａｙ）を認識（検出）し、認識した対象物物理量から次の操作物理量（操作力Ｆｘ、Ｆｙ）を決定する。ＧＭＤＨでは、作業者を、対象物物理量を入力とし、操作物理量を出力とする制御モデル（行動モデル）とみなす。図３のフローチャート図に示すステップＳ１０２の操作物理量／対象物物理量の検出と記憶によって記憶されたデータからＧＭＤＨによって作業者の行動モデルの関数を構築する。その行動モデル関数の中で出力Ｆｘ、Ｆｙに対する寄与度の低い対象物物理量を特定する。特定された物理量は作業者が操作力Ｆｘ、Ｆｙを決定するに際して参考とする度合いが低い物理量である。そのような物理量は記憶された点群をクラスタリングする際に重要な物理量とはならない。従って特定された物理量をクラスタリング処理の対象から除外する。発明者らの実験によると、本実施例における作業者の操作力Ｆｘに対しては対象物のｙ軸方向の速度Ｖｙと加速度Ａｙの寄与度が低いことが判明した（作業者の制御モデルの多項式は複雑であるので省略する）。そこで以下ではｘ軸方向の操作力Ｆｘについて、記憶した８個の物理量からＶｙとＡｙ、およびＦｙを除いた５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）を用いてクラスタリング処理を行う。物理量からＦｙを除いたのは操作力をｘ軸方向の操作力Ｆｘとｙ軸方向の操作力Ｆｙについてそれぞれ別個にクラスタリングを行うためである。以下では、説明を簡単化するために図１のｘ軸方向の操作力Ｆｘのための作業モード切替点の設定処理について説明する。ｙ軸方向の操作力Ｆｙについても同様の処理ができる。なおＧＭＤＨについては、文献（Farlow S.J, "Self-organizing method in modeling", Marcel Decker, 1984）に詳しい。
【００３９】
本実施例ではクラスタリングの具体的な手法として凝集法による階層的クラスタ解析を用いた。クラスタ合併時の重み漸化方式としてはWard方を用いた。この手法は、デンドログラムを得られるために結合時のクラスタ間距離を調べることができ、それをもとにした作業モード数の判断がし易く、各クラスタ間の分離点が求め易いという利点がある。
【００４０】
図４（Ａ）に、図２に示す物理量データ記憶部３２に記憶されている５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）のデンドログラムを示す。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の縦軸に示したｆｉｊの具体的意味を示す図である。ｆｉｊとは図４（Ｂ）に示すように、５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）のｊ回目の作業実行における時刻ｔｉでの値で構成される５次元点の座標を表す。図４（Ａ）の縦軸は５次元の点ｆｉｊ位置を模式的に１次元の縦軸上にプロットしたものである。そして横軸は２つの点（又は点とグループ、若しくは２つのグループ）の距離を示している。
図４（Ａ）のデンドログラム上に示されているコの字形の線は、２つの点（又は点とグループ、若しくは２つのグループ）の距離が近いためにそれらの２つの点がひとつにまとめられたことを示している。コの字形の線のうち、縦軸と平行な線の位置が横軸上での２つの点間距離を示している。
例えば点ｆ２１は第１回目の作業実施時の時刻ｔ２における物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の値の点を表している。また点ｆ２１と点ｆ２２は点間距離がＨ１であることを表している。実際には縦軸には全ての点群がプロットされるため、膨大な数の点群がプロットされる。例えば１回約１００秒かかる作業を0.1秒単位でサンプリングし、その作業を１０回繰り返したとすると、点群の総数は１万点となる。図４（Ａ）の縦軸には模式的に数点のみプロットしてある。
【００４１】
クラスタリングとは、点間距離の近い点同士を一つのグループ（クラスタ）にまとめる手法である。例えば点ｆ２１と点ｆ２２は点間距離がＨ１でその他の点より近いのでこの２つの点が一つのグループにまとめられる。次に点ｆ２１と点ｆ２２の平均位置と点ｆ１１の点間距離が短いので点ｆ２１と点ｆ２２と点ｆ１１がひとつのグループにまとめられる。同様に点ｆ３２と点ｆ３１は点間距離がＨ１未満でありこの２つの点が別のグループとしてまとめられる。さらに点ｆ３２と点ｆ３１の平均位置と点ｆ４１の点間距離がＨ１と短いのでこれら点ｆ３２と点ｆ３１と点ｆ４１が新たにひとつのグループとしてまとめられる。こうして点間距離の近い点同士が順次グループ化されていく。最終的には点間距離Ｈ５で全ての点群が単一のグループに統合される。
【００４２】
図４（Ａ）のデンドログラムから作業モードの数を決定する。作業モードの分割数は予め２から６の間と設定されている。そしてグループの分割数と、それらのグループが統合されるまでの点間距離とを参照する。
一つにまとめられた点群は、点間距離の近いもの同士である。これは５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の各要素の値が類似していることを示している。即ち一つのグループに含まれる点群は一つの作業モード中の点群として分類できることを意味している。そして２つのグループの点間距離が長いということは、一方のグループに含まれる夫々の点の５個の物理量の値のうち少なくとも一つが他のグループに含まれる点の同じ物理量の値と大きく異なっていることを示している。従って２つのグループの点間距離が長いということは、夫々のグループの点群で代表される作業モードの特徴が大きく異なることを意味している。
例えば図４（Ａ）に示すようにグループＥとグループＦは点間距離がＨ５でようやく一つのグループに統合される。統合される際の点間距離が長いほど２つのグループ内の点群で代表される作業モードの特徴が大きく異なっている。即ちグループＥとグループＦの２つの作業モードに分けるとその切り替え点では作業の特徴が大きく異なることを意味している。作業モードの分割は少ない方が好ましいが、少なすぎると作業の切り替え時点で夫々の作業モードの特徴が大きく異なることになる。従って夫々の作業モードに応じた制御アルゴリズムも大きく異なるものとして設定される。一連の作業の途中で制御アルゴリズムが大きく異なるのは作業者に違和感を与え兼ねない。従って適切な点間距離で作業モードを分割する方がよい。
グループＡとグループＢは点間距離Ｈ３でひとつのグループＥに統合される。グループＣとグループＤは点間距離Ｈ４でひとつのグループＦに統合される。点間距離Ｈ３とＨ４は近接している。このことは、グループＡで代表される作業モードとグループＢで代表される作業モードの特徴の相違の程度と、グループＣで代表される作業モードとグループＤで代表される作業モードの特徴の相違の程度が概ね同じ程度であることを示している。従ってグループＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つのグループに作業モードを分割すると、夫々の作業モードの切り替え時点での作業内容の相違の程度は概ね同じ程度となる。
一方、点間距離Ｈ２では５つのグループに分割することができる。しかしグループＡに統合される前の２つのグループは点間距離Ｈ２で統合される。このグループＡに統合される前の２つのグループは、グループＣとＤが統合される点間距離Ｈ４よりはるかに短い点間距離Ｈ２で統合される。従ってグループＡに統合される前の２つのグループに代表される作業モードの相違の程度は、グループＣとＤに代表される作業モードの相違の程度よりはるかに小さい。
作業モードの切り替え点の前後における作業モードの特徴の相違の程度は、同じ程度である方が作業者にとっては制御アルゴリズムの切り替え時点がわかり易い。そこで図４（Ａ）のデンドログラムからは、グループＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つに分割することが適切であると判断できる。
以上の処理は図３のフローチャートにおけるステップＳ１０８の作業モードの決定処理で行われる。上記の特定数の決定処理は、デンドログラム上での各クラスタ間距離におけるクラスタの総数と、クラスタの数が減少するときのクラスタ間距離とを参照して決定することができる。
【００４３】
次に図５を用いて、４つのグループの夫々に属する点群に基づいて作業モード領域を分割するための境界を設定する処理について説明する。図５（Ａ）は作業モードごとに対応して空間を分割する領域の設定を説明する模式図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示されるｈｉｊの内容を説明する図である。図５（Ｂ）に示すように図５（Ａ）に示されているｈｉｊは、ｊ回目の作業実行時の時刻ｔ１における４個の物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の位置を表す。即ちｈｉｊは、図４に示した各ｆｉｊの要素から操作物理量であるＦｘを除いた４次元の点を表している。
作業モード領域の境界を設定する処理では、全ての点群をグループ化する際に用いた５個の物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）から操作物理量であるＦｘを除いた４個の物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）で表される４次元の点群を対象とする。ここで操作物理量を除くのは、次の理由による。即ち、本実施例では作業者を４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）を入力とし、操作物理量Ｆｘを出力とする行動モデルとみなしている。この行動モデルでは作業者は入力パラメータである４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）に基づいて作業モードを切り替える。作業モードを切り替える際に操作物理量は関与しない。従って作業モードを領域分割する空間は、操作物理量を除く４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）が構成する４次元空間とする。
【００４４】
説明を簡単にするために図５（Ａ）は対象物の位置ＰｘとＰｙを軸とする２次元平面を描いてある。実際には４個の物理量からなる４次元空間で領域分割をするが４次元空間は描画できないので２次元平面に置き替えて説明する。また、横軸のＰｘと縦軸のＰｙは夫々正規化されており、｛Ｐｘ、Ｐｙ｝＝｛１．０、１．０｝の点が図１に示す対象物２８のスタート点Ｓに相当し、｛Ｐｘ、Ｐｙ｝＝｛０．０、０．０｝の点が図１に示す対象物２８の最終点Ｇに相当する。点Ｓから点Ｇに伸びる実線は作業実行１回目の対象物２８の軌跡を示し、破線は作業実行２回目の対象物２８の軌跡を示す。
【００４５】
図５（Ａ）に示す点ｈ２１は、作業実行１回目の時系列の点群で図４のグループＡに含まれる点群のうち、グループＢに含まれる点群に最も近い点ｆ２１に相当する点を表す。また点ｈ３１は、作業実行１回目の時系列の点群で図４のグループＢに含まれる点群のうち、グループＡに含まれる点群に最も近い点ｆ３１に相当する点を表す。同様に点ｈ２２は、作業実行２回目の時系列の点群で図４のグループＡに含まれる点群のうち、グループＢに含まれる点群に最も近い点ｆ２２に相当する点を表す。また点ｈ３２は、作業実行２回目の時系列の点群で図４のグループＢに含まれる点群のうち、グループＡに含まれる点群に最も近い点ｆ３２に相当する点を表す。即ち、点ｈ２１、点ｈ３１、点ｈ２２、点ｈ３２、は図４で互いに隣接するグループＡとＢに含まれる点群のうち、他方のグループの点群に近い点である。この４つの点の平均を取った点が点ｈ２３である。
次に座標系の原点から点ｈ２３までの距離Ｒ２を計算し、原点を中心として距離Ｒ２を半径とする円Ｗ２を設定する。この円Ｗ２は、図４のグループＡに属する点群が含まれる領域Ｚ１とグループＢに属する点群が含まれる領域Ｚ２の境界線となる。即ちこの円Ｗ２がグループＡに属する点群に代表される作業モードとグループＢに属する点群に代表される作業モードの境界点（の集合）となる。
なお、上記の処理では、隣接する２つのグループＡ、Ｂの夫々に属する点群から互いに他方のグループの点群に近い複数の点（点ｈ２１、点ｈ３１、点ｈ２２、点ｈ３２）を抽出し、抽出された複数の点の平均位置（点ｈ２３）を求め、原点を中心にして原点からその平均位置（点ｈ２３）までの距離Ｒ２を半径とする円Ｗ２を設定した。従って領域Ｚ１にはグループＡに属する点群の大半が含まれるが平均を取ったためにもともとはグループＡに属していた点であったが領域分割の際にグループＢの点群が含まれる領域Ｚ２に含まれてしまうものもある。本実施例では、「５個の物理量から操作物理量を除いた４個の対象物物理量で表される４次元空間内で、夫々のクラスタに属する４次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるように４次元空間を分割する境界を設定する」との表現は、夫々の領域に夫々対応する点群の全てが含まれる場合のみならず、２つのクラスタの境界付近の点群を除く大半の点群が夫々クラスタごとに別の領域に含まれるように４次元空間を分割する境界を設定することも含まれる。
【００４６】
図５（Ａ）では、座標軸をＰｘとＰｙの２次元としたが、実際には４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）を座標軸とする４次元空間で上記処理を行う。従って領域を分割する境界Ｗ２は４次元空間での超球面となる。この超球面Ｗ２が作業モードの切替点（の集合）に相当する。即ち超球面Ｗ２を設定する処理が、作業モードの切替点を設定する処理に相当する。
【００４７】
同様に図４のグループＢと隣接するグループＣとの境界付近の複数の点を抽出し、それらの点の原点からの平均距離Ｒ３を求め、原点を中心として半径Ｒ３の超球面Ｗ３を設定する。また図４のグループＣと隣接するグループＤとの境界付近の複数の点を抽出し、それらの点の原点からの平均距離Ｒ４を求め、原点を中心として半径Ｒ４の超球面Ｗ４を設定する。図４（Ａ）のグループＢに属する点群が含まれる領域Ｚ２とグループＣに属する点群が含まれる領域Ｚ３を分割する超球面Ｗ３も作業モードの切替点を設定する境界となる。同様に超球面Ｗ４も作業モードの切替点を設定する境界となる。
【００４８】
ここで、図１に示した作業モード切替点設定装置１０ａで対象物２８を点Ｓから点Ｇへ移動させる作業を行う際、作業中に取得した４個の対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の値が示す点が領域Ｚ１に含まれる場合に、その時点の作業は作業モードＡにあると称する。また、作業中に取得した４個の対象物物理量の値が示す点が領域Ｚ２に含まれる場合に、その時点の作業は作業モードＢにあると称する。同様に作業中に取得した４個の対象物物理量の値が示す点が超球面Ｗ３とＷ４で囲まれた領域Ｚ３に含まれる場合を作業モードＣと称し、超球面Ｗ４の内側の領域Ｚ４に含まれる場合を作業モードＤと称する。
【００４９】
次に図５で説明した各作業モードの分割が作業中に取得した物理量の経時的変化にどのように対応するかを図６により説明する。なお図６は説明のための模式図であり実際の試験結果ではない。
図６は同じ作業を２回実行した際の各物理量の経時的変化を示す。図６（Ａ）は操作力Ｆｘの経時的変化を示す。図６（Ｂ）は対象物２８のｘ軸方向の位置Ｐｘの経時的変化を示す。図６（Ｃ）は対象物２８のｘ軸方向の速度Ｖｘの経時的変化を示す。図６（Ｄ）は対象物２８のｘ軸方向の加速度Ａｘの経時的変化を示す。図６（Ｅ）は対象物２８のｙ軸方向の位置Ｐｙの経時的変化を示す。また全てのグラフにおいて横軸は経過時間ｔを示す。時間ｔを含め、全ての物理量は正規化して示してある。ここで正規化とは、作業実行ごとの時系列の点群の各要素（各物理量）の値に対して、その時系列の要素中の最大値の絶対値で全ての要素の値を除することをいう。従って全ての物理量は無次元化され、その値は-1.0から1.0の間の値をとる。検出した点群の各要素を正規化して表すことで、例えば作業開始位置や目標位置が異なったとしても一連の作業全体が同じであれば、作業モード切替点を設定する境界データを共通に利用することができる。
また各グラフにおいて実線は作業実行１回目の経時的変化を示し、破線は作業実行２回目の経時的変化を示す。
【００５０】
図５で説明したように本実施例では対象物物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の値が示す点がどの作業モード領域にあるかでその時点の作業モードが特定される。図６では作業実行１回目については縦軸に平行な短破線が作業モードの切替点を示す。作業実行１回目では図６の上方に示すＡ１の期間が作業モードＡに相当する。同様に、Ｂ１の期間が作業モードＢに相当し、Ｃ１の期間が作業モードＣに相当し、Ｄ１の期間が作業モードＤに相当する。
また作業実行２回目については縦軸に平行な長破線が作業モードの切替点を示す。作業実行２回目では、図６の下方に示すＡ２の期間が作業モードＡに相当する。同様に、Ｂ２の期間が作業モードＢに相当し、Ｃ２の期間が作業モードＣに相当し、Ｄ２の期間が作業モードＤに相当する。
作業実行１回目の作業モードＡは図６（Ｄ）の加速度Ａｘの値がａ１の位置で急激に変化している。従ってこの点ａ１が作業モードＡと作業モードＢの境界を特定付ける要因となっていることが推定される。作業実行２回目の作業モードＡは図６（Ｄ）の加速度Ａｘの値がａ２の位置で急激に変化している。従ってこの点ａ２が作業モードＡと作業モードＢの境界を特徴付ける要因となっていることが推定される。なお、「推定される」とは、図５について説明したように本実施例では操作量Ｆｘを含めた５つの物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の点群を４つのグループに分割し、夫々のグループの点群に対して操作量Ｆｘを除く４つの物理量（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の４次元点群によって４次元空間を領域分割（モード領域の分割）した結果であるので、作業モード領域の境界が各パラメータとどのように関連しているかは明示的に明らかではないからである。しかし作業実行１回目と２回目の双方とも作業モードＡと作業モードＢの境界では操作力Ｆｘが立ち上がりから定常状態に移行している。従って操作量Ｆｘを含めた５つの物理量（Ｆｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ）の点群をグループ化した際に、操作力Ｆｘと加速度Ａｘの組み合わせによって作業モードＡと作業モードＢの特徴の相違が表れたものと推定できる。作業モードＡの期間における操作力Ｆｘと加速度Ａｘのグラフから、作業モードＡは操作力Ｆｘを加え始めて対象物を静止状態から加速させる内容の作業であると考えられる。ここで「考えられる」との表現を用いたのは次の理由による。本実施例では従来技術のように主観に基づいての作業モード切替点の設定ではなく、作業実行中に得られた物理量の点群を夫々の作業モードの特徴を代表する点群ごとにグループ化している。従ってその作業モードがどのような作業目的（作業内容）であるかは判別しないからである。逆に本実施例では、各作業モードの作業内容に関わらず、作業実行中に検出した物理量の経時的な変化のデータから設計者の主観を排除してその作業を特徴付ける物理量を有する点群のグループ（クラスタ）によって作業モードの切替点を設定する。しかも点群をグループ化する際には作業者が出力する操作力も含めている。従って本実施例によって設定された作業モードの切替点は、作業者の各作業モードに対する作業目的に沿って設定されるといえる。
作業モードＢと作業モードＣの境界は対象物のｘ軸方向の位置Ｐｘが作業モードの切り替え点の主要なパラメータとなっていることが推定できる。作業実行１回目では点ｂ１を境界として作業モードが切り替わっている。作業実行２回目では点ｂ２を境界として作業モードが切り替わっている。作業モードＢの期間におけるＰｘとＰｙのグラフから、作業モードＢでは対象物の移動方向を目的位置の方向へ向ける内容の作業であると考えられる。
作業モードＣと作業モードＤの境界は対象物のｙ軸方向の位置Ｐｙが作業モードの切り替え点の主要なパラメータとなっていることが推定できる。作業実行１回目では点ｃ１で作業モードがＣからＤに切り替わっている。作業実行２回目では点ｃ２で作業モードがＣからＤに切り替わっている。作業モードＣは対象物の速度を徐々に減速させつつある内容の作業であると考えられる。作業モードＤはさらに速度を落として目標位置に位置決めする内容の作業であると推定される。
【００５１】
本実施例は、作業者に予め一連の作業を実行させる。その作業実行時に所定時間毎に操作物理量と作業対象物物理量の両者を含む物理量を取得する。得られた点群をクラスタリングによって一連の作業のうちの各作業モードを代表する点群のクラスタに分類する。各クラスタに属する点群に対して操作物理量を除いた対象物物理量だけで作業モードの切替点を設定する。クラスタリング時には操作物理量も加味するので各作業モードを代表する点群の分類がより精密になる。一方、作業モード切替点の設定においては操作物理量を除外する。作業モード切替点の設定に際して、作業モード切替点には含まれるべきではない操作物理量をも加味した精密に分類された各作業モードを代表する点群のクラスタを用いることによって、作業者による各作業モード切替点に極めて近い切替点を設定することが可能となる。
【００５２】
＜実施例２＞
次に実施例１の作業モード切替点設定装置１０ａを用いて作成された作業モード境界データに基づいて、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者が行う一連の作業を補助する作業補助装置について説明する。
図７は作業補助装置１０ｂのブロック図である。作業補助装置の構成は図１の構成と同じであるので説明を省略する。
この作業補助装置１０ｂは移動機構１２と作業補助装置コントローラ１４ｂを備えている。
移動機構１２は、アクチュエータ２０と位置センサ３４と操作子２４と力センサ２２を有している。これらは実施例１で説明した移動機構１２と同様であるので説明を省略する。
【００５３】
作業者が一連の作業中に操作子２４に加えた操作力は力センサ２２によって検出されて作業補助装置コントローラ１４ｂ内のサンプリングホルダ３０ａに入力される。制御周期（サンプリング周期）毎にサンプリングされた操作力Ｆｘ、Ｆｙは作業モード判別部４８に入力される。また操作力Ｆｘ、Ｆｙは移動機構制御部５４にも入力される。
同時に移動機構１２の位置センサ３４によって検出された対象物２８の位置が作業補助装置コントローラ１４ｂ内のサンプリングホルダ３０ｂに入力される。
サンプリングホルダ３０ｂによって制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙは移動機構制御部５４に送られる。
【００５４】
またサンプリングホルダ３０ｂから出力された対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙは微分器３６ａに入力されて対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙが求められる。さらに対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙは他の微分器３６ｂに入力されて対象物２８の加速度Ａｘ、Ａｙが求められる。制御周期毎にサンプリングされた対象物２８の位置Ｐｘ、Ｐｙおよび、求められた対象物２８の速度Ｖｘ、Ｖｙおよび加速度Ａｘ、Ａｙは作業モード判別部４８に入力される。
作業モード判別部４８では、境界データ記憶部４２に記憶されている、実施例１で説明した作業モード境界のデータと、入力された｛Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ｝のデータを照合し、現在の｛Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ｝の４次元点の位置が４次元空間のどの作業モード領域に属するかを判別する。ここで｛Ｐｘ、Ｐｙ、Ｖｘ、Ａｘ｝の４次元点の位置が図５に示した領域Ｚ１に属する場合には現在の作業モードは作業モードＡであると判別される。同様に現在の４次元の点の位置が図５の領域Ｚ２に属する場合には作業モードＢであると判別される。４次元点の位置が領域Ｚ３に属する場合には作業モードＣであると判別され、領域Ｚ４に属する場合には作業モードＤであると判別される。判別された結果は、切替部５０に送られる。
【００５５】
一方アルゴリズム記憶部５２には夫々の作業モードに対応した制御アルゴリズム群が格納されている。夫々の制御アルゴリズムは異なる制御ロジックに基づいており、操作力Ｆｘ、Ｆｙを入力として移動機構１２を制御するものである。作業モードＡに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＡ（符号５２ａで示されている）である。同様に作業モードＢに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＢ（符号５２ｂで示されている）である。作業モードＣに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＣ（符号５２ｃで示されている）である。作業モードＤに対応する制御アルゴリズムが制御アルゴリズムＤ（符号５２ｄで示されている）である。
【００５６】
切替部５０では、作業モード判別部４８で判別された作業モードに対応した制御アルゴリズムをアルゴリズムＡからＤの中から選択して移動機構制御部５４で実際に作動させる制御アルゴリズムに設定する。
移動機構制御部５４では、操作力Ｆｘ、Ｆｙと対象物の現在位置Ｐｘ、Ｐｙを入力とし、切替部５０で選択されたアルゴリズムに基づいて移動機構１２のアクチュエータ２０への指令値を出力する。
移動機構１２は移動機構制御部５４からの指令値に基づいて支持した対象物２８（図１参照）を移動させる。
なお、上記説明は操作力Ｆｘに対する制御アルゴリズムの選択と制御について説明したが、操作力Ｆｙに対する制御アルゴリズムについても同様である。なお、操作力Ｆｙに対する制御アルゴリズムは、操作力Ｆｘに対して用意された制御アルゴリズムＡからＤとは異なるアルゴリズム群であってもよい。
【００５７】
次に図８に図７に示したブロック図による制御の流れを示す。ここでも操作力Ｆｘに関する制御アルゴリズムの選択についてのみ説明する。
ステップＳ２００では現在の作業時点でのｍ個の対象物物理量を取得する。本実施例ではｍ個の物理量とは具体的には、対象物の位置Ｐｘ、Ｐｙと対象物のｘ軸方向の速度Ｖｘと対象物のｘ軸方向の加速度Ａｘの４つの物理量である。
次にステップＳ２０２では取得した４つの物理量の値で構成される４次元の点が境界データ記憶部４２に記憶された４次元空間のどの領域に属するかを判別する。そして判別された結果が図５の領域Ｚ１であればステップＳ２０４でアルゴリズムＡが選択される。同様に判別された結果が領域Ｚ２であればステップＳ２０６でアルゴリズムＢが選択される。判別された結果が領域Ｚ３であればステップＳ２０８でアルゴリズムＣが選択される。判別された結果が領域Ｚ４であればステップＳ２１０でアルゴリズムＤが選択される。
そしてステップＳ２１２により選択されたアルゴリズムで移動機構１２を制御する。以上の処理を作業が終了するまで繰り返す（ステップＳ２１４：ＮＯの場合）。
【００５８】
図７および図８に示したアルゴリズムＡからＤは各作業モードに応じて設計されている。その際に、作業モード切替点（作業モード領域の境界）を設定する過程でグループ化した各作業モードを代表する５次元の点群から、作業者の行動モデル関数を同定し、同定した行動モデル関数に対して適切な制御アルゴリズムを設定する。前述したように作業者は対象物物理量を入力として操作力を出力する制御系とみなすことができる。そこで作業者の行動モデル関数を以下の多項式で表現する。
Ｆｘ＝α１・Ｐｘ＋α２・Ｖｘ＋α３・Ａｘ＋α４・Ｐｙ ・・・（第１式）
第１式において、係数α１、α２、α３、α４は、各対象物物理量の、操作力Ｆｘに対する寄与度を表す係数である。次に、作業モード切替点を設定する際に用いた各グループ（クラスタ）ごとの５次元の経時的な点群｛Ｆｘ（ｔｉ）、Ｐｘ（ｔｉ）、Ｖｘ（ｔｉ）、Ａｘ（ｔｉ）、Ｐｙ（ｔｉ）｝から、作業モードごとに第１式の係数α１、α２、α３、α４を同定する。作業モードごとに異なる作業者の行動モデル関数が同定できる。なお、各係数α１、α２、α３、α４の同定に際しては最小二乗法を用いた。
【００５９】
図９に作業者の行動モデル関数を同定した結果の模式図を示す。図９はある作業実行時において検出したｘ軸方向の操作力Ｆｘ、対象物のｘ軸方向の位置Ｐｘ、対象物のｘ軸方向の速度Ｖｘ、対象物のｘ軸方向の加速度Ａｘ、対象物のｙ軸方向の位置Ｐｙ、の経時的変化のグラフを示す。図９（Ａ）が操作力Ｆｘのグラフであり、図９（Ｂ）が位置Ｐｘのグラフであり、図９（Ｃ）が速度Ｖｘのグラフであり、図９（Ｄ）が加速度Ａｘのグラフであり、図９（Ｅ）が位置Ｐｙのグラフである。図９（Ａ）から（Ｄ）のグラフにおいても夫々のグラフの縦軸および横軸は正規化した無次元量で表現されている。
また図９（Ａ）には検出した操作力Ｆｘを実線で示し、同定した行動モデル関数の結果を破線で示してある。同定した行動モデル関数の結果とは、作業モードごとに第１式の係数α１、α２、α３、α４を同定し、同定した係数の値を用いて第１式に各時刻のＰｘ、Ｖｘ、Ａｘ、Ｐｙの値を代入して得られたＦｘの値をグラフ化したものである。図９（Ａ）の実線と破線は作業モードごとによく一致している。
なお、同定した係数の値は以下の通りである。
作業モードＡ：α１＝-1559.0 α２＝-188.8 α３＝12.88 α４＝1562.0
作業モードＢ：α１＝-2.036 α２＝-0.0667 α３＝-0.0656 α４＝2.984
作業モードＣ：α１＝55.46 α２＝3.027 α３＝-8.588 α４＝-51.11
作業モードＤ：α１＝6.971 α２＝-1.055 α３＝-1.012 α４＝-3.607
即ち、作業モード境界を特定する際に用いた各グループごとの５次元の経時的な点群から作業者の各作業モードにおける行動モデル関数を同定することができる。各係数の値が作業モードごとに大きく異なることからも分かるように、各作業モードごとに作業者の行動特性（行動モデル）が大きく異なることが分かる。
この同定モデルを用いて作業補助装置１０ｂの移動機構制御部５４で実行されるアルゴリズムＡからＤを設計する。設計に際しては作業者の出力である操作力Ｆｘが滑らかに変化するように設計することが好ましい。作業者の操作力Ｆｘが滑らかに変化するということは作業が円滑に行われていることを示すからである。
【００６０】
なお、参考までに、図１に示す作業補助装置１０ｂを一連の作業を通して単一のアルゴリズムで移動機構１２を制御すると返って作業者にとって作業を行い難くすることについて説明を加えておく。
実施例１では、作業者は部品２８を位置Ｓから位置Ｇまで移動させる。作業者は位置Ｇにおいて組付け対象部品１００の孔１０２へ部品２８を挿入する。
この一連の作業は次の４つの作業モードに分割することができる。即ち、
（１）静止している部品２８を加速させる加速作業モード
（２）部品２８を概ね位置Ｇの方向に向けて移動させる移動方向制御作業モード
（３）部品２８が位置Ｇの付近に近づいたところで部品２８の速度を減速させる減速作業モード
（４）部品２８を組付け対象部品１００の孔１０２へ位置決めする位置決め作業モード
【００６１】
ここで作業中に実行される単一の制御アルゴリズムとして下記のインピーダンス制御アルゴリズムを例とする。
Ｆｘ＝Ｍｐ・Ａｘ＋Ｃｐ・Ｖｘ＋ＦＲｘ ・・・（第２式）
Ｆｙ＝Ｍｐ・Ａｙ＋Ｃｐ・Ｖｙ＋ＦＲｙ ・・・（第３式）
上式においてＦｘ、Ｆｙは作業者の操作力を表す。Ｍｐは部品２８の仮想質量を表す。Ｃｐは部品２８に作用する仮想粘性係数を表す。ＦＲは部品２８に作用する、速度に依存しないクーロン摩擦力を表す。また添え字ｘは図１に記した座標系のｘ軸方向を表し、添え字ｙは図１に記した座標系のｙ軸方向を表す。またＡｘは対象物２８のｘ軸方向の加速度を表す。Ｖｘは対象物２８のｘ軸方向の速度を表す。同様にＡｙ、Ｖｙは対象物２８のｙ軸方向の加速度と速度を夫々表す。この制御は部品２８を移動機構１２により移動させる際に、図１のｘ軸方向とｙ軸方向を別々に制御する。Ｍｐ、Ｃｐ、ＦＲも一連の作業を通して一定値に設定されているとする。
この場合、例えば（１）の加速作業モードでは、作業者は対象物２８を素早く加速させようとする。そのため、操作子２４を強く握る。ここでＭｐ、Ｃｐ、ＦＲの値が小さすぎると、インピーダンス制御特有のよく知られた発振現象が生じる可能性がある。
また（２）の移動方向制御作業モードでは、作業者は対象物２８を概ね位置Ｇの方向に向けて移動させようとする。ここでＭｐの値が大きすぎると、作業者が対象物２８の移動方向を修正するのに大きな操作力が必要になってしまう。またＣｐ、ＦＲの値が大きすぎると、対象物２８の移動方向に対して大きな抵抗力が作用するので作業者は常に大きな操作力を加え続けなければならなくなる。
また（３）の減速作業モードでは、Ｃｐ、ＦＲの値が小さすぎると、対象物２８の速度を減速させるために作業者は移動方向とは逆向きに操作力を加えなければならなくなる。
さらに（４）の位置決め作業モードでは、インピーダンス制御では部品２８に慣性力による運動が実現されるので部品２８を微妙に位置決めすることが難しくなってしまう。
このように、一連の作業中に作業補助装置を単一の制御アルゴリズムによって制御すると作業者に対して適切な作業補助が行われない可能性がある。
【００６２】
上記例に対して実施例２の作業補助装置では作業モードに応じて制御アルゴリズムを切り替えることができる。制御アルゴリズムを切り替えるタイミングは、実施例１で例示したように作業モード切替点設定装置１０ａで設定された作業モード境界データと現在の作業中に検出された物理量を比較することで特定できる。そして実施例２では、各作業モードに対応するアルゴリズムをその作業に対して同定された作業者の行動モデル関数を用いて設計することができる。作業モードごとに作業者の行動モデル関数が同定されているので、各作業モードごとの移動機構制御アルゴリズムの設計も容易となる。
【００６３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。
また、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合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合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し得るものであり、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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】作業モード切替点設定装置の概要を示す図である。
【図２】作業モード切替点設定装置のブロック図である。
【図３】作業モード切替点設定方法のフローチャート図である。
【図４】図４（Ａ）はクラスタリング処理を説明するデンドログラムである。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示したｆｉｊの内容を説明する図である。
【図５】図５（Ａ）は作業モード切替点（切替境界）を設定する処理を説明する図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示したｈｉｊの内容を説明する図である。
【図６】作業モードの切替点を特定した際の２回の作業実行時における設定された各作業モード切替点を例示した図である。
【図７】作業補助装置のブロック図である。
【図８】作業補助装置における処理のフローチャート図である。
【図９】対象物物理量から作業者の行動モデル関数を同定したときの行動モデル関数の出力の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１０ａ：作業モード切替点設定装置
１０ｂ：作業補助装置
１２：移動機構
１４ａ：切替点設定装置コントローラ
１４ｂ：作業補助装置コントローラ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：リンク
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：関節
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ：エンコーダ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：アクチュエータ
２２：力センサ
２４：操作子
２８：部品（作業対象物）
３０ａ、３０ｂ：サンプリングホルダ
３２：物理量データ記憶部
３４：位置センサ
３６ａ、３６ｂ：微分器
３８：クラスタリング部
４０：境界設定部
４２：境界データ記憶部
４４：移動機構制御部
４８：作業モード判別部
５０：切替器
５２：アルゴリズム記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作子と、支持した対象物を動力によって移動させる移動機構とを有しており、作業者が操作子を操作することによって移動機構への指示が入力される作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定する方法であり、
作業者によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する工程と、
移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する工程と、
一連の作業を実行し、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する工程と、
記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング工程と、
「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定工程と、
設定されたｍ次元空間の作業モード境界のデータを作業モードの切替点として記憶する工程と、
を有することを特徴とする作業モード切替点設定方法。
【請求項２】
境界設定工程は、作業終了時のｍ個の物理量の値で特定される点を原点とするｍ次元空間を設定し、
隣接する２つのクラスタの夫々に属する点群から互いに他方のクラスタの点群に近い複数の点を抽出し、
抽出された複数の点の平均位置を求め、
原点を中心にして原点からその平均位置までの距離を半径とする球面を作業モード境界とすることを特徴とする請求項１に記載の作業モード切替点設定方法。
【請求項３】
境界設定工程は、ｎ次元の各要素の値を正規化した点群に基づいて求めた前記球面を作業モード境界とすることを特徴とする請求項２に記載の作業モード切替点設定方法。
【請求項４】
支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者自身が一連の作業を行う際の作業モードの切替点を設定する装置であり、
対象物を支持可能であり、動力によって対象物を移動させる移動機構と、
移動機構に対する指示を与えるために作業者が操作する操作子と、
作業者の操作によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する操作物理量検出器と、
移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する対象物物理量検出器と、
一連の作業を実行した際に、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する物理量記憶手段と、
記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング手段と、
「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定手段と、
設定されたｍ次元空間の作業モード境界を作業モードの切替点として記憶する境界データ記憶手段と、
を備えることを特徴とする作業モード切替点設定装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の作業モード切替条件設定方法又は請求項４の作業モード切替点設定装置によって得られた作業モード境界のデータに基づいて、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者が行う一連の作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、作業者が操作する操作子の操作物理量に基づいて動力によって対象物を移動させる移動機構と、
対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する対象物物理量検出器と、
作業モード境界のデータを記憶する境界データ記憶手段と、
夫々の作業モードに対応した制御アルゴリズム群と、
作業中に、対象物物理量検出器によって検出された現在の物理量から、作業モード境界を設定する際に用いた「ｍ個の対象物物理量」で構成される現在のｍ次元の点がいずれの作業モード領域に属するかを判別する現在作業モード判別器と、
アルゴリズム群の中から、判別された作業モード領域の作業モードに対応した制御アルゴリズムを選択し、操作物理量を入力として選択されたアルゴリズムに基づいて移動機構を制御する制御器と、
を備えることを特徴とする作業補助装置。
【請求項６】
特定数のクラスタに分類されたｎ次元の点群の経時的な変化から各作業モードでの作業者の行動モデル関数を同定し、同定された行動モデル関数に基づいて各作業モードに対応した制御アルゴリズムを設定することを特徴とする請求項５に記載の作業補助装置。
【請求項１】
操作子と、支持した対象物を動力によって移動させる移動機構とを有しており、作業者が操作子を操作することによって移動機構への指示が入力される作業補助装置を用いて作業者が一連の作業を行う際に経時的に変化する作業モードの切替点を設定する方法であり、
作業者によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する工程と、
移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する工程と、
一連の作業を実行し、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する工程と、
記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング工程と、
「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定工程と、
設定されたｍ次元空間の作業モード境界のデータを作業モードの切替点として記憶する工程と、
を有することを特徴とする作業モード切替点設定方法。
【請求項２】
境界設定工程は、作業終了時のｍ個の物理量の値で特定される点を原点とするｍ次元空間を設定し、
隣接する２つのクラスタの夫々に属する点群から互いに他方のクラスタの点群に近い複数の点を抽出し、
抽出された複数の点の平均位置を求め、
原点を中心にして原点からその平均位置までの距離を半径とする球面を作業モード境界とすることを特徴とする請求項１に記載の作業モード切替点設定方法。
【請求項３】
境界設定工程は、ｎ次元の各要素の値を正規化した点群に基づいて求めた前記球面を作業モード境界とすることを特徴とする請求項２に記載の作業モード切替点設定方法。
【請求項４】
支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者自身が一連の作業を行う際の作業モードの切替点を設定する装置であり、
対象物を支持可能であり、動力によって対象物を移動させる移動機構と、
移動機構に対する指示を与えるために作業者が操作する操作子と、
作業者の操作によって操作子に加えられる物理量（操作物理量）を検出する操作物理量検出器と、
移動機構によって移動する対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する対象物物理量検出器と、
一連の作業を実行した際に、少なくとも一つの操作物理量と少なくとも一つの対象物物理量を含むｎ個の物理量からなるｎ次元の点を所定時間毎に記憶する物理量記憶手段と、
記憶されたｎ次元の点群を、「ｎ個の物理量」で表されるｎ次元空間内で特定数のクラスタに分類するクラスタリング手段と、
「ｎ個の物理量」から操作物理量を除いたｍ個の対象物物理量で表されるｍ次元空間内で、夫々のクラスタに属するｎ次元の点群がクラスタごとに夫々異なる領域（作業モード領域）に含まれるようにｍ次元空間を分割する作業モード境界を設定する境界設定手段と、
設定されたｍ次元空間の作業モード境界を作業モードの切替点として記憶する境界データ記憶手段と、
を備えることを特徴とする作業モード切替点設定装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の作業モード切替条件設定方法又は請求項４の作業モード切替点設定装置によって得られた作業モード境界のデータに基づいて、支持した対象物を移動させる移動機構を利用して作業者が行う一連の作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、作業者が操作する操作子の操作物理量に基づいて動力によって対象物を移動させる移動機構と、
対象物の移動に関する物理量（対象物物理量）を検出する対象物物理量検出器と、
作業モード境界のデータを記憶する境界データ記憶手段と、
夫々の作業モードに対応した制御アルゴリズム群と、
作業中に、対象物物理量検出器によって検出された現在の物理量から、作業モード境界を設定する際に用いた「ｍ個の対象物物理量」で構成される現在のｍ次元の点がいずれの作業モード領域に属するかを判別する現在作業モード判別器と、
アルゴリズム群の中から、判別された作業モード領域の作業モードに対応した制御アルゴリズムを選択し、操作物理量を入力として選択されたアルゴリズムに基づいて移動機構を制御する制御器と、
を備えることを特徴とする作業補助装置。
【請求項６】
特定数のクラスタに分類されたｎ次元の点群の経時的な変化から各作業モードでの作業者の行動モデル関数を同定し、同定された行動モデル関数に基づいて各作業モードに対応した制御アルゴリズムを設定することを特徴とする請求項５に記載の作業補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−５４８９９（Ｐ２００７−５４８９９Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４０２７３（Ｐ２００５−２４０２７３）
【出願日】平成１７年８月２２日（２００５．８．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年２月２２日 豊田工業大学主催の「平成１６年度 卒業研究発表会」において文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年（平成１７年）６月９日 社団法人日本機械学会発行の「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００５ 講演論文集」に発表
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９２０３２６３６）学校法人トヨタ学園 (57)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２２日（２００５．８．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年２月２２日 豊田工業大学主催の「平成１６年度 卒業研究発表会」において文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年（平成１７年）６月９日 社団法人日本機械学会発行の「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００５ 講演論文集」に発表
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９２０３２６３６）学校法人トヨタ学園 (57)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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