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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023135856
(43)【公開日】2023-09-29
(54)【発明の名称】遠隔操作システム
(51)【国際特許分類】
B25J 3/00 20060101AFI20230922BHJP
B23K 9/10 20060101ALI20230922BHJP
【ＦＩ】
B25J3/00 Z
B23K9/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022041158
(22)【出願日】2022-03-16
(71)【出願人】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090033
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 博司
(74)【代理人】
【識別番号】100093045
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 良男
(72)【発明者】
【氏名】蔡 麗佳
【テーマコード（参考）】
3C707
4E082
【Ｆターム（参考）】
3C707AS11
3C707BS09
3C707CS08
3C707JT05
3C707JU12
3C707KS07
3C707KT01
3C707KT05
3C707KT18
3C707KV11
3C707LV15
3C707WA16
4E082ED10
4E082JA01
(57)【要約】 （修正有）
【課題】遠隔作業者が好適に作業を行うことができる遠隔操作システムを提供する。
【解決手段】作業システム１は、トーチ１４を遠隔操作してワークに対する溶接作業を行わせる遠隔操作部３１と、トーチ１４の位置に応じた力を遠隔操作部３１に出力させる制御装置４とを備えている。制御装置４は、トーチ１４の先端が溶接中心面から離れるに連れて次第に大きくなる復元力を、遠隔操作部３１に出力させる。
【選択図】図４
【解決手段】作業システム１は、トーチ１４を遠隔操作してワークに対する溶接作業を行わせる遠隔操作部３１と、トーチ１４の位置に応じた力を遠隔操作部３１に出力させる制御装置４とを備えている。制御装置４は、トーチ１４の先端が溶接中心面から離れるに連れて次第に大きくなる復元力を、遠隔操作部３１に出力させる。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
トーチを遠隔操作してワークに対する溶接作業を行わせる遠隔操作手段と、
前記トーチの位置に応じた力を前記遠隔操作手段に出力させる力覚制御手段と、
を備え、
前記力覚制御手段は、前記トーチの先端が所定の基準位置から離れるに連れて次第に大きくなる第１の力を、前記遠隔操作手段に出力させる、
遠隔操作システム。
前記トーチの位置に応じた力を前記遠隔操作手段に出力させる力覚制御手段と、
を備え、
前記力覚制御手段は、前記トーチの先端が所定の基準位置から離れるに連れて次第に大きくなる第１の力を、前記遠隔操作手段に出力させる、
遠隔操作システム。
【請求項2】
前記基準位置は、溶接方向に沿った溶接中心面である、
請求項１に記載の遠隔操作システム。
請求項１に記載の遠隔操作システム。
【請求項3】
前記力覚制御手段は、前記第１の力に加え、前記トーチの先端が前記ワークに近づくに連れて次第に大きくなる第２の力を、前記遠隔操作手段に出力させる、
請求項１又は請求項２に記載の遠隔操作システム。
請求項１又は請求項２に記載の遠隔操作システム。
【請求項4】
前記力覚制御手段は、前記第１の力及び前記第２の力の出力オンオフの切替えを個別に設定可能である、
請求項３に記載の遠隔操作システム。
請求項３に記載の遠隔操作システム。
【請求項5】
前記力覚制御手段は、前記第１の力及び前記第２の力の大きさを個別に変更可能である、
請求項３又は請求項４に記載の遠隔操作システム。
請求項３又は請求項４に記載の遠隔操作システム。
【請求項6】
前記力覚制御手段は、前記基準位置を変更可能に構成されている、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の遠隔操作システム。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の遠隔操作システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、遠隔操作システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、作業者が遠隔から作業ロボットを操作して溶接等の作業を行う遠隔操作システムが知られている。
特許文献１に記載の遠隔操作システムでは、ロボットアームが障害物に近づいた場合に作業者に反力を知覚させることで、作業ロボットと障害物との衝突を回避している。
特許文献１に記載の遠隔操作システムでは、ロボットアームが障害物に近づいた場合に作業者に反力を知覚させることで、作業ロボットと障害物との衝突を回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１２－１１４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、作業ロボットが障害物に近づいたときの反力は障害物との衝突を避けるうえでは効果的であるものの、例えばロボットアームを所定の基準線に沿って移動させたい場合等には有効に機能せず、好適に作業を行えないおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、遠隔作業者が好適に作業を行うことを目的とする。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、遠隔作業者が好適に作業を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明に係る遠隔操作システムは、
トーチを遠隔操作してワークに対する溶接作業を行わせる遠隔操作手段と、
前記トーチの位置に応じた力を前記遠隔操作手段に出力させる力覚制御手段と、
を備え、
前記力覚制御手段は、前記トーチの先端が所定の基準位置から離れるに連れて次第に大きくなる第１の力を、前記遠隔操作手段に出力させる。
トーチを遠隔操作してワークに対する溶接作業を行わせる遠隔操作手段と、
前記トーチの位置に応じた力を前記遠隔操作手段に出力させる力覚制御手段と、
を備え、
前記力覚制御手段は、前記トーチの先端が所定の基準位置から離れるに連れて次第に大きくなる第１の力を、前記遠隔操作手段に出力させる。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、遠隔作業者が好適に作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施形態に係る作業システムを示す概念図である。
【図2】実施形態に係る溶接車両の斜視図である。
【図3】実施形態に係るトーチの先端部周辺を示す図である。
【図4】実施形態に係る作業システムの概略の制御構成を示すブロック図である。
【図5】実施形態に係る操作支援処理の流れを示すフローチャートである。
【図6】実施形態に係る操作支援処理を説明するための図である。
【図7】実施形態に係る操作支援処理を説明するための図である。
【図8】（ａ）反力と復元力のＸ方向の分布を求めた計算例の計算モデルであり、（ｂ）その計算結果であって、反力と復元力及びその合力のＸ方向の分布例を示すグラフである。
【図9】復元力の基準位置についての変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0009】
［作業システムの構成］
図１は、本実施形態に係る作業システム１を示す概念図である。
この図に示すように、作業システム１は、本発明に係る遠隔操作システムの一例であり、作業者（オペレータ）ＷＫの遠隔操作により溶接車両１０に溶接作業を行わせるためのものである。具体的に、作業システム１は、溶接車両１０と、遠隔操作装置３と、制御装置４とを備える。
図１は、本実施形態に係る作業システム１を示す概念図である。
この図に示すように、作業システム１は、本発明に係る遠隔操作システムの一例であり、作業者（オペレータ）ＷＫの遠隔操作により溶接車両１０に溶接作業を行わせるためのものである。具体的に、作業システム１は、溶接車両１０と、遠隔操作装置３と、制御装置４とを備える。
【0010】
図２は、溶接車両１０の斜視図である。
この図に示すように、溶接車両１０は、水平に設置された鉄製の板材（鋼板）２０上を矢印α方向に移動しながら、溶接対象物であるワーク、すなわち板材２０同士を溶接する溶接ロボットである。溶接後、この板材２０は、例えば、床として使用される。
なお、以下では、互いに直交するＸＹＺの各方向を、各図に示すとおり設定する。一例として、ＸＹ平面が水平、Ｚ方向が鉛直方向となっている。また、溶接車両１０の移動方向（α方向）は、－Ｙ方向となっている。ただし、溶接車両１０の移動方向は－Ｙ方向に限定されず、例えばその反対方向（＋Ｙ方向）であってもよい。
この図に示すように、溶接車両１０は、水平に設置された鉄製の板材（鋼板）２０上を矢印α方向に移動しながら、溶接対象物であるワーク、すなわち板材２０同士を溶接する溶接ロボットである。溶接後、この板材２０は、例えば、床として使用される。
なお、以下では、互いに直交するＸＹＺの各方向を、各図に示すとおり設定する。一例として、ＸＹ平面が水平、Ｚ方向が鉛直方向となっている。また、溶接車両１０の移動方向（α方向）は、－Ｙ方向となっている。ただし、溶接車両１０の移動方向は－Ｙ方向に限定されず、例えばその反対方向（＋Ｙ方向）であってもよい。
【0011】
本実施形態の溶接車両１０は、アーク溶接により２つの板材２０に対してＶ型開先突合せ溶接を行う。つまり、端部を斜めにカットして開先面（側面２０ａ）とした２つの板材（鋼板）２０を突合せてＶ型溝２１の継手とし、この溝（開先）２１を埋めるように溶接を行う（図７参照）。溝２１の底部にはセラミックの裏当て材２５が配置され（図２では図示省略）、裏当て材２５の表面が溝２１の底面２５ａとなっている。溝２１は、板材２０の用途にもよるが、例えば、全長が５ｍ以上、幅が５ｍｍ程度、深さが１０ｍｍ程度である。また、本実施形態では、溝２１の長手方向がＹ方向と平行であり、溝２１の幅方向がＸ方向と平行であり、溝２１の深さ方向がＺ方向と平行となっている。
溶接車両１０は、後述のトーチ１４でワイヤ（溶加材：図示せず）を溶融し、当該溶融された溶融物で溝２１を埋めることにより、板材２０同士を溶接する。
なお、以下では、ワークの表面、すなわち、溝２１の側面２０ａ及び底面２５ａと、板材２０の上面２０ｂとを、「ワーク面Ｓｗ」という場合がある。
溶接車両１０は、後述のトーチ１４でワイヤ（溶加材：図示せず）を溶融し、当該溶融された溶融物で溝２１を埋めることにより、板材２０同士を溶接する。
なお、以下では、ワークの表面、すなわち、溝２１の側面２０ａ及び底面２５ａと、板材２０の上面２０ｂとを、「ワーク面Ｓｗ」という場合がある。
【0012】
具体的に、溶接車両１０は、車体１１と、溶接装置１２と、４つの車輪１８と、各車輪１８を回転駆動させる駆動部１６とを備える。
【0013】
車体１１は、各車輪１８（車輪本体）を回転可能に支持する回動支持部（支持部）１３を有する。
また、各回動支持部１３の外側には、駆動部１６が固定されている。駆動部１６は、例えばギアモータ（ギアードモータ）で構成され、車輪１８に連結されている。そして、駆動部１６が作動することにより、車輪１８を回転させることができる。この回転により、溶接車両１０は、例えば板材２０の上面２０ｂ（表側の面）を走行面として走行することができる。
なお、車輪１８の配置数は、本実施形態では４つであるが、これに限定されない。
また、各回動支持部１３の外側には、駆動部１６が固定されている。駆動部１６は、例えばギアモータ（ギアードモータ）で構成され、車輪１８に連結されている。そして、駆動部１６が作動することにより、車輪１８を回転させることができる。この回転により、溶接車両１０は、例えば板材２０の上面２０ｂ（表側の面）を走行面として走行することができる。
なお、車輪１８の配置数は、本実施形態では４つであるが、これに限定されない。
【0014】
車体１１上には、溶接装置１２が搭載されている。溶接装置１２は、トーチ（溶接トーチ）１４と、トーチ１４を変位可能に支持する変位機構１５とを備える。
トーチ１４は、板材２０に対して溶接作業を行う作業部である。本実施形態のトーチ１４は、アーク放電によりアーク溶接を行うよう構成されている。このアーク溶接により、板材２０同士を容易かつ強固に溶接することができる。
トーチ１４は、板材２０に対して溶接作業を行う作業部である。本実施形態のトーチ１４は、アーク放電によりアーク溶接を行うよう構成されている。このアーク溶接により、板材２０同士を容易かつ強固に溶接することができる。
【0015】
変位機構１５は、第１移動機構１５１と、第２移動機構１５２と、第３移動機構１５３と、回動機構（角度調整機構）１５４とを有する。
第１移動機構１５１は、トーチ１４を車体１１に対して、矢印α方向と平行な方向（Ｙ方向）に移動させる機構である。
第１移動機構１５１は、トーチ１４を車体１１に対して、矢印α方向と平行な方向（Ｙ方向）に移動させる機構である。
【0016】
第１移動機構１５１には、第２移動機構１５２が連結されている。第２移動機構１５２は、トーチ１４を車体１１に対して、矢印α方向と直交する方向（Ｘ方向）に移動させる機構である。
第２移動機構１５２には、第３移動機構１５３が連結されている。第３移動機構１５３は、トーチ１４を車体１１に対して、上下方向（Ｚ方向）に移動させる機構である。
第２移動機構１５２には、第３移動機構１５３が連結されている。第３移動機構１５３は、トーチ１４を車体１１に対して、上下方向（Ｚ方向）に移動させる機構である。
【0017】
第３移動機構１５３には、回動機構１５４が連結されている。回動機構１５４は、連結部１５５を介してトーチ１４と連結されている。この回動機構１５４は、トーチ１４を車体１１に対して水平軸回りに回動させる機構である。
このような構成の変位機構１５により、板材２０同士の継ぎ目に対するトーチ１４の位置および姿勢を適宜変更することができ、溶接を容易に行うことができる。
このような構成の変位機構１５により、板材２０同士の継ぎ目に対するトーチ１４の位置および姿勢を適宜変更することができ、溶接を容易に行うことができる。
【0018】
図３は、トーチ１４の先端部周辺を示す図である。
この図に示すように、トーチ１４には、連結部材１７１を介して、撮像部１７が連結、支持されている。撮像部１７は、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラ等で構成され、トーチ１４および板材２０（溝２１）を含む撮影対象を撮像し、その画像情報を取得する。取得された画像情報は制御装置４に送信される。本実施形態の撮像部１７は、溶接車両１０の進行方向（－Ｙ方向）側の斜め上方から、トーチ１４周辺の溶接部を撮影する。
また、トーチ１４には、レーザ光照射部１９も支持されている。レーザ光照射部１９は、溝２１を含む板材２０に向けてレーザ光ＬＢを照射する。本実施形態のレーザ光照射部１９は、トーチ１４とＸ方向で同じ位置に、トーチ１４のＹ方向に隣り合って配置されている。これにより、レーザ光照射部１９からのレーザ光ＬＢは、その中心がトーチ１４とＸ方向で同じ位置で照射される。また、本実施形態のレーザ光照射部１９は、レーザ光ＬＢとして、Ｘ方向に沿ったラインレーザ光を照射するよう構成されている。これにより、撮像部１７でワーク面Ｓｗの形状を正確に検出することができる。
この図に示すように、トーチ１４には、連結部材１７１を介して、撮像部１７が連結、支持されている。撮像部１７は、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラ等で構成され、トーチ１４および板材２０（溝２１）を含む撮影対象を撮像し、その画像情報を取得する。取得された画像情報は制御装置４に送信される。本実施形態の撮像部１７は、溶接車両１０の進行方向（－Ｙ方向）側の斜め上方から、トーチ１４周辺の溶接部を撮影する。
また、トーチ１４には、レーザ光照射部１９も支持されている。レーザ光照射部１９は、溝２１を含む板材２０に向けてレーザ光ＬＢを照射する。本実施形態のレーザ光照射部１９は、トーチ１４とＸ方向で同じ位置に、トーチ１４のＹ方向に隣り合って配置されている。これにより、レーザ光照射部１９からのレーザ光ＬＢは、その中心がトーチ１４とＸ方向で同じ位置で照射される。また、本実施形態のレーザ光照射部１９は、レーザ光ＬＢとして、Ｘ方向に沿ったラインレーザ光を照射するよう構成されている。これにより、撮像部１７でワーク面Ｓｗの形状を正確に検出することができる。
【0019】
図４は、作業システム１の概略の制御構成を示すブロック図である。
この図に示すように、遠隔操作装置３は、作業者ＷＫが溶接車両１０から離れた別室等で、溶接車両１０に対して遠隔操作を行う装置である。従って、作業システム１は、作業者ＷＫの操作に溶接車両１０が遅延なく追従するリーダフォロアシステムとなっている。
遠隔操作装置３は、作業者ＷＫによって把持され、所望の方向に力を加えることができる遠隔操作部３１を有する。
この図に示すように、遠隔操作装置３は、作業者ＷＫが溶接車両１０から離れた別室等で、溶接車両１０に対して遠隔操作を行う装置である。従って、作業システム１は、作業者ＷＫの操作に溶接車両１０が遅延なく追従するリーダフォロアシステムとなっている。
遠隔操作装置３は、作業者ＷＫによって把持され、所望の方向に力を加えることができる遠隔操作部３１を有する。
【0020】
作業者ＷＫは、Ｙ方向（に対応した方向）に力を加えて遠隔操作部３１を操作すれば、変位機構１５の第１移動機構１５１を介して、トーチ１４をＹ方向に移動させることができる。
同様に、作業者ＷＫは、Ｘ方向（に対応した方向）に力を加えて遠隔操作部３１を操作すれば、変位機構１５の第２移動機構１５２を介して、トーチ１４をＸ方向に移動させることができる。
また、作業者ＷＫは、Ｚ方向（に対応した方向）に力を加えて遠隔操作部３１を操作すれば、変位機構１５の第３移動機構１５３を介して、トーチ１４をＺ方向に移動させることができる。
遠隔操作部３１は、変位機構１５を作動させて、トーチ１４をＸ方向と、Ｙ方向と、Ｚ方向とに移動させ得る遠隔操作を行うことができる。また、遠隔操作部３１は、後述するように、トーチ１４とワークとの距離に応じた反力がフィードバックされる力覚提示デバイスとなっている。遠隔操作部３１の形態は特に限定されず、例えばジョイスティック等を用いることができる。
同様に、作業者ＷＫは、Ｘ方向（に対応した方向）に力を加えて遠隔操作部３１を操作すれば、変位機構１５の第２移動機構１５２を介して、トーチ１４をＸ方向に移動させることができる。
また、作業者ＷＫは、Ｚ方向（に対応した方向）に力を加えて遠隔操作部３１を操作すれば、変位機構１５の第３移動機構１５３を介して、トーチ１４をＺ方向に移動させることができる。
遠隔操作部３１は、変位機構１５を作動させて、トーチ１４をＸ方向と、Ｙ方向と、Ｚ方向とに移動させ得る遠隔操作を行うことができる。また、遠隔操作部３１は、後述するように、トーチ１４とワークとの距離に応じた反力がフィードバックされる力覚提示デバイスとなっている。遠隔操作部３１の形態は特に限定されず、例えばジョイスティック等を用いることができる。
【0021】
制御装置４は、例えばパーソナルコンピュータで構成される。制御装置４は、溶接車両１０、遠隔操作装置３及び溶接車両１０と電気的に接続されており、作業システム１各部の動作を統括的に制御する。また、制御装置４は、本発明に係る力覚制御手段の一例であり、トーチ１４の位置に応じた力を遠隔操作部３１に出力させたりする。なお、「電気的な接続」とは、無線による接続、有線による接続のいずれもでもよい。
具体的に、制御装置４は、ＣＰＵ４１と、記憶部４２と、通信部４３と、入力部４４と、表示部４５と、音声出力部４６とを有する。
具体的に、制御装置４は、ＣＰＵ４１と、記憶部４２と、通信部４３と、入力部４４と、表示部４５と、音声出力部４６とを有する。
【0022】
ＣＰＵ４１は、入力部４４の操作内容等に基づいて制御装置４の各部を動作させたり、記憶部４２に予め記憶されているプログラムを展開し、展開されたプログラムと協働して各種処理を実行したりする。
記憶部４２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等により構成されるメモリであり、各種のプログラム及びデータを記憶するとともに、ＣＰＵ４１の作業領域としても機能する。
記憶部４２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等により構成されるメモリであり、各種のプログラム及びデータを記憶するとともに、ＣＰＵ４１の作業領域としても機能する。
【0023】
通信部４３は、遠隔操作装置３及び溶接車両１０との間で各種情報を送受信可能な通信デバイスである。具体的に、通信部４３は、遠隔操作装置３からの入力信号、すなわち命令を受信したり、当該入力信号を溶接車両１０の通信部１０１に送信したりする。
入力部４４は、作業者ＷＫが制御装置４を動作させるための各種操作を行う操作手段であり、例えばマウス等のポインティングデバイスやキーボードを含む。
入力部４４は、作業者ＷＫが制御装置４を動作させるための各種操作を行う操作手段であり、例えばマウス等のポインティングデバイスやキーボードを含む。
【0024】
表示部４５は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイその他のディスプレイで構成され、ＣＰＵ４１からの表示信号に基づいて各種情報を表示する。本実施形態の表示部４５は、撮像部１７で撮像された画像等を表示する。作業者ＷＫは、表示部４５に表示された画像を視認しながら、遠隔操作を行うことができる。なお、表示部４５は、入力部４４の一部を兼ねるタッチパネルであってもよい。
音声出力部４６は、例えばスピーカで構成され、ＣＰＵ４１からの音声出力信号に基づいて各種音声を出力する。
音声出力部４６は、例えばスピーカで構成され、ＣＰＵ４１からの音声出力信号に基づいて各種音声を出力する。
【0025】
溶接車両１０は、上記構成のほか、通信部１０１と制御部１０２を有する。
通信部１０１は、制御装置４の通信部４３との間で各種情報を送受信可能な通信デバイスである。具体的に、通信部１０１は、制御装置４の通信部４３から送信されてきた遠隔操作装置３からの入力信号を受信したり、撮像部１７が取得した画像情報等を制御装置４の通信部４３に送信したりする。
制御部１０２は、通信部１０１が受信した遠隔操作装置３からの入力信号に基づいて、溶接車両１０の各部の動作を制御する。これにより、入力信号どおりに溶接車両１０が遠隔操作される。
通信部１０１は、制御装置４の通信部４３との間で各種情報を送受信可能な通信デバイスである。具体的に、通信部１０１は、制御装置４の通信部４３から送信されてきた遠隔操作装置３からの入力信号を受信したり、撮像部１７が取得した画像情報等を制御装置４の通信部４３に送信したりする。
制御部１０２は、通信部１０１が受信した遠隔操作装置３からの入力信号に基づいて、溶接車両１０の各部の動作を制御する。これにより、入力信号どおりに溶接車両１０が遠隔操作される。
【0026】
［操作支援処理］
続いて、作業システム１の溶接作業時に実行される操作支援処理について説明する。
図５は、操作支援処理の流れを示すフローチャートであり、図６及び図７は、操作支援処理を説明するための図である。
操作支援処理は、作業者ＷＫが溶接車両１０を遠隔操作して行う溶接作業において、作業者ＷＫによる作業状況の把握を促進して遠隔操作を支援する処理である。この操作支援処理は、例えば作業者ＷＫの入力操作に基づいて、制御装置４のＣＰＵ４１が記憶部４２から該当プログラムを読み出して展開することで実行される。
続いて、作業システム１の溶接作業時に実行される操作支援処理について説明する。
図５は、操作支援処理の流れを示すフローチャートであり、図６及び図７は、操作支援処理を説明するための図である。
操作支援処理は、作業者ＷＫが溶接車両１０を遠隔操作して行う溶接作業において、作業者ＷＫによる作業状況の把握を促進して遠隔操作を支援する処理である。この操作支援処理は、例えば作業者ＷＫの入力操作に基づいて、制御装置４のＣＰＵ４１が記憶部４２から該当プログラムを読み出して展開することで実行される。
【0027】
図５に示すように、操作支援処理が実行されると、まず制御装置４のＣＰＵ４１は、作業者ＷＫの遠隔操作によるワークの開先溶接を行う作業を開始する（ステップＳ１）。
この溶接作業では、ＣＰＵ４１は、作業者ＷＫによる遠隔操作部３１の操作内容に対応した入力信号を溶接車両１０に送信する。溶接車両１０の制御部１０２は、受信した入力信号に基づいて各部を動作させる。これにより、溶接車両１０は、溝２１に沿って移動しながら、トーチ１４の先端（下端）から下方にワイヤを供給しつつ当該ワイヤを溶融して板材２０同士を溶接する。
またこのとき、ＣＰＵ４１は、溶接車両１０の撮像部１７で撮影されたトーチ１４周辺の溶接部の画像を表示部４５にリアルタイム表示させる。この溶接部の撮影画像（映像）には、トーチ１４先端から供給されるワイヤとワーク（溝２１）、これらの間で発生するアーク、当該アークによってワイヤが溶融した溶融池（前方溶融池）が含まれる。作業者ＷＫは、表示部４５に表示された撮影画像を視認して溶接状況・状態を確認しながら、遠隔操作部３１を操作する。
なお、本明細書では、特に断りのない限り、「トーチ１４」とはその先端から供給されるワイヤが含まれるものとする。つまり、「トーチ１４先端」とはワイヤ供給時にはワイヤ先端をいい、「トーチ１４とワークとの衝突」にはワイヤとワークとの衝突が含まれる。
この溶接作業では、ＣＰＵ４１は、作業者ＷＫによる遠隔操作部３１の操作内容に対応した入力信号を溶接車両１０に送信する。溶接車両１０の制御部１０２は、受信した入力信号に基づいて各部を動作させる。これにより、溶接車両１０は、溝２１に沿って移動しながら、トーチ１４の先端（下端）から下方にワイヤを供給しつつ当該ワイヤを溶融して板材２０同士を溶接する。
またこのとき、ＣＰＵ４１は、溶接車両１０の撮像部１７で撮影されたトーチ１４周辺の溶接部の画像を表示部４５にリアルタイム表示させる。この溶接部の撮影画像（映像）には、トーチ１４先端から供給されるワイヤとワーク（溝２１）、これらの間で発生するアーク、当該アークによってワイヤが溶融した溶融池（前方溶融池）が含まれる。作業者ＷＫは、表示部４５に表示された撮影画像を視認して溶接状況・状態を確認しながら、遠隔操作部３１を操作する。
なお、本明細書では、特に断りのない限り、「トーチ１４」とはその先端から供給されるワイヤが含まれるものとする。つまり、「トーチ１４先端」とはワイヤ供給時にはワイヤ先端をいい、「トーチ１４とワークとの衝突」にはワイヤとワークとの衝突が含まれる。
【0028】
次に、ＣＰＵ４１は、トーチ１４の先端がワークに近づくに連れて次第に大きくなる反力Ｆｂを算出し、遠隔操作部３１に出力させる（ステップＳ２）。反力Ｆｂは、本発明に係る第２の力の一例である。
具体的には、図６に示すように、トーチ１４先端の最近傍点を中心とする関心領域（ＲＯＩ）を点群データから抽出し、それぞれの点からトーチ１４先端に向かうベクトルの加重和として反力Ｆｂを求める。ワーク面Ｓｗの点群データは、レーザ光照射部１９によって随時取得される。ただし、レーザ光照射部１９（又はワークのＣＡＤモデル）を用いて予め取得した点群データを用いてもよい。ＲＯＩは、点群のうちトーチ１４先端に対する最近傍点を中心として、ＸＹの各方向に所定個数の点を取り出して正方形状のものとする。そして、自身からトーチ１４先端までの距離にその大きさが反比例する力を、ＲＯＩの各点がトーチ１４先端に及ぼすとし、それらの合力として反力Ｆｂを以下の式（１）により求める。
ここで、Piは、個数がNROIであるＲＯＩ内のｉ番目の点の位置ベクトルであり、Prは、トーチ１４先端の位置ベクトルである。また、式（１）の係数Ｋは対角行列K＝diag(kx,ky,kz)であり、kx，ky，kzの値の選び方によって力ベクトルの各成分に異方性を生じさせられるようにしている。kx，ky，kzの値は、例えば、ワークとの距離を同一にして、トーチ１４先端を開先中心と開先面の中心にそれぞれ置いたときの力の大きさが同じになるように定める。この値は作業者ＷＫが随時変更できる。
なお、上記式（１）では、反力Ｆｂがトーチ１４先端位置とワークとの距離（Pr－Pi）に反比例（－１乗）することとしたが、この指数は－１以下の実数（例えば－１．５乗、－２乗、－３乗等）としてもよい。例えば、この指数を－２乗や－３乗にすると、トーチ１４先端が開先面に近づくに連れて、反力Ｆｂがより急峻に強くなる。
具体的には、図６に示すように、トーチ１４先端の最近傍点を中心とする関心領域（ＲＯＩ）を点群データから抽出し、それぞれの点からトーチ１４先端に向かうベクトルの加重和として反力Ｆｂを求める。ワーク面Ｓｗの点群データは、レーザ光照射部１９によって随時取得される。ただし、レーザ光照射部１９（又はワークのＣＡＤモデル）を用いて予め取得した点群データを用いてもよい。ＲＯＩは、点群のうちトーチ１４先端に対する最近傍点を中心として、ＸＹの各方向に所定個数の点を取り出して正方形状のものとする。そして、自身からトーチ１４先端までの距離にその大きさが反比例する力を、ＲＯＩの各点がトーチ１４先端に及ぼすとし、それらの合力として反力Ｆｂを以下の式（１）により求める。
【数1】
なお、上記式（１）では、反力Ｆｂがトーチ１４先端位置とワークとの距離（Pr－Pi）に反比例（－１乗）することとしたが、この指数は－１以下の実数（例えば－１．５乗、－２乗、－３乗等）としてもよい。例えば、この指数を－２乗や－３乗にすると、トーチ１４先端が開先面に近づくに連れて、反力Ｆｂがより急峻に強くなる。
【0029】
このように、遠隔操作部３１から出力される反力Ｆｂは、トーチ１４先端とワーク面Ｓｗとの距離に反比例する。そのため、遠隔操作部３１を操作する作業者ＷＫは、トーチ１４先端がワークに接近するほど強い反力Ｆｂを感じる。すなわち、作業者ＷＫは、遠隔操作部３１にフィードバックされる反力Ｆｂにより、トーチ１４とワークとの距離を感知することができる。トーチ１４は、ワーク面Ｓｗから所定距離にある衝突回避面Ｓｃよりもワーク面Ｓｗに近づくことはない（図７（ｂ）参照）。これにより、ワーク面Ｓｗに対するトーチ１４の接近を作業者ＷＫに認識させ、トーチ１４とワークとの衝突を好適に防止できる。
【0030】
次に、図５に示すように、ＣＰＵ４１は、トーチ１４の先端が溶接中心面Ｃから離れるに連れて次第に大きくなる復元力Ｆｃを算出し、遠隔操作部３１に出力させる（ステップＳ３）。ここで、溶接中心面Ｃとは、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、溶接方向（Ｙ方向）に沿った基準面であり、溝２１の幅方向の中心（開先中心）を通りＹＺ平面に平行な面である。また、復元力Ｆｃは、本発明に係る第１の力の一例である。
具体的に、ＣＰＵ４１は、以下の式（２）により復元力Ｆｃを求める。
ここで、Prは、トーチ１４先端のＸ方向位置であり、Pcは、溶接中心面Ｃ（開先中心）のＸ方向位置である。また、ｋは任意の係数である。この値は作業者ＷＫが随時変更できる。
具体的に、ＣＰＵ４１は、以下の式（２）により復元力Ｆｃを求める。
【数2】
【0031】
このように、遠隔操作部３１から出力される復元力Ｆｃは、トーチ１４先端と溶接中心面Ｃとの距離に比例する。そのため、遠隔操作部３１を操作する作業者ＷＫは、トーチ１４先端が溶接中心面Ｃから離れるほど強い復元力Ｆｃを感じる。すなわち、作業者ＷＫは、遠隔操作部３１にフィードバックされる復元力Ｆｃにより、トーチ１４と溶接中心面Ｃとの距離を感知することができる。これにより、トーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に好適に保持することができる。
【0032】
ここで、反力Ｆｂと復元力Ｆｃの各々についてＸ方向（溝２１の幅方向）の分布を求めた計算例を示す。
図８（ａ）は、その計算モデルを示す図である。この図に示すように、この計算では、テーパ状の側面２０ａをＸ方向に垂直な面（図中の二点鎖線）として単純化したモデルを用い、反力Ｆｂ及び復元力Ｆｃともにトーチ１４先端のＸ方向位置のみに依存するものとした。
図８（ａ）は、その計算モデルを示す図である。この図に示すように、この計算では、テーパ状の側面２０ａをＸ方向に垂直な面（図中の二点鎖線）として単純化したモデルを用い、反力Ｆｂ及び復元力Ｆｃともにトーチ１４先端のＸ方向位置のみに依存するものとした。
【0033】
図８（ｂ）は、その計算結果であって、反力Ｆｂと復元力Ｆｃ、及びこれらの合力ＦのＸ方向の分布例を示すグラフである。
この図に示すように、反力Ｆｂは、トーチ１４が溝２１の側面２０ａにかなり近づくまで小さいままであり、側面２０ａ付近に来ると急激に大きくなる。そのため、トーチ１４と側面２０ａとの衝突を防ぐには効果的であるが、トーチ１４を溶接中心面Ｃ（Ｘ＝０）近傍に保持させる点ではさほど有効に機能しない。
この点、復元力Ｆｃは、トーチ１４先端と溶接中心面Ｃとの距離に比例して大きくなるため、トーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持させるのに有効に機能する。
したがって、ワーク面Ｓｗ（側面２０ａ）からの反力Ｆｂと溶接中心面Ｃへの復元力Ｆｃとの合力Ｆを作業者ＷＫに知覚させることにより、作業者ＷＫはトーチ１４とワークとの衝突を回避しつつトーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持することができる。
この図に示すように、反力Ｆｂは、トーチ１４が溝２１の側面２０ａにかなり近づくまで小さいままであり、側面２０ａ付近に来ると急激に大きくなる。そのため、トーチ１４と側面２０ａとの衝突を防ぐには効果的であるが、トーチ１４を溶接中心面Ｃ（Ｘ＝０）近傍に保持させる点ではさほど有効に機能しない。
この点、復元力Ｆｃは、トーチ１４先端と溶接中心面Ｃとの距離に比例して大きくなるため、トーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持させるのに有効に機能する。
したがって、ワーク面Ｓｗ（側面２０ａ）からの反力Ｆｂと溶接中心面Ｃへの復元力Ｆｃとの合力Ｆを作業者ＷＫに知覚させることにより、作業者ＷＫはトーチ１４とワークとの衝突を回避しつつトーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持することができる。
【0034】
次に、図５に示すように、ＣＰＵ４１は、操作支援処理を終了させるか否かを判定し（ステップＳ４）、終了させないと判定した場合には（ステップＳ４；Ｎｏ）、上述のステップＳ１へ処理を移行し、溶接作業を続行する。
そして、例えば溶接作業の終了等により、操作支援処理を終了させると判定した場合には（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４１は、操作支援処理を終了させる。
そして、例えば溶接作業の終了等により、操作支援処理を終了させると判定した場合には（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４１は、操作支援処理を終了させる。
【0035】
［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、トーチ１４の先端が溶接中心面Ｃ（開先中心）から離れるに連れて次第に大きくなる復元力Ｆｃが、遠隔操作部３１に出力される。
これにより、遠隔操作部３１を操作する作業者ＷＫは、復元力Ｆｃを知覚することでトーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持することができる。したがって、作業者ＷＫは所望の軌道でトーチ１４を移動させて、好適に溶接作業を行うことができる。ひいては、溶接品質が向上することは勿論のこと、溶接技能を習得するためのトレーニングツールとしても有効に利用できる。
以上のように、本実施形態によれば、トーチ１４の先端が溶接中心面Ｃ（開先中心）から離れるに連れて次第に大きくなる復元力Ｆｃが、遠隔操作部３１に出力される。
これにより、遠隔操作部３１を操作する作業者ＷＫは、復元力Ｆｃを知覚することでトーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持することができる。したがって、作業者ＷＫは所望の軌道でトーチ１４を移動させて、好適に溶接作業を行うことができる。ひいては、溶接品質が向上することは勿論のこと、溶接技能を習得するためのトレーニングツールとしても有効に利用できる。
【0036】
また、本実施形態によれば、復元力Ｆｃに加え、トーチ１４の先端がワークに近づくに連れて次第に大きくなる反力Ｆｂが、遠隔操作部３１に出力される。
反力Ｆｂはトーチ１４とワークとの衝突を防止するのに有効に機能する。したがって、作業者ＷＫは、復元力Ｆｃと反力Ｆｂとの合力Ｆを知覚することにより、トーチ１４とワークとの衝突を回避しつつトーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持することができる。
反力Ｆｂはトーチ１４とワークとの衝突を防止するのに有効に機能する。したがって、作業者ＷＫは、復元力Ｆｃと反力Ｆｂとの合力Ｆを知覚することにより、トーチ１４とワークとの衝突を回避しつつトーチ１４を溶接中心面Ｃ近傍に保持することができる。
【0037】
［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、復元力Ｆｃは、トーチ１４先端が所定の基準位置から離れるに連れて次第に大きくなる力であればよく、この基準位置は溶接中心面Ｃに限定されない。また、この基準位置は変更可能に構成されているのが好ましい。
具体的に、基準位置は、開先中心でなく、そこから左右（Ｘ方向）にずれた位置であってもよい。あるいは、図９に示すように、溶接方向に対してトーチ１４を左右に揺動させた基準位置（基準線）Ｃ１としてもよい。これにより、好適にウィービング溶接を実施することができる。
また、基準位置は、上記実施形態のような面状でなく線状であってもよい。例えば基準位置がＹ方向に沿った線である場合、Ｘ方向位置に加えてＺ方向位置が復元力Ｆｃのパラメータとなる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、復元力Ｆｃは、トーチ１４先端が所定の基準位置から離れるに連れて次第に大きくなる力であればよく、この基準位置は溶接中心面Ｃに限定されない。また、この基準位置は変更可能に構成されているのが好ましい。
具体的に、基準位置は、開先中心でなく、そこから左右（Ｘ方向）にずれた位置であってもよい。あるいは、図９に示すように、溶接方向に対してトーチ１４を左右に揺動させた基準位置（基準線）Ｃ１としてもよい。これにより、好適にウィービング溶接を実施することができる。
また、基準位置は、上記実施形態のような面状でなく線状であってもよい。例えば基準位置がＹ方向に沿った線である場合、Ｘ方向位置に加えてＺ方向位置が復元力Ｆｃのパラメータとなる。
【0038】
また、反力Ｆｂ及び復元力Ｆｃの出力は、ユーザ操作等に基づいて、オンオフの切替えを個別に設定可能であるのが好ましい。さらに、反力Ｆｂ及び復元力Ｆｃの出力は、ユーザ操作等に基づいて、その大きさを個別に変更・調整可能であるのが好ましい。
【0039】
また、上記実施形態では、遠隔操作装置３の操作対象が溶接車両１０であることとしたが、本発明に係る遠隔操作手段の操作対象は、ワークに対して作業を行う作業部を有するものであれば特に限定されない。例えば、据え置き型のロボットアームであってもよいし、直動のスライダーやアクチュエータ等であってもよい。
また、遠隔操作装置３と制御装置４とは、一体的に（例えば一体の遠隔操作装置として）構成されてもよい。
また、遠隔操作装置３と制御装置４とは、一体的に（例えば一体の遠隔操作装置として）構成されてもよい。
【0040】
また、上記実施形態では、作業システム１により溶接作業が行われることとした。しかし、本発明に係る作業（種別）は溶接に限定されず、作業部を遠隔操作してワークに対して実行可能な作業であればよく、例えば研磨や塗装といった表面加工作業等を含む。
その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【0041】
１ 作業システム（遠隔操作システム）
３ 遠隔操作装置
４ 制御装置（力覚制御手段）
１０ 溶接車両
１４ トーチ
２０ 板材
２０ａ 側面
２０ｂ 上面
２１ 溝
２５ａ 底面
３１ 遠隔操作部（遠隔操作手段）
４１ ＣＰＵ
Ｃ 溶接中心面（基準位置）
Ｃ１ 基準位置（基準線）
Ｆｂ 反力
Ｆｃ 復元力
Ｆ 合力
Ｓｃ 衝突回避面
Ｓｗ ワーク面
ＷＫ 作業者
３ 遠隔操作装置
４ 制御装置（力覚制御手段）
１０ 溶接車両
１４ トーチ
２０ 板材
２０ａ 側面
２０ｂ 上面
２１ 溝
２５ａ 底面
３１ 遠隔操作部（遠隔操作手段）
４１ ＣＰＵ
Ｃ 溶接中心面（基準位置）
Ｃ１ 基準位置（基準線）
Ｆｂ 反力
Ｆｃ 復元力
Ｆ 合力
Ｓｃ 衝突回避面
Ｓｗ ワーク面
ＷＫ 作業者
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】