人間共存型ロボットの安全と傷害・痛覚耐性値等について

２０１５年２月２５日(水)
（社）日本機械業連合会講演会
（一社）日本機械工業連合会
「機械安全関連の動向」
人
人間共存型ロボットの安全と
存型ボト安全と
傷害痛覚耐性値にいて
傷害・痛覚耐性値について
名古屋大学大学院工学研究科
機械理工学専攻山田陽滋
[email protected]
１はじめに
１．はじめに
本講演に関わる
本講演に
関わる((安全規格
安全規格))審議団体
①産業用ロボット
①産業用
ボト
− 製造環境のロボット，協調運転を許す
ISO/TC184/SC2/WG3
（国際）
メンバ参画
メンバー参画
WG3(国内対策委員会)
策
21名
議長： (USA)
主査山田陽滋（名古屋大学）
主査：山田陽滋（名古屋大学）
②サービスロボット
− パーソナルケアロボット，人間をワークピースとみなす
パソナルケアロボト人間をワクピスとみなす
人間のQOL向上に直接貢献すべく行動するサービスロボットの一部
ISO/TC184/SC2/WG7
（国際）
メンバー参画
メンバ
参画
WG7(国内対策委員会)
29名
議長：Dr. Gurvinder S. Virk ((UK))
議長
主査：山田陽滋（名古屋大学）
③安全データ(“safety data”)
– 傷害
傷害・痛覚耐性値を機械安全と関連付け
痛覚耐性値を機械安全と関連付け，文献等から収集する
文献等から収集する
メンバー参画
ISO/TC199/SG
（国際）
議長：Mr. Brian Tranter (UK)
山田陽滋（名古屋大学）
ISO/TC199部会
（国内:約35名）
主査：山田陽滋（名古屋大学）
研究所）
副主査：斉藤剛（労働安全衛生総合
２．人間共存型ロボットの安全に関する
国際規格の紹介
２-１ロボットとロボティックな装置－
産業用ロボトの安全要求事項 P １ロボト
産業用ロボットの安全要求事項－Part１ロボット
（ISO 10218
10218-1）
1）
製造環境における人間・ロボット共存系
協力共存型：パワーアシスト
自律共存型：セル生産
http://newventurist.com/wp‐content/uploads/2012/10/Baxter‐robot.jpg
http://blog.robotiq.com/Portals/13401/images/frida-abb-collaborative%20robothuman.jpg
http://www.grine.co.jp/universalrobots/UR
ttp //
g e co jp/u e sa obots/U _b
brochure
oc u e_J
JP.pdf
pd
セル生産
http://response.jp/article/2010/11/25/148456.html
パワーアシスト
省人化・導入率
リスク（重篤度，頻度）
生産現場の特徴
対象物
導入率が頭打ちになる
×
×
変種変量
加齢・女性進出
部品点数中程度
重量物
完全自動化はコスト高
※産業車両は，
ISOの別規格
産業用ロボットの安全要求事項: ISO10218産業用ロボットの安全要求事項:
ISO10218-1
およびわが国における法規制との関係
5 10 Collaborative operation
5.10
requirements
協調運転要求事項
定義された作業領域内で人間との協調
運転のために設計されたロボットは、
5.10.2の機能を持たねばならない。・・
5.10.1 General
Robots designed for collaborative operation shall
provide a visual indication when the robot is in
collaborative operation and comply with one or more
of the requirements in 5.10.2 to 5.10.6.
ISO 10218-1:2006(E)より抜粋
協調運転モード
安全に減速された速度（250mm/sを超えない）
原則、ISO 13849-1のカテゴリー3に従う．
アシストモード
アシストモ
ド
ISO 13849-1のカテゴリー3に従う．
労働安全衛生規則（産業用ロボツト）
産業用ロボットにかかわる危険な労働として次の３種類．
• 教示等：可動範囲内において行う教示作業
• 運転中：ロボットに接触することによる危険を防止
• 検査等：可動範囲内において行う点検・修理・調整
5.10.4 Speed and position monitoring
The robot shall maintain a separation distance from the
operator.
This distance shall be in accordance with ISO 13855. Failure
to maintain the separation
p
distance shall result in a
protective stop. This shall comply with 5.5.2 and 5.3.
The robot shall operate at a reduced speed not exceeding
250 mm/sec and its p
position shall be monitored.
The reduced speed and position monitoring functions shall
comply with 5.4.
NOTE 1 The relative speeds of the operator and robot should
be considered when calculating the safe separation
distance.
ロボットは，減速条件（ ≦ 25cm/秒）
下で人間との相対位置がモニタ
下で，人間との相対位置がモニタ
できていれば，運転できる．相対
速度も検出すべきである．その際，
技術的にカテゴリ３相当以上の安全
のレベルが求められる．
・距離ゼロ（接触）でもよいとさ
距離ゼ（接触）もよとさ
れるが，力の規範はない．
・ロボットの要素技術として
ビジョン，力制御が重要
と位置づけられる．
労働安全衛生規則（運転中の危険の防止）
• 可動範囲（記憶装置の情報に基づき，マニプレータその他の産業用ロ
ボットの各部の動くことのできる最大の範囲をいう．）
• （技術上の指針より）ロボットに労働者が接触することによる危険を防
止するため次のいずれかの措置又は同等以上の措置を講ずること
止するため，次のいずれかの措置又は同等以上の措置を講ずること．
• さく又は囲いを可動範囲の外側に設けること．インターロック機能を
設けること．
• 光線式安全装置：可動範囲に労働者が接近した場合に直ちに非常
停止を作動させること．
ISO 10218-1:2011
• 5.10.5 Power and force limiting
by inherent design
The robot shall be designed to ensure either a
maximum dynamic power of 80 W or a
maximum static force of 150 N at the flange
or TCP (determined by the risk assessment)
assessment).
The robot design shall ensure that these
values cannot be exceeded.
NOTE 1 Use of this feature may be limited by
exposure to additional hazards (e.g. pinch
points, shearing hazards).
ISO/FDIS 10218-1:2006(E)
ロボット制御は，リスクアセスメント
によって決められた有効な動力と
度
力が過度でないことを確認して設計
されなければならない．最大動力は
80Wを超えてはならず，最大力
は150Nで制限されねばならない．
は150Nで制限されねばならない
国際規格上は，80Wも150Nも本質安全規範ではなくなった．
労働安全衛生規則（適用範囲）
次のものを（安全衛生規則の適用範囲から）除く
• 定格出力（駆動用原動機を二以上有するものにあっては，
それぞれの定格出力のうち最大のもの）が８０W以下の駆動
用原動機を有する機械
2013.12.24 2号通達
労働安全衛生規則の改訂
労働安全衛生規則（適用範囲）
従来:
次のものを（安全衛生規則の適用範囲から）除く
• 定格出力（駆動用原動機を二以上有するもの）にあっては，
それぞれの定格出力のうち最大のもの）が８０W以下の駆動
用原動機を有する機械
当該産業用ロボットに接触することにより労働者に危険が生ずるおそれのあるとき
（安衛則第150条の4（運転中の危険の防止））
改訂後: 協働運転可能に
１リスクアセスメントにより危険のおそれが無くなったと評価できるとき
①産業用ロボットのマニプレータ等の力及び運動エネルギー
- TS15066（未発行）
②産業用ロボットのマニプレータ等と周辺構造物に拘束される可能性
- 500mm以上あるいは、動力なしで人力で開放できる
③産業用ボットの形状や作業の状況
③産業用ロボットの形状や作業の状況
２ ISO 10218:2011に定める措置を実施した場合
技術ファイル及び適合宣言書
２．人間共存型ボットの安全に関する
２．人間共存型ロボットの安全に関する
国際規格の紹介
２２ロボットとロボティックな装置
２-２
－安全要求事項－パーソナルケアロボット
（
（ISO13482）
）
ISO 13482:2014
パーソナルケア
ソナルケア ((Personal care)ロボット
care))ロボット
ボット
人間のQOL向上に直接貢献すべく行動するサービスロボットの
一部で，医療用途を除く．
1.
1
移動型手伝いロボット(Mobile servant robots):
物体の受け渡しや情報の提供など，人間と関わりながら作
業を実行する，移動型のロボット
2.
搭乗型ロボット(People carrier robots):
目的地まで搭乗者を搬送するロボット
3.
身体アシストロボット(Physical assistance robots)
人間の身体能力を補うあるいは増強することにより人間が
人間の身体能力を補うあるいは増強することにより，人間が
要求された仕事を実行する補助を行うロボット．拘束
タイプと拘束されないタイプのロボットがある．
市場創出の方向性の高いものを重点化して分類
医療分野のパ
医療分野のパーソナルケアは考えない
ナケアは考えない
ロボット及びロボティックデバイス－生活支援ロボット
の安全要求事項[3]
目次
1. Scope
適用範囲
2. Normative references
参照規格
3. Terms and definitions
用語と定義
4. Risk assessment
リスクアセスメント
5 Safety requirements and protective measures
5.
安全要求事項と保護方策
6 Safety-related
6.
S f
l d controll system requirements
i
安全関連制御系に関する要求事項
目次((つづき)
目次
つづき)
7. Verification and validation
適合性検証と妥当性確認
8. Information for use
使用上の情報
• Annex A : List of significant hazards for PCR
付録A 重要なハザード
付録A:
重要なザド
• Annex B : Examples of operational space for PCR
付録B: 動作空間の例
p
of the implementation
p
of the
• Annex C : Examples
safeguard
f
d space
付録C: 安全防護空間の例
• Annex D : Examples of functional tasks of PCR
付録D: 機能タスクの例
• Annex
A
E : Examples
E
l off markings
ki
ffor PCR
付録E: マーキングの例
安全要求事項と保護方策の例
３ステップ法に沿った形式で要求事項を述べる．
【例】バッテリー充電に関するハザード(5.2節)
(
)
1) 本質的安全設計：
誤って接続部やプラグ通電部に触れない位置，あるいは
触れられないような構造として設計，など．
2) 安全防護および付加保護方策：
充電システムは，PCロボットがこれに接続されたときだけ
導通するように
導通するように，また，フル充電時にこの状態を表示する，
またフル充電時にこの状態を表示する
など
3) 使用上の注意：
バ
リ充電使用方法を必ず含める
バッテリー充電の使用方法を必ず含める
安全要求事項：接触安全の例
安全要求事項
：接触安全の例
パーソナルケアロボットに共通するハザードを集成して
通す
を集成
いる．
【例】人間とロボットの部の接触
【例】人間とロボットの一部の接触
1) 接触部の形（5.6節）：
ISO 12100-2
2) 振動（5.7.2節）：
振動（5 7 2節）：
ISO 2631-1(0.1Hz～0.5Hz)
3) 材料物性（5.7.3節）：
ISO 14123-1(炎症)
4) 温度（5.7.4節）：
ISO 13732-1～3(10～43℃)
など
3．傷害・痛覚耐性
３-１
３
１耐性値とは＋
機械
機械安全における耐性値の特徴
値特徴
機械安全の研究開発対象
• 安全↔危険の境界をいかに管理するか
安全危険の境界をいかに管理するか
Accelerration (m/s2)
（ロボットも同じ）
2000
with Steel Structure
Velocity = 6 km/h
1500
1000
Result : HIC = 323
500
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Time
(sec)
Time (s)
歩行者頭部衝突実験
※
頭部加速度時系列データの例
※
• できることはふたつ：
① 帯状に表現される重篤度における線引き
耐性値
② 危害の生じる確率を下げる ※日本自動車研究所様ご提供
リスクアセスメント
開始
使用および予見可能な
誤使用の明確化
リスク分析
Y
ハザードの同定
N
リスク見積り
他のザドは
他のハザードは
あるか？
リスクの評価
リスクアセスメント
リスクは
許容可能か？
Y
終了
N
ステップ1：
本質的安全設計方策
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
N
保護方策
ステップ2：
テプ2
安全防護・付加保護方策
N
ステップ3：
使用上の情報（残留リスク）
N
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
本質的な安全性を見つける
リスクアセスメント
リスクは
許容可能か
許容可能か？
許容能か
Y
終了
N
ステップ1：
本質的安全設計方策
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
N
保護方策
ステップ2：
安全防護・付加保護方策
N
ステップ3：
使用上の情報（残留リスク）
N
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
リスクが許容できない場合，真っ先に本質的に安全な方策
(measures)を考える
①重篤度の線引き
～痛覚耐性実験を例に～
痛覚耐性実験を例に
山田ほか, ヒト・ロボット共存のための人間工学実験
に基づく痛覚レベルの人体耐性値の解明, 日本機
械学会論文集,
械
論集, 63巻612号,
号, pp.2814-2819,
pp
, 1997.
・データの提供は研究開発者や試験に関わる立場の者等
デタの提供は研究開発者や試験に関わる立場の者等
・特性に対する線引きは業界／使用者
{運動エネルギー，運動量と力積}
運動エネルギー，運動量と力積}規範
1 2
運動エネルギー: mv
2
運動量:
F (t1 )
v(t1 )
t1
F (t2 )
t2
Newtonの運動法則
v(t )
F (t )  ma (t )  m
t
 F (t )t  mv(t )
微分方程式を導くために t  0として，
t  dt ， v(t )  dv(t )
v(t2 )
図時刻 t における速度 v(t ) と力 F (t )
F (t )
t  t2  t1
 F (t )dt  m dv(t )  mv(t )
Fave t   F (t )dt  mv(t )
つまり，運動量(momentum)は力積(impulse)に等しい
t1
t2
t
m と v(t ) を独立に変えれば，それぞれ
に対し，異なる一定の特性が得られるかもしれない．
図衝撃力の時間変化(例)
②危害の
②危害
の生じる
生じる確率を
確率を下げる
下げる(1)
(1)
②危害
危害の
の生じる
生じる確率を
確率を下げる
下げる(2)
(2)
懸念される危害の重篤度からだと許容されないロボット（点B)でも
懸念される危害の重篤度からだと許容されないロボット（点B)でも，
危害の発生確率が小さくなれば(点B→B’ )，許容できるかもしれない．
リスクアセスメント
開始
使用および予見可能な
誤使用の明確化
リスク分析
Y
ハザードの同定
N
リスク見積り
他のザドは
他のハザードは
あるか？
リスクの評価
リスクアセスメント
リスクは
許容可能か？
Y
終了
N
ステップ1：
本質的安全設計方策
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
N
保護方策
ステップ2：
テプ2
安全防護・付加保護方策
N
ステップ3：
使用上の情報（残留リスク）
N
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
危害の生じる確率を下げる
リスクアセスメント
リスクは
許容可能か
許容可能か？
許容能か
Y
終了
N
ステップ1：
本質的安全設計方策
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
N
保護方策
ステップ2：
安全防護・付加保護方策
N
ステップ3：
使用上の情報（残留リスク）
N
意図したリスク低減は
達成されたか？
Y
本質的に安全な方策(measures)で十分でなくても，リスクの
本質
安
方策(
)
分
，リク
顕現確率を下げる方策が残されている．
機械安全の研究開発対象
• 安全↔危険の境界をいかに管理するか
Acceleration (m/s2)
（ロボットも同じ）
2000
with Steel Structure
Velocity = 6 km/h
Velocity = 6 km/h
1500
1000
Result : HIC = 323
500
0
0
0.1
0.2
0.3 0.4 0.5
Time (sec)
(s)
Time
0.6
0.7
0.8
頭部加速度時系列デタの例
頭部加速度時系列データの例
歩行者頭部衝突実験
※
※
NHTSA,1997より
確率の下げ方も多様にある．
※日本自動車研究所様ご提供
傷害・痛覚耐性データ現状マップ
危害ベ
危害レベル
AIS 3
U,
U
Int
U Int
U,
U Int
U,
Int
AIS 2
((U))
AIS 1
(U)
((U))
((U))
((U))
J
中足骨
骨折
足指骨折
Fractur
e
?
J
挫傷
D E, J
J
< AIS1
痛覚
J
J
創傷
J
DE, Int
J
足部
頸部
膝
指部
手部
骨盤
腹部
胸部
首部
顔部
頭部
データ有り
(*)
Int
身体
部位
デタ推定による
データ推定による
ongoing
Int: 国際規範，J: 日本，U: 米国，De: ドイツ
比較的低い危害レベルの耐性データに対する関心が高い
注）自動車安全
27
3．傷害・痛覚耐性
３-２
３
２ロボット安全における
耐性値の有用性
リスク見積り
• リスク見積りはその時どき（の状況）に
基づいて行われなければならない．・・
・・
もし（ある特定のアプリケーションに対
ションに対
• もし，（ある特定のアプリケ
して）リスクアセスメントの数値が示さ
れる場合はその試験や計測の方法
れる場合は，その試験や計測の方法
の妥当性が示されなければならない．
• リスク見積りで他の文献に示された数
値が用いられる場合は，その参照が妥
当であることを示さなければならない．
当であるとを示さなければならない
ISO 13482:2014
開始
使
および予見能な
使用および予見可能な
誤使用の明確化
危険源(ハザード）の同定
危険源(ハザ
ド）の同定
リスク見積り
リスクの評価
リスクは
許容可能か？
N
Y
リスクアセスメント
～召使いロボットの場合～
召使
ボト場合
予見可能な誤使用
• 指定経路からの逸脱
• 第３者による経路侵入
案内ロボット
考慮すべき機械的ハザード
• 第三者との衝突
• 階段上からの転落
• 第三者足部への乗り上げ
第三者足部の乗り上げ
歩行者の脛の曲げ骨折
成人男性の値 (AIS2）のみ
Takahashi et. al., 2012
自動車の国際基準化
における日本提案
(
(JARI/JAMA)
)
死体実験から導出した傷害発生確率
傷害レベルごとの傷害確率が脚に加わる曲げモーメントおよび加速度の関数
Bunketrop のデータなどからTNO，JARI, JAMAなどが求めた値がある．
自動車分野の研究成果にもとづく傷害基準の提案
自動車分野の研究成果にもとづく傷害基準の提案．
（転倒による）2次衝突は，今後の課題．
ロボットに踏まれた場合の足骨折の基準値の導出
※NEDO「生活支援ロボット実用化」プロジェクトの成果の一部
ボ
プ
Experiments On Bear's Foot
(1) Bending Tests →Mechanical Properties
(2) Run-over Tests→Fracture Model
Fracture Model for Bear's Foot during runover
(1) Model Development
(2) Validation by Experimental Data
Foot
L dC
Load
Cellll
Fracture Model for Human Foot during
run-over
(1) Modification of Bear's Model
(2) Simulation of Fracture Force
Final Goal
(1) Safety Assessment Procedure
(2) Criterion Values
クマとヒトの足は，寸法は
クマとヒトの足は
寸法は
互いに異なるが，構造が似ている．
リスクアセスメント
～産業用ロボットの場合～
予見可能な誤使用
• 誤ったタイミングにおけ
誤たタイミングにおけ
る危険区域への侵入
険域
侵
• 第３者による侵入
セル生産ロボット
考慮すべき機械的ハザード
• 作業面への押しつぶし
• アームとの衝突(衝撃)
アムとの衝突(衝撃)
• ジョイントによる捕捉
最新の日独研究結果比較
最新
究結果較
※
※ドイツのデータは，当日開示
圧力の単位が望ましいが，精確なデータを得ることは容易でない．
痛覚は本質安全に直接関係するが数値が小さい
痛覚は本質安全に直接関係するが，数値が小さい．
動的な衝撃は今後．
リスクアセスメント
～装着型ロボットの場合～
予見可能な誤使用
• 誤った装着の仕方
• 誤った使用方法
誤た使用方法
考慮すべき機械的ハザード
• 人間工学的不整合（皮膚）
• 人間工学的不整合（姿勢）
腰部装着型ロボット
介護機器を用いる場合の制限
護
場
• 介護機器を用いた人力による抱上げ
– 前提
• 介護者の力だけで要介護者の全重量を抱上げることは認
められない
• 介護者が分担できる重量は“人力による重量物の取扱い
介護者が分担できる重量は人力による重量物の取扱い
制限”で示されている重量以下
– 介護者が分担できる重量
• 男性介護者：介護者の体重の40%以下
– 例：体重65kgの介護者は26kg以下
• 女性介護者：男性介護者の重量制限の60%以下．かつ，
断続作業の場合は30kg以下，継続作業の場合は20kg以下
– 例：体重55kgの介護者は22kgの60%以下，すなわち13kg以下
例体重55k の介護者は22k の60%以下すなわち13k 以下
介護機器を使用（装着）する際も，介護者が抱上げできる要介護者
介護機器を使用（装着）する際も
介護者が抱上げできる要介護者
は制限される
接触安全(
接触安全
(創傷リスク
創傷リスク)
)
• Naylorの実験報告
y
実
– 水泡（創傷）の発生条件を示す
P. F. D. NAYLOR, “EXPERIMENTAL FRICTION BLISTERS”, The British Journal of
Dermatology, Vol. 67, No. 10, pp. 327-342, 1955.
1回あたりの擦る力(摩擦力) が大きいほど
(1回の摩擦力が小さくても)擦られる回数が多いほど
水泡が
生じやすい
４まとめと今後
４．まとめと今後
まとめと今後
(1)まとめ
①ISO/TC184で取り扱う人間共存型ロボットの国際安全規格，
①ISO/TC184で取り扱う人間共存型ロボットの国際安全規格
そして同TCおよびISO/TC199で取り扱う耐性値を話題にした．
 産業用ロボットの安全規格ISO10218
産業用ロボットの安全規格ISO10218-1の協調運転時の安全要求事項と
1の協調運転時の安全要求事項と
労働安全衛生規則における(ロボットの)人間共存運転に関する最新規定
 サービス用「パーソナルケアロボット」の安全要求事項：ISO13482の概要
 TC199/SGでの「安全データ」に関する新たな規格策定への動き
②
②傷害・痛覚耐性値に関するこれまでの議論と現状を紹介した．
議
 耐性値の意味と機械安全分野における特徴：比較的低いAISに関心高い
 耐性値の役割り・有用性：リスクアセスメントの要求安全度水準に関係
(2)今後
①傷害・痛覚耐性値をハザードと関連付け，調査結果をまとめて
①傷害
痛覚耐性値をザド関連付
査結をまめ
TC199次回総会提案に向けてWDIS化
②DTS15066がTS化
ご清聴ありがとうございました。
ご清聴ありがとうございました

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