( 千 葉 大 学 審 査 学 位 論 文 ) 仮 想 環 境 による 機 械 製 造 における 技 能 の 高 効 率 訓 練 214 年 7 月 千 葉 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 人 工 システム 科 学 専 攻 機 械 系 コース 梁 馨

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1 仮 想 環 境 による 機 械 製 造 における 技 能 の 高 効 率 訓 練 214 年 7 月 千 葉 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 人 工 システム 科 学 専 攻 機 械 系 コース 梁 馨

2 ( 千 葉 大 学 審 査 学 位 論 文 ) 仮 想 環 境 による 機 械 製 造 における 技 能 の 高 効 率 訓 練 214 年 7 月 千 葉 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 人 工 システム 科 学 専 攻 機 械 系 コース 梁 馨

3 目 次 第 1 章 緒 論 技 能 訓 練 と 仮 想 現 実 感 本 研 究 の 背 景 と 目 的 対 象 とする 技 能 的 作 業 とその VR 訓 練 システムの 現 状 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 手 溶 接 作 業 本 論 文 の 構 成...7 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 緒 言 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR システム ハードウェア 構 成 仮 想 訓 練 環 境 工 作 物 工 具 モデル 切 削 のシミュレーション ハンドル 目 盛 寸 法 測 定 画 面 操 作 方 法 訓 練 タスク 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR システムによる 技 能 習 熟 特 性 実 験 方 法 評 価 方 法 実 験 結 果 と 考 察 作 業 時 間 円 筒 度 と 内 径 手 溶 接 の VR システム 簡 易 手 溶 接 VR システム シミュレーションモデル 簡 易 手 溶 接 VR システムによる 技 能 習 熟 特 性 模 擬 手 溶 接 条 件 と 評 価 方 法 模 擬 手 溶 接 結 果...46

4 仮 想 作 業 と 実 作 業 における 技 能 の 関 係 結 言...54 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 緒 言 工 具 剛 性 による 難 易 度 の 違 いの 確 認 実 験 工 具 剛 性 の 変 化 による 高 能 率 訓 練 訓 練 の 高 能 率 化 と 検 証 実 験 の 方 法 実 験 結 果 と 考 察 評 価 方 法 実 験 結 果 と 考 察 訓 練 回 数 作 業 時 間 空 送 り 時 間 加 工 長 さ 成 功 率 作 業 のストレスに 関 する 考 察 最 終 3 回 連 続 成 功 タスクに 関 する 考 察 フリッカー 値 結 言...96 第 4 章 仮 想 環 境 による 手 溶 接 技 能 の 高 効 率 訓 練 緒 言 手 溶 接 技 能 の 高 効 率 訓 練 法 仮 想 環 境 による 手 溶 接 作 業 の 結 果 各 タスクにおける 評 価 値 の 変 化 班 ごとの 評 価 値 の 比 較 結 言 第 5 章 結 論 謝 辞...123

5 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.1 技 能 訓 練 と 仮 想 現 実 感 従 来, 生 産 コストの 低 減, 生 産 能 率 や 安 全 性 向 上 などの 見 地 から, 工 業 における 種 々の 生 産 工 程 において 自 動 化 や 無 人 化 が 図 られてきた.しかしながら, 自 動 化 され た 工 程 では, 単 品 生 産 や 多 品 種 少 量 生 産 など 多 種 多 様 な 生 産 条 件 に 柔 軟 に 対 応 す ることは 難 しく, 熟 練 技 能 者 による 手 動 の 工 程 は 不 可 欠 である. その 一 方, 熟 練 技 能 の 伝 承 という 面 においては 非 常 に 困 難 な 状 況 にある[1,2]. 熟 練 技 能 の 伝 承 の 多 くは 実 際 の 生 産 工 程 のなかで OJT(On-the-Job Training)による 技 能 訓 練 に 依 存 している.この 実 際 の 生 産 工 程 のなかでの 訓 練 は 未 熟 練 者 にとって, 高 温 高 電 圧 の 作 業 環 境, 高 速 回 転 する 工 具 や 工 作 物, 鋭 利 な 切 り 屑 の 処 理, 高 温 液 体 の 飛 散 等 々による 肉 体 的 な 危 険 の 問 題 点 が 少 なくない. 他 方, 技 能 の 指 導 者 あるいは 技 能 者 を 養 成 しなければならない 管 理 職 側 にとっても OJT は 高 価 な 製 造 設 備, 工 具, 材 料, 電 力 等 のコストなどの 問 題 点 がある. 同 様 な 問 題 は 生 産 工 程 に 限 らず, 各 種 の 装 置 の 運 転 においても 存 在 し, 卑 近 な 例 では, 航 空 機 や 車 両 の 運 転,プラントの 運 転 などにおいても 熟 練 技 能 者 の 養 成 に 苦 労 していることが 知 られている.そして,これらの 問 題 点 を 解 決 するために, 古 くから 仮 想 現 実 感 (Virtual reality, VR) 技 術 の 利 用 が 試 みられてきた. 例 えば, 航 空 機 の 運 転 ( 操 縦 )の 訓 練 装 置 は 第 2 次 世 界 大 戦 以 前 から 研 究 され,いわゆるフライトシミュレータ と 呼 ばれる 訓 練 装 置 は 195 年 代 に 生 まれている[3]. 自 動 車 運 転 の 訓 練 装 置 や 船 舶 の 操 縦 訓 練 装 置 も 同 時 代 から 検 討 されている.Virtual reality の 語 が 生 まれたのが 1989 年 と 言 われているが[4],その 語 が 生 まれる 遥 か 前 から 仮 想 環 境 での 訓 練 が 検 討 されてきた.なお, 石 油 化 学 プラントや 発 電 原 子 力 プラントの 運 転 訓 練 装 置 も 仮 想 環 境 での 訓 練 装 置 であるが,ほぼ 計 算 機 のみで 構 成 され, 専 用 のマンマシンインター フェースが 存 在 しないので, 狭 い 意 味 での 仮 想 現 実 感 には 含 まれないと 考 えられる. 以 上 述 べたように, 仮 想 現 実 感 を 用 いた 作 業 環 境 による 技 能 訓 練 ( 以 下 では, 単 に 1

6 第 1 章 緒 論 仮 想 環 境 による 技 能 訓 練 あるいは VR 技 能 訓 練 と 呼 ぶ)は, 被 訓 練 者 が 一 人 で 安 全 に,かつ 低 いコストで 反 復 練 習 ができると 期 待 される.それ 以 外 に, 被 訓 練 者 の 技 能 レベルを 定 量 的 に 評 価 できる, 不 適 切 な 動 きを 検 知 できる 等 々でも 有 効 であると 考 えられる. 1.2 本 研 究 の 背 景 と 目 的 前 節 で 述 べたように, 仮 想 環 境 による 技 能 訓 練 は 古 くから 期 待 されていたが, 多 くの 場 合,その 実 現 には, 計 算 機 の 使 用 が 不 可 欠 であった.すなわち, 構 築 する 仮 想 環 境 は, 計 算 機 およびそのソフトウエア 技 術 の 飛 躍 的 な 発 達 によって 緻 密 さや 正 確 さ, 言 い 換 えれば 現 実 感 が 向 上 することになり, 多 くの VR 技 能 訓 練 システムが 提 案 される ことになった. しかし, 現 実 感 の 高 度 化 は 必 ずしも 訓 練 効 率 の 高 度 化 に 結 びつくとは 限 らず,また, 実 用 化 にはコストパフォーマンスも 考 慮 しなければならない. 現 状 では, 実 用 に 供 され ている VR 訓 練 システムは 少 なく,また, 実 用 における 訓 練 効 果 に 関 する 具 体 的 な 報 告 や VR 訓 練 システムを 用 いた 合 理 的 な 訓 練 方 法 や 手 順 に 関 する 検 討 もほとんどなさ れていない. 本 研 究 では,VR の 非 現 実 的 な 仮 想 環 境 をも 構 築 できるという 特 性 を 活 用 し, 高 効 率 で 技 能 を 修 得 させるシステムを 提 案 し,その 性 能 について 検 討 することを 目 的 とする. 具 体 的 には,Fig.1.1 に 示 すように, 訓 練 の 始 めは 現 実 的 ではない 容 易 な 作 業 条 件 で 訓 練 し, 技 能 が 向 上 するにつれて 徐 々に 現 実 的 な,すなわち 難 しい 条 件 で 訓 練 する 方 法 を 提 案 している. 始 めは 易 しい 条 件 で, 徐 々に 難 しい 条 件 で 訓 練 する 方 法 は, 楽 器 演 奏,スポーツ 等 を 含 む 多 くの 技 能 訓 練 の 場 において 取 り 入 れられており, 定 性 的 であるがその 有 効 性 はよく 知 られている.しかし,ものつくりの 分 野 において,このよう な 訓 練 を 行 うには 目 標 製 作 物 を 変 えざるを 得 ない.つまり, 始 めは 簡 単 な 製 作 物 を 目 標 にし, 徐 々に 複 雑 な 製 作 物 を 目 標 にさせることになる. 例 えば,Fig.1.2 の 技 能 検 定 ( 普 通 旋 盤 ) 実 技 試 験 課 題 例 に 示 すように, 級 ごとに 製 作 物 が 異 なり, 異 なる 製 作 物 に よる 難 易 度 が 異 なる. 同 じ 製 作 物 で 難 易 度 を 変 えることは 難 しい.これに 対 して 仮 想 環 境 を 用 いれば, 物 理 法 則 などにとらわれず 条 件 を 自 由 に 変 えられ, 同 じ 目 標 製 作 物 に 対 して 難 易 度 を 変 化 させる 訓 練 方 法 が 実 現 可 能 になる. 本 研 究 では, 仮 想 環 境 でし か 実 現 不 可 能 な 訓 練 システムを 提 案 し,その 有 効 性 を 検 討 する. 対 象 作 業 としては, 機 械 製 造 における 技 能 的 作 業 として 知 られる 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 と 手 溶 接 作 業 の 二 つを 取 り 扱 う. 2

7 第 1 章 緒 論 作 業 難 易 度 現 実 的 な 作 業 条 件 容 易 な 作 業 条 件 技 能 向 上 訓 練 のはじめ 訓 練 のおわり Fig. 1.1 Proposed training method (a) Level 1 (b) Level 2 (c) Level 3 Fig. 1.2 National technical skills test of lathe work 3

8 第 1 章 緒 論 1.3 対 象 とする 技 能 的 作 業 とその VR 訓 練 システムの 現 状 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 工 作 機 械 操 作 の 技 能 訓 練 を 目 的 として 各 種 の VR システムが 構 築 され, 旋 盤 作 業 を 対 象 としたものだけでも 数 多 く 公 表 されている[5-12].しかし,このような VR システム による 訓 練 は 未 熟 練 者 に 対 する 訓 練 効 果 が 確 認 されているものの, 仮 想 環 境 を 積 極 的 に 利 用 した 効 率 的 な 訓 練 に 関 する 研 究 は, 小 径 深 穴 ドリル 加 工 において 実 際 の 挙 動 を 誇 張 して 感 覚 提 示 したもの[13]の 他 にほとんど 見 受 けられない. 一 方, 工 作 機 械 による 生 産 ( 機 械 加 工 )では, 空 間 的 制 約 から 低 い 剛 性 の 工 具 を 使 用 せざるを 得 ないことがあり,そのような 場 合, 例 え 熟 練 者 の 親 切 な 指 導 があっても, 未 熟 練 者 は 技 能 習 得 までに 数 多 くの 工 具 を 破 損 させる 恐 れがある.もし, 訓 練 初 期 は 剛 性 が 高 い 工 具 を 用 い, 技 能 が 向 上 するにつれて 徐 々に 剛 性 が 低 い 工 具 を 用 いるよ うにすれば, 工 具 の 破 損 を 低 減 させるだけでなく, 効 率 的 に 技 能 を 習 得 できると 考 えら れる.ただし, 実 機 では 工 具 剛 性 を 高 くすることはできないので,このような 訓 練 方 法 は 実 現 不 可 能 である. 本 研 究 では, 宇 野 ら[14]が 開 発 した 旋 盤 の VR システムを 転 用 し,Fig.1.3 に 示 すような, 剛 性 が 低 いために 未 熟 練 者 にとって 工 具 折 損 や 精 度 不 良 等 の 失 敗 を 生 じやすい 手 送 り 中 ぐり 加 工 を 対 象 とした 高 効 率 技 能 訓 練 方 法 について 検 討 する. 4

9 第 1 章 緒 論 Fig. 1.3 Scene of boring operation with lathe 手 溶 接 作 業 溶 接 作 業 は, 人 に 対 する 危 険 性 や 仕 事 の きつさ [15]のために 古 くから, 自 動 化 が 進 められてきた.しかし, 鉄 鋼 構 造 物 における 狭 い 空 間 の 内 側 溶 接 や 多 品 種 少 量 生 産 等, 自 動 溶 接 が 難 しいものも 多 く 残 存 する.このことから, 手 アーク 溶 接 等 の 手 動 に よる 溶 接 作 業 は 将 来 的 にも 皆 無 とすることは 不 可 能 と 思 われる. 他 方 で,Fig.1.4 に 示 すような 手 溶 接 は 熟 練 を 要 する 作 業 であり, 熟 練 技 能 者 の 養 成 は 不 可 欠 である.しかし, 危 険 性 や きつさ から 技 能 習 得 希 望 者 が 減 少 し,また, 指 導 者 としての 熟 練 技 能 者 が 高 齢 化 し, 数 も 減 少 することもあり, 新 規 技 能 者 の 養 成 は 困 難 を 極 めつつある. 人 工 現 実 感 技 術 はこれらの 問 題 の 解 決 手 段 として 注 目 され, 多 くの 開 発 事 例 がある [16-26].これらはいずれも, 力 覚 提 示, 複 合 現 実 感, 立 体 視 のいずれか,またはすべ てを 用 いており, 高 い 訓 練 効 果 を 得 るために, 現 実 感 の 高 度 化 を 図 っていると 考 えら れる.しかし, 熟 練 技 能 者 らの 意 見 を 参 考 にすると,アーク 溶 接 の 場 合,アークが 発 生 5

10 第 1 章 緒 論 し 始 めた 後 は, 溶 接 棒 を 適 切 な 高 さと 速 度 で 動 かすこと( 運 棒 )が 要 求 され,その 技 能 修 得 に 力 覚 提 示 や 立 体 視 は 必 ずしも 重 要 ではないと 思 われる.もし, 複 雑 で 扱 いが 難 しい,あるいは 高 価 な 力 覚 提 示 デバイス, 立 体 視 デバイス, 複 合 現 実 感 デバイス 等 が なくても 技 能 習 熟 が 可 能 であれば, 安 価 で 簡 便 な 訓 練 システムを 構 築 できると 思 われ る. 本 研 究 ではまず, 上 記 のデバイスを 用 いない, 手 アーク 溶 接 の 簡 便 な VR システム を 開 発 する.また, 未 熟 練 者 が 最 も 苦 労 する 溶 接 棒 先 端 高 さの 制 御 に 関 して, 訓 練 初 期 は 許 容 範 囲 が 広 い,すなわち 制 御 が 容 易 な 条 件 で, 技 能 が 向 上 するにつれて 徐 々 に 実 際 的 な 条 件 で 訓 練 するという, 高 能 率 技 能 訓 練 方 法 について 検 討 する. 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 と 同 様 に,このような 訓 練 方 法 は 実 機 では 不 可 能 であり, 仮 想 環 境 でな ければならない. Fig. 1.4 Scene of manual metal arc welding 6

11 第 1 章 緒 論 1.4 本 論 文 の 構 成 本 論 文 の 構 成 は 以 下 のようになっている. 第 1 章 では, 研 究 背 景 と 目 的, 対 象 とする 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 及 び 手 溶 接 作 業 に ついて 述 べた. 第 2 章 では, 技 能 訓 練 のための 仮 想 環 境 の 構 築,それらの 技 能 習 熟 特 性 について 述 べる. 第 3 章 では, 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR 技 能 訓 練 システムにおいて, 異 なる 訓 練 方 法 の 比 較 による 効 率 的 な 訓 練 方 法 の 有 効 性 を 検 討 する. 第 4 章 では, 手 溶 接 作 業 の VR 技 能 訓 練 システムにおいて, 異 なる 訓 練 方 法 の 比 較 による 効 率 的 な 訓 練 方 法 の 有 効 性 を 検 討 する. 第 5 章 では, 本 研 究 で 得 られた 結 論 を 総 括 し, 将 来 の 展 望 について 述 べる. 7

12 第 1 章 緒 論 参 考 文 献 [1] 綿 貫 啓 一 :バーチャルリアリティ 技 術 による 匠 の 技 の 伝 承 と 人 材 育 成 ; 精 密 工 学 会 誌, 72(1), pp (26) [2] 経 済 産 業 省, 厚 生 労 働 省, 文 部 科 学 省 : 29 年 版 も の づ く り 白 書, pp (29) [3] [4] [5] 加 藤 秀 雄, 佐 藤 肇 一 : 聴 覚 フィードバックが 作 業 能 率 と 疲 労 に 及 ぼす 影 響 --- 仮 想 旋 盤 による 手 送 り 突 切 り 作 業 の 場 合 --- ; 精 密 工 学 会 誌, 61(9), pp (1995) [6] 加 藤 秀 雄, 小 林 一 彦, 劉 勝 利 : 手 動 工 作 機 械 作 業 における 技 能 習 熟 --- 新 し い 仮 想 旋 盤 の 開 発 とそれによる 微 小 溝 切 り 作 業 の 検 討 --- ; 精 密 工 学 会 誌, 62(7), pp (1996) [7] Ernesto Imperio, Claudio R. Boer, Marco Sacco: A Virtual Reality System for Machining: A Virtual Lathe Prototype; Technical Paper SME (1996) [8] X. Daniel Fang,S. Luo,N. J. Lee,F. Jin:Virtual Machining Lab for Knowledge Learning and Skills Training;Computer Applications in Engineering Education, 6(2), pp (1998) [9] 小 林 一 彦, 橋 本 宣 慶, 加 藤 秀 雄 : 複 合 現 実 感 による 中 ぐり 旋 盤 作 業 のシミュレ ーション; 日 本 バーチャルリアリティ 学 会 論 文 誌,4(4), pp (1999) [1] A. Antonietti, E. Imperio, C. Rasi, M. Sacco: Virtual reality and hypermedia in learning to use a turning lathe; Journal of Computer Assisted Learning 17, pp (21) [11] Z.Li, H. Qiu, Y. Yue: Development of a Learning-Training Simulator with Virtual Functions for Lathe Operations; Virtual Reality 6, pp (22) [12] Aritz Ustarroz, Alberto Lozano, Luis Matey, Jens Siemon, Diana Klockmann and Miren Iosune Berasategi: VIRTOOL - Virtual Reality for Machine - Tool Training; Mécanique & Industries 5, pp (24) [13] 陳 文, 加 藤 秀 雄, 楊 友 沈 :シミュレータによる 微 小 径 深 穴 ドリル 加 工 の 高 能 率 習 熟 訓 練 ; 精 密 工 学 会 誌,65(2), pp (1999) [14] 宇 野 裕 輔, 加 藤 秀 雄, 橋 本 宣 慶, 樋 口 静 一, 大 川 一 也 : 裸 眼 立 体 ディスプレ イを 用 いた 中 ぐり 旋 盤 作 業 シミュレータ; 計 測 自 動 制 御 学 会 第 8 回 システムインテグレ 8

13 第 1 章 緒 論 ーション 部 門 講 演 会,1K3-1, pp (27) [15] [16] 橋 本 宣 慶, 加 藤 秀 雄, 池 原 亮 : 複 合 現 実 感 技 術 による 手 溶 接 訓 練 システ ム- 溶 接 棒 先 端 位 置 把 握 誤 差 の 低 減 -; 精 密 工 学 会 誌, Vol.72, No.2, pp (26) [17] Yizhong Wang, Yonghua Chen, Zhongliang Nan, Yong Hu: Study on Welder Training by Means of Haptic Guidance and Virtual Reality for Arc Welding; Proceedings of the 26 IEEE, International Conference on Robotics and Biomimetics, Kunming, China, pp , (26) [18]http://www.lincolnelectric.com/en-us/equipment/training-equipment/Pages/vrtex3 6.aspx [19] [2] 小 林 一 彦, 石 亀 忍, 加 藤 秀 雄 : 複 合 現 実 感 技 術 を 用 いた 手 溶 接 訓 練 システ ム; 日 本 バーチャルリアリティ 学 会 論 文 誌 (TVRSJ), Vol.7, No.2, pp (22) [21] Kenneth Fast, Timothy Gifford, Robert Yancey: Virtual Training for Welding; Proc. Third IEEE and ACM Int. Sym. On Mixed and Augmented Reality (ISMAR 24) [22] Nancy Porter, J. Allan Cote, Timothy Gifford: Virtual Reality Welder Training; Summary Report SR512, Edison Welding Institute, (25.7) [23] L. Da Dalto, F. Benus and O. Balet: The use and benefits of Virtual Reality tools for the welding training; 63rd Annual Assembly & International Conference of the International Institute of Welding, Istanbul, Turkey, (21) [24] Ungyeon Yang, Gun A. Lee, Yongwan Kim, Dongsik Jo, Jinsung Choi, Ki-Hong Kim: Virtual Reality based Welding Training Simulator with 3D Multimodal Interaction; 21 International Conference on Cyberworlds, pp , (21) [25] Gabor J Barton, Malcolm B Hawken, Richard J Foster, Gill Holmes and Penny B Butler: The effects of virtual reality game training on trunk to pelvis coupling in a child with cerebral palsy; Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, pp , (213) [26] White, Steven A., Ph.D.: Impact of Visualization Augmentation on Welder Training: A Study with the Simulated MIG Lab; UNIVERSITY OF LOUISIANA AT LAFAYETTE, 213, 97 pages;

14 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 2.1 緒 言 本 章 では, 高 効 率 技 能 訓 練 のために 用 いる 二 つの 仮 想 現 実 感 システムについて 述 べる.2.2 では, 本 研 究 において 対 象 とする 技 能 的 作 業 である 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 を 訓 練 するための VR システム, 具 体 的 な 訓 練 タスクおよび VR システムを 用 いた 場 合 の 技 能 習 熟 特 性 について 述 べる.2.3 では, 本 研 究 におけるもう 一 つの 対 象 作 業 である 手 溶 接 を 訓 練 するために 新 たに 開 発 した 簡 便 な VR システム, 具 体 的 な 訓 練 タスクお よび VR システムを 用 いた 場 合 の 技 能 習 熟 特 性 について 述 べる. 2.2 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR システム ハードウェア 構 成 本 システムの 外 観 を Fig.2.1 に 示 す. 本 システムでは, 実 際 の 旋 盤 を 用 いているが, 操 作 すべき 旋 盤, 工 作 物, 工 具, 長 さ 測 定 具 は 全 て 仮 想 環 境 中 に 仮 想 物 体 として 構 築 しており, 仮 想 環 境 は 視 覚 提 示 部 である 大 型 液 晶 ディスプレイに 提 示 される. 被 訓 練 者 はディスプレイに 提 示 される 訓 練 環 境 を 見 ながら 訓 練 を 行 う. 工 具 の 移 動 には 実 機 旋 盤 の 縦 送 りハンドルと 横 送 りハンドルを 使 用 する.Table 2.1 に 本 システムで 使 用 し ている 実 機 卓 上 旋 盤 の 仕 様 を 示 す.それぞれのハンドルの 回 転 量 はロータリエンコー ダにより 検 出 する.ロータリエンコーダの 仕 様 を Table 2.2 に 示 す.エンコーダの 回 転 量 と 実 際 の 移 動 量 の 関 係 は, 横 送 り 方 向 については,ハンドルが1 回 転 するとエンコーダ は 8336 パルス 出 力 し, 実 際 の 移 動 量 は 1 mm である.つまり 横 送 り 方 向 の 移 動 量 の 分 解 能 は.12 μm である. 次 に 縦 送 り 方 向 の 移 動 については,ハンドルが1 回 転 する とエンコーダは 262 パルス 出 力 し, 実 際 の 移 動 量 は 25 mm なので, 縦 送 り 方 向 の 移 1

15 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 動 量 の 分 解 能 は 95.4 μm となる.ロータリエンコーダから 出 力 されるパルスは,PCI バ ス 用 のエンコーダカウンタボードを 使 用 してカウントしている.このボードは 32 bit カウン タで,ロータリエンコーダの A 相,B 相 の 位 相 差 から 回 転 方 向 を 検 出 するものである. このようにして 検 出 されたハンドルの 回 転 量 は PC (CPU: Celeron 2.4 GHz,OS: Windows 2)に 取 り 込 まれ,それに 応 じて 仮 想 物 を 移 動 させることで 切 削 シミュレー ションを 行 う.また, 仮 想 的 な 切 削 音 はスピーカから 出 力 される. Fig. 2.1 VR lathe operation training system 11

16 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Table 2.1 Specification of bench lathe MECANIX Shop Ace USL 5A model 12 Swing of workhead base 2 mm Center distance 45 mm Spindle speed 1 ~ 17 rpm Motor Single slot 1 V 4 W Size 11 5 mm Weight 7 kg Table 2.2 Specification of Rotary encoders Radial direction Axial direction Model OMRON E6CーCWZ3E OMRON E6A2ーCWZ3C Specification Incremental type 1pulse / rev Incremental type 5pulse / rev 12

17 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 仮 想 訓 練 環 境 本 システムの 仮 想 訓 練 環 境 を Fig.2.2 に 示 す. 仮 想 訓 練 環 境 は 3 次 元 グラフィックス ライブラリである OpenGL を 用 いて 作 成 されている. Fig.2.2 Virtual lathe boring training environment 13

18 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 工 作 物 工 具 モデル 工 作 物 の 干 渉 判 定 に 用 いる 幾 何 学 的 モデルを Fig.2.3 に 示 す. 工 作 物 は 外 径 6 mm, 長 さ 5 mm の 円 柱 であり, 中 心 に 直 径 2 mm の 穴 が 空 いている. 切 削 可 能 領 域 は 右 端 から 25 mm であり, 切 削 可 能 領 域 は, 薄 い 円 盤 状 の 要 素 を 連 ねることで 構 成 し ている. 単 位 要 素 の 厚 さは.5 mm である.これは, 厚 すぎると 切 削 が 不 自 然 に 見 えて しまうということと, 薄 すぎると 描 画 する 要 素 数 が 多 くなるために 処 理 速 度 が 落 ちてしま い,アニメーションが 滑 らかに 見 えないということを 考 慮 して, 実 験 的 に 決 めた 値 である. 単 位 要 素 は 軸 方 向 の 位 置 と 内 外 径 の 情 報 を 保 有 している. 工 作 物 を 描 画 すると Fig.2.4 のように 表 示 される. 工 具 は 描 画 用 と 幾 何 学 的 モデルとは 別 に 描 画 用 モデルも 用 いた. 描 画 用 モデルは Fig.2.5 に 示 すように, 実 際 の 手 送 り 中 ぐりバイトを 参 考 にして 作 成 した3 次 元 ソリッドモ デルである. 描 画 用 モデルは 描 画 のみに 用 い, 工 具 の 干 渉 判 定 のためには Fig.2.6 に 示 す 幾 何 学 的 モデルを 用 いた. 幾 何 学 的 モデルでは, 工 具 の 周 辺 には 幅.5 mm の ブロック 状 の 単 位 要 素 が 配 置 されている. 単 位 要 素 あたりには,その 単 位 要 素 が 工 具 のどの 部 分 かという 位 置 情 報 と,その 位 置 は 切 れ 刃 か,それ 以 外 かという 情 報 を 保 有 している. 幾 何 学 的 モデルは2 次 元 モデルである. 工 具 の 描 画 用 モデルと 幾 何 学 的 モ デルを 別 にしたのは, 描 画 モデルは3 次 元 モデルの 方 が 現 実 感 が 高 いということと, 本 システムでは 切 削 は2 次 元 平 面 内 を 想 定 しているため, 干 渉 判 定 に 用 いる 幾 何 学 的 モ デルは2 次 元 モデルで 構 築 する 必 要 があったという 理 由 からである. 14

19 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.3 Simulation model of workpiece Fig.2.4 Workpiece 15

20 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.5 Tool Fig.2.6 Geometrical model of tool 16

21 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 切 削 のシミュレーション 上 述 のようなモデルを 用 い, 切 削 シミュレーションを 行 う. 処 理 の 流 れを Fig.2.7 に 示 す.まず, 主 軸 が 回 転 していない 場 合 や, 工 作 物 と 工 具 が 干 渉 していない 場 合 には 切 削 は 行 われず, 弾 性 変 形 も 起 こらない. 主 軸 が 回 転 している 状 態 で 工 作 物 と 工 具 が 干 渉 した 場 合, 干 渉 した 箇 所 が 刃 先 かそれ 以 外 かで 処 理 が 分 岐 する.もし, 刃 先 以 外 が 工 作 物 に 干 渉 した 場 合 には, 画 面 の 点 滅 と 異 常 音 の 出 力 により 操 作 者 に 危 険 を 提 示 する. 他 方, 刃 先 が 干 渉 した 場 合 には, 切 り 込 み 深 さと 送 りから 弾 性 変 形 を 計 算 し, 工 具 を 変 形 させ, 切 削 音 を 出 力 する. ここで 送 りの 取 得 について 述 べる. 送 りとは, 工 作 物 1 回 転 あたりの 工 具 の 送 りのこと を 指 すが, 工 作 物 が1 回 転 するたびに 送 りを 取 得 する 方 法 だと, 主 軸 の 回 転 速 度 によ って, 送 りを 取 得 するタイミングが 早 すぎたり 遅 すぎたりする 場 合 が 出 てきてしまう.もし タイミングが 速 すぎる 場 合, 工 具 を 送 っているにも 関 わらず,その 送 りが 軸 方 向 の 移 動 量 の 分 解 能 (.954 mm)に 満 たないと,エンコーダからのパルスは 変 化 しないため, 移 動 していないものと 判 断 されてしまい, 送 りが となってしまうという 問 題 がある. 他 方, タイミングが 遅 すぎる 場 合, 次 の 送 りを 取 得 するまでの 間, 送 りは 同 じ 値 をとるため, 即 時 性 に 欠 けるといった 問 題 がある.そこで, 主 軸 回 転 速 度 に 依 存 せずに 送 りを 取 得 す るために, 適 当 なサンプリング 時 間 間 隔 おきに 送 りを 取 得 する 手 法 を 用 いた. 具 体 的 には,サンプリング 時 間 間 隔 おきに 取 得 する 工 具 の 送 り 速 度 [mm/s]と 主 軸 の 回 転 速 度 から, 工 作 物 1 回 転 あたりの 送 り [mm/rev]を 求 めるという 手 法 である.このような 処 理 を 行 うことで, 主 軸 の 回 転 速 度 に 影 響 を 受 けることなく, 送 りを 計 算 することができ る. また, 本 システムでは 工 具 の 軸 方 向 の 移 動 量 の 分 解 能 が.954 mm なのに 対 し, 工 作 物 の 軸 方 向 の 分 解 能 が.5 mm と 低 いので, 工 具 の 移 動 のたびに 工 作 物 の 切 削 をシミュレートするのは 困 難 である.そこで, 工 具 が 工 作 物 の 単 位 要 素 の 厚 さ 分 の.5 mm 送 られるまでは 切 削 されず,.5 mm 送 られたところで 切 削 が 行 われる.すなわち, そのときの 工 具 の 刃 先 位 置 まで 単 位 要 素 の 内 径 を 変 化 させることとした. 一 連 の 切 削 シミュレーションの 流 れを 説 明 図 で 表 すと Fig.2.8 のようになる.まず, 工 具 が 工 作 物 に 接 触 していない 状 態 1から, 状 態 2のように 工 作 物 に 接 触 すると, 切 削 力 を 受 け 工 具 が 弾 性 変 形 を 起 こす( 状 態 3).ここでの 変 形 量 は 前 節 で 述 べたような 計 算 方 法 で 求 めた 値 である. 弾 性 変 形 は, 状 態 4のように 工 作 物 の 単 位 要 素 中 を 送 っている 間 にも 生 じる. この 状 態 ではまだ, 切 削 中 の 単 位 要 素 の 切 削 はされない.そして 状 態 5のように 単 位 要 素 の 厚 さである.5 mm 送 ったところで,それまでに 通 過 していた 工 作 物 の 単 位 要 素 の 内 径 を 現 在 の 刃 先 の 位 置 まで 変 化 させることで, 切 削 をシミュレートする.そして 状 17

22 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 態 6のように 次 の 単 位 要 素 へ 切 削 を 行 っていき,また 状 態 7のように 単 位 要 素 分 送 った ところで 切 削 される.このような 流 れで 切 削 シミュレーションを 行 う. 18

23 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.7 Flow of simulation of cutting 19

24 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 State 1 State 5 Cutting tool Work piece State 2 State 6 Cutting force State 3 State 7 State 4 Fig.2.8 Illustration of cutting simulation 2

25 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 ハンドル 目 盛 実 際 の 旋 盤 作 業 では,ハンドルの 目 盛 を 目 安 としながら 作 業 を 行 う. 本 システムで は 実 機 旋 盤 を 使 用 しているため, 実 機 旋 盤 のハンドルの 目 盛 を 使 用 することができる が,ディスプレイとの 距 離 が 離 れているため 使 いづらい.そこで,ディスプレイ 上 に 仮 想 的 なハンドル 目 盛 を 表 示 した.Fig.2.9 の 左 下 に 表 示 されているダイヤルが 仮 想 ハンド ル 目 盛 である. 左 が 軸 方 向 移 動 に 用 いるハンドル 目 盛 であり, 右 が 半 径 方 向 移 動 に 用 いるものである.それぞれ 実 機 旋 盤 のハンドルの 回 転 に 合 わせて 回 転 する. 最 小 目 盛 は 軸 方 向 が.5 mm, 半 径 方 向 が.25 mm である.また 目 盛 は,マウス 操 作 によっ てゼロにリセットすることができる.この 操 作 により, 工 具 を 工 作 物 に 軽 く 触 れさせて, 見 かけ 上 のゼロ 点 を 決 めるゼロ 点 合 わせを 行 うことができる. Fig.2.9 Handle scale 21

26 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 寸 法 測 定 実 際 の 旋 盤 作 業 では,ハンドル 目 盛 を 目 安 に 切 削 を 行 い,ある 程 度 切 削 をした 後 にノギスやマイクロメータを 用 いて 正 確 な 寸 法 を 測 定 しながら 精 度 の 高 い 加 工 を 行 っ ていく.しかしながら,ディスプレイ 上 に 訓 練 環 境 が 提 示 される 本 システムでは,ノギス 等 の 測 定 具 を 使 用 することは 不 可 能 であり, 現 実 感 の 高 い 仮 想 測 定 具 を 導 入 するのも 容 易 ではない.そこで 本 システムでは, 仮 想 環 境 内 で 寸 法 測 定 ができるようなカーソ ルを 設 けた. 寸 法 測 定 の 様 子 を Fig.2.1 に 示 す. 上 の 図 が 内 径 の 寸 法 測 定, 下 の 図 が 軸 方 向 の 寸 法 測 定 の 様 子 を 示 している. 図 中 のカーソルはマウス 操 作 で 移 動 させる ことができ, 操 作 者 は 任 意 の 位 置 の 寸 法 を 測 定 することができる. 測 定 している 箇 所 の 寸 法 は 画 面 右 上 に 表 示 される. 22

27 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Inner diameter Axial depth Fig.2.1 Size measurement by cursor 23

28 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 画 面 操 作 方 法 す. 本 システムの 操 作 は 全 てマウス 操 作 で 行 うことができる. 以 下 にその 操 作 方 法 を 示 左 ボタンダブルクリック: 主 軸 のオンオフ ハンドル 目 盛 の 位 置 で 左 ボタンダブルクリック: 目 盛 のリセット 左 ボタンドラッグアンドドロップ: 視 点 の 位 置 を 調 整 右 ボタンドラッグアンドドロップ: 視 点 の 遠 近 を 調 整 中 ボタンクリック: 寸 法 測 定 のカーソルを 表 示.クリックするたびに, 半 径 方 向 測 定 奥 行 き 方 向 測 定 非 表 示 と 変 化 する. 主 軸 回 転 時 にはクリックしても 表 示 されない. 24

29 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 訓 練 タスク 具 体 的 な 訓 練 タスクにおける 工 具 形 状 および, 工 作 物 と 工 具 の 初 期 相 対 的 位 置 関 係 を Fig.2.11 に, 目 標 とする 最 終 工 作 物 形 状 を Fig.2.12 に 示 す. 両 図 からわかるよう に, 訓 練 タスクは 手 送 り 中 ぐり 工 具 で 内 径 2 mm の 穴 を 2.8 mm に 拡 大 することであ る. 工 作 物 の 材 質 は 引 張 り 強 さ 16 MPa の 鋳 鉄 を 想 定 し, 文 献 [1]に 基 づき, 送 り 速 度 を f mm/rev とするとき 比 切 削 抵 抗 は 154 f -.28 MPa で 与 えられるものとした. 従 っ て, 切 込 みは.4 mm であるから, 切 削 力 は 422 f.72 N で 与 えられる.なお,これら の 式 は 実 験 式 なので, 係 数 には 次 元 が 存 在 するが, 係 数 の 次 元 を 示 しても, 形 式 的 な 記 述 になるので,それを 述 べるのは, 避 ける.また, 工 作 物 の 回 転 速 度 は 1 rpm と した.Fig.2.12 中 の 目 標 加 工 長 さ A の 値, 工 具 の 剛 性 や 破 損 条 件 については 後 述 す る. なお, 本 タスクは 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の 切 削 時 の 加 工 方 向 の 刃 物 台 の 移 動 作 業 の 技 能 だけ 対 象 としたので, 切 込 みは 調 整 不 要 とし,さらに 半 径 方 向 の 精 度 も 留 意 不 要 とした. 訓 練 すべきタスクを 言 い 換 えれば, 工 具 を Fig.2.11 に 示 す 初 期 位 置 から, Fig.2.12 の 目 標 加 工 長 さ A 部 左 端 まで 破 損 することなく 送 ることとなる. 工 具 変 形 量 は 視 認 可 能 な 大 きさではないので, 作 業 者 が 知 ることができる 加 工 状 態 の 情 報 は 切 削 音 と 工 具 破 損 時 の 画 面 表 示 のみである. 切 削 音 は 送 り 速 度 に 関 わらず 常 に 同 じものとし, 実 機 作 業 時 に 録 音 したものを 再 生 した. 工 具 破 損 は,シミュレーショ ンの 簡 素 化 のために, 破 損 した 工 具 を 画 面 表 示 するのではなく, 画 面 全 体 輝 度 を.5 ~.1 s 間 隔 で 変 更 し,さらに 人 工 的 に 合 成 した 不 快 音 を 発 生 させることにより 破 損 した ことを 作 業 者 に 伝 えた.また, 後 述 する 作 業 時 間 は,Fig.2.11 の 初 期 状 態 から 工 具 先 端 が 目 標 加 工 長 さ A 部 左 端 に 達 するまで,あるいは 工 具 が 破 損 するまでの 時 間 であ り, 空 送 りの 時 間 も 含 めた. 25

30 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.11 Initial relative position of workpiece and cutting tool Fig.2.12 Desired product 26

31 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR システムによる 技 能 習 熟 特 性 実 験 方 法 本 システムの 技 能 習 熟 効 果 の 確 認 には, 本 システムを 用 いた 訓 練 前 後 の 技 能 レベ ルを 比 較 する 方 法 が 考 えられる.しかしながら, 従 来 の 研 究 成 果 から, 本 システムは 少 なくとも 初 心 者 の 訓 練 には 十 分 効 果 を 示 すものであると 推 測 される[2].そこで, 本 節 で は 被 訓 練 者 に 本 システムを 用 いて 作 業 を 行 わせたときの 所 要 時 間, 円 筒 度 による 形 状 精 度, 内 径 による 寸 法 精 度 から 本 システムの 技 能 習 熟 特 性 について 検 討 した. 被 訓 練 者 は 6 名 であり, 実 際 の 旋 盤 作 業 経 験 者 が 4 名, 未 経 験 者 が 2 名 である. 被 訓 練 者 にはタスクを 1 回 連 続 で 行 ってもらい,その 各 回 において 作 業 時 間, 円 筒 度, 内 径 を 測 定 した. 実 際 の 訓 練 状 況 は Fig.2.13 に 示 す.また, 疲 労 計 測 のため 作 業 の 始 めと 終 わりにおいてフリッカー 値 の 測 定 を 行 った.フリッカー 値 は, 点 滅 する 光 が 連 続 した 光 か,ちらついた 光 に 見 えるかの 境 界 における 点 滅 周 波 数 であり, 精 神 疲 労 の 指 標 として 広 く 用 いられている[3].これらの 評 価 方 法 については 次 節 で 述 べる. Fig.2.13 Training scene of lathe boring using virtual environment 27

32 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 評 価 方 法 実 験 結 果 の 評 価 方 法 について 述 べる.まず 作 業 時 間 について,1 回 のタスクは, 被 訓 練 者 には 任 意 のタイミングでタスクを 始 めてもらった.そして,それと 同 時 に 作 業 時 間 の 測 定 を 開 始 し,タスク 終 了 時 に 被 訓 練 者 に 合 図 をしてもらい,それまでの 時 間 を 作 業 時 間 として 評 価 に 用 いた.なお, 各 回 のタスクにおいて, 刃 物 台 の 位 置 などは 常 に 同 じ 位 置 からスタートすることとした. 次 に 円 筒 度 について 述 べる. 円 筒 度 とは, 本 来 円 筒 でなければならない 部 分 の, 幾 何 学 的 円 筒 からの 狂 いの 大 きさのことである. 表 面 上 のすべての 点 が, 二 つの 同 軸 円 筒 の 間 にあり,その 円 筒 の 半 径 方 向 の 間 隔 が 最 小 となる 場 合 のこの 二 つの 円 筒 の 半 径 方 向 の 間 隔 で 表 される. 図 で 表 すと,Fig.2.14 の t が 円 筒 度 となる. 今 回 の 実 験 に おいては, 切 削 された 工 作 物 の 単 位 要 素 の 中 で, 内 径 が 最 大 の 要 素 と, 最 小 の 要 素 の 内 径 の 差 が 円 筒 度 となるので,この 値 を 評 価 に 用 いた. 内 径 については 平 均 値 を 評 価 に 用 いる. 内 径 の 平 均 値 とは, 作 業 後 の 工 作 物 の 各 単 位 要 素 の 内 径 の 平 均 値 のことである. 今 回 の 実 験 では, 軸 方 向 には 2 mm 切 削 する というタスクだったので, 厚 さ.5 mm の 単 位 要 素 4 個 分 の 内 径 の 平 均 値 である. Fig.2.14 Cylindricity 28

33 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 実 験 結 果 と 考 察 作 業 時 間 Fig.2.15 は 各 被 訓 練 者 の 1 回 の 作 業 に 対 する 作 業 時 間 の 変 化 を 示 す.Fig.2.15 か ら,タスク 回 数 を 重 ねるごとに 作 業 時 間 が 短 くなり, 定 常 値 に 近 づいていることがわかる. 図 中 の 曲 線 は x をタスク 回 数,y を 作 業 時 間 とするとき, 式 y ae bx (2.1) を 当 てはめた 指 数 曲 線 である. 前 述 の 定 常 値 は 定 数 c に 相 当 する. 作 業 時 間 につい ては 求 めた 定 常 値 について 評 価 を 行 う.Fig.2.15 に 各 被 訓 練 者 に 対 する 定 常 値 の 結 果 により, 定 常 値 には 3~5 回 のタスクでほぼ 定 常 値 に 達 していることがわかる. c 29

34 Work time (s) Work time (s) Work time (s) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Number of task 8 1 (Trainee A) Number of task 8 1 (Trainee B) Number of task 8 1 (Trainee C) Fig.2.15 Change of work time (continued) 3

35 Work time (s) Work time (s) Work time (s) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Number of task (Trainee D) Number of task 8 1 (Trainee E) Number of task 8 1 (Trainee F) Fig.2.15 Change of work time 31

36 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 円 筒 度 と 内 径 Fig.2.16 は 各 被 訓 練 者 の 1 回 のタスクに 対 する 円 筒 度 の 変 化 を 示 す.Fig.2.16 から, 作 業 時 間 とは 違 い,タスク 回 数 を 重 ねていっても 習 熟 傾 向 が 見 られない 被 訓 練 者 が 多 いことがわかる. 内 径 は, 内 径 の 平 均 値 の 公 差 からの 差 について 評 価 を 行 った.Fig.2.17 に 各 被 訓 練 者 の 1 回 のタスクに 対 する 公 差 からの 差 の 変 化 を 示 す. 内 径 についても 円 筒 度 と 同 様 に 習 熟 傾 向 がみられない. 上 記 のような 結 果 になったのは 円 筒 度 や 内 径 誤 差 に 関 してタスクが 簡 単 であったた めであると 考 えられる. 従 って, 本 装 置 では 円 筒 度 や 内 径 誤 差 に 関 する 技 能 の 習 得 は 難 しい.しかし, 工 具 を 破 損 せずに 穴 径 を 拡 大 するという 基 本 的 な 中 ぐり 作 業 の 習 得 には 問 題 はないと 考 えられる. 32

37 Cylindricity (mm) Cylindricity (mm) Cylindricity (mm) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Number of task (Trainee A) Number of task (Trainee B) Number of task (Trainee C) Fig.2.16 Change of cylindricity (continued) 33

38 Cylindricity (mm) Cylindricity (mm) Cylindricity (mm) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Number of task (Trainee D) Number of task (Trainee E) Number of task (Trainee F) Fig.2.16 Change of cylindricity 34

39 Error of inner diameter (mm) Error of inner diameter (mm) Error of inner diameter (mm) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Number of task (Trainee A) Number of task 8 1 (Trainee B) Number of task 8 1 (Trainee C) Fig.2.17 Change of inner diameter error (continued) 35

40 Error of inner diameter (mm) Error of inner diameter (mm) Error of inner diameter (mm) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Number of task (Trainee D) Number of task (Trainee E) Number of task (Trainee F) Fig.2.17 Change of inner diameter error 36

41 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 2.3 手 溶 接 の VR システム 簡 易 手 溶 接 VR システム Fig.2.18 に 開 発 したシステムの 概 略 を 示 す. 本 システムは 溶 接 棒 ホルダ,6 軸 アーム 機 構,ディスプレイと PC から 構 成 される. 被 訓 練 者 は,ホルダを 手 で 持 ち, 目 はディス プレイ 画 面 に 向 ける.ホルダを 移 動 させるとディスプレイに 表 示 された 仮 想 ホルダが 同 期 して 移 動 し, 仮 想 溶 接 棒 と 工 作 物 ( 母 材 )との 間 に 仮 想 アークが 発 生 する.6 軸 アー ム 機 構 はホルダの 空 間 位 置 を 測 定 するためのものであり,6 個 のポテンショメータと 1 本 のアームおよびそれらの 接 続 部 品 から 構 成 される. 直 動 型 ポテンショメータの 上 の 二 つの 回 転 型 ポテンショメータはアームの 水 平 面 内 と 鉛 直 面 内 の 角 度 を 検 出 し,アー ム 他 端 に 取 付 けた 三 つのポテンショメータはホルダの 向 きを 検 出 している. 実 際 の 手 溶 接 では, 溶 接 棒 と 母 材 の 衝 突 や 溶 着 現 象,アーク 発 生 による 斥 力 などが 生 じるが, それらの 力 覚 提 示 は 行 っていない. 6 軸 アームは 実 際 の 手 溶 接 作 業 では 存 在 しないものであるから,その 重 量 や 摩 擦 を 小 さくする 必 要 がある.そのため, 測 定 範 囲 の 長 い 1 個 の 直 動 型 ポテンショメータを 地 上 に 置 き,それとホルダとの 間 を 5 個 の 軽 量 ポテンショメータおよび 1 本 の 軽 量 アーム で 接 続 する 構 造 とした.ただし, 直 動 型 ポテンショメータは 単 独 で 使 用 することはでき ず,また,そのしゅう 動 抵 抗 は VR システムとして 無 視 できないので,スライドガイドを 併 用 し,かつモータによりしゅう 動 抵 抗 を 補 償 した.Fig.2.19 にハードウエアの 写 真 を 示 す. Fig.2.2 にしゅう 動 抵 抗 補 償 機 構 を 示 す. 直 動 型 ポテンショメータの 有 効 測 定 長 は 3 mm であり,スライドガイドは XY プロッタで 使 用 されていたものを 外 して 転 用 した. このスライドガイド 付 き 直 動 型 ポテンショメータを 滑 らせるのに 要 する 力 を 実 測 したとこ ろ, 約 3 N であった.このような 力 は, 実 際 の 手 溶 接 では 存 在 しないので, 本 研 究 では, その 力 を 検 出 し,その 値 が に 近 づくようにモータで 補 償 することにした. 力 の 検 出 に は 板 ばねに 貼 りつけた 歪 ゲージと 歪 増 幅 器 を 用 い, 力 信 号 の AD 変 換,PI 制 御 およ びモータ 駆 動 信 号 発 生 にはマイクロコントローラを 用 い,モータはステッピングモータ を 用 いた. 溶 接 棒 長 さ 1 mm の 場 合 の 6 軸 アーム 先 端 部 の 可 動 範 囲 と, 使 用 した 主 な 部 品 の 仕 様 を Table 2.3 に 示 す. 力 に 対 する AD 変 換 器 の 分 解 能 は.2 N である. フィードバックゲイン 等 の 制 御 パラメータは 試 行 錯 誤 的 に 定 めた. しゅう 動 抵 抗 補 償 機 構 の 動 作 状 態 を Fig.2.21 に 示 す.この 場 合, 操 作 者 がホルダを 持 ち, 直 動 型 ポテンショメータの 検 出 方 向 へ 約 1.5 mm/s の 速 度 で 約 8mm 移 動 させ たときの, 移 動 距 離 と 歪 ゲージで 測 定 された 力 の 時 間 的 変 化 を 示 す.Fig.2.21 から, 力 は 測 定 分 解 能 である±.2 N 以 内 にほぼ 収 まっていることがわかる.また,ハンティ 37

42 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 ング 現 象 等 の 不 安 定 現 象 は 見 られない. 本 研 究 での 手 溶 接 は 小 径 溶 接 棒 による 小 物 溶 接 を 対 象 とし, 手 溶 接 作 業 時 の 溶 接 棒 の 移 動 速 度 ( 溶 接 速 度 )は 上 記 と 同 程 度 の 速 度 であるので, 本 機 構 によりしゅう 動 抵 抗 は 補 償 されていると 言 える. なお, 実 手 溶 接 においてホルダにつながるケーブルはかなり 重 く, 工 作 物 と 溶 接 機 の 位 置 関 係 で 作 業 者 が 支 えなければならない 重 量 は 変 化 する. 本 システ ムでは,ケーブル 重 量 に 関 する 模 擬 は 考 慮 していない,すなわち 鉛 直 方 向 の 力 の 補 償 等 は 行 っていないが,ホルダの 慣 性 やにぎり 部 の 大 きさ 等 は 作 業 感 に 関 係 すると 考 え, 実 物 のホルダを 用 いている. Loudspeaker PC Display Virtual electrode Virtual arc Virtual workpiece AD converter to potentiometers Rotary potentiometers (2 axes) Arm Electrode holder Rotary potentiometers (3 axes) Linear potentiometer Trainee s hand Fig.2.18 Simple VR system for welding skill training 38

43 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Leaf springs with strain gauges Rotary potentiometers LC Display Stepping motor Arm Electrode holder Belt Linear guide Fig. 1 VR arc welding training system used Fig.2.19 Scenery of welding skill training by VR system Motor driver PIC16F88 Strain amplifier Arm Stepping motor Leaf springs with strain gauges Slide Guide Belt Linear Potentiometer Fig.2.2 Sliding friction compensated linear potentiometer 39

44 Force (N) Moving distance (mm) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Table 2.3 Specifications of six axis arm mechanism Force N Force Distance Time (s) s Moving distance mm Fig.2.21 Effect of force compensation 4

45 2mm 2mm.25 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 シミュレーションモデル 手 溶 接 の 数 値 シミュレーションは 古 くから 多 くの 研 究 がある[4]. 本 研 究 でのシミュレ ーションは, 形 状 変 化 の 実 時 間 性 を 最 重 要 視 するため,いわゆる 物 理 シミュレーション はほとんど 行 わないこととした.すなわち,アークの 発 生 過 程, 溶 接 棒 の 溶 融 過 程, 温 度 分 布, 溶 融 池, 熱 変 形 等 の 厳 密 な 計 算 は 行 っていない. 工 作 物 ( 母 材 )は 断 面 が mm の 角 柱 の 集 合 体 で 表 した.Fig.2.22 は 長 さ 1 mm, 奥 行 き 2 mm, 厚 さ 2.5 mm の 直 方 体 工 作 物 2 個 を 突 合 せ 手 溶 接 する 場 合 のモデルを 示 す. 溶 接 棒 が 溶 けて, 工 作 物 にビードとして 付 着 する 挙 動 は, mm の 角 柱 の 長 さが 鉛 直 (z) 方 向 に 伸 びることで 模 擬 した. y.25 1mm t=2.5 Welding line z. x Fig.2.22 Workpiece model 41

46 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Z Y Bead X (a) Z Y X (b) Fig.2.23 Drawing model of beads Electrode Gap: Arc creating range No arc Good arc Poor arc No arc Workpiece D Bead (a) Collision (b) Small gap (c) Suitable gap (d) Unsuitable gap (e) Large gap 2D (f) Conical bead shape Fig.2.24 Arc-creating conditions and bead shape 42

47 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 他 方, 溶 接 棒 は 一 つの 円 柱 で 表 し,アークにより 溶 け 落 ちた 体 積 だけ 短 くなる.ア ークは 溶 接 棒 先 端 部 断 面 の 中 心 とそれに 最 も 近 接 する 角 柱 要 素 との 間 に 発 生 するも のとした.また, 溶 け 落 ちた 溶 接 棒 の 体 積 と 工 作 物 に 付 着 するビードの 体 積 は 比 例 す るものとした.すなわち, 後 述 する 適 切 なアーク 発 生 時 は, 溶 け 落 ちた 溶 接 棒 の 体 積 と 工 作 物 に 付 着 するビードの 体 積 は 等 しく, 不 適 切 なアーク 発 生 時 は, 溶 け 落 ちた 溶 接 棒 の 体 積 の 半 分 がビードとして 工 作 物 に 付 着 するものとした. なお,ビード 表 面 は, 角 柱 そのものを 描 画 するのではなく, 滑 らかに 見 えるよう, 角 柱 の 頂 点 を 結 び, 微 小 3 角 形 の 集 合 を 描 画 した.すなわち,Fig.2.23 (a)のように 算 出 されたビードの 角 柱 群 に 対 して Fig.2.23 (b)のように 描 画 した.また, 溶 接 棒 は 直 径 が 2 mm, 初 期 長 さが 18 mm とし, 適 切 なアーク 発 生 時 の 溶 融 速 度 は 1.2 mm/s とした. アークとビードの 発 生 条 件 を Fig.2.24 に 示 す. 溶 接 棒 先 端 と 工 作 物 ( 既 にビードが ある 場 合 はビード 表 面 )との 間 の 隙 間 がある 範 囲 にあるとき,Fig.2.24 (c),(d)のようにア ークが 発 生 する.ただし,アークが 発 生 しても 隙 間 が 大 き 過 ぎるときは 不 適 切 なアーク となる.なお,アークが 発 生 するときは, 実 際 の 溶 接 音 データを 用 いて, 音 を 発 生 し, 適 切 なアーク 時 と 不 適 切 なアーク 時 では 異 なる 音 データを 再 生 している.Fig.2.24 (f) はビードの 発 生 状 態 を 示 す.アークにより 溶 けた 溶 接 棒 先 端 は, 工 作 物 上 に 移 り,さら にそれが 固 まってビードとなる.ビードの 形 状 は 溶 接 棒 直 径 の 2 倍 の 直 径 の 円 を 底 面 とする 円 錐 と 仮 定 した.ただし, 工 作 物 表 面 が 平 面 でない 場 合 や 既 にビードがある 場 合 は, 元 の 面 の 上 に 円 錐 状 のビードが 載 ることになるので, 結 果 的 にビード 形 状 は 円 錐 ではなくなる. 本 システムは 力 覚 提 示 を 行 っていないので,Fig.2.24 (a)に 示 すように, 溶 接 棒 が 工 作 物 に 食 込 むという, 現 実 にはあり 得 ないことも 生 じる. 溶 接 棒 が 工 作 物 に 触 れている 場 合,および 食 込 んでいる 場 合, 画 面 全 体 の 明 度 を 上 げ,さらに 溶 接 音 とは 異 なる 警 告 音 を 発 生 させることで,その 状 態 を 被 訓 練 者 に 伝 えている.Fig.2.25 にシミュレーショ ンの 流 れ 図 を 示 す. 仮 想 物 体 の 描 画 には OpenGL を 用 いた. 光 源 は 上 方 からの 照 明 とアークの 2 か 所 とすべきであるが, 移 動 するアークの 光 源 を 実 時 間 で 模 擬 するのは 容 易 でないため, 照 明 のみとした.ただし,その 光 量 はアーク 発 生 時 に 多 く, 非 発 生 時 に 少 なくなるように 変 化 させた. 43

48 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Create warning sound and make backgound glitter Aquire angle and position data of actual electrode holder through potentiomenters Calculate position and orientation of electrode holder Calculate position of electrode tip and gap between it and workpiece < Gap Out of arccreating range Within arccreating range Good arccreating No range Yes Create good arc, welding sound and bead Create poor arc, welding sound and bead Fig.2.25 Flow chart of welding simulation 44

49 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 実 際 の 模 擬 手 溶 接 の 訓 練 状 況 は Fig.2.26 に 示 す. Fig.2.27 に, 本 システムによる 模 擬 手 溶 接 結 果 の 一 例 を 示 す.Fig.2.27 からはわかり 難 いが,ビードの 描 画 にはシェーディングを 用 いているので, 多 少 の 立 体 感 は 感 じら れる. Fig.2.26 Training scene of arc welding using virtual environment Welding line Workpiece Bead Y Welding direction Z X Fig.2.27 Example of VR welding result 45

50 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 簡 易 手 溶 接 VR システムによる 技 能 習 熟 特 性 模 擬 手 溶 接 条 件 と 評 価 方 法 一 般 に 手 溶 接 は, 溶 接 線 に 沿 って, 一 定 の 高 さのビードを 残 すことが 要 求 される. その 要 求 を 満 たすためには, 作 業 者 は 溶 接 棒 先 端 を 工 作 物 に 近 づけ,さらに 溶 接 線 に 沿 って, 一 定 高 さかつ 一 定 速 度 で 移 動 させなければならない. 溶 接 棒 は 溶 融 して 短 くなるので, 先 端 を 一 定 高 さに 保 つためには 溶 接 棒 ホルダは 徐 々に 工 作 物 に 近 づけ る 必 要 もある. 本 VR システムは 高 価 な 立 体 視 装 置 や 力 覚 提 示 装 置 を 用 いない 簡 便 なものである から,このような 作 業 の 訓 練 を 行 えるものであるか 否 か, 被 訓 練 者 による 検 証 実 験 を 行 った. 被 訓 練 者 は 機 械 工 学 を 専 攻 する 2~3 歳 代 の 学 生 および 教 員 6 名 で,いずれ も 熟 練 者 とは 言 えないが 少 なくとも 2~3 時 間 以 上 の 手 溶 接 実 習 を 経 験 しており, 程 度 の 差 はあれ 手 溶 接 技 能 向 上 のモチベーションを 有 している. 対 象 とする 工 作 物 は Fig.2.22 に 示 すものと 同 じであり, 長 さ 1 mm の 溶 接 線 上 に 直 線 状 にビードを 残 すよ う 要 求 した.また,ビード 高 さは 変 動 がなければよく,その 絶 対 値 は 任 意 とすることを 被 訓 練 者 に 伝 えた. 作 業 の 技 能 評 価 は,ビードの 形 状 と,アークの 中 断 等 の 失 敗 数 から 行 うこととした. 前 者 は,ビードの 稜 線 の 溶 接 線 からのずれ,およびビードの 稜 線 の 高 さのばらつきで 評 価 した 模 擬 手 溶 接 結 果 Fig.2.28 は,Fig.2.27 の 模 擬 手 溶 接 結 果 から, 求 めたビードの 稜 線 の 座 標 を 示 す. ビードの 稜 線 は 以 下 のようにして 求 めた. 前 述 したように, 工 作 物 およびビードは 水 平 面 内 (xy 平 面 内 )に.25 mm 刻 みで 定 義 された 角 柱 の 集 合 でモデル 化 しており, 模 擬 手 溶 接 結 果 とは,それらの 角 柱 の 最 終 的 な 高 さ 情 報 (z 座 標 )である. 模 擬 手 溶 接 結 果 に 対 して 溶 接 線 方 向 (x 方 向 )に 角 柱 4 個 分,すなわち 1 mm の 幅 の 範 囲 内 で 最 高 点 (z 座 標 の 最 大 値 )を 求 め,それらを 結 んだものを 稜 線 とした. 最 高 点 を 求 めるときの 範 囲 は,1 mm 未 満 とするとほとんど 稜 線 が 見 出 せないことがあったため 1 mm を 採 用 し た.また,1 mm の 幅 の 範 囲 内 にビードがなければ,ビードが 途 切 れているものと 判 断 した. 46

51 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.28 Trajectory of bead ridge and bead height in X-Y plane Fig.2.28 の 上 図 をみると,x 座 標 が 小 さい 範 囲 と 大 きい 範 囲 でビードが 途 切 れている ことがわかる. 手 溶 接 は 左 から 右 に 向 かって 行 っており, 多 くの 被 訓 練 者 の 場 合, 図 の ように 手 溶 接 初 期 と 終 了 時 にビードが 途 切 れることがあった.この 途 切 れの 回 数 等 も 技 能 評 価 値 になり 得 ると 考 えられるが, 本 研 究 では, 図 中 に 示 すように x=2 mm から x=8 mm までの, 比 較 的 安 定 的 に 手 溶 接 を 行 っている 部 分 ( 中 間 部 )のビードの 稜 線 の 変 動 状 態 で 技 能 評 価 することとした[5].なお, 評 価 値 の 一 つであるビードの 稜 線 の 溶 接 線 からのずれは, 直 流 分 と 変 動 分 があり, 変 動 分 を 標 準 偏 差 で 評 価 する.これは, すなわち 稜 線 の, 水 平 面 内 (xy 平 面 内 )での y 方 向 へのばらつきということもできる. Fig.2.28 の 下 図 は,ビードの 稜 線 の, 高 さ 方 向 (z 方 向 )の 変 化 を 示 しており,x=2 mm から x=8 mm までの 範 囲 の 標 準 偏 差 を 算 出 し,もう 一 つの 評 価 値 とした. 47

52 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.29 Fluctuation of gap between electrode and workpiece Fig.2.29 は, 溶 接 棒 先 端 と,その 直 下 の 工 作 物 あるいはビードとの 隙 間 の 時 間 的 変 化 の 一 例 を 示 す.この 場 合 は, 隙 間 が 1~1 mm のときにアークが 発 生 するという 条 件 であり,この 被 訓 練 者 は 約 4~13 s の 間 に 手 溶 接 作 業 を 行 っている.Fig.2.29 から, 手 溶 接 開 始 時 は 隙 間 が 大 き 過 ぎてアークが 発 生 しないというアーク 消 失 があり,8 s 付 近 と 終 了 時 に 隙 間 が 小 さ 過 ぎてアークが 途 切 れるアーク 消 失 をしていることがわかる.す なわち,この 例 では 3 回 のアーク 消 失 を 犯 しており,この 回 数 を 本 研 究 での 三 つ 目 の 技 能 評 価 値 とした. 前 述 の 6 名 の 被 訓 練 者 に 1 回 以 上 の VR 手 溶 接 作 業 を, 作 業 結 果 が 定 常 状 態 に なるまで 行 わせた. 定 常 状 態 の 判 定 は 主 観 評 価 により 行 った.アーク 発 生 条 件 は, 隙 間 が 1~1 mm であり,この 範 囲 では 常 に 適 切 なアークが 発 生 するものとした.すなわ ち, 不 適 切 なアークが 発 生 する 条 件 は 設 けていない. 実 際 の 手 溶 接 では 適 切 なアー ク 発 生 範 囲 はもっと 狭 いが, 被 訓 練 者 にはかなりの 未 熟 練 者 がいるため,このような 比 較 的 易 しいアーク 発 生 条 件 とした. 作 業 姿 勢 は 下 向 きである.また, 終 末 効 果 を 避 ける ために 被 訓 練 者 には 作 業 回 数 を 1 回 以 上 とだけ 伝 えた. Fig.2.3 は, 被 訓 練 者 B,C による 全 作 業 における,ビード 稜 線 の 溶 接 線 からのずれ の 変 動 分 ( 以 下 では,ビードの 溶 接 線 からのずれと 呼 ぶ),ビードの 稜 線 の 高 さのばら つき( 以 下 では,ビード 高 さのばらつきと 呼 ぶ)およびアーク 消 失 回 数 の 変 化 を 示 す. いずれの 項 目 も 値 が 小 さいほど 技 能 レベルが 高 い. 未 熟 練 者 でもときどき 小 さい 値, すなわち,いわゆるビギナーズラックが 存 在 するので, 習 熟 の 考 察 は 最 悪 値 の 変 化 か 48

53 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 ら 行 うのが 妥 当 である.Fig.2.3 に 記 入 した 最 悪 値 あたりを 通 る 曲 線 をみると, 若 干 の 特 異 値 は 存 在 するものの,いずれの 項 目 も 作 業 回 数 が 増 加 すると 減 少 し,6~1 回 目 あたりでほぼ 一 定 値 に 収 束 することがわかる.また, 作 業 回 数 が 増 加 すると 回 数 毎 の 変 動 も 減 少 する 傾 向 がある. 他 の 4 名 の 被 訓 練 者 の 場 合 も 同 様 な 収 束 傾 向 がみられ た.これらの 評 価 値 の 減 少 や 回 数 毎 の 変 動 の 減 少 は, 技 能 の 上 達 を 意 味 し,1 回 程 度 の 作 業 回 数 で, 技 能 がほぼ 定 常 状 態 に 達 することを 示 している. ビードの 途 切 れ 回 数,ビード 稜 線 の 溶 接 線 からのずれの 直 流 分 等 についても, 作 業 回 数 に 対 する 変 化 を 観 察 したが, 明 確 な 傾 向 は 認 められなかった. 49

54 Number of failures Standard deviation of Z-coordinate of bead ridge (mm) Standard deviation of Y-coordinate of bead ridge (mm) 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 (a) Change in Y-coordinate deviation of bead ridge Trainee B Trainee C (b) Change in Z-coordinate deviation of bead ridge (c) Change in number of failures Task number Fig.2.3 Relation between evaluation items and task number in VR welding 5

55 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 仮 想 作 業 と 実 作 業 における 技 能 の 関 係 前 節 で, 本 システムによる 訓 練 効 果 を 述 べたが, 修 得 された 技 能 が 実 際 の 手 溶 接 作 業 の 技 能 に 結 びつかなければ, 本 システムが 有 効 な 訓 練 システムとは 言 えない.そ こで, 同 じ 被 訓 練 者 に 対 して, 本 システムによる 仮 想 作 業 に 引 続 き, 実 作 業 を 行 わせ, 仮 想 作 業 と 実 作 業 の 技 能 を 比 較 することにより,その 検 討 を 行 った. 実 際 の 手 溶 接 作 業 結 果 の 例 を Fig に 示 す. 実 溶 接 作 業 に 対 する 技 能 評 価 は,Fig に 示 す ような 製 作 物 外 観 に 対 する 主 観 評 価 [5]によって 行 った. 評 価 者 は 手 溶 接 技 能 有 資 格 者 を 含 む 4 人 であり, 各 々の 評 価 値 の 平 均 値 をその 製 作 物 の 評 価 値 とした.なお, 仮 想 作 業 についても 外 観 の 主 観 評 価 を 行 い, 仮 想 作 業 と 実 作 業 の 技 能 の 比 較 を 行 うこ とも 可 能 であるが, 仮 想 作 業 については 主 観 評 価 より 高 い 説 得 力 をもつ 客 観 的 評 価 値 が 得 られるので,そちらを 採 用 した. 実 際 の 手 溶 接 作 業 の 条 件 を Table 2.4 に 示 す. 工 作 物 の 形 状 寸 法, 運 棒 法, 作 業 姿 勢 等 は 前 節 に 述 べた VR 作 業 とほぼ 同 じである. 被 訓 練 者 には 3 回 の 作 業 を 続 け て 行 わせた. 前 述 の 評 価 者 は,6 名 の 被 訓 練 者 による 全 18 個 の 実 手 溶 接 結 果 に 対 し て, 最 良 を 1, 最 悪 を 1 とする 1 段 階 スケールで 主 観 評 価 を 行 い, 最 終 回 すなわち 3 回 目 の 実 手 溶 接 結 果 の 評 価 値 を 以 下 の 考 察 に 用 いた. 51

56 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Fig.2.31 Results of actual welding Table 2.4 Actual welding conditions 52

57 Standard deviation in Y-coordinate (mm) Standard deviation in Z-coordinate (mm) Number of failures 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 Standard deviation in Y-coordinate (R=.624) Standard deviation in Z-coordinate (R=.9) Number of failures (R=.927) Multiple correlation coefficient : R= Point of actual welding Fig.2.32 Relation of skill level between actual welding and VR welding Fig.2.32 は 6 名 の 被 訓 練 者 による 仮 想 作 業 の 評 価 値 と 実 作 業 の 評 価 値 の 関 係 を 示 す 散 布 図 である. 横 軸 が 実 作 業 の 外 観 検 査 評 価 値 であり, 縦 軸 が 定 常 状 態 の 仮 想 作 業 における 3 種 類 の 評 価 値 を 示 す. 縦 軸 のスケールは 上 方 ほど 技 能 レベルが 高 くなる ようにとり,Fig.2.32 には 回 帰 直 線 と 相 関 係 数 も 示 してある. 単 相 関 係 数 は.624~.927, 重 相 関 係 数 は.95 と 高 い 値 であり, 仮 想 作 業 結 果 と 実 作 業 結 果 の 間 には 高 い 相 関 があることがわかる.すなわち, 提 案 した 訓 練 システムで 訓 練 することで 仮 想 作 業 が 上 手 になった 人 は 実 作 業 も 上 手 であることから, 本 システムによる 技 能 訓 練 は, 実 作 業 における 技 能 訓 練 になり 得 ると 言 える.なお,もし 仮 想 作 業 が 上 手 になった 人 が 実 作 業 では 下 手 であった 場 合, 本 システムによる 訓 練 は 役 に 立 たないばかりか, 悪 影 響 を 与 えかねないことになる. 53

58 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 2.4 結 言 本 章 では, 後 章 の 訓 練 実 験 に 用 いる 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 と 手 溶 接 の VR システム を 構 築 し, 性 能 を 検 討 した. 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の 仮 想 環 境 は, 既 に 開 発 されていた 実 機 旋 盤 と 大 型 液 晶 デ ィスプレイを 用 いた VR システムを 転 用 し 構 築 した.また,その 性 能 を 検 討 した.ただし, 従 来 の 研 究 成 果 から, 本 システムは 少 なくとも 初 心 者 の 訓 練 には 十 分 効 果 を 示 すもの であると 推 測 されるので, 訓 練 前 後 の 技 能 レベルの 比 較 は 行 わず, 所 要 時 間, 円 筒 度 による 形 状 精 度, 内 径 による 寸 法 精 度 について 検 討 した.その 結 果, 以 下 の 結 論 を 得 た. (1) 訓 練 回 数 は 3~5 回 のタスクで 減 少 し,ほぼ 定 常 値 に 達 する. (2) 円 筒 度, 内 径 寸 法 精 度 について 習 熟 特 性 は 認 められない. 一 方, 手 溶 接 作 業 の 仮 想 環 境 は,しゅう 動 抵 抗 補 償 付 き 6 軸 アーム 機 構 を 用 いた, 簡 易 的 な VR 手 溶 接 訓 練 システムを 開 発 し,その 性 能 を 検 討 した.その 結 果, 以 下 の 結 論 を 得 た. (3) 本 システムによる 仮 想 手 溶 接 技 能 訓 練 では,ビードの 溶 接 線 からのずれの 変 動 分,ビード 高 さのばらつき,アーク 消 失 回 数 を 減 少 させることができる. (4) 本 システムでは 手 溶 接 の 物 理 現 象 を 十 分 に 考 慮 していないので,その 訓 練 に より, 実 際 の 手 溶 接 作 業 における 溶 接 線 からのずれやビード 高 さのばらつきを 少 なく できるか, 必 ずしも 明 らかではないが, 仮 想 手 溶 接 作 業 の 技 能 と 実 手 溶 接 作 業 の 技 能 の 間 には 高 い 相 関 関 係 がある. 従 って, 本 システムによる 訓 練 は, 実 手 溶 接 の 技 能 向 上 に 有 効 であると 考 えられる. 54

59 第 2 章 技 能 訓 練 のための 仮 想 現 実 感 環 境 参 考 文 献 [1] 仁 平 宣 弘, 朝 比 奈 奎 一 : 機 械 材 料 と 加 工 技 術 ; 技 術 評 論 社, 東 京,p.187 (23) [2] 加 藤 秀 雄, 小 林 一 彦, 劉 勝 利 : 手 動 工 作 機 械 作 業 における 技 能 習 熟 --- 新 し い 仮 想 旋 盤 の 開 発 とそれによる 微 小 溝 切 り 作 業 の 検 討 --- ; 精 密 工 学 会 誌, 62(7), pp (1996) [3] 加 藤 象 二 郎, 大 久 保 堯 夫 : 初 学 者 のための 生 体 機 能 の 測 り 方 ; 日 本 出 版 サービス, p.179 (1999) [4] 宮 坂 史 和 : アーク 溶 接 プロセスシミュレーシヨンモデルの 開 発 ; 高 温 学 会 誌, 33(3), pp (27) [5] 外 観 試 験 の 合 否 判 定 指 針 制 定 - 日 溶 協 が 溶 接 技 能 者 資 格 認 証 評 価 試 験 で-; 溶 接 技 術, pp (1998.4) 55

60 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 3.1 緒 言 本 章 では, 構 築 した 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR システムを 用 いて, 工 具 剛 性 の 変 化 による 高 効 率 訓 練 方 法 を 提 案 し,その 効 果 を 検 討 する.まず 3.2 では, 工 具 剛 性 に よる 難 易 度 の 違 いの 確 認 実 験 を 行 う.3.3 では, 工 具 剛 性 の 変 化 による 高 能 率 訓 練 を 検 討 する.3.4 では, 訓 練 の 高 能 率 化 の 検 証 実 験 の 実 験 結 果 と 考 察 についての 結 言 を 述 べる. 3.2 工 具 剛 性 による 難 易 度 の 違 いの 確 認 実 験 切 削 中, 工 作 物 から 受 ける 半 径 方 向 切 削 力 により 工 具 は Fig.3.1 に 示 すように 弾 性 変 形 する. 工 具 の 剛 性 は 単 位 変 形 量 あたりの 切 削 力 で 定 義 され, 低 いほど 変 形 は 大 きくなる. 本 研 究 では, 変 形 量 が.15 mm を 超 える 場 合, 工 具 が 破 損 するものとした. 工 具 剛 性 と 作 業 の 難 しさの 関 係 を 確 認 するために, 第 2 章 で 述 べた 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 作 業 の VR システムを 用 い,4 名 の 被 訓 練 者 による 作 業 実 験 を 行 った.すなわち,4 種 類 の 剛 性 の 工 具 で, 手 送 り 中 ぐり 加 工 をそれぞれ 6 回 ずつ 行 わせた.4 種 類 の 工 具 剛 性 は, 別 の 数 名 の 被 訓 練 者 による 予 備 実 験 に 基 づき 535 N/μm,446 N/μm,357 N/ μm,267 N/μm とし,Fig.2.8 中 の 目 標 加 工 長 さ A は 2 mm とした.Fig.3.2 に 示 すよ うに, 中 ぐり 工 具 の 剛 性 は, 穴 径 やシャンクの 長 さ,すなわち 目 標 加 工 長 さによって 大 きく 変 化 し, 剛 性 267 N/μm, 長 さ 2 mm という 値 は 現 実 に 十 分 に 存 在 し 得 る 値 である. しかし, 剛 性 を 大 きくするには 工 具 のシャンクを 太 くしなければならず, 現 実 には 535 N/μm まで 剛 性 を 高 めることは 不 可 能 である.VR を 用 いれば,シャンクを 太 くすること 56

61 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 なく 剛 性 を 大 きくすることが 可 能 であり, 剛 性 が 作 業 の 難 しさに 及 ぼす 影 響 について 検 討 することができる. 作 業 の 難 しさは 工 具 が 折 損 するまでに 加 工 できた 長 さにより 評 価 でき,2 mm に 達 すれば 作 業 は 成 功 となる.なお, 習 熟 過 程 の 影 響 を 避 けるため, 各 被 訓 練 者 の 全 24 回 の 作 業 試 行 において 剛 性 はランダムに 変 わるようにした.また, 被 訓 練 者 は 21~24 歳 の 機 械 工 学 を 専 攻 する 学 生 で,いずれも 研 究 の 趣 旨 は 理 解 してい るが, 旋 盤 操 作 には 未 熟 練 である. Fig.3.3 は 工 具 剛 性 と 各 被 訓 練 者 の 平 均 加 工 長 さとの 関 係 を 示 す.Fig.3.3 から, 一 部 に 逆 の 傾 向 もみられるが, 全 体 的 には 剛 性 が 低 いほど, 平 均 加 工 長 さが 短 くなり, 作 業 が 難 しいことが 確 認 される.なお, 実 際 の 旋 盤 作 業 等 においてこのような 傾 向 が あることは 広 く 知 られており, 本 実 験 結 果 はシミュレーションの 正 当 性 を 確 認 することに もなっている. Fig.3.1 Deformation of cutting tool 57

62 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Tool Fig.3.2 Tool stiffness depending on inner diameter Fig.3.3 Relationship between tool stiffness and mean value of cutting length 58

63 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 3.3 工 具 剛 性 の 変 化 による 高 能 率 訓 練 訓 練 の 高 能 率 化 と 検 証 実 験 の 方 法 前 節 の 結 果 から, 未 熟 練 者 にとって, 低 い 剛 性 の 工 具 で 作 業 するのは 難 しいことで あるが, 始 めは 高 い 剛 性 の 工 具 で 訓 練 し, 成 功 率 が 向 上 したら, 剛 性 を 下 げるように すれば, 少 ない 訓 練 回 数 で,あるいは 短 時 間 で 習 熟 することができる,すなわち 高 能 率 訓 練 が 可 能 と 考 えられる.この 仮 説 を 検 証 するために 改 めて 被 訓 練 者 を 募 り, 作 業 実 験 を 行 った.ただし, 目 標 加 工 長 さ A が 2 mm では 535 N/μm と 446 N/μm の 剛 性 で 1 作 業 に 要 する 時 間 が 1 min 以 上 となり, 被 訓 練 者 の 肉 体 的 疲 労 が 大 きい.そ のため,この 実 験 では 目 標 加 工 長 さ A を 4 mm と 短 くすることとした. 一 方,4 mm にす ると 357 N/μm 以 上 の 剛 性 でタスク 成 功 率 がほぼ 1 %となり, 難 しさの 差 異 がほとん どなくなる.そこで, 数 名 の 被 訓 練 者 による 予 備 実 験 に 基 づき 工 具 剛 性 を 全 体 的 に 下 げ,357 N/μm,25 N/μm,179 N/μm,143 N/μm の 4 種 類 とした.また, 作 業 時 間 を 最 大 45 s に 制 限 し, 制 限 時 間 を 超 える 場 合 も 作 業 は 失 敗 したものとした. 被 訓 練 者 は 22~3 歳 で, 前 記 と 同 じく 旋 盤 作 業 に 未 熟 練 な 学 生 12 人 であり, 無 作 為 に 2 つの 班 に 分 けた.Fig.3.4 に 実 験 スケジュールを 示 す.A 班 の 6 人 は 始 めから 最 も 低 い 剛 性 の 143 N/μm で 訓 練 した.B 班 の 6 人 は 初 期 の 剛 性 を 357 N/μm とし, 成 功 率 が 向 上 したら, 剛 性 を 25 N/μm,179 N/μm,143 N/μm と 下 げる 方 法 で 訓 練 した. 成 功 率 は 連 続 する 3 回 の 作 業 結 果 から 評 価 し, 成 功 率 1 %,すなわち 3 回 とも 成 功 したら, 剛 性 を 1 段 階 下 げることとした.どちらの 班 も, 最 も 低 い 剛 性 143 N/μ m の 工 具 で 成 功 率 が 1 %になったら, 実 験 終 了 とした.また, 疲 労 評 価 のため 作 業 の 始 めと 終 わりにおいてフリッカー 値 の 測 定 を 行 った. 59

64 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 No Flicker test Trial with tool stiffness 143N/μm 3 times continuous success Yes Flicker test (a) Group A No Flicker test Trial with tool stiffness 357N/μm 3 times continuous success Yes No Trial with tool stiffness 25N/μm 3 times continuous success Yes No Trial with tool stiffness 179N/μm 3 times continuous success Yes No Trial with tool stiffness 143N/μm 3 times continuous success Yes Flicker test (b) Group B Fig.3.4 Schedule of experiment 6

65 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 実 験 結 果 と 考 察 評 価 方 法 実 験 結 果 は 訓 練 時 間, 訓 練 回 数, 加 工 長 さ,フリッカー 値 疲 労 測 定, 自 覚 疲 労 評 価 などにより 評 価 した. 以 下 にその 詳 細 を 述 べる.まず 訓 練 時 間 は, 失 敗 した 作 業 も 含 め, 各 作 業 に 要 した 時 間 の 総 和 とした.また, 訓 練 回 数 も 失 敗 した 作 業 を 含 む 作 業 回 数 の 総 和 とした. つぎは 作 業 疲 労 について 述 べる. 作 業 疲 労 の 客 観 的 測 定 として,フリッカー (Critical Flicer Fusion Frequency,CFF) 値 を 利 用 した.フリッカー 値 は, 点 滅 する 光 源 に 注 目 させ,これが 連 続 した 光 にみえるか,ちらついた 光 に 見 えるかの 境 界 における 点 滅 周 波 数 である. 一 般 的 に 精 神 的 疲 労 によってフリッカー 値 が 低 下 することが 知 ら れており,またフリッカー 測 定 は 手 法 にも 時 間 的 にも 被 訓 練 者 や 実 験 者 の 負 担 となら ない 点 から, 産 業 分 野 のワークロードに 関 する 研 究 において 疲 労 指 標 として 広 く 用 い られている. 使 用 した 竹 井 式 フリッカー 測 定 器 を Fig3.5 に 示 す.その 点 滅 速 度 可 変 範 囲 は 6~ 2 Hz で, 下 降 法 により 測 定 した. 本 実 験 では Fig3.4 に 示 すように 作 業 前 後 にフリッカ ー 値 を 3 回 ずつ 測 定 し,それらの 平 均 値 を 算 出 し, 次 式 に 示 す 変 化 率 により 疲 労 の 評 価 を 行 うこととした. [ 変 化 率 ]= ([ 作 業 後 の CFF 値 ]-[ 作 業 前 の CFF 値 ]) [ 作 業 前 の CFF 値 ] (3.1) 61

66 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Fig.3.5 CFF measuring instrument 62

67 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 実 験 結 果 と 考 察 訓 練 回 数 Fig.3.6 は 各 被 訓 練 者 が 行 った 訓 練 の 総 回 数 を 示 す. B 班 は 剛 性 の 違 いを 色 の 違 いで 示 す. 剛 性 が 低 くなるほど 作 業 が 難 しくなるので, 剛 性 が 低 くなるにつれて,その 剛 性 における 訓 練 回 数 が 増 えると 予 測 されたが, 図 か ら 必 ずしもそのようになっていないことがわかる.すなわち,B6 の 被 訓 練 者 はほぼ 予 測 とおりの 傾 向 を 示 すが, 他 の 被 訓 練 者 の 多 くが 2 番 目 に 低 い 剛 性 である 179 N/μm の 場 合 に 訓 練 回 数 が 最 大 となっている.これは,25 N/μm から 179 N/μm への 剛 性 変 化 が 難 易 度 を 大 きく 増 加 させたことを 意 味 すると 思 われる. 班 ごとの 平 均 訓 練 回 数 を 横 線 で 示 す. 明 らかに A 班 より B 班 の 方 が 訓 練 回 数 が 少 ないことがわかる. 平 均 値 について 分 散 分 析 を 行 ったが, 両 者 の 間 に 有 意 水 準 5% で 有 意 差 が 認 められた.このことから, 始 めは 高 い 剛 性 の 工 具 で 訓 練 し, 成 功 率 が 向 上 したら, 剛 性 を 下 げる 訓 練 方 法 は, 総 訓 練 回 数 の 短 縮 に 有 効 であるといえる. Fig.3.6 Trial times for training 63

68 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 作 業 時 間 Fig.3.7,Fig.3.8 は 作 業 ( 空 送 り+ 加 工 作 業 )に 要 した 時 間 の, 訓 練 回 数 に 対 する 変 化 を 示 す. 図 中 の 記 号 で, 中 抜 きの 記 号 (,,, )は 作 業 が 成 功 した 場 合, 中 黒 の 記 号 (,,, )は 工 具 が 破 損 した 場 合, 灰 色 の 記 号 (,,, )は 時 間 が 超 える 場 合 を 示 す. 図 から,B 班 の 約 半 数 の 被 訓 練 者 は 作 業 回 数 とともに 作 業 時 間 が 増 加 する 傾 向 があるが,A 班 の 被 訓 練 者 にはそのような 傾 向 はほとんど 認 めら ず, 毎 回 の 作 業 時 間 のばらつきが 非 常 に 大 きいことがわかる.これは,A 班 の 被 訓 練 者 は 作 業 の 失 敗 する 場 合 が 多 いことに 起 因 するものと 考 えられる. 64

69 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task Task success success Cutting Cutting tool tool broken broken Time Time exceed exceed Task time(s) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B1 Trainee A Task time(s) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B2 Trainee A2 Fig.3.7 Task time of Group A (continued) 65

70 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Task time(s) Number of task Subject B3 Trainee A3 Task success Cutting tool broken Time exceed Task time(s) Number of task Subject B4 Trainee A4 Task success Cutting tool broken Time exceed Fig.3.7 Task time of Group A (continued) 66

71 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Task time(s) Number of task Subject B5 Trainee A5 Task success Cutting tool broken Time exceed Task time(s) Number of task Subject B6 Trainee A6 Task success Cutting tool broken Time exceed Fig.3.7 Task time of Group A 67

72 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Task time (s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A1 Trainee B Task time (s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A2 Trainee B2 Fig.3.8 Task time of Group B (continued) 68

73 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Task time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A3 Trainee B Task time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A4 Trainee B4 Fig.3.8 Task time of Group B (continued) 69

74 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Task time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A5 Trainee B Task time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A6 Trainee B6 Fig.3.8 Task time of Group B 7

75 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Fig.3.9 は 作 業 ( 空 送 り+ 加 工 作 業 )に 要 した 時 間 の 合 計,すなわち 総 訓 練 時 間 を 全 被 訓 練 者 毎 に 示 す. 前 節 の 総 訓 練 回 数 の 図 と 同 様 に B 班 については, 剛 性 の 違 いを 色 の 違 いで 示 す. 訓 練 回 数 と 同 様 に, 剛 性 が 低 くなるほど 作 業 が 難 しくなるので, 剛 性 が 低 くなるにつれ て,その 剛 性 における 総 訓 練 時 間 が 増 えると 予 測 されたが, 図 から 必 ずしもそのように なっていないことがわかる.すなわち,B6 の 被 訓 練 者 はほぼ 予 測 とおりの 傾 向 を 示 す が, 他 の 被 訓 練 者 の 多 くが 2 番 目 に 低 い 剛 性 である 179 N/μm の 場 合 に 訓 練 回 数 が 最 大 となっている.これは, 前 述 したように 25 N/μm から 179 N/μm への 剛 性 変 化 が 難 易 度 を 大 きく 増 加 させたことを 意 味 すると 思 われる. 班 ごとの 平 均 総 訓 練 時 間 を 横 線 で 示 す.A 班 より B 班 の 方 が 平 均 時 間 はやや 少 ないが, 分 散 分 析 では, 両 者 の 間 に 有 意 差 は 認 められなかった. Fig.3.9 Entire time consumption of training 71

76 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 空 送 り 時 間 Fig.3.1,Fig.3.11 は 空 送 り 時 間 ( 工 具 が 初 期 位 置 から 切 削 を 始 めるまでの 時 間 )の 訓 練 回 数 に 対 する 変 化 を 示 す. 図 中 の 記 号 で, 中 抜 きの 記 号 (,,, )は 作 業 が 成 功 した 場 合, 中 黒 の 記 号 (,,, )は 工 具 が 破 損 した 場 合, 灰 色 の 記 号 (,,, )は 時 間 が 超 える 場 合 を 示 す. 図 から,B 班,A 班 ともに 回 数 が 増 えると 空 送 り 時 間 が 減 少 する 被 訓 練 者 が 多 いことがわかる. 被 訓 練 者 A3 が 総 訓 練 回 数 2 のうち, 空 送 り 時 間 が 1 回 目 付 近 まで 増 加 し,その 後, 減 少 するのは 慎 重 な 性 格 に 起 因 すると 思 われるが, 詳 細 は 不 明 である. 72

77 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task Task success success Cutting Cutting tool tool broken broken Time Time exceed exceed Idle feed time(s) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B1 Trainee A Idle feed time(s) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B2 Trainee A2 Fig.3.1 Idle feed time of Group A (continued) 73

78 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Idle feed time(s) Number of task Subject B3 Trainee A3 Task success Cutting tool broken Time exceed Idle feed time(s) Number of task Subject B4 Trainee A4 Task success Cutting tool broken Time exceed Fig.3.1 Idle feed time of Group A (continued) 74

79 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Idle feed time(s) Number of task Subject B5 Trainee A5 Task success Cutting tool broken Time exceed Idle feed time(s) Number of task Subject B6 Trainee A6 Task success Cutting tool broken Time exceed Fig.3.1 Idle feed time of Group A 75

80 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Idle feed time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A1 Trainee B Idle feed time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A2 Trainee B2 Fig.3.11 Idle feed time of Group B (continued) 76

81 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Idle feed time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Trainee Subject B3 A Idle feed time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Trainee Subject B4 A4 Fig.3.11 Idle feed time of Group B (continued) 77

82 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Idle feed time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Trainee Subject B5 A Idle feed time(s) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Trainee Subject B6 A6 Fig.3.11 Idle feed time of Group B 78

83 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Fig.3.12 は, 全 訓 練 作 業 における 空 送 り 時 間 の 平 均 値 を 被 訓 練 者 毎 に 示 す.B 班 の 場 合, 剛 性 が 低 下 した 直 後 の 作 業 では, 後 述 のように 切 削 開 始 直 後 に 工 具 を 破 損 しがちであり,その 時 点 での 送 り 速 度 を 低 下 させるために,A 班 より 空 送 り 時 間 が 長 く なると 推 測 される. 図 をみると,B 班 の 平 均 空 送 り 時 間 は A 班 のそれより 長 く, 前 述 の 推 測 に 合 致 するが, 分 散 分 析 では 両 平 均 値 に 有 意 差 は 認 められなかった. Fig.3.12 Mean idle feed time 79

84 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Fig.3.13 は,B 班 の 被 訓 練 者 の, 剛 性 変 化 直 後 の 作 業 における 平 均 から 送 り 時 間 を 示 す. 剛 性 変 化 直 後 の 作 業 とは, 剛 性 が 変 化 した 後 の,1 回 目 と 2 回 目 の 作 業 とし, 訓 練 初 期 の 1 回 目 と 2 回 目 の 作 業 も 含 めることとした. 図 から 明 らかに B 班 の 剛 性 変 化 直 後 の 平 均 送 り 時 間 が 長 くなることわかる. Fig.3.13 Comparison between idle feed time after change of stiffness and idle feed time of total task 8

85 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 加 工 長 さ Fig.3.14,Fig.3.15 は 加 工 長 さ( 工 具 が 切 削 開 始 位 置 から 作 業 終 了 まで 移 動 した 距 離 )の 訓 練 回 数 に 対 する 変 化 を 示 す. 図 中 の 記 号 で, 中 抜 きの 記 号 (,,, ) は 作 業 が 成 功 した 場 合, 中 黒 の 記 号 (,,, )は 工 具 が 破 損 した 場 合, 灰 色 の 記 号 (,,, )は 時 間 が 超 える 場 合 を 示 す. 作 業 が 成 功 した 場 合, 目 標 形 状 に 手 送 り 中 ぐり 加 工 されるので, 加 工 長 さは 約 4 mm となる. 工 具 剛 性 が 同 じ 場 合, 加 工 長 さは 訓 練 回 数 の 増 加 とともに 長 くなると 予 測 されたが, 図 から 被 訓 練 者 B3 にその 傾 向 がやや 認 められるものの,ほかの 被 訓 練 者 についてはこの 傾 向 が 認 められないこと がわかる. 81

86 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task Task success success Cutting Cutting tool tool broken broken Time Time exceed exceed Cutting length(mm) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B1 Trainee A1 5 Cutting length(mm) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B2 Trainee A2 Fig.3.14 Cutting length of Group A (continued) 82

87 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 5 4 Cutting length(mm) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B3 Trainee A3 5 Cutting length(mm) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B4 Trainee A4 Fig.3.14 Cutting length of Group A (continued) 83

88 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 5 4 Cutting length(mm) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B5 Trainee A5 5 Cutting length(mm) Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject B6 Trainee A6 Fig.3.14 Cutting length of Group A 84

89 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Cutting length(mm) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A1 Trainee B1 5 4 Cutting length(mm) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A2 Trainee B2 Fig.3.15 Cutting length of Group B (continued) 85

90 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 5 4 Cutting length(mm) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Trainee B3 Subject A3 5 4 Cutting length(mm) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A4 Trainee B4 Fig.3.15 Cutting length of Group B (continued) 86

91 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 5 4 Cutting length(mm) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Number of task Subject A5 Trainee B5 5 4 Cutting length(mm) Stiffness357N/μm Stiffness25N/μm Stiffness179N/μm Stiffness143N/μm Task success Cutting tool broken Time exceed Nunber of task Subject A6 Trainee B6 Fig.3.15 Cutting length of Group B 87

92 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Fig.3.16 は, 加 工 長 さの 平 均 値 を 被 訓 練 者 毎 に 示 す.Fig.3.16 (a)と (b)は B 班 の 平 均 算 出 方 法 が 異 なり,Fig.3.16 (a)は 全 タスクの 平 均 加 工 長 さを,Fig.3.16 (b)は 工 具 剛 性 が 最 も 低 い 剛 性 のみの 平 均 加 工 長 さを 示 す. 両 図 共 に 各 班 の 平 均 値 をみると,B 班 の 加 工 距 離 は 明 らかに A 班 より 高 いことがわかる. 分 散 分 析 でも 両 平 均 値 に 有 意 水 準 2.5 %で 有 意 差 が 認 められた.B 班 は A 班 より 失 敗 回 数 が 少 なく, 訓 練 回 数 も 少 ないため,この 結 果 は 当 然 のことである. (a) (b) Fig.3.16 Mean cutting length 88

93 第 3 章 仮 想 環 境 による 手 送 り 中 ぐり 旋 盤 技 能 の 高 効 率 訓 練 Fig3.17 は A 班 と B 班 のそれぞれの 作 業 の 加 工 長 さの 分 布 を 表 す. 図 の 縦 軸 は 全 訓 練 回 数 に 対 する 相 対 的 な 作 業 回 数 の 割 合 を 示 す. 図 を 見 ると,A 班 と B 班 はどち らも. mm と 4. mm の 近 くに 多 く 分 布 している.また,. mm の 近 くの 分 布 は,B 班 が A 班 より 低 い.これは,B 班 の 訓 練 方 法 では 訓 練 始 めの 失 敗 率 が 低 いことに 起 因 する. Group A (mm) Group B (mm) Fig.3.17 Distribution of Cutting length of group A and group B 89

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