作業補助装置
【課題】 予め目標軌道を記憶させずとも対象物を目標軌道に追従させやすいように操作子の操作反力を制御する。
【解決手段】 作業補助装置１０の移動機構１１は塗布器具３０と操作子１８を有している。操作子１８は、移動機構１１によって移動させる基準点Ｐの移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることができる。コントローラ２２は、操作子１８に固定されている基準線（ｘ軸）の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな操作反力を操作子１８に付与するように移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。また回転操作に応じて塗布器具３０に固定された基準点Ｐを中心として塗布器具３０を回転させる。これにより塗布器具３０のｘ軸方向を目標軌道Ｌの方向に一致させつつ、基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させることが容易になる。
【解決手段】 作業補助装置１０の移動機構１１は塗布器具３０と操作子１８を有している。操作子１８は、移動機構１１によって移動させる基準点Ｐの移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることができる。コントローラ２２は、操作子１８に固定されている基準線（ｘ軸）の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな操作反力を操作子１８に付与するように移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。また回転操作に応じて塗布器具３０に固定された基準点Ｐを中心として塗布器具３０を回転させる。これにより塗布器具３０のｘ軸方向を目標軌道Ｌの方向に一致させつつ、基準点Ｐを目標軌道Ｌに沿って移動させることが容易になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業者がワークや作業器具などの対象物を目標軌道に沿って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支持し、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる移動機構が知られている。対象物に実現させたい移動量を指示するために、作業者が操作子を操作するという技術も知られている。作業者による操作子の操作量に比例するように移動機構の移動量を制御すれば、作業者の操作によって対象物の移動を制御することができる。この技術によると、重量のある対象物を作業者が軽い力で移動させることが可能となる。
ワークや作業器具などの対象物を目標軌道に沿って移動させたい場合が多く存在する。例えば、ガラスの縁に沿って接着剤を塗布するために、接着剤塗布器具をガラスの縁に沿って移動させたい場合がある。この例ではガラスの縁に沿った軌道が目標軌道に相当する。この場合、接着剤塗布器具の位置のみならず、ガラス面内における接着剤塗布器具の回転方向も重要となる。接着剤塗布器具は重く、作業者が接着剤塗布器具を長時間保持している作業の作業負荷は高い。接着剤塗布器具にはホース類が接続されており、接着剤塗布器具の回転方向を作業者が直接的に調整する作業の作業負荷も高い。このような場合には、モータ等の動力源を利用して接着剤塗布器具の位置と回転方向を変える移動機構を利用し、別に用意されている操作子の位置と回転方向に追従して接着剤塗布器具の位置と回転方向が変化するようにすれば、作業者は軽い力で接着剤塗布器具の位置と回転方向を調整することができる。これによってガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業者の作業負荷が軽減される。
【０００３】
作業者が操作子を操作する場合、作業負荷を軽減するためには、作業者が小さな力で操作子を操作できることが好ましい。しかしながら、操作に要する力を単に小さくすることができても操作しづらい状況が生じる。対象物を実際に移動させるときには大きな力が必要とされる作業を、小さな操作力で実施できるようにすると、操作子を操作する作業者が違和感を覚え、操作しづらくなってしまうからである。操作力を適度に調整する工夫が必要とされる。適度な操作力で対象物を移動させることができれば対象物を目標軌道に沿って移動させる作業等がし易くなる。なお、作業者が「操作に要する力」は、作業者が操作子から受ける反力（操作反力と称する）と大きさが同じで向きが逆となる関係にある。従って、操作力を適度に調整するとは、操作反力を積極的に制御することに他ならない。
【０００４】
操作反力を積極的に制御することによって、作業者による操作を案内することが可能となる。特許文献１に、予め目標軌道を記憶しておく作業補助装置が開示されている。この作業補助装置は、目標軌道から両側に所定距離だけ伸びている作業エリアと、その外側に隣接するリミットエリアを計算し、操作子の操作によって移動機構に支持された対象物がリミットエリアに侵入する場合には操作子に強い操作反力が加わるようにしている。この作業補助装置によると、対象物が作業エリアを外れてリミットエリアに侵入するような操作をしようとすると、その操作に対して強い反力が働くことになり、作業エリアを外れてリミットエリアに侵入するような操作が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
目標軌道が既知である場合には特許文献１の技術が有効である。しかしながら、目標軌道が未知である場合には特許文献１の技術を利用することができない。例えば、ガラスの縁に沿って接着剤を塗布する場合、予定外の形状のガラスに対して接着剤を塗布する場合には、特許文献１の技術を利用することができない。
本発明は、目標軌道が未知であっても、目標軌道から外れるような操作に対しては強い操作反力が生じるようにし、もって目標軌道から外れるような操作を抑制する機能を備えている作業補助装置を実現するために創作された。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例えば予定外の形状のガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業が必要とされる場合、作業補助装置には目標軌道が与えられていない。しかしながら、作業者はガラスの形状を視認することによって、目標軌道を把握することができる。
接着剤塗布器具のように方向性を持った作業器具を用いる場合、作業者は作業器具を目標軌道に対して一定の角度に維持しつつ作業器具を目標軌道に沿って移動させなければならない。そのため作業者は、作業器具が目標軌道に対して一定の角度に維持されるように操作子を回転操作する。作業器具を目標軌道に対して一定の角度に維持するということは、対象物に固定されている基準線の方向が、目標軌道が伸びる方向と一致することを意味する。対象物に固定されている直線であって、作業者が目標軌道に沿うように回転させる線を対象物に固定されている基準線と称する。このとき、対象物に固定されている基準線に対応させて、操作子に固定されている基準線を定義することができる。操作子に固定されている基準線の方向から目標軌道が伸びる方向を作業補助装置が把握することができる。
作業器具を目標軌道に対して一定の角度に維持する必要のない場合（例えば方向性のない作業器具を作業補助装置で移動させる場合）でも、作業者は操作子に固定されている基準線の方向を目標軌道が伸びる方向に一致するように操作子を操作する習性を備えている。このために、操作子に固定されている基準線の方向から目標軌道が伸びる方向を把握することができる。この場合には定義した操作子に固定された直線を「操作子に固定されている基準線」と称する。
本発明では、この事象を活用する。操作子に固定されている基準線が向いている方向から目標軌道が伸びている方向を作業補助装置が把握し、作業者が操作する操作子について、目標軌道に沿った操作に対しては軽く操作できるようにする一方、目標軌道から離れようとする操作に対しては大きな操作反力が得られる作業補助装置を実現する。
【０００８】
本発明の作業補助装置は、対象物（例えば接着剤塗布器具に例示されるように、基準点が固定されている物体であって、作業補助装置を利用して移動させたい物体をいう）に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する。
この作業補助装置は、対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、操作子の並進操作に抗する反力を操作子に加える反力付与機構と、反力付与機構が付与する反力を制御する反力付与機構用制御器を備えている。
本発明の作業補助装置では、反力付与機構用制御器が、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな反力を付与することを特徴とする。
【０００９】
ここでいう対象物の基準点は、目標軌道に沿わせたい点を意味し、対象物が例えば接着剤塗布器具であれば、接着剤吐出ポイントをいう。
対象物が異方性を有しない場合であっても、作業者は操作子に固定されている基準線の方向が目標軌道の方向に一致するように操作子を回転させる。このことによって、作業補助装置は目標軌道が伸びる方向を把握することができる。
【００１０】
上記構成によれば、作業者は対象物の基準点の移動位置と移動方向を装置に指示するために操作子に並進操作と回転操作を加える。このとき、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな反力が付与される。
作業補助装置には目標軌道が未知であっても、操作子に固定されている基準線の方向から目標軌道が伸びている方向が判明する。基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、目標軌道が伸びている方向から離れる方向に向けた操作であることがわかる。上記構成によれば、目標軌道が伸びている方向から離れる方向に向けた操作に対しては操作子に大きな反力が付与されるために、対象物の基準点が目標軌道から離れる操作が抑制される。なお、操作子に固定されている基準線の方向は操作子の回転角度から把握することができる。
例えばガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業の場合、接着剤塗布器具をガラスの縁から離れる方向に操作子を操作する場合には大きな反力が操作子に付与されるために、ガラスの縁から離れる方向の操作が抑制される。作業補助装置には未知である形状のガラスが供給されても、操作子に固定されている基準線の方向からガラスの縁が伸びている方向（即ち目標軌道の伸びている方向）が判明し、そのガラスの縁から離れる方向の操作を抑制しながらガラスの縁に沿って接着剤塗布器具を移動させる操作を補助することが可能となる。
【００１１】
反力付与機構と移動機構が独立に設けられていてもよいが、反力付与機構と移動機構を兼用することもできる。この場合は、操作子と対象物を移動機構上の同一の剛体で支持する。移動機構で支持されている対象物が操作子を兼用していてもよい。
操作子と対象物が同一の剛体で支持されていれば、移動機構が備えているモータ等の動力と、作業者が加える操作力によって対象物が移動する。モータ等の動力によって対象物を移動させるのに要する力が補助されるので、対象物を移動させるために作業者に必要とされる操作力は軽減される。
対象物を移動させるのに要する力とモータ等から得られる力の差は作業者が加える力に相当する。作業者は、対象物を支持している剛体に取り付けられた操作子を介して前記した「力の差」に相当する反力を受ける。この「反力」が本明細書でいう操作反力に相当する。一つの機構が、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる移動機構であり、同時に、作業者に操作反力を感じさせる反力付与機構でありえる。
この構成によると、移動機構と反力付与機構を別々に設ける必要がなく、作業補助装置の機械的構成を単純化することができる。
【００１２】
本発明の補助装置は、別の見方をすると、対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、操作子の並進操作を拘束する拘束機構と、拘束機構による拘束強さを制御する拘束機構用制御器を備えており、その拘束機構用制御器が、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作を強く拘束する装置であると定義することもできる。
拘束機構は、モータ等の動力を利用する代わりに、ブレーキ等の制動装置を利用して構築することもできる。
【００１３】
拘束機構を用いる場合も、拘束機構と移動機構を独立に設けることができる。独立に設ける場合には、ブレーキ等の制動装置を利用して拘束機構を構成することができる。モータ等の動力を持たない拘束機構を構成することができる。
拘束機構と移動機構を兼用することもできる。この場合は、操作子と対象物を移動機構上の同一の剛体で支持する。移動機構で支持されている対象物が操作子を兼用していてもよい。
ブレーキ等の制動装置の代わりにモータ等の動力を利用することによって、移動機構と拘束機構を兼用する機構を実現することができる。
【００１４】
また本作業補助装置の移動機構は、操作子の回転操作に応じて対象物に固定されている基準点を回転中心にして対象物を回転させることが好ましい。
例えば対象物として接着剤塗布器具を用いてガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業を考えた場合、ガラスの縁に沿って（この場合、ガラスの縁が目標軌道に相当する）塗布器具先端の接着剤吐出ポイント（このポイントが基準点に相当する）を移動させる必要がある。ガラスの２辺の接点である角部では基準点をガラスの縁から外すことなく接着剤の吐出方向を変更させる必要がある。そのような場合に塗布器具の吐出ポイントに固定されている基準点を中心として塗布器具を回転させることによって、吐出ポイントをガラスの縁（即ち目標軌道）から外すことなく塗布器具の方向をガラスの次の縁に沿った方向に変えることができる。このとき、塗布器具の方向をガラスの次の縁の方向に変えるために操作子を回転させるので、操作子に固定されている基準線の方向もまたガラスの次の縁の方向となる。次の縁に沿って塗布器具を移動させる際に、ガラスの次の縁の方向（即ち目標軌道が伸びている方向）から離れる方向に向けた操作に対しては大きな反力が付与されるために、対象物の基準点が目標軌道から離れる操作が抑制される。
即ち、操作子の回転操作に応じて対象物に固定されている基準点を回転中心にして対象物を回転させることによって、目標軌道が曲線部や屈曲部を含む場合であっても、対象物に固定されている基準点を目標軌道から外すことなく、かつ目標軌道に沿った方向へ対象物を移動させる操作を補助することが可能となる。
【００１５】
本発明はまた、対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、移動機構を制御する移動機構用制御器と、移動機構によって移動させる基準点の位置を指示するために、作業者が並進操作力と回転操作力を加えることが可能な操作子と、作業者が操作子に加えている並進操作力を、操作子に固定されている基準線の方向に沿った操作力とそれに交差する方位の操作力に区別して検出する操作力検出器を備えている作業補助装置に具現化することもできる。操作子は、回転操作力によって回転させることが可能である。
この作業補助装置の移動機構用制御器は、同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、操作子に同じ並進操作力が加わった場合でもその方向によって対象物の移動量が異なる。並進操作力が操作子の基準線の方向に沿っている場合には対象物が大きく移動させ、操作子の基準線と交差する方向の場合には対象物を小さく移動させる。従って操作子の基準線を目標軌道が伸びる方向に合わせれば、作業者が対象物を移動させる作業に対して基準線の方向（即ち目標軌道が伸びる方向）から外れ難くしつつ作業を補助することができる。
【００１７】
移動機構用制御器は、並進操作力を入力値とし、少なくとも摩擦力の項を含む、基準点の運動を規定する運動方程式を計算するアルゴリズムを備えていることが好ましい。そして運動方程式では、基準線の方向には小さな摩擦力が設定されており、基準線に交差する方向には大きな摩擦力が設定されていることが好ましい。移動機構用制御器はアルゴリズムに従って基準点の運動を計算する。計算された基準点の運動が実現されるように移動機構を制御する。移動機構用制御器が移動機構を制御するには、対象物の位置（あるいは速度、あるいは加速度）に着目して制御してもよいし、移動機構が備えているモータ等のトルクに着目して制御してもよい。
例えば移動機構用制御器の制御ロジック内で対象物に固定されている基準点に対して仮想質量や仮想摩擦力を設定した運動方程式を定義する。その運動方程式の力の項に並進操作力を代入して基準点の加速度を計算する。得られた加速度が実現されるように移動機構を制御すればよい。
このとき例えば操作子に固定されている基準線の方向には運動方程式中の摩擦力を小さく設定されており、基準線と交差する方向には運動方程式中の摩擦力を大きく設定されている。従って同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることができる。
【００１８】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されていることが好ましい。操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されていれば、同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることによって、結果的に操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して操作子から大きな反力が付与されることになる。このことはまた、前記の角度が大きいほど、操作子の並進操作を強く拘束する結果ともなる。
【００１９】
操作力検出器は、回転操作力を検出可能であり、移動機構用制御器は、検出された回転操作力に応じて対象物に固定されている基準点を中心にして対象物を回転させることが好ましい。これによって、目標軌道が曲線や屈曲部を含む場合であっても、対象物に固定されている基準点を目標軌道から外すことなく、かつ目標軌道に沿った方向へ対象物を移動させる操作を補助することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、目標軌道を予め作業補助装置に記憶しておく必要がない。作業補助装置にとっては未知な目標軌道に沿って対象物を移動させる作業を補助することができる。作業者が、目標軌道が伸びている方向に操作子に固定されている基準線の方向を合わせるように操作子を回転させることによって、目標軌道に沿った方向には操作子を軽く操作できる一方、目標軌道から離れる方向には大きな操作力を加えないと操作子を操作できない結果を得ることができる。目標軌道に追従しやすいように操作反力を制御できる。作業者が目標軌道に一致させつつ対象物を移動させる作業を補助する装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） 対象物は作業器具であり、作業器具をオンオフするためのスイッチ類が操作子に設定されている。作業者は操作子を操作しながら、スイッチ類を操作することができる。
【実施例】
【００２２】
図１に本発明に係る一実施例の作業補助装置１０の概略図を示す。この実施例における作業補助装置は、塗布器具３０を用いてフロントガラスＷの周囲に接着剤を塗布する作業を補助する装置である。フロントガラスＷの周囲に示した点線Ｌが接着剤を塗布すべきラインでありこれが目標軌道Ｌに相当する。
作業補助装置１０は、対象物である塗布器具３０を支持して移動させる移動機構１１と、移動機構１１を制御するコントローラ２２を備えている。移動機構１１は、操作子１８をも支持しており、操作子１８に操作反力を付与する機構を兼用している。コントローラ２２は、操作反力を制御する機能をも併せ持っている。操作子１８に操作反力を付与する機構は、同時に操作子１８の操作を拘束する機構でもある。操作反力が強い状態は、操作子１８の操作を強く拘束する状態でもある。操作反力が弱い状態は、操作子１８の操作を弱く拘束する状態でもある。コントローラ２２は、拘束状態の強弱を制御する機能をも併せ持っている。
【００２３】
移動機構１１の基部１３は床に固定されている。基部１３には支柱１３ｂが固定されている。支柱１３ｂには関節１４ａを介して可動部１２ａが揺動可能に連結されている。可動部１２ａには関節１４ｂを介して可動部１２ｂが揺動可能に連結されている。可動部１２ｂには関節１４ｃを介して可動部１２ｃが揺動可能に連結されている。関節１４ａは、支柱１３ｂに対して垂直方向と水平方向に揺動可能な２軸の関節である。関節１４ｂと１４ｃは、１軸の関節である。
関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には、関節角を変えるためのアクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが配置されている。アクチュエータ１６ａは、２軸の関節１４ａの関節角を変えることができるアクチュエータであり、2本の出力軸を備えている。アクチュエータ１６ｂ、１６ｃは、1軸のアクチュエータである。
アクチュエータ群１６によって関節群１４を動作させることができる。アクチュエータ群や関節群を総称する場合には、添え字ａ，ｂ，ｃを省略して説明する。アクチュエータ群１６を利用することによって、可動部１２ｃの先端を、移動機構１１の可動範囲内の任意の位置へ移動させることができる。また、可動部１２ｃが伸びる方向を任意の向きに向けることができる。
関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には、位置センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃが備えられている。位置センサ１５はエンコーダ等である。
【００２４】
移動機構１１の先端の可動部１２ｃには、塗布器具３０が固定されている。塗布器具３０には接着剤を供給する供給ホース３４が接続されている。塗布器具３０の先端からは接着剤が吐出する。接着剤をフロントガラスＷに設定された塗布ラインＬ（目標軌道Ｌに相当する）に沿って塗布するために、塗布器具３０はその先端を塗布ラインＬに対して一定の傾斜角に保たねばならない。そして塗布器具３０はその傾斜角を維持したまま塗布ラインＬに沿って移動させねばならない。
塗布器具３０の先端に基準点Ｐを設定する。基準点Ｐは塗布ラインＬに沿って移動させるべき点となる。また基準点Ｐを座標原点とするローカル座標系ｘｙｚを設定する。ローカル座標系ｘｙｚは塗布器具に固定された座標系である。ローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は、塗布器具３０が前記傾斜角を維持したまま塗布ラインＬに沿って移動させる方向に設定される。ｚ軸は、ｘ軸に直交するとともに、操作子１８と平行に伸びている。ｙ軸は、ｘ軸とｚ軸に直交している。基準点Ｐが目標軌道Ｌ上に位置し、ｘ軸が目標軌道Ｌに沿って伸びるとき、目標軌道Ｌ上に接着剤を塗布することができる。作業者には、操作子１８を操作することによって、基準点Ｐが目標軌道Ｌ上に位置し、ｘ軸が目標軌道Ｌに沿って伸びる位置関係を維持することが求められている。
【００２５】
移動機構１１の先端の可動部１２ｃには、力センサ２０が配置されており、その上に操作子１８が配置されている。
本実施例では、塗布器具３０と操作子１８が共に移動機構１１の先端の可動部１２ｃによって支持されている。可動部１２ｃ自体は剛体である。即ち、塗布器具３０と操作子１８が共に移動機構１１上の同一の剛体である可動部１２ｃに支持されている。塗布器具３０と操作子１８が同一の剛体に支持されているので、ローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は操作子１８に対しても固定されている。本実施例ではローカル座標系ｘｙｚのｘ軸が「操作子に固定されている基準線」に相当する。
作業者が操作子１８に操作力を加えると、その操作力は力センサ２０によって検出される。力センサ２０はローカル座標系の３軸の各方向に加わる力と各軸回りのモーメントを検出することができる。検出された操作力はコントローラ２２に送られる。コントローラ２２は、操作力に応じて塗布器具３０が移動するように、移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。コントローラ２２の内部構造と制御については図２により後述する。
【００２６】
コントローラ２２は、床に固定されている絶対座標系で基準点Ｐの位置が与えられ、基準点Ｐの次の移動位置と姿勢が与えられると、与えられた移動位置と姿勢を実現する関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの関節角を計算し、計算された関節角に調整する機能を備えている。実際の関節角を計算された関節角に一致させるために、位置センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの検出値が利用される。
【００２７】
本実施例では、フロントガラスＷがワーク回転支持軸２６を介してワーク支持装置２４に支持されている。ワーク支持装置２４はワーク回転支持軸２６によってフロントガラスＷを回転軸Ｃの周りに角速度ωで回転させる。従って接着剤を塗布すべき塗布ライン(目標軌道)Ｌも回転する。作業者は、回転する塗布ライン(目標軌道)Ｌ上に基準点Ｐを位置させ、しかも回転する塗布ライン（目標軌道）Ｌが伸びる方向に対して塗布器具３０の先端を一定の傾斜角に維持したまま塗布器具３０を塗布ライン（目標軌道）Ｌに沿って移動させねばならない。そのように塗布器具３０を移動させるために作業者はローカル座標系ｘｙｚのｘ軸（基準線）の方向が塗布ライン（目標軌道）Ｌの方向を向くように操作子１８を操作する。
【００２８】
フロントガラスＷが回転するので、作業者はフロントガラスＷの周囲を歩き回ることなく、大きなフロントガラスＷの周囲へ接着剤を塗布することができる。
フロントガラスＷへの接着剤の塗布作業では、基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って移動し、かつローカル座標系のｘ座標の方向が目標軌道Ｌの方向に一致していることが重要である。目標軌道Ｌが絶対座標系に対して静止している必要はない。目標軌道Ｌが絶対座標系に対して回転ないし移動する場合であっても、基準点Ｐとｘ軸の方向が目標軌道Ｌに沿って動けばよい。
【００２９】
次に本実施例によるコントローラ２２の制御について概説する。
作業者が操作子１８を操作すると、その操作力は力センサ２０によって検出される。力センサ２０からは、ローカル座標系のｘ、ｙ、ｚ軸方向の力成分と、ｘ、ｙ、ｚ軸回りのモーメント成分に分解されて出力される。検出された操作力はコントローラ２２に送られる。コントローラ２２では、操作力に応じて塗布器具３０が移動するように、移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。より具体的には、コントローラ２２は操作力の各軸成分に応じた移動量を計算する。計算した移動量だけ塗布器具３０の先端に設定された基準点Ｐが移動するようにアクチュエータ群１６を制御する。本実施例では、力センサ２０の出力のうち各軸方向の力の成分に応じて基準点Ｐを並進させる移動量を計算する。力センサ２０の各軸の力成分の方向を基準点Ｐを移動させる方向に対応させる。また、力センサ２０の出力のうち各軸回りのモーメント成分に応じて基準点Ｐを回転させる回転量を計算する。モーメントの方向を基準点Ｐを回転させる方向に対応させる。
【００３０】
次に図２のブロック図を用いて上記概説した機能を実現する作業補助装置１０の構成を説明する。作業補助装置１０は移動機構１１とコントローラ２２に大別できる。
移動機構１１には、塗布器具３０と、操作子１８と、作業者が操作子１８に加えた力を検出する力センサ２０と、移動機構１１の各関節１４（図１参照）を動作させるアクチュエータ群１６と、各関節１４の位置（角度）を検出する位置センサ群１５が含まれている。なお図２では、移動機構１１に配置されている可動部群１２と関節群１４の図示を省略してある。
【００３１】
コントローラ２２は、データの記憶モジュールであるデータ記憶部５０を有している。また演算モジュールである座標変換部５４と移動量計算部５６とアクチュエータドライバ６０を有している。ここで記憶モジュールは、コントローラ２２に内蔵されたメモリやハードディスク装置などである。あるいはコントローラ外部に設置された記憶装置であってもよい。演算モジュールは、コントローラ２２に内蔵されたコンピュータのハードウエアとソフトウエアで実現してもよいし、専用の演算を行うハードウエアで実現してもよい。
【００３２】
データ記憶部５０には、基準点Ｐが塗布器具３０のどこに設定されているかのデータが格納されている。また塗布器具３０に設定されたローカル座標系ｘｙｚと塗布器具３０の形状との相対関係のデータが格納されている。さらに移動機構１１の基部１３から先端までの可動部群１２の幾何学的な連結構造のデータが格納されている。移動機構１１に対する塗布器具３０の取り付け位置のデータも格納されている。移動機構１１に対する力センサ２０の取り付け位置のデータも格納されている。
操作子１８には作業者によって操作力が加えられる。操作力には力とモーメントがある。加えられた操作力は力センサによって検出される。力センサから出力される力を操作力ＦＩと称し、モーメントを操作モーメントＭＩと称することにする。操作力ＦＩと操作モーメントＭＩはともに３次元ベクトル量である。検出された操作力ＦＩと操作モーメントＭＩは座標変換部５４に入力される。
座標変換部５４は、機構部データ記憶部に格納された力センサの取り付け位置のデータと塗布器具３０に設定されたローカル座標系ｘｙｚのデータから、操作力ＦＩと操作モーメントＭＩをローカル座標系ｘｙｚの各軸成分に変換する。操作力ＦＩのローカル座標系ｘｙｚのｘ軸成分をＦＩｘで表す。同様にｙ軸成分をＦＩｙ、ｚ軸成分をＦＩｚで表す。
【００３３】
ローカル座標系ｘｙｚの各軸成分に変換された操作力ＦＩと操作モーメントＭＩは移動量計算部５６に送られる。移動量計算部５６では、操作力ＦＩを基準点Ｐの移動量に変換する。移動方向は操作力ＦＩの方向と一致させる。また操作モーメントＭＩを、基準点Ｐを中心とした対象物の回転量に変換する。回転方向は操作モーメントＭＩの方向（操作モーメントＭＩにより生じるトルクの方向）と一致させる。
まず操作力ＦＩを移動量に変換する処理について説明する。本実施例では、次のインピーダンス制御則により操作力ＦＩのローカル座標系ｘｙｚの各軸方向の力成分ＦＩｘ、ＦＩｙ、ＦＩｚからローカル座標系ｘｙｚにおける各軸方向の基準点Ｐの加速度を求める。
ＦＩｘ＝Ｍｐ・ｄｄｘ＋Ｃｐ・ｄｘ＋ｆｒｘ ・・・（第１式）
ＦＩｙ＝Ｍｐ・ｄｄｙ＋Ｃｐ・ｄｙ＋ｆｒｙ ・・・（第２式）
ＦＩｚ＝Ｍｐ・ｄｄｚ＋Ｃｐ・ｄｚ＋ｆｒｚ ・・・（第３式）
上式においてＭｐは基準点Ｐでの仮想質量であり、Ｃｐは仮想粘性抵抗係数であり、Ｆｒｘ、ｆｒｙ、ｆｒｚは各軸の仮想摩擦力である。これらの値は予め設定されており移動量計算部５６に記憶されている。また上式においてｄｄｘはローカル座標系ｘｙｚにおけるｘ軸方向の基準点Ｐの加速度であり、ｄｘはｘ軸方向の基準点Ｐの速度である。同様にｄｄｙはｙ軸方向の基準点Ｐの加速度であり、ｄｙはｙ軸方向の基準点Ｐの速度である。ｄｄｚはｚ軸方向の基準点Ｐの加速度であり、ｄｚはｚ軸方向の基準点Ｐの速度である。作業前の基準点Ｐが静止した状態では加速度ｄｄｘ、ｄｄｙ、ｄｄｚと速度ｄｘ、ｄｙ、ｄｚは全てゼロである。操作力ＦＩが入力されると移動量計算部５６は制御サンプリング毎に上式を計算して加速度ｄｄｘ、ｄｄｙ、ｄｄｚを求める。加速度を１回積分して各速度ｄｘ、ｄｙ、ｄｚを求める。この速度ｄｘ、ｄｙ、ｄｚに制御サンプリング時間Ｔを掛けた値ｄｘ・Ｔ、ｄｙ・Ｔ、ｄｚ・Ｔが制御サンプリング毎の基準点Ｐの移動量となる。
なお、上式においてローカル座標系ｘｙｚのｙ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｙとｚ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｚは、ｘ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｘより十分大きな値に設定される。ｙ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｙとｚ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｚをｘ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｘより十分に大きな値とすることで、ＦＩｘ、ＦＩｙ、ＦＩｚが同じ大きさであっても、基準点Ｐのｙ軸方向のサンプリング毎の移動量ｄｙ・Ｔとｚ軸方向のサンプリング毎の移動量ｄｚ・Ｔは、ｘ軸方向のサンプリング毎の移動量ｄｘ・Ｔよりも小さくなる。換言すれば、操作力ＦＩの単位操作力当たりの移動量の大きさは、対象物に固定されているローカル座標系のｘ軸方向への大きさが、ｙ軸とｚ軸の方向への大きさよりも大きくなるように設定される。
【００３４】
このことは、作業者がｘ軸方向には操作子１８を操作しやすいのに対し、ｙ軸とｚ軸方向には操作しがたい結果をもたらす。操作子に固定されている基準線（ｘ軸）の方向に沿っては小さな反力しか受けず、よって軽く操作できるのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向けて操作する場合には大きな操作力が必要とされる。基準線（ｘ軸）の方向に沿ってはほとんど拘束されないのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向けての操作は強く拘束される。
アクチュエータ群１６の出力が、基準線（ｘ軸）の方向に沿っては作業者が小さな並進操作力を加えるだけ大きく移動するのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に並進操作するためには大きな並進操作力が必要とされるように制御されることから、基準線（ｘ軸）に沿った並進操作はほとんど拘束されないのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向かう並進操作は強く拘束される。
アクチュエータ群１６が、基準線（ｘ軸）の方向に沿った並進操作はほとんど拘束されない（操作に要する力が小さくて済む）のに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向かう並進操作は強く拘束される（操作には大きな力を要する）ように制御されると、作業者は目標軌道Ｌに追従させやすい。基準線（ｘ軸）の方向と目標軌道Ｌの伸びている方向が一致していることから、目標軌道Ｌから外れようとする操作は強く拘束されるからである。目標軌道Ｌに沿った操作に要する力は軽くてすむために（塗布器具３０を実際に移動させるに要する力よりも軽い）、作業者の作業負荷が軽減される。
【００３５】
次に操作モーメントＭＩを基準点Ｐの回りに対象物を回転させる回転量に変換する処理について説明する。ベクトル量である操作モーメントＭＩから、次式で表されるインピーダンス制御則により基準点Ｐのローカル座標系ｘｙｚの各軸回り回転角加速度ｄｄＡを求める。
ＭＩ＝［Ｉｍ］・ｄｄＡ＋［Ｃｍ］・ｄＡ＋ｍｒ ・・・（第４式）
上式において、［Ｉｍ］は基準点Ｐを中心としたローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの仮想慣性モーメントを表す行列であり、［Ｃｍ］は基準点Ｐを中心とした各軸回りの仮想粘性係数を表す行列である。またｍｒは基準点Ｐにおけるローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの仮想摩擦力を表す３次元ベクトルである。［Ｉｍ］、［Ｃｍ］、ｍｒは予め設定されており移動量計算部５６に記憶されている。また上式においてｄｄＡは基準点Ｐにおけるローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの角加速度を表すベクトルである。ｄＡは基準点Ｐにおけるローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの角速度を表すベクトルである。作業前の基準点Ｐが静止した状態では角加速度ｄｄＡと角速度ｄＡの要素は全てゼロである。操作モーメントＭＩが入力されるとサンプリング周期毎に上記第４式を計算し、角加速度ｄｄＡを求める。角加速度ｄｄＡを１回積分して角速度ｄＡを求める。この角速度ｄＡにサンプリング時間Ｔを掛けた値ｄＡ・Ｔが制御サンプリング毎の基準点Ｐを中心とした対象物の回転量となる。
こうして基準点Ｐの制御サンプリング毎の並進方向の移動量ｄｘ・Ｔ、ｄｙ・Ｔ、ｄｚ・Ｔと回転量ｄＡ・Ｔが求まる。
【００３６】
計算された基準点Ｐの移動量と回転量はアクチュエータドライバ６０へ送られる。アクチュエータドライバ６０は、データ記憶部５０から移動機構１１の可動部群１２の幾何学的配置のデータを読み込む。同時に位置センサ群１５から関節群１４の位置データ（回転関節の場合は角度データ）を取得する。アクチュエータドライバ６０では、可動部群１２の幾何学的配置のデータと関節群１４の位置データに基づいて、計算された基準点Ｐの移動量と回転量を実現するための各関節１４の次のサンプリング時の位置を計算する。アクチュエータドライバ６０は計算された各関節１４の位置を指令値として各関節１４に備えられた各アクチュエータ１６へ出力する。各アクチュエータ１６は指令値に基づいて各関節１４を駆動する。その結果、基準点Ｐは計算された移動量と回転量の分だけ移動（回転）する。
移動量計算部５６とアクチュエータドライバ６０は上記処理を制御サンプリング毎に実行する。
【００３７】
次に図３と図４を用いて基準点Ｐの動作を例示する。図３と図４では、説明を簡単にするため基準点Ｐの動きを２次元に限定する。塗布器具３０は移動機構１１の先端に取り付けられている。また力センサ２０も移動機構１１の先端に取り付けられている。力センサ２０の上方（紙面の垂直上方）に操作子１８が取り付けられている。移動機構１１は可動部１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、相互に隣接する可動部１２を揺動可能に連結する関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃで連結されている。関節１４ａの回転軸（不図示）は絶対座標系ＸＹに固定されており関節１４ａは移動することなく、可動部１２ａを回転させる機能を果たす。また各関節１４には夫々アクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが配置されている。なお図３と図４には位置センサ群１５は図示を省略してある。また図３と図４に示す可動部群１２と関節群１４のリンク構成は図１の移動機構１１を上方から見たときのリンク構成と一致するように描いてある。
図３と図４の移動機構１１は３関節（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）と３リンク（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）からなる機構である。従ってアクチュエータ群１６によって先端に取り付けられた塗布器具３０を移動機構１１の可動範囲内で任意の位置と姿勢にすることができる。
塗布器具３０にはその先端に基準点Ｐが設定されている。基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って移動させたい塗布器具３０の部位である。塗布器具３０にはこれに固定されているローカル座標系ｘｙが設定されている。図１ではローカル座標系ｘｙｚの原点は基準点Ｐに一致させて示したが、図３と図４ではローカル座標系ｘｙｚの原点は力センサ２０の中心に位置するように配置されている。また力センサ２０に固有の座標系はローカル座標系に一致しているものとする。従って図３と図４の例では、図２に示した座標変換部５４は不要となる。ローカル座標系ｘｙのｘ方向が目標軌道Ｌに一致させたい塗布器具３０の方向に設定してある。即ちローカル座標系ｘｙｚのｘ軸が塗布器具３０に固定されている基準線に相当する。また塗布器具３０と操作子１８はひとつの可動部１２ｃ（剛体である）に支持されている。従ってローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は操作子１８に固定されている基準線でもある。
図３にはまた目標軌道Ｌが示されている。目標軌道Ｌは目標軌道Ｌ１と目標軌道Ｌ２の２つの直線からなる。目標軌道Ｌ１と目標軌道Ｌ２は点Ｓで屈曲して連続している。図３では基準点Ｐが目標軌道Ｌのうち目標軌道Ｌ１上に位置している状態を示してある。なお図３と図４では目標軌道Ｌは絶対座標系ＸＹに対して静止しているものとする。
図３の状態で作業者は操作子１８に対して操作力ＦＩを加える。作業者は基準点Ｐを目標軌道Ｌ１に沿って移動させたいので操作力ＦＩの方向はほぼＬ１に沿った方向になる。従って操作力ＦＩのうちローカル座標系ｘｙのｘ軸方向の成分ＦＩｘはｙ軸方向の成分ＦＩｙよりも大きくなる傾向となる。
【００３８】
操作力ＦＩに対して第１式と第２式から求まる基準点Ｐの並進方向の移動量ｄｘ・Ｔ（Ｔはサンプリング時間）とｄｙ・Ｔが計算される（図３、図４ではＸＹの２次元平面に限定しているので第３式は使用しない）。ここでｄｙ・Ｔを計算するための第２式における仮想摩擦抵抗ｆｒｙは第１式における仮想摩擦抵抗ｆｒｘより十分に大きな値に設定されている。その上ＦＩｙはＦＩｘよりも小さくなる傾向なのでｘ軸方向の移動量ｄｘ・Ｔに対してｙ軸方向の移動量ｄｙ・Ｔは小さな値となる。その結果、基準点Ｐが目標軌道Ｌ１に一致しており、塗布器具３０に設定されたローカル座標系ｘｙのｘ軸方向が目標軌道Ｌ１の方向と一致している状態では目標軌道Ｌ１の方向と一致しているｘ軸方向には基準点Ｐは移動させ易く目標軌道Ｌに直交する方向であるｙ軸方向には移動させ難くなる。換言すれば、塗布器具３０をｙ軸方向へ一定量だけ移動させるための操作力ＦＩｙは、塗布器具３０をｘ軸方向へ一定量だけ移動させるための操作力ＦＩｘよりも大きな値となる。これは即ち、作業者が塗布器具３０をｙ軸方向へ一定量だけ移動させる際に操作子１８から受ける反力は、塗布器具３０をｘ軸方向へ一定量だけ移動させるため際に操作子１８から受ける反力よりも大きな値となることを意味する。操作子１８に固定されている基準線（ｘ軸）の方向と操作力のなす角度が大きいほど作業者は大きな反力を受けることとなる。
作業者は操作力ＦＩを概ね目標軌道Ｌ１の方向に加えれば、基準点Ｐを目標軌道Ｌ１から外すことなくかつｘ軸の方向を目標軌道Ｌ１と一致させたまま基準点Ｐを移動させることができる。
【００３９】
図４は塗布器具３０ｂを目標軌道Ｌ１に沿って移動させた結果、基準点Ｐが目標軌道Ｌの屈曲点Ｓに到達したときの様子を示してある。移動機構１１の構成は図３で説明したものと同一である。塗布器具３０が目標軌道Ｌ１に沿って移動し、基準点Ｐが目標軌道Ｌ１とＬ２の屈曲点Ｓに到達した段階では塗布器具は３０ｂの２点鎖線で示す姿勢となっている。この時点では塗布器具３０ｂのｘ軸方向は目標軌道Ｌ１の方向と一致している。移動機構１１は２点鎖線１１ｂで示す姿勢となる。ここで作業者は２点鎖線１８ｂの位置にある操作子１８ｂに対して紙面上で左回転方向の操作モーメントＭＩを加える。この操作モーメントＭＩに対して移動量計算部５６は基準点Ｐを中心に対象物３０を操作モーメントＭＩの方向と同じ方向に回転させるサンプリング毎の回転量ｄＡ・Ｔ（Ｔはサンプリング時間）を算出する。この回転量ｄＡ・Ｔによって塗布器具３０は基準点Ｐの位置を変えることなくサンプリング毎にｄＡ・Ｔずつ回転する。塗布器具３０に固定されたローカル座標系ｘｙのｘ軸方向が次の目標軌道であるＬ２の方向と一致した時点で作業者は操作モーメントＭＩを加えることを止める。すると塗布器具３０は実線３０ｃで示した位置まで回転する。即ち操作モーメントＭＩを操作子に加えることによって、基準点Ｐの位置を目標軌道Ｌ上の点Ｓからずらすことなく塗布器具３０に固定されているｘ軸の方向を次の目標軌道Ｌ２の方向に向けることができる。このとき移動機構１１は実線１１ｃで示した姿勢となる。移動機構の、２点鎖線１１ｂで示す姿勢から実線１１ｃで示す姿勢への移動は、基準点Ｐを移動させずに塗布器具を２点鎖線３０ｂに示す姿勢から実線３０ｃで示す姿勢へ回転させるための軌跡を描く。この移動機構１１の軌跡は、基準点Ｐを中心として塗布器具３０を回転させるようにアクチュエータドライバ６０（図２参照）で計算された軌道である。
塗布器具３０ｃに固定されているｘ軸の方向が次の目標軌道Ｌ２の方向と一致した時点で操作者は再びローカル座標系ｘｙｚのｘ軸方向に操作力ＦＩを加える。そうすれば図３での説明と同様にｘ軸の方向を目標軌道Ｌ２の方向に一致させたまま基準点Ｐを目標軌道Ｌ２に沿って容易に移動させることができる。
図３と図４を用いた上記説明は、３次元空間に拡張しても同様に適用可能である。
【００４０】
なお、上記では、第１式から第４式の関係を満たすように、基準点Ｐの位置を求め、その位置を実現するように関節郡１４の移動量（関節１４が回転揺動の場合は回転角）を決定した。これに代えて、仮想質量Ｍｐ、仮想慣性モーメント［Ｉｍ］を有する基準点Ｐが第１式から第４式で表される運動方程式に従うように関節群１４が発生すべき力（回転揺動の場合はトルク）を計算し、アクチュエータ郡１６のトルクを制御してもよい。
以上では、移動機構１１が、反力付与機構であり、拘束機構でもある。移動機構１１と反力付与機構を別に分けてもよい。分けることによって、実際の塗布器具３０から離れた位置にある操作子１８を操作することができる。遠隔地で作業者が操作することができる。また、移動機構１１が、反力付与機構であり、拘束機構でもあるため、移動機構１１を制御するコントローラ１１が移動機構用制御器であり、反力付与機構用制御器でもあり、拘束機構用制御器でもある。
【００４１】
上記実施例によれば、基準点Ｐを目標軌道Ｌに一致させたまま塗布器具３０を自由に回転させるようにしている。これにより作業者は基準点Ｐの位置が目標軌道Ｌから外れることを気にしなくとも塗布器具３０を自由に回転させることができる。基準点Ｐの位置を目標軌道Ｌから外れることを気にすることなく所定の方向を目標軌道が伸びる方向に合わせることができる。
その一方で塗布器具３０の並進移動についてはローカル座標系ｘｙｚにおけるｘ軸の方向（基準線の方向方向に相当する）に直交する方向には並進移動を制限している。即ち直交する３方向への並進移動に対して１方向のみ並進移動させ易くしている。従って作業者が基準点Ｐを回転させてひとたびｘ軸の方向を目標軌道Ｌが伸びる方向に合わせたならば、作業者は容易に塗布器具３０を目標軌道Ｌが伸びる方向に移動させることができる。
【００４２】
なお上記実施例において、塗布器具３０が請求項の「対象物」の一態様に相当する。また上記実施例では塗布器具３０と操作子１８はひとつの剛体である可動部１２ｃに支持されているので、塗布器具３０に固定されたローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は操作子１８にも固定されている。このｘ軸が請求項の「操作子に固定されている基準線」の一例に相当する。
操作力ＦＩは対象物を並進させるための操作力であり、請求項の「並進操作」および「並進力」の一例に相当する。操作モーメントＭＩは請求項の「回転操作量」の一例に相当する。操作子１８の３軸方向の力成分を別々に検出する力センサ２０が請求項の「操作力検出器」の一態様に相当する。さらに回転モーメントＭＩを検出するときの力センサ２０が請求項の「回転操作力を検出可能」な操作力検出器の一態様に相当する。
また第１式から第３式が請求項の「並進操作力を入力値とし、少なくとも摩擦力の項を含む、基準点の運動を規定する運動方程式を計算するアルゴリズム」の一例に相当する。そして第１式がローカル座標系ｘｙｚのｘ軸（基準線）の方向の運動方程式に相当する。そして第２式と第３式が基準線と交差する方向の運動方程式に相当する。従って第１式の仮想摩擦力ｆｒｘを第２式と第３式の仮想摩擦力ｆｒｙとｆｒｚより小さく設定することが請求項の「基準線の方向には小さな摩擦力が設定されており、基準線に交差する方向には大きな摩擦力が設定されている」ことの一例に相当する。そして仮想摩擦力ｆｒｘ、ｆｒｙ、ｆｒｚを上記の大小関係で設定した第１式から第３式の運動方程式よって、請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させる」ことが実現される。
【００４３】
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。
【００４４】
例えば上記実施例では、操作子に加えられる力を並進操作力とした。また操作子に加えられる操作モーメントを回転操作力とした。その他にも３軸方向の力のみを検出できる力センサを用いてもよい。この場合には力センサが検出する３軸方向の操作力を並進操作力として扱うか回転操作力として扱うかの切替えスイッチを同時に設ける。切替えスイッチを併用することによって、３軸方向の力のみを検出できる力センサであっても対象物を並進させるための並進操作力と対象物を回転させるための回転操作力を別々に検出することができる。
また「並進操作」や「回転操作」は「力」の次元をもつ物理量でなくともよい。例えば目標軌道が２次元平面内に限定される場合には、操作子をジョイスティックのようにスティックを傾斜可能な機器で構成する。このときジョイスティックはスティックの長手方向を軸として回転も可能であるとする。ジョイスティックの直交する２方向夫々に対して傾斜させることを「並進操作」に相当させ、ジョイスティックの長手方向を軸として回転させる操作を「回転操作」に相当させてもよい。この場合にはジョイスティックの夫々の方向への傾斜角によって基準点の移動位置を指示すればよい。このような構成によっても本発明を実現することができる。
【００４５】
上記実施例では基準点の運動を規定する運動方程式の一例として第１式から第３式で表した。また回転操作力に応じて対象物を基準点を中心として回転させる際の回転量を第４式で表した。第１式から第３式において、仮想粘性抵抗Ｃｐのｙ軸およびｚ軸方向の値をｘ軸方向の値より大きく設定することも好適である。そのように設定することによって、請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させること」を実現することができる。
【００４６】
請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させる」ことを実現するには、基準点の運動を規定する第１から第３式を用いることに限られない。その他にも同じ並進力にする基準点の移動量を基準線の方向に対して大きく、基準線と交差する方向には小さくなるような並進力−並進移動量の変換式を用いることができる。簡単な例としては次の式により並進移動量ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ（実施例のｄｘ・Ｔ、ｄｙ・Ｔ、ｄｚ・Ｔに相当する）を求めてもよい。
ｄｘ＝Ｋｘ・ＦＩｘ、 ｄｙ＝Ｋｙ・ＦＩｙ、 ｄｚ＝Ｋｚ・ＦＩｚ
上式は操作力ＦＩの各軸の力成分に定数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚを乗じた値を移動量とする変換式である。この場合には、定数ＫｙとＫｚを定数Ｋｘより十分小さな値に設定する。このように定数を設定することで、請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させる」ことを実現することができる。
また上記実施例では、操作子１８が移動機構１１に設置している形態を例示したが、操作子１８が移動機構１８に固定されておらず、ジョイスティックのように移動機構１１とは別体で構成されていてもよい。
【００４７】
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】
【００４８】
【図１】本発明に係る実施例の作業補助装置の概略図である。
【図２】作業補助装置のブロック図である。
【図３】目標軌道と目標軌道上を移動する塗布器具の関係を説明する図である（１）。
【図４】目標軌道と目標軌道上を移動する塗布器具の関係を説明する図である（２）。
【符号の説明】
【００４９】
１０：作業補助装置
１１：移動機構
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：可動部
１３：移動機構基部
１３ｂ：支柱
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：関節
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：位置センサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：アクチュエータ
１８：操作子
２０：力センサ
２２：コントローラ
２４：ワーク支持装置
２６：ワーク回転支持軸
３０：塗布器具
５０：データ記憶部
５４：座標変換部
５６：移動量計算部
６０：アクチュエータドライバ
Ｗ：フロントガラス
Ｌ：塗布ライン（目標軌道）
Ｐ：基準点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業者がワークや作業器具などの対象物を目標軌道に沿って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支持し、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる移動機構が知られている。対象物に実現させたい移動量を指示するために、作業者が操作子を操作するという技術も知られている。作業者による操作子の操作量に比例するように移動機構の移動量を制御すれば、作業者の操作によって対象物の移動を制御することができる。この技術によると、重量のある対象物を作業者が軽い力で移動させることが可能となる。
ワークや作業器具などの対象物を目標軌道に沿って移動させたい場合が多く存在する。例えば、ガラスの縁に沿って接着剤を塗布するために、接着剤塗布器具をガラスの縁に沿って移動させたい場合がある。この例ではガラスの縁に沿った軌道が目標軌道に相当する。この場合、接着剤塗布器具の位置のみならず、ガラス面内における接着剤塗布器具の回転方向も重要となる。接着剤塗布器具は重く、作業者が接着剤塗布器具を長時間保持している作業の作業負荷は高い。接着剤塗布器具にはホース類が接続されており、接着剤塗布器具の回転方向を作業者が直接的に調整する作業の作業負荷も高い。このような場合には、モータ等の動力源を利用して接着剤塗布器具の位置と回転方向を変える移動機構を利用し、別に用意されている操作子の位置と回転方向に追従して接着剤塗布器具の位置と回転方向が変化するようにすれば、作業者は軽い力で接着剤塗布器具の位置と回転方向を調整することができる。これによってガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業者の作業負荷が軽減される。
【０００３】
作業者が操作子を操作する場合、作業負荷を軽減するためには、作業者が小さな力で操作子を操作できることが好ましい。しかしながら、操作に要する力を単に小さくすることができても操作しづらい状況が生じる。対象物を実際に移動させるときには大きな力が必要とされる作業を、小さな操作力で実施できるようにすると、操作子を操作する作業者が違和感を覚え、操作しづらくなってしまうからである。操作力を適度に調整する工夫が必要とされる。適度な操作力で対象物を移動させることができれば対象物を目標軌道に沿って移動させる作業等がし易くなる。なお、作業者が「操作に要する力」は、作業者が操作子から受ける反力（操作反力と称する）と大きさが同じで向きが逆となる関係にある。従って、操作力を適度に調整するとは、操作反力を積極的に制御することに他ならない。
【０００４】
操作反力を積極的に制御することによって、作業者による操作を案内することが可能となる。特許文献１に、予め目標軌道を記憶しておく作業補助装置が開示されている。この作業補助装置は、目標軌道から両側に所定距離だけ伸びている作業エリアと、その外側に隣接するリミットエリアを計算し、操作子の操作によって移動機構に支持された対象物がリミットエリアに侵入する場合には操作子に強い操作反力が加わるようにしている。この作業補助装置によると、対象物が作業エリアを外れてリミットエリアに侵入するような操作をしようとすると、その操作に対して強い反力が働くことになり、作業エリアを外れてリミットエリアに侵入するような操作が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
目標軌道が既知である場合には特許文献１の技術が有効である。しかしながら、目標軌道が未知である場合には特許文献１の技術を利用することができない。例えば、ガラスの縁に沿って接着剤を塗布する場合、予定外の形状のガラスに対して接着剤を塗布する場合には、特許文献１の技術を利用することができない。
本発明は、目標軌道が未知であっても、目標軌道から外れるような操作に対しては強い操作反力が生じるようにし、もって目標軌道から外れるような操作を抑制する機能を備えている作業補助装置を実現するために創作された。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例えば予定外の形状のガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業が必要とされる場合、作業補助装置には目標軌道が与えられていない。しかしながら、作業者はガラスの形状を視認することによって、目標軌道を把握することができる。
接着剤塗布器具のように方向性を持った作業器具を用いる場合、作業者は作業器具を目標軌道に対して一定の角度に維持しつつ作業器具を目標軌道に沿って移動させなければならない。そのため作業者は、作業器具が目標軌道に対して一定の角度に維持されるように操作子を回転操作する。作業器具を目標軌道に対して一定の角度に維持するということは、対象物に固定されている基準線の方向が、目標軌道が伸びる方向と一致することを意味する。対象物に固定されている直線であって、作業者が目標軌道に沿うように回転させる線を対象物に固定されている基準線と称する。このとき、対象物に固定されている基準線に対応させて、操作子に固定されている基準線を定義することができる。操作子に固定されている基準線の方向から目標軌道が伸びる方向を作業補助装置が把握することができる。
作業器具を目標軌道に対して一定の角度に維持する必要のない場合（例えば方向性のない作業器具を作業補助装置で移動させる場合）でも、作業者は操作子に固定されている基準線の方向を目標軌道が伸びる方向に一致するように操作子を操作する習性を備えている。このために、操作子に固定されている基準線の方向から目標軌道が伸びる方向を把握することができる。この場合には定義した操作子に固定された直線を「操作子に固定されている基準線」と称する。
本発明では、この事象を活用する。操作子に固定されている基準線が向いている方向から目標軌道が伸びている方向を作業補助装置が把握し、作業者が操作する操作子について、目標軌道に沿った操作に対しては軽く操作できるようにする一方、目標軌道から離れようとする操作に対しては大きな操作反力が得られる作業補助装置を実現する。
【０００８】
本発明の作業補助装置は、対象物（例えば接着剤塗布器具に例示されるように、基準点が固定されている物体であって、作業補助装置を利用して移動させたい物体をいう）に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する。
この作業補助装置は、対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、操作子の並進操作に抗する反力を操作子に加える反力付与機構と、反力付与機構が付与する反力を制御する反力付与機構用制御器を備えている。
本発明の作業補助装置では、反力付与機構用制御器が、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな反力を付与することを特徴とする。
【０００９】
ここでいう対象物の基準点は、目標軌道に沿わせたい点を意味し、対象物が例えば接着剤塗布器具であれば、接着剤吐出ポイントをいう。
対象物が異方性を有しない場合であっても、作業者は操作子に固定されている基準線の方向が目標軌道の方向に一致するように操作子を回転させる。このことによって、作業補助装置は目標軌道が伸びる方向を把握することができる。
【００１０】
上記構成によれば、作業者は対象物の基準点の移動位置と移動方向を装置に指示するために操作子に並進操作と回転操作を加える。このとき、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな反力が付与される。
作業補助装置には目標軌道が未知であっても、操作子に固定されている基準線の方向から目標軌道が伸びている方向が判明する。基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、目標軌道が伸びている方向から離れる方向に向けた操作であることがわかる。上記構成によれば、目標軌道が伸びている方向から離れる方向に向けた操作に対しては操作子に大きな反力が付与されるために、対象物の基準点が目標軌道から離れる操作が抑制される。なお、操作子に固定されている基準線の方向は操作子の回転角度から把握することができる。
例えばガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業の場合、接着剤塗布器具をガラスの縁から離れる方向に操作子を操作する場合には大きな反力が操作子に付与されるために、ガラスの縁から離れる方向の操作が抑制される。作業補助装置には未知である形状のガラスが供給されても、操作子に固定されている基準線の方向からガラスの縁が伸びている方向（即ち目標軌道の伸びている方向）が判明し、そのガラスの縁から離れる方向の操作を抑制しながらガラスの縁に沿って接着剤塗布器具を移動させる操作を補助することが可能となる。
【００１１】
反力付与機構と移動機構が独立に設けられていてもよいが、反力付与機構と移動機構を兼用することもできる。この場合は、操作子と対象物を移動機構上の同一の剛体で支持する。移動機構で支持されている対象物が操作子を兼用していてもよい。
操作子と対象物が同一の剛体で支持されていれば、移動機構が備えているモータ等の動力と、作業者が加える操作力によって対象物が移動する。モータ等の動力によって対象物を移動させるのに要する力が補助されるので、対象物を移動させるために作業者に必要とされる操作力は軽減される。
対象物を移動させるのに要する力とモータ等から得られる力の差は作業者が加える力に相当する。作業者は、対象物を支持している剛体に取り付けられた操作子を介して前記した「力の差」に相当する反力を受ける。この「反力」が本明細書でいう操作反力に相当する。一つの機構が、モータ等の動力を利用して対象物を移動させる移動機構であり、同時に、作業者に操作反力を感じさせる反力付与機構でありえる。
この構成によると、移動機構と反力付与機構を別々に設ける必要がなく、作業補助装置の機械的構成を単純化することができる。
【００１２】
本発明の補助装置は、別の見方をすると、対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、操作子の並進操作を拘束する拘束機構と、拘束機構による拘束強さを制御する拘束機構用制御器を備えており、その拘束機構用制御器が、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作を強く拘束する装置であると定義することもできる。
拘束機構は、モータ等の動力を利用する代わりに、ブレーキ等の制動装置を利用して構築することもできる。
【００１３】
拘束機構を用いる場合も、拘束機構と移動機構を独立に設けることができる。独立に設ける場合には、ブレーキ等の制動装置を利用して拘束機構を構成することができる。モータ等の動力を持たない拘束機構を構成することができる。
拘束機構と移動機構を兼用することもできる。この場合は、操作子と対象物を移動機構上の同一の剛体で支持する。移動機構で支持されている対象物が操作子を兼用していてもよい。
ブレーキ等の制動装置の代わりにモータ等の動力を利用することによって、移動機構と拘束機構を兼用する機構を実現することができる。
【００１４】
また本作業補助装置の移動機構は、操作子の回転操作に応じて対象物に固定されている基準点を回転中心にして対象物を回転させることが好ましい。
例えば対象物として接着剤塗布器具を用いてガラスの縁に沿って接着剤を塗布する作業を考えた場合、ガラスの縁に沿って（この場合、ガラスの縁が目標軌道に相当する）塗布器具先端の接着剤吐出ポイント（このポイントが基準点に相当する）を移動させる必要がある。ガラスの２辺の接点である角部では基準点をガラスの縁から外すことなく接着剤の吐出方向を変更させる必要がある。そのような場合に塗布器具の吐出ポイントに固定されている基準点を中心として塗布器具を回転させることによって、吐出ポイントをガラスの縁（即ち目標軌道）から外すことなく塗布器具の方向をガラスの次の縁に沿った方向に変えることができる。このとき、塗布器具の方向をガラスの次の縁の方向に変えるために操作子を回転させるので、操作子に固定されている基準線の方向もまたガラスの次の縁の方向となる。次の縁に沿って塗布器具を移動させる際に、ガラスの次の縁の方向（即ち目標軌道が伸びている方向）から離れる方向に向けた操作に対しては大きな反力が付与されるために、対象物の基準点が目標軌道から離れる操作が抑制される。
即ち、操作子の回転操作に応じて対象物に固定されている基準点を回転中心にして対象物を回転させることによって、目標軌道が曲線部や屈曲部を含む場合であっても、対象物に固定されている基準点を目標軌道から外すことなく、かつ目標軌道に沿った方向へ対象物を移動させる操作を補助することが可能となる。
【００１５】
本発明はまた、対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、移動機構を制御する移動機構用制御器と、移動機構によって移動させる基準点の位置を指示するために、作業者が並進操作力と回転操作力を加えることが可能な操作子と、作業者が操作子に加えている並進操作力を、操作子に固定されている基準線の方向に沿った操作力とそれに交差する方位の操作力に区別して検出する操作力検出器を備えている作業補助装置に具現化することもできる。操作子は、回転操作力によって回転させることが可能である。
この作業補助装置の移動機構用制御器は、同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、操作子に同じ並進操作力が加わった場合でもその方向によって対象物の移動量が異なる。並進操作力が操作子の基準線の方向に沿っている場合には対象物が大きく移動させ、操作子の基準線と交差する方向の場合には対象物を小さく移動させる。従って操作子の基準線を目標軌道が伸びる方向に合わせれば、作業者が対象物を移動させる作業に対して基準線の方向（即ち目標軌道が伸びる方向）から外れ難くしつつ作業を補助することができる。
【００１７】
移動機構用制御器は、並進操作力を入力値とし、少なくとも摩擦力の項を含む、基準点の運動を規定する運動方程式を計算するアルゴリズムを備えていることが好ましい。そして運動方程式では、基準線の方向には小さな摩擦力が設定されており、基準線に交差する方向には大きな摩擦力が設定されていることが好ましい。移動機構用制御器はアルゴリズムに従って基準点の運動を計算する。計算された基準点の運動が実現されるように移動機構を制御する。移動機構用制御器が移動機構を制御するには、対象物の位置（あるいは速度、あるいは加速度）に着目して制御してもよいし、移動機構が備えているモータ等のトルクに着目して制御してもよい。
例えば移動機構用制御器の制御ロジック内で対象物に固定されている基準点に対して仮想質量や仮想摩擦力を設定した運動方程式を定義する。その運動方程式の力の項に並進操作力を代入して基準点の加速度を計算する。得られた加速度が実現されるように移動機構を制御すればよい。
このとき例えば操作子に固定されている基準線の方向には運動方程式中の摩擦力を小さく設定されており、基準線と交差する方向には運動方程式中の摩擦力を大きく設定されている。従って同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることができる。
【００１８】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されていることが好ましい。操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されていれば、同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることによって、結果的に操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して操作子から大きな反力が付与されることになる。このことはまた、前記の角度が大きいほど、操作子の並進操作を強く拘束する結果ともなる。
【００１９】
操作力検出器は、回転操作力を検出可能であり、移動機構用制御器は、検出された回転操作力に応じて対象物に固定されている基準点を中心にして対象物を回転させることが好ましい。これによって、目標軌道が曲線や屈曲部を含む場合であっても、対象物に固定されている基準点を目標軌道から外すことなく、かつ目標軌道に沿った方向へ対象物を移動させる操作を補助することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、目標軌道を予め作業補助装置に記憶しておく必要がない。作業補助装置にとっては未知な目標軌道に沿って対象物を移動させる作業を補助することができる。作業者が、目標軌道が伸びている方向に操作子に固定されている基準線の方向を合わせるように操作子を回転させることによって、目標軌道に沿った方向には操作子を軽く操作できる一方、目標軌道から離れる方向には大きな操作力を加えないと操作子を操作できない結果を得ることができる。目標軌道に追従しやすいように操作反力を制御できる。作業者が目標軌道に一致させつつ対象物を移動させる作業を補助する装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） 対象物は作業器具であり、作業器具をオンオフするためのスイッチ類が操作子に設定されている。作業者は操作子を操作しながら、スイッチ類を操作することができる。
【実施例】
【００２２】
図１に本発明に係る一実施例の作業補助装置１０の概略図を示す。この実施例における作業補助装置は、塗布器具３０を用いてフロントガラスＷの周囲に接着剤を塗布する作業を補助する装置である。フロントガラスＷの周囲に示した点線Ｌが接着剤を塗布すべきラインでありこれが目標軌道Ｌに相当する。
作業補助装置１０は、対象物である塗布器具３０を支持して移動させる移動機構１１と、移動機構１１を制御するコントローラ２２を備えている。移動機構１１は、操作子１８をも支持しており、操作子１８に操作反力を付与する機構を兼用している。コントローラ２２は、操作反力を制御する機能をも併せ持っている。操作子１８に操作反力を付与する機構は、同時に操作子１８の操作を拘束する機構でもある。操作反力が強い状態は、操作子１８の操作を強く拘束する状態でもある。操作反力が弱い状態は、操作子１８の操作を弱く拘束する状態でもある。コントローラ２２は、拘束状態の強弱を制御する機能をも併せ持っている。
【００２３】
移動機構１１の基部１３は床に固定されている。基部１３には支柱１３ｂが固定されている。支柱１３ｂには関節１４ａを介して可動部１２ａが揺動可能に連結されている。可動部１２ａには関節１４ｂを介して可動部１２ｂが揺動可能に連結されている。可動部１２ｂには関節１４ｃを介して可動部１２ｃが揺動可能に連結されている。関節１４ａは、支柱１３ｂに対して垂直方向と水平方向に揺動可能な２軸の関節である。関節１４ｂと１４ｃは、１軸の関節である。
関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には、関節角を変えるためのアクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが配置されている。アクチュエータ１６ａは、２軸の関節１４ａの関節角を変えることができるアクチュエータであり、2本の出力軸を備えている。アクチュエータ１６ｂ、１６ｃは、1軸のアクチュエータである。
アクチュエータ群１６によって関節群１４を動作させることができる。アクチュエータ群や関節群を総称する場合には、添え字ａ，ｂ，ｃを省略して説明する。アクチュエータ群１６を利用することによって、可動部１２ｃの先端を、移動機構１１の可動範囲内の任意の位置へ移動させることができる。また、可動部１２ｃが伸びる方向を任意の向きに向けることができる。
関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの夫々には、位置センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃが備えられている。位置センサ１５はエンコーダ等である。
【００２４】
移動機構１１の先端の可動部１２ｃには、塗布器具３０が固定されている。塗布器具３０には接着剤を供給する供給ホース３４が接続されている。塗布器具３０の先端からは接着剤が吐出する。接着剤をフロントガラスＷに設定された塗布ラインＬ（目標軌道Ｌに相当する）に沿って塗布するために、塗布器具３０はその先端を塗布ラインＬに対して一定の傾斜角に保たねばならない。そして塗布器具３０はその傾斜角を維持したまま塗布ラインＬに沿って移動させねばならない。
塗布器具３０の先端に基準点Ｐを設定する。基準点Ｐは塗布ラインＬに沿って移動させるべき点となる。また基準点Ｐを座標原点とするローカル座標系ｘｙｚを設定する。ローカル座標系ｘｙｚは塗布器具に固定された座標系である。ローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は、塗布器具３０が前記傾斜角を維持したまま塗布ラインＬに沿って移動させる方向に設定される。ｚ軸は、ｘ軸に直交するとともに、操作子１８と平行に伸びている。ｙ軸は、ｘ軸とｚ軸に直交している。基準点Ｐが目標軌道Ｌ上に位置し、ｘ軸が目標軌道Ｌに沿って伸びるとき、目標軌道Ｌ上に接着剤を塗布することができる。作業者には、操作子１８を操作することによって、基準点Ｐが目標軌道Ｌ上に位置し、ｘ軸が目標軌道Ｌに沿って伸びる位置関係を維持することが求められている。
【００２５】
移動機構１１の先端の可動部１２ｃには、力センサ２０が配置されており、その上に操作子１８が配置されている。
本実施例では、塗布器具３０と操作子１８が共に移動機構１１の先端の可動部１２ｃによって支持されている。可動部１２ｃ自体は剛体である。即ち、塗布器具３０と操作子１８が共に移動機構１１上の同一の剛体である可動部１２ｃに支持されている。塗布器具３０と操作子１８が同一の剛体に支持されているので、ローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は操作子１８に対しても固定されている。本実施例ではローカル座標系ｘｙｚのｘ軸が「操作子に固定されている基準線」に相当する。
作業者が操作子１８に操作力を加えると、その操作力は力センサ２０によって検出される。力センサ２０はローカル座標系の３軸の各方向に加わる力と各軸回りのモーメントを検出することができる。検出された操作力はコントローラ２２に送られる。コントローラ２２は、操作力に応じて塗布器具３０が移動するように、移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。コントローラ２２の内部構造と制御については図２により後述する。
【００２６】
コントローラ２２は、床に固定されている絶対座標系で基準点Ｐの位置が与えられ、基準点Ｐの次の移動位置と姿勢が与えられると、与えられた移動位置と姿勢を実現する関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃの関節角を計算し、計算された関節角に調整する機能を備えている。実際の関節角を計算された関節角に一致させるために、位置センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの検出値が利用される。
【００２７】
本実施例では、フロントガラスＷがワーク回転支持軸２６を介してワーク支持装置２４に支持されている。ワーク支持装置２４はワーク回転支持軸２６によってフロントガラスＷを回転軸Ｃの周りに角速度ωで回転させる。従って接着剤を塗布すべき塗布ライン(目標軌道)Ｌも回転する。作業者は、回転する塗布ライン(目標軌道)Ｌ上に基準点Ｐを位置させ、しかも回転する塗布ライン（目標軌道）Ｌが伸びる方向に対して塗布器具３０の先端を一定の傾斜角に維持したまま塗布器具３０を塗布ライン（目標軌道）Ｌに沿って移動させねばならない。そのように塗布器具３０を移動させるために作業者はローカル座標系ｘｙｚのｘ軸（基準線）の方向が塗布ライン（目標軌道）Ｌの方向を向くように操作子１８を操作する。
【００２８】
フロントガラスＷが回転するので、作業者はフロントガラスＷの周囲を歩き回ることなく、大きなフロントガラスＷの周囲へ接着剤を塗布することができる。
フロントガラスＷへの接着剤の塗布作業では、基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って移動し、かつローカル座標系のｘ座標の方向が目標軌道Ｌの方向に一致していることが重要である。目標軌道Ｌが絶対座標系に対して静止している必要はない。目標軌道Ｌが絶対座標系に対して回転ないし移動する場合であっても、基準点Ｐとｘ軸の方向が目標軌道Ｌに沿って動けばよい。
【００２９】
次に本実施例によるコントローラ２２の制御について概説する。
作業者が操作子１８を操作すると、その操作力は力センサ２０によって検出される。力センサ２０からは、ローカル座標系のｘ、ｙ、ｚ軸方向の力成分と、ｘ、ｙ、ｚ軸回りのモーメント成分に分解されて出力される。検出された操作力はコントローラ２２に送られる。コントローラ２２では、操作力に応じて塗布器具３０が移動するように、移動機構１１のアクチュエータ群１６を制御する。より具体的には、コントローラ２２は操作力の各軸成分に応じた移動量を計算する。計算した移動量だけ塗布器具３０の先端に設定された基準点Ｐが移動するようにアクチュエータ群１６を制御する。本実施例では、力センサ２０の出力のうち各軸方向の力の成分に応じて基準点Ｐを並進させる移動量を計算する。力センサ２０の各軸の力成分の方向を基準点Ｐを移動させる方向に対応させる。また、力センサ２０の出力のうち各軸回りのモーメント成分に応じて基準点Ｐを回転させる回転量を計算する。モーメントの方向を基準点Ｐを回転させる方向に対応させる。
【００３０】
次に図２のブロック図を用いて上記概説した機能を実現する作業補助装置１０の構成を説明する。作業補助装置１０は移動機構１１とコントローラ２２に大別できる。
移動機構１１には、塗布器具３０と、操作子１８と、作業者が操作子１８に加えた力を検出する力センサ２０と、移動機構１１の各関節１４（図１参照）を動作させるアクチュエータ群１６と、各関節１４の位置（角度）を検出する位置センサ群１５が含まれている。なお図２では、移動機構１１に配置されている可動部群１２と関節群１４の図示を省略してある。
【００３１】
コントローラ２２は、データの記憶モジュールであるデータ記憶部５０を有している。また演算モジュールである座標変換部５４と移動量計算部５６とアクチュエータドライバ６０を有している。ここで記憶モジュールは、コントローラ２２に内蔵されたメモリやハードディスク装置などである。あるいはコントローラ外部に設置された記憶装置であってもよい。演算モジュールは、コントローラ２２に内蔵されたコンピュータのハードウエアとソフトウエアで実現してもよいし、専用の演算を行うハードウエアで実現してもよい。
【００３２】
データ記憶部５０には、基準点Ｐが塗布器具３０のどこに設定されているかのデータが格納されている。また塗布器具３０に設定されたローカル座標系ｘｙｚと塗布器具３０の形状との相対関係のデータが格納されている。さらに移動機構１１の基部１３から先端までの可動部群１２の幾何学的な連結構造のデータが格納されている。移動機構１１に対する塗布器具３０の取り付け位置のデータも格納されている。移動機構１１に対する力センサ２０の取り付け位置のデータも格納されている。
操作子１８には作業者によって操作力が加えられる。操作力には力とモーメントがある。加えられた操作力は力センサによって検出される。力センサから出力される力を操作力ＦＩと称し、モーメントを操作モーメントＭＩと称することにする。操作力ＦＩと操作モーメントＭＩはともに３次元ベクトル量である。検出された操作力ＦＩと操作モーメントＭＩは座標変換部５４に入力される。
座標変換部５４は、機構部データ記憶部に格納された力センサの取り付け位置のデータと塗布器具３０に設定されたローカル座標系ｘｙｚのデータから、操作力ＦＩと操作モーメントＭＩをローカル座標系ｘｙｚの各軸成分に変換する。操作力ＦＩのローカル座標系ｘｙｚのｘ軸成分をＦＩｘで表す。同様にｙ軸成分をＦＩｙ、ｚ軸成分をＦＩｚで表す。
【００３３】
ローカル座標系ｘｙｚの各軸成分に変換された操作力ＦＩと操作モーメントＭＩは移動量計算部５６に送られる。移動量計算部５６では、操作力ＦＩを基準点Ｐの移動量に変換する。移動方向は操作力ＦＩの方向と一致させる。また操作モーメントＭＩを、基準点Ｐを中心とした対象物の回転量に変換する。回転方向は操作モーメントＭＩの方向（操作モーメントＭＩにより生じるトルクの方向）と一致させる。
まず操作力ＦＩを移動量に変換する処理について説明する。本実施例では、次のインピーダンス制御則により操作力ＦＩのローカル座標系ｘｙｚの各軸方向の力成分ＦＩｘ、ＦＩｙ、ＦＩｚからローカル座標系ｘｙｚにおける各軸方向の基準点Ｐの加速度を求める。
ＦＩｘ＝Ｍｐ・ｄｄｘ＋Ｃｐ・ｄｘ＋ｆｒｘ ・・・（第１式）
ＦＩｙ＝Ｍｐ・ｄｄｙ＋Ｃｐ・ｄｙ＋ｆｒｙ ・・・（第２式）
ＦＩｚ＝Ｍｐ・ｄｄｚ＋Ｃｐ・ｄｚ＋ｆｒｚ ・・・（第３式）
上式においてＭｐは基準点Ｐでの仮想質量であり、Ｃｐは仮想粘性抵抗係数であり、Ｆｒｘ、ｆｒｙ、ｆｒｚは各軸の仮想摩擦力である。これらの値は予め設定されており移動量計算部５６に記憶されている。また上式においてｄｄｘはローカル座標系ｘｙｚにおけるｘ軸方向の基準点Ｐの加速度であり、ｄｘはｘ軸方向の基準点Ｐの速度である。同様にｄｄｙはｙ軸方向の基準点Ｐの加速度であり、ｄｙはｙ軸方向の基準点Ｐの速度である。ｄｄｚはｚ軸方向の基準点Ｐの加速度であり、ｄｚはｚ軸方向の基準点Ｐの速度である。作業前の基準点Ｐが静止した状態では加速度ｄｄｘ、ｄｄｙ、ｄｄｚと速度ｄｘ、ｄｙ、ｄｚは全てゼロである。操作力ＦＩが入力されると移動量計算部５６は制御サンプリング毎に上式を計算して加速度ｄｄｘ、ｄｄｙ、ｄｄｚを求める。加速度を１回積分して各速度ｄｘ、ｄｙ、ｄｚを求める。この速度ｄｘ、ｄｙ、ｄｚに制御サンプリング時間Ｔを掛けた値ｄｘ・Ｔ、ｄｙ・Ｔ、ｄｚ・Ｔが制御サンプリング毎の基準点Ｐの移動量となる。
なお、上式においてローカル座標系ｘｙｚのｙ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｙとｚ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｚは、ｘ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｘより十分大きな値に設定される。ｙ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｙとｚ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｚをｘ軸方向の仮想摩擦力ｆｒｘより十分に大きな値とすることで、ＦＩｘ、ＦＩｙ、ＦＩｚが同じ大きさであっても、基準点Ｐのｙ軸方向のサンプリング毎の移動量ｄｙ・Ｔとｚ軸方向のサンプリング毎の移動量ｄｚ・Ｔは、ｘ軸方向のサンプリング毎の移動量ｄｘ・Ｔよりも小さくなる。換言すれば、操作力ＦＩの単位操作力当たりの移動量の大きさは、対象物に固定されているローカル座標系のｘ軸方向への大きさが、ｙ軸とｚ軸の方向への大きさよりも大きくなるように設定される。
【００３４】
このことは、作業者がｘ軸方向には操作子１８を操作しやすいのに対し、ｙ軸とｚ軸方向には操作しがたい結果をもたらす。操作子に固定されている基準線（ｘ軸）の方向に沿っては小さな反力しか受けず、よって軽く操作できるのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向けて操作する場合には大きな操作力が必要とされる。基準線（ｘ軸）の方向に沿ってはほとんど拘束されないのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向けての操作は強く拘束される。
アクチュエータ群１６の出力が、基準線（ｘ軸）の方向に沿っては作業者が小さな並進操作力を加えるだけ大きく移動するのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に並進操作するためには大きな並進操作力が必要とされるように制御されることから、基準線（ｘ軸）に沿った並進操作はほとんど拘束されないのに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向かう並進操作は強く拘束される。
アクチュエータ群１６が、基準線（ｘ軸）の方向に沿った並進操作はほとんど拘束されない（操作に要する力が小さくて済む）のに対し、基準線とのなす角度が大きい方向に向かう並進操作は強く拘束される（操作には大きな力を要する）ように制御されると、作業者は目標軌道Ｌに追従させやすい。基準線（ｘ軸）の方向と目標軌道Ｌの伸びている方向が一致していることから、目標軌道Ｌから外れようとする操作は強く拘束されるからである。目標軌道Ｌに沿った操作に要する力は軽くてすむために（塗布器具３０を実際に移動させるに要する力よりも軽い）、作業者の作業負荷が軽減される。
【００３５】
次に操作モーメントＭＩを基準点Ｐの回りに対象物を回転させる回転量に変換する処理について説明する。ベクトル量である操作モーメントＭＩから、次式で表されるインピーダンス制御則により基準点Ｐのローカル座標系ｘｙｚの各軸回り回転角加速度ｄｄＡを求める。
ＭＩ＝［Ｉｍ］・ｄｄＡ＋［Ｃｍ］・ｄＡ＋ｍｒ ・・・（第４式）
上式において、［Ｉｍ］は基準点Ｐを中心としたローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの仮想慣性モーメントを表す行列であり、［Ｃｍ］は基準点Ｐを中心とした各軸回りの仮想粘性係数を表す行列である。またｍｒは基準点Ｐにおけるローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの仮想摩擦力を表す３次元ベクトルである。［Ｉｍ］、［Ｃｍ］、ｍｒは予め設定されており移動量計算部５６に記憶されている。また上式においてｄｄＡは基準点Ｐにおけるローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの角加速度を表すベクトルである。ｄＡは基準点Ｐにおけるローカル座標系ｘｙｚの各軸回りの角速度を表すベクトルである。作業前の基準点Ｐが静止した状態では角加速度ｄｄＡと角速度ｄＡの要素は全てゼロである。操作モーメントＭＩが入力されるとサンプリング周期毎に上記第４式を計算し、角加速度ｄｄＡを求める。角加速度ｄｄＡを１回積分して角速度ｄＡを求める。この角速度ｄＡにサンプリング時間Ｔを掛けた値ｄＡ・Ｔが制御サンプリング毎の基準点Ｐを中心とした対象物の回転量となる。
こうして基準点Ｐの制御サンプリング毎の並進方向の移動量ｄｘ・Ｔ、ｄｙ・Ｔ、ｄｚ・Ｔと回転量ｄＡ・Ｔが求まる。
【００３６】
計算された基準点Ｐの移動量と回転量はアクチュエータドライバ６０へ送られる。アクチュエータドライバ６０は、データ記憶部５０から移動機構１１の可動部群１２の幾何学的配置のデータを読み込む。同時に位置センサ群１５から関節群１４の位置データ（回転関節の場合は角度データ）を取得する。アクチュエータドライバ６０では、可動部群１２の幾何学的配置のデータと関節群１４の位置データに基づいて、計算された基準点Ｐの移動量と回転量を実現するための各関節１４の次のサンプリング時の位置を計算する。アクチュエータドライバ６０は計算された各関節１４の位置を指令値として各関節１４に備えられた各アクチュエータ１６へ出力する。各アクチュエータ１６は指令値に基づいて各関節１４を駆動する。その結果、基準点Ｐは計算された移動量と回転量の分だけ移動（回転）する。
移動量計算部５６とアクチュエータドライバ６０は上記処理を制御サンプリング毎に実行する。
【００３７】
次に図３と図４を用いて基準点Ｐの動作を例示する。図３と図４では、説明を簡単にするため基準点Ｐの動きを２次元に限定する。塗布器具３０は移動機構１１の先端に取り付けられている。また力センサ２０も移動機構１１の先端に取り付けられている。力センサ２０の上方（紙面の垂直上方）に操作子１８が取り付けられている。移動機構１１は可動部１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、相互に隣接する可動部１２を揺動可能に連結する関節１４ａ、１４ｂ、１４ｃで連結されている。関節１４ａの回転軸（不図示）は絶対座標系ＸＹに固定されており関節１４ａは移動することなく、可動部１２ａを回転させる機能を果たす。また各関節１４には夫々アクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが配置されている。なお図３と図４には位置センサ群１５は図示を省略してある。また図３と図４に示す可動部群１２と関節群１４のリンク構成は図１の移動機構１１を上方から見たときのリンク構成と一致するように描いてある。
図３と図４の移動機構１１は３関節（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）と３リンク（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）からなる機構である。従ってアクチュエータ群１６によって先端に取り付けられた塗布器具３０を移動機構１１の可動範囲内で任意の位置と姿勢にすることができる。
塗布器具３０にはその先端に基準点Ｐが設定されている。基準点Ｐが目標軌道Ｌに沿って移動させたい塗布器具３０の部位である。塗布器具３０にはこれに固定されているローカル座標系ｘｙが設定されている。図１ではローカル座標系ｘｙｚの原点は基準点Ｐに一致させて示したが、図３と図４ではローカル座標系ｘｙｚの原点は力センサ２０の中心に位置するように配置されている。また力センサ２０に固有の座標系はローカル座標系に一致しているものとする。従って図３と図４の例では、図２に示した座標変換部５４は不要となる。ローカル座標系ｘｙのｘ方向が目標軌道Ｌに一致させたい塗布器具３０の方向に設定してある。即ちローカル座標系ｘｙｚのｘ軸が塗布器具３０に固定されている基準線に相当する。また塗布器具３０と操作子１８はひとつの可動部１２ｃ（剛体である）に支持されている。従ってローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は操作子１８に固定されている基準線でもある。
図３にはまた目標軌道Ｌが示されている。目標軌道Ｌは目標軌道Ｌ１と目標軌道Ｌ２の２つの直線からなる。目標軌道Ｌ１と目標軌道Ｌ２は点Ｓで屈曲して連続している。図３では基準点Ｐが目標軌道Ｌのうち目標軌道Ｌ１上に位置している状態を示してある。なお図３と図４では目標軌道Ｌは絶対座標系ＸＹに対して静止しているものとする。
図３の状態で作業者は操作子１８に対して操作力ＦＩを加える。作業者は基準点Ｐを目標軌道Ｌ１に沿って移動させたいので操作力ＦＩの方向はほぼＬ１に沿った方向になる。従って操作力ＦＩのうちローカル座標系ｘｙのｘ軸方向の成分ＦＩｘはｙ軸方向の成分ＦＩｙよりも大きくなる傾向となる。
【００３８】
操作力ＦＩに対して第１式と第２式から求まる基準点Ｐの並進方向の移動量ｄｘ・Ｔ（Ｔはサンプリング時間）とｄｙ・Ｔが計算される（図３、図４ではＸＹの２次元平面に限定しているので第３式は使用しない）。ここでｄｙ・Ｔを計算するための第２式における仮想摩擦抵抗ｆｒｙは第１式における仮想摩擦抵抗ｆｒｘより十分に大きな値に設定されている。その上ＦＩｙはＦＩｘよりも小さくなる傾向なのでｘ軸方向の移動量ｄｘ・Ｔに対してｙ軸方向の移動量ｄｙ・Ｔは小さな値となる。その結果、基準点Ｐが目標軌道Ｌ１に一致しており、塗布器具３０に設定されたローカル座標系ｘｙのｘ軸方向が目標軌道Ｌ１の方向と一致している状態では目標軌道Ｌ１の方向と一致しているｘ軸方向には基準点Ｐは移動させ易く目標軌道Ｌに直交する方向であるｙ軸方向には移動させ難くなる。換言すれば、塗布器具３０をｙ軸方向へ一定量だけ移動させるための操作力ＦＩｙは、塗布器具３０をｘ軸方向へ一定量だけ移動させるための操作力ＦＩｘよりも大きな値となる。これは即ち、作業者が塗布器具３０をｙ軸方向へ一定量だけ移動させる際に操作子１８から受ける反力は、塗布器具３０をｘ軸方向へ一定量だけ移動させるため際に操作子１８から受ける反力よりも大きな値となることを意味する。操作子１８に固定されている基準線（ｘ軸）の方向と操作力のなす角度が大きいほど作業者は大きな反力を受けることとなる。
作業者は操作力ＦＩを概ね目標軌道Ｌ１の方向に加えれば、基準点Ｐを目標軌道Ｌ１から外すことなくかつｘ軸の方向を目標軌道Ｌ１と一致させたまま基準点Ｐを移動させることができる。
【００３９】
図４は塗布器具３０ｂを目標軌道Ｌ１に沿って移動させた結果、基準点Ｐが目標軌道Ｌの屈曲点Ｓに到達したときの様子を示してある。移動機構１１の構成は図３で説明したものと同一である。塗布器具３０が目標軌道Ｌ１に沿って移動し、基準点Ｐが目標軌道Ｌ１とＬ２の屈曲点Ｓに到達した段階では塗布器具は３０ｂの２点鎖線で示す姿勢となっている。この時点では塗布器具３０ｂのｘ軸方向は目標軌道Ｌ１の方向と一致している。移動機構１１は２点鎖線１１ｂで示す姿勢となる。ここで作業者は２点鎖線１８ｂの位置にある操作子１８ｂに対して紙面上で左回転方向の操作モーメントＭＩを加える。この操作モーメントＭＩに対して移動量計算部５６は基準点Ｐを中心に対象物３０を操作モーメントＭＩの方向と同じ方向に回転させるサンプリング毎の回転量ｄＡ・Ｔ（Ｔはサンプリング時間）を算出する。この回転量ｄＡ・Ｔによって塗布器具３０は基準点Ｐの位置を変えることなくサンプリング毎にｄＡ・Ｔずつ回転する。塗布器具３０に固定されたローカル座標系ｘｙのｘ軸方向が次の目標軌道であるＬ２の方向と一致した時点で作業者は操作モーメントＭＩを加えることを止める。すると塗布器具３０は実線３０ｃで示した位置まで回転する。即ち操作モーメントＭＩを操作子に加えることによって、基準点Ｐの位置を目標軌道Ｌ上の点Ｓからずらすことなく塗布器具３０に固定されているｘ軸の方向を次の目標軌道Ｌ２の方向に向けることができる。このとき移動機構１１は実線１１ｃで示した姿勢となる。移動機構の、２点鎖線１１ｂで示す姿勢から実線１１ｃで示す姿勢への移動は、基準点Ｐを移動させずに塗布器具を２点鎖線３０ｂに示す姿勢から実線３０ｃで示す姿勢へ回転させるための軌跡を描く。この移動機構１１の軌跡は、基準点Ｐを中心として塗布器具３０を回転させるようにアクチュエータドライバ６０（図２参照）で計算された軌道である。
塗布器具３０ｃに固定されているｘ軸の方向が次の目標軌道Ｌ２の方向と一致した時点で操作者は再びローカル座標系ｘｙｚのｘ軸方向に操作力ＦＩを加える。そうすれば図３での説明と同様にｘ軸の方向を目標軌道Ｌ２の方向に一致させたまま基準点Ｐを目標軌道Ｌ２に沿って容易に移動させることができる。
図３と図４を用いた上記説明は、３次元空間に拡張しても同様に適用可能である。
【００４０】
なお、上記では、第１式から第４式の関係を満たすように、基準点Ｐの位置を求め、その位置を実現するように関節郡１４の移動量（関節１４が回転揺動の場合は回転角）を決定した。これに代えて、仮想質量Ｍｐ、仮想慣性モーメント［Ｉｍ］を有する基準点Ｐが第１式から第４式で表される運動方程式に従うように関節群１４が発生すべき力（回転揺動の場合はトルク）を計算し、アクチュエータ郡１６のトルクを制御してもよい。
以上では、移動機構１１が、反力付与機構であり、拘束機構でもある。移動機構１１と反力付与機構を別に分けてもよい。分けることによって、実際の塗布器具３０から離れた位置にある操作子１８を操作することができる。遠隔地で作業者が操作することができる。また、移動機構１１が、反力付与機構であり、拘束機構でもあるため、移動機構１１を制御するコントローラ１１が移動機構用制御器であり、反力付与機構用制御器でもあり、拘束機構用制御器でもある。
【００４１】
上記実施例によれば、基準点Ｐを目標軌道Ｌに一致させたまま塗布器具３０を自由に回転させるようにしている。これにより作業者は基準点Ｐの位置が目標軌道Ｌから外れることを気にしなくとも塗布器具３０を自由に回転させることができる。基準点Ｐの位置を目標軌道Ｌから外れることを気にすることなく所定の方向を目標軌道が伸びる方向に合わせることができる。
その一方で塗布器具３０の並進移動についてはローカル座標系ｘｙｚにおけるｘ軸の方向（基準線の方向方向に相当する）に直交する方向には並進移動を制限している。即ち直交する３方向への並進移動に対して１方向のみ並進移動させ易くしている。従って作業者が基準点Ｐを回転させてひとたびｘ軸の方向を目標軌道Ｌが伸びる方向に合わせたならば、作業者は容易に塗布器具３０を目標軌道Ｌが伸びる方向に移動させることができる。
【００４２】
なお上記実施例において、塗布器具３０が請求項の「対象物」の一態様に相当する。また上記実施例では塗布器具３０と操作子１８はひとつの剛体である可動部１２ｃに支持されているので、塗布器具３０に固定されたローカル座標系ｘｙｚのｘ軸は操作子１８にも固定されている。このｘ軸が請求項の「操作子に固定されている基準線」の一例に相当する。
操作力ＦＩは対象物を並進させるための操作力であり、請求項の「並進操作」および「並進力」の一例に相当する。操作モーメントＭＩは請求項の「回転操作量」の一例に相当する。操作子１８の３軸方向の力成分を別々に検出する力センサ２０が請求項の「操作力検出器」の一態様に相当する。さらに回転モーメントＭＩを検出するときの力センサ２０が請求項の「回転操作力を検出可能」な操作力検出器の一態様に相当する。
また第１式から第３式が請求項の「並進操作力を入力値とし、少なくとも摩擦力の項を含む、基準点の運動を規定する運動方程式を計算するアルゴリズム」の一例に相当する。そして第１式がローカル座標系ｘｙｚのｘ軸（基準線）の方向の運動方程式に相当する。そして第２式と第３式が基準線と交差する方向の運動方程式に相当する。従って第１式の仮想摩擦力ｆｒｘを第２式と第３式の仮想摩擦力ｆｒｙとｆｒｚより小さく設定することが請求項の「基準線の方向には小さな摩擦力が設定されており、基準線に交差する方向には大きな摩擦力が設定されている」ことの一例に相当する。そして仮想摩擦力ｆｒｘ、ｆｒｙ、ｆｒｚを上記の大小関係で設定した第１式から第３式の運動方程式よって、請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させる」ことが実現される。
【００４３】
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。
【００４４】
例えば上記実施例では、操作子に加えられる力を並進操作力とした。また操作子に加えられる操作モーメントを回転操作力とした。その他にも３軸方向の力のみを検出できる力センサを用いてもよい。この場合には力センサが検出する３軸方向の操作力を並進操作力として扱うか回転操作力として扱うかの切替えスイッチを同時に設ける。切替えスイッチを併用することによって、３軸方向の力のみを検出できる力センサであっても対象物を並進させるための並進操作力と対象物を回転させるための回転操作力を別々に検出することができる。
また「並進操作」や「回転操作」は「力」の次元をもつ物理量でなくともよい。例えば目標軌道が２次元平面内に限定される場合には、操作子をジョイスティックのようにスティックを傾斜可能な機器で構成する。このときジョイスティックはスティックの長手方向を軸として回転も可能であるとする。ジョイスティックの直交する２方向夫々に対して傾斜させることを「並進操作」に相当させ、ジョイスティックの長手方向を軸として回転させる操作を「回転操作」に相当させてもよい。この場合にはジョイスティックの夫々の方向への傾斜角によって基準点の移動位置を指示すればよい。このような構成によっても本発明を実現することができる。
【００４５】
上記実施例では基準点の運動を規定する運動方程式の一例として第１式から第３式で表した。また回転操作力に応じて対象物を基準点を中心として回転させる際の回転量を第４式で表した。第１式から第３式において、仮想粘性抵抗Ｃｐのｙ軸およびｚ軸方向の値をｘ軸方向の値より大きく設定することも好適である。そのように設定することによって、請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させること」を実現することができる。
【００４６】
請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させる」ことを実現するには、基準点の運動を規定する第１から第３式を用いることに限られない。その他にも同じ並進力にする基準点の移動量を基準線の方向に対して大きく、基準線と交差する方向には小さくなるような並進力−並進移動量の変換式を用いることができる。簡単な例としては次の式により並進移動量ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ（実施例のｄｘ・Ｔ、ｄｙ・Ｔ、ｄｚ・Ｔに相当する）を求めてもよい。
ｄｘ＝Ｋｘ・ＦＩｘ、 ｄｙ＝Ｋｙ・ＦＩｙ、 ｄｚ＝Ｋｚ・ＦＩｚ
上式は操作力ＦＩの各軸の力成分に定数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚを乗じた値を移動量とする変換式である。この場合には、定数ＫｙとＫｚを定数Ｋｘより十分小さな値に設定する。このように定数を設定することで、請求項の「同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させる」ことを実現することができる。
また上記実施例では、操作子１８が移動機構１１に設置している形態を例示したが、操作子１８が移動機構１８に固定されておらず、ジョイスティックのように移動機構１１とは別体で構成されていてもよい。
【００４７】
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】
【００４８】
【図１】本発明に係る実施例の作業補助装置の概略図である。
【図２】作業補助装置のブロック図である。
【図３】目標軌道と目標軌道上を移動する塗布器具の関係を説明する図である（１）。
【図４】目標軌道と目標軌道上を移動する塗布器具の関係を説明する図である（２）。
【符号の説明】
【００４９】
１０：作業補助装置
１１：移動機構
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：可動部
１３：移動機構基部
１３ｂ：支柱
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：関節
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：位置センサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：アクチュエータ
１８：操作子
２０：力センサ
２２：コントローラ
２４：ワーク支持装置
２６：ワーク回転支持軸
３０：塗布器具
５０：データ記憶部
５４：座標変換部
５６：移動量計算部
６０：アクチュエータドライバ
Ｗ：フロントガラス
Ｌ：塗布ライン（目標軌道）
Ｐ：基準点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、
移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、
操作子の並進操作に抗する反力を操作子に加える反力付与機構と、
反力付与機構が付与する反力を制御する反力付与機構用制御器を備えており、
反力付与機構用制御器は、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな反力を付与することを特徴とする作業補助装置。
【請求項２】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されており、
反力付与機構と移動機構が兼用されていることを特徴とする請求項１の作業補助装置。
【請求項３】
作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、
移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、
操作子の並進操作を拘束する拘束機構と、
拘束機構による拘束強さを制御する拘束機構用制御器を備えており、
拘束機構用制御器は、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作を強く拘束することを特徴とする作業補助装置。
【請求項４】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されており、
拘束機構と移動機構が兼用されていることを特徴とする請求項３の作業補助装置。
【請求項５】
移動機構は、操作子の回転操作に応じて対象物に固定されている基準点を回転中心にして対象物を回転させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の作業補助装置。
【請求項６】
作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、
移動機構を制御する移動機構用制御器と、
移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作力と回転操作力を加えることが可能な操作子と、
作業者が操作子に加えている並進操作力を、操作子に固定されている基準線の方向に沿った操作力とそれに交差する方向の操作力に区別して検出する操作力検出器を備えており、
操作子は、回転操作力によって回転させることが可能であり、
移動機構用制御器は、同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることを特徴とする作業補助装置。
【請求項７】
前記移動機構用制御器は、並進操作力を入力値とし、少なくとも摩擦力の項を含む、基準点の運動を規定する運動方程式を計算するアルゴリズムを備えており、
前記運動方程式では、基準線の方向には小さな摩擦力が設定されており、基準線に交差する方向には大きな摩擦力が設定されていることを特徴とする請求項６の作業補助装置。
【請求項８】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されていることを特徴とする請求項６又は７の作業補助装置。
【請求項９】
操作力検出器は、回転操作力を検出可能であり、
移動機構用制御器は、検出された回転操作力に応じて対象物に固定されている基準点を中心にして対象物を回転させることを特徴とする請求項６から８のいずれかの作業補助装置。
【請求項１】
作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、
移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、
操作子の並進操作に抗する反力を操作子に加える反力付与機構と、
反力付与機構が付与する反力を制御する反力付与機構用制御器を備えており、
反力付与機構用制御器は、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作に対して大きな反力を付与することを特徴とする作業補助装置。
【請求項２】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されており、
反力付与機構と移動機構が兼用されていることを特徴とする請求項１の作業補助装置。
【請求項３】
作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、
移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作と回転操作を加えることが可能な操作子と、
操作子の並進操作を拘束する拘束機構と、
拘束機構による拘束強さを制御する拘束機構用制御器を備えており、
拘束機構用制御器は、操作子に固定されている基準線の方向と並進操作方向のなす角が大きいほど、並進操作を強く拘束することを特徴とする作業補助装置。
【請求項４】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されており、
拘束機構と移動機構が兼用されていることを特徴とする請求項３の作業補助装置。
【請求項５】
移動機構は、操作子の回転操作に応じて対象物に固定されている基準点を回転中心にして対象物を回転させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の作業補助装置。
【請求項６】
作業者が対象物に固定されている基準点を目標軌道に沿って移動させる作業を補助する装置であり、
対象物を支持可能であり、支持した対象物を動力を利用して移動させる移動機構と、
移動機構を制御する移動機構用制御器と、
移動機構によって移動させる基準点の移動位置を指示するために、作業者が並進操作力と回転操作力を加えることが可能な操作子と、
作業者が操作子に加えている並進操作力を、操作子に固定されている基準線の方向に沿った操作力とそれに交差する方向の操作力に区別して検出する操作力検出器を備えており、
操作子は、回転操作力によって回転させることが可能であり、
移動機構用制御器は、同じ並進操作力に対して、操作子に固定されている基準線の方向には対象物を大きく移動させ、基準線と交差する方向には対象物を小さく移動させることを特徴とする作業補助装置。
【請求項７】
前記移動機構用制御器は、並進操作力を入力値とし、少なくとも摩擦力の項を含む、基準点の運動を規定する運動方程式を計算するアルゴリズムを備えており、
前記運動方程式では、基準線の方向には小さな摩擦力が設定されており、基準線に交差する方向には大きな摩擦力が設定されていることを特徴とする請求項６の作業補助装置。
【請求項８】
操作子と対象物が移動機構上の同一の剛体に支持されていることを特徴とする請求項６又は７の作業補助装置。
【請求項９】
操作力検出器は、回転操作力を検出可能であり、
移動機構用制御器は、検出された回転操作力に応じて対象物に固定されている基準点を中心にして対象物を回転させることを特徴とする請求項６から８のいずれかの作業補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３８０５９（Ｐ２００７−３８０５９Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２２５６０（Ｐ２００５−２２２５６０）
【出願日】平成１７年８月１日（２００５．８．１）
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１日（２００５．８．１）
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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