JPH0473497A

JPH0473497A - 作業の安全システム構成方法

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Publication number: JPH0473497A
Application number: JP2185214A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yomogihara; 弘一蓬原; Akira Sugimoto; 旭杉本; Masao Kouden; 向殿　政男
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1992-03-09
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: US5345138A; DE69115373T2; JP2610542B2; EP0467082A3; EP0467082A2; DE69115373D1; EP0467082B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、作業の安全システム構成方法に関する。

〈従来の技術〉例えば、機械側可動部と人が協調して作業する作業シス
テムや爆発を伴うガス設備等では、作業者の安全対策が
極めて重要である。

例えば、人と機械（例えばロボット）とが共通の作業空
間において交互に作業する（例えば人が作業空間にワー
クを搬入し、ロボットが加工する）場合、事故は人体の
一部とロボットのアームか衝突し、アームのもつエネル
ギか人体に伝達されることによって起こる。

このような作業システムにおける従来の一般的な安全シ
ステムとしては、機械可動部の作業領域に、例えば光レ
ーダセンサからの光信号を投光し、その光信号か作業者
で反射されて受光された時を危険状態として機械可動部
の作業を停止させるようにしている。即ち、従来の安全
システムの考え方は、危険状態（作業空間に作業者か存
在する）を検出することにより、機械側の作業停止を行
うことで作業者の安全を確保するようにしている。

〈発明か解決しようとする課題〉しかしながら、このような従来の安全システムの場合、
光レーダセンサの投光側に故障が発生して光信号が作業
領域に投光されないと、機械可動部の作業領域に作業者
が居るにも拘わらず光信号の受光がないため、作業者が
居ないと判断され機械可動部による作業が実行されると
いう危険な誤り状態が発生するという問題かあり、従来
の安全システムでは、必ずしも作業者の安全か確保され
ない場合か存在する。

本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、作業
者の安全を確実に確保することのできる作業の安全シス
テム構成方法を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段及び作用〉このため本発明
は、作業者と機械とが協調して作業を行う作業空間にお
ける作業者の安全を確保するに際し、畠カエネルギ状態
を２値変数として論理値１、０て表すとき、高エネルギ
状態に相当する論理値１の作業許可信号か発生したとき
のみ、作業空間に対する機械側の作業実行エネルギを発
生させるようにする。

また、前記作業許可信号は、センサが作業空間に作業者
が存在しない安全状態を確認したときのみ発生するよう
にする。

また、センサの発生する作業許可信号には、否定論理演
算を含まないようにする。

更に、安全状態及び安全でない状態（危険状態）を示す
安全情報を２値の論理値で表し、安全状態を論理値１、
危険状態を論理値０としたときに、センサでエネルギが
受信されるとき若しくは高エネルギ状態であるときを論
理値１とし、エネルギか受信されないとき若しくは低エ
ネルギ状態であるときを論理値Ｏとすることによって、
センサの受信エネルギ状態と該エネルギ状態に対応して
示される情報としての安全状態とが一致するようにする
。

このようにすることにより、センサか安全を確認して高
エネルギ状態の作業許可信号を出力しない限りは、機械
側から作業実行のエネルギか発生することがなく、しか
も、故障時に作業許可信号が発生することがないので、
人と機械との衝突による事故を防止でき、安全を確実に
確保できるようになる。

〈実施例〉以下、本発明の安全システム構成方法について人と機械
とが共通の作業空間で交互に作業する場合の人間・機械
作業システムを例として説明する。

第１図は本実施例の人間・機械作業システムを説明する
ためにモデル化したもので、作業空間は、例えば人がワ
ークを搬入し機械が加工するというような、人（作業者
）と機械可動部（例えばロボットのアーム）が交互に作
業する空間を示し、機械空間と人間空間は、人と機械可
動部か衝突できない（安全な距離か保たれている）空間
、即ち、安全な空間を示す。

かかる人間・機械作業システムにおいて、作業空間で人
と機械可動部の衝突事故か起こらないようにするために
は、少なくとも機械可動部か作業空間に居ないとき人か
作業空間に移動し、人か作業空間に居ないとき機械可動
部か作業空間に移動する構成が必要である。

このような作業の安全システムの構成方法をモデル化す
ると第２図のように表すことがてきる。

図において、ＭＸは、機械空間にいる機械可動部か命令
を受けて作業空間に移動しようとする意志（意志有りを
１．意志無しを０とする）、Ｐ。

は、作業空間における機械可動部の作業実行エネルギ（
エネルギ有りを１．エネルギ無しを０とする）、ＨＸは
人間空間にいる人が作業空間に移動しようとする意志（
意志有りを１．意志無しを０とする）、Ｈｏは作業空間
における人の作業実行エネルギ（エネルギ有りを１．エ
ネルギ無しを０とする）をそれぞれ表す２値の論理変数
である。

即ち、人が作業空間に移動して作業を実行する（Ｈｏ＝
１となる）には、機械可動部が作業空間で作業を行って
いないことをセンサｓｈて確認し、このセンサｓｈの作
業許可信号（論理値１）と人の作業意志Ｈｘ＝１とを論
理積要素Ｇｈにより判断して、作業者の意志Ｈｘ＝１を
Ｈｏ＝１として出力させる。この場合、センサｓｈは人
の目であり、論理積要素Ｇｈは人の頭脳である。一方、
機械可動部が作業空間に進入して作業を実行する（Ｐｏ
＝１となる）には、人が作業空間で作業を行っていない
ことをセンサＳｍで確認し、このセンサＳｍの作業許可
信号Ｐｅ　（Ｐｅ　＝１）と機械可動部の意志Ｍｘ＝１
とを論理積要素Ｇｍにより判断して、機械可動部の意志
Ｍｘ＝１をＰｏ＝１として出力させる。

従って、人は明らかに危険であることを知りつつ危険行
為は行わないものとすれば、かかる作業の安全システム
を構成するには、少なくとも人か作業空間で作業をして
いないときのみ、言い換えれば、センサＳｍから作業許
可信号（論理値ｌ）か出力されたときにのみ機械可動部
か作業を実行するという構成か不可欠である。即ち、第
３図に示すような構成か、確実に安全を確保することの
できる作業の安全システムを構成するのに不可欠である
ということになる。図において、作業許可信号Ｐｅは作
業空間の安全情報の入力に基つき作業空間か人のいない
安全状態を意味するときＰｅ＝１（エネルギ有り）、作
業空間に人がいる危険状態を意味するどきＰｅ＝Ｏ（エ
ネルギ無し）とする。

次に第３図の安全システムを構成するためのセンサの構
成方法を第４図及び第５図に基づいて説明する。

今、安全情報を２値の論理変数Ｓで表し、Ｓ＝１を安全
状態、Ｓ−〇を危険状態とすることにする。

第４図において、Ｋは安全状態を表す論理変数Ｓの否定
である（Ｋ＝１は危険を意味しエネルギ有りの状態に相
当し、Ｔ＝ｏは安全を意味しエネルギ無しの状態に相当
する）。Ｓ工、はセンサ、Ｎは否定演算回路を示し、セ
ンサＳ工、と否定演算回路Ｎとで第３図のセンサＳｍ＋
に相当する。

かかる構成の場合、センサＳｍｌか危険状態（Ｋ＝１）
を検出し、この検出結果（”ｆｆ’＝１）を否定演算回
路Ｎで否定して出力信号Ｐｅ＝Ｏを生成することを意味
している。

この場合、否定演算回路Ｎの入力信号の論理値が０にな
ったとき否定演算回路Ｎが正常であれば、安全を示す作
業許可信号Ｐｅ＝１の出力が発生することになる。この
ことは、例えばセンサＳ＋ｏｌと否定演算回路Ｎとの間
を接続するラインｌが断線したようなときにも発生する
。即ち、第４図のセンサ構成では、否定演算回路Ｎの入
力側で故障か起こった場合、安全状態を示す許可信号Ｐ
ｅ＝１か発生するという誤りを起こす可能性が存在する
。

一方、第５図では、危険状態Ｋを否定演算回路Ｎて否定
した情報をセンサＳ　ｍ２で検出し、その検出結果とし
て許可信号Ｐｅを出力するようにしている。ここて、セ
ンサＳ。２が第３図のセンサＳｍに相当する。

そして、危険状態否の否定をセンサＳ。２か検出するこ
とは、センサＳ、、□は直接安全状態（Ｓ＝１）を検出
することを意味している。この場合、センサＳ　ｍ２か
故障時に必ずＰｅ＝Ｏに誤る構成（フェールセーフ構造
）であるならば、センサＳ　ａ＋２の入力側に故障か生
じたときはＰｅ＝Ｏとなり、機械可動部の作業実行を許
可する許可信号Ｐｅか、第４図に示すもののようにＰｅ
＝１に誤ることはない。

即ち、第３図の作業の安全システムにおいて、センサＳ
ｍは、安全状態（Ｓ＝１）を直接検出する必要があり、
センサＳｍはＰｅ＝１に誤ることが許されず、また、論
理積要素Ｇｍは出力Ｐｏ＝１に誤ることが許されない。

ここで、第３図において、安全情報を示す論理変数Ｓと
許可信号Ｐｅと出力信号Ｐｏの間には、少なくとも論理
値が１となる誤りが許されない関係（ユネイトな論理的
関係）か成立しなければならない。

一方、論理積要素Ｇｍが、許可信号ＰｅかＯのときには
、故障状態にあったとしても決してＭｘ＝１をＰｅ＝１
として伝達しない特性を有すれば、機械側の意志Ｍｘに
は、Ｍｘ＝１の誤りか許される。即ち、安全を確保すべ
き作業空間か安全状態（Ｓ＝１）にあれば、たとえＭＸ
＝１か誤って発生して出力Ｐｅ”１か発生しても実害は
なく、少なくとも事故は起こらない。ここに、論理積要
素Ｇｍがたとえ故障状態にあっても、Ｐｅ＝ＯのときＭ
Ｘ＝１をＰｅ＝１として伝達しない特性をもつとは、２
人力論理積要素Ｇｍは、少なくとも１人力では決してＰ
ｏ＝１の出力を発生しない特性を有する必要がある。こ
のため、通常の論理処理で利用されるＣ　−ＭＯＳによ
る２人力論理積回路では、故障時高エネルギ状態の論理
レベルが生じる可能性があり、また、一方の入力信号か
ないのに他方の入力信号だけで高エネルギ状態の出力信
号を生じる可能性かあり、第３図の論理積要素としては
使用できない。

第３図の論理積要素として使用できる論理積演算回路の
実施例を第６図に示す。

図において、Ｒ１−Ｒ５は抵抗、Ｑｌ−Ｑ９はトランジ
スタ、Ｄ、ＤＩ、Ｄ２はダイオード及びＣ１，Ｃ２はコ
ンデンサを示す。Ｅは回路の電源。

電圧、■、２は入力端子、ＯＵＴは出力端子を示す。

次に動作を簡単に説明すると、入力端子１，２に入力電
圧か印加されていないときは、トランジスタＱ１、Ｑ５
はＯＮ状態にある。入力端子１゜２に共に所定の電圧が
印加されると、Ｑ１０ＦＦ→Ｑ２　ＯＦＦ　＋Ｑ３０Ｎ
−Ｑ４　ＯＦＦ→Ｑ５ＯＦＦ　４Ｑ６　ＯＦＦ→Ｑ７０
Ｎ−ＱＩ　０Ｎ−Ｑ２　ＯＮ→Ｑ３０ＦＦ−Ｑ４ＯＮ→
Ｑ５ＯＮ−Ｑ６ＯＮ→Ｑ７ＯＦＦ→・・・と順次トラン
ジスタＱ１〜Ｑ７がＯＮとＯＦＦを繰り返して発振する
。この発振出力はダイオードＤを介してトランジスタＱ
８゜Ｑ９に伝達されて増幅され、コンデンサＣＩ、Ｃ２
とダイオードＤｉ、Ｄ２で構成される倍電圧整流回路（
電源電圧Ｅに重畳する）を介して直流出力として出力端
子ＯＵＴから出力される。ここて、この回路の発振条件
は入力端子１．　２の入力電圧をＶ１、Ｖ２とすると、
入力電圧Ｖ１、Ｖ２か共に、を満たすことである。これにより、論理積機能を有する
ことが判る。また、この発振回路は、いずれの抵抗Ｒ１
−Ｒ５に断線故障が生じても、いずれのトランジスタＱ
１〜Ｑ９に故障か生じても発振できない特性を存する。

即ち、２つの入力端子に入力信号かないのに直流の出力
を発生することはなく、且つ２つの入力端子の一方の入
力信号だけで出力を発生しないフェールセーフな特性を
もつ。尚、整流回路で電源電圧Ｅに重畳するのは、同一
の論理積要素を従属接続する場合、後段の論理積要素が
発振できる入力条件を作るためである。

次にセンサによる安全情報検出の実施例を第７図及び第
８図に示す。

第７図は安全を確保すべき空間（作業空間）の状態を直
接監視する場合の実施例である。

図において、１１は発振器、１２は発光素子で、これら
で投光器１３を構成して交流の光ビームを安全を確保す
べき作業空間Ｘに放射する。１４は受光素子、１５は交
流増幅器で、これらで受光器１６を構成し、投光器１３
から放射された光ビームを受光して出力を発生する。１
７は整流回路で受光器１６からの交流出力を整流して直
流の出力信号Ｐｅを生成する。

かかるセンサ構成によれば、作業空間Ｘに障害物、例え
ば作業者かいるときは、投光器１３がら放射された光ビ
ームは作業者で遮られて受光器１６に到達せず、出力信
号Ｐｅ＝Ｏとなる。また、作業空間Ｘに作業者かいない
ときは、投光器１３がら放射された光ビームは受光器１
６に到達して受光されて出力信号Ｐｅ＝１か出力される
。

また、第８図は第７図のように安全を確保すべき空間（
作業空間）の状態を直接監視するのではなく、人か安全
な人間空間Ｙに戻ったことを検出する、即ち、安全を確
保すべき作業空間Ｘを間接的に監視する場合の実施例で
ある。尚、第７図と同一要素には同一符号を付して説明
を省略する。

この場合は、人間空間Ｙに作業者かいないときは、投光
器１３から放射された光ビームは作業者で反射されず受
光器１６に到達せず、出力信号Ｐｅ＝０となる。また、
人間空間Ｙに作業者がいるときは、投光器１３から放射
された光ビームは作業者で反射されて受光器１６に到達
して受光されて出力信号Ｐｅ＝１が出力される。

即ち、第７図のセンサ構成は、安全を確保すべき作業空
間Ｘに作業者がいないときが安全状態（Ｓ＝１）を意味
し、第８図のセンサ構成は、人間空間Ｙに作業者がいる
ときが安全状態（Ｓ＝１）を意味している。一方、受光
素子１４で受信される光ビームのエネルギは、いずれの
場合も安全状態（Ｓ＝１）であるとき受信され高エネル
ギ状態となる。

ここで、第７図の安全情報検出方法において、第８図に
示すレーダ構造のセンサを使用すると、作業空間Ｘに作
業者がおらず安全状態（Ｓ＝１）を意味するときには、
投光器１３側の放射光ビームは受光器１６側に受信され
ず受光素子１４の受信エネルギはない。また、第８図の
安全情報検出方法において、第７図に示す透過構造のセ
ンサを使用すると、　人間空間Ｙに作業者かいて安全状
態（Ｓ＝１）を意味するときには、投光器１３側の放射
光ビームは受光器１６側に受信されず受光素子１４の受
信エネルギはない。そして、これらの場合、作業許可信
号Ｐｅ＝１を生成するには、センサの出力側に否定演算
回路か必要となり、第４図に示すセンサ構造と同じとな
り、故障て発光しないときにも作業許可信号Ｐｅ＝１が
発生することになって危険側に誤りる可能性かある。

以上のことがら、安全情報を検圧するセンサを構成する
ためには、安全情報（安全状態Ｓ＝１゜危険状態５−０
）とセンサの受信エネルギ状態とが一致することが必要
であり、安全状態を高エネルギ状態で検出するセンサを
使用することが必要である。

このことは、第９図に示すセンサからも明らかである。

第９図に示すセンサは、例えば、ロボットのホールド状
態（電源は入っているか可動部を停止させている状態）
で、作業者か可動部近傍でロボットのメンテナンスを行
っている場合、もし、可動部駆動用モータに誤って電流
か流れた時に電源を遮断する安全システムにおいて有効
なセンサである。

図において、２１は発振器、Ｒは抵抗、２２は可飽和磁
性コア、ＴＩ、Ｔ２は可飽和磁性コア２２にそれぞれ巻
回された１次巻線と２次巻線、２３は増幅器、２４は可
動部駆動用モータの電流Ｉか流れるモータの通電線を示
す。

かかる構成によれば、モータ通電線２４に電流Ｉか流れ
ていないときには、１次巻線ＴＩからの交流信号か２次
巻線Ｔ２に受信されて出力信号Ｐｅが生じ、通電線２４
に電流■か誤って流れると、可飽和磁性コア２２か飽和
して１次巻線Ｔ１からの交流信号か２次巻線Ｔ２側に伝
達されなくなる。

即ち、モータ電流か流れない安全状態（Ｓ＝ｌ）のとき
には、２次巻線Ｔ２側の入力エネルギは高い状態となり
、モータ電流か誤って流れ可動部か動く危険のある危険
状態（Ｓ＝Ｏ）のときには、エネルギ無しの状態となる
。

尚、センサには、前述のように外部からエネルギを与え
てそのエネルギの受信の有無で安全情報を得る構造のも
のの他に、太陽電池や騒音を抽出するマイクロホンや温
度センサのように検出対象の持つエネルギを直接検出す
る直動変換タイプのセンサがある。このようなセンサの
１っである、人体から放射される赤外線を検出する赤外
線センサを第７図及び第８図におけるセンサとして使用
した場合、第７図の作業者が存在しないときを安全状態
とするシステムでは、受信エネルギが無しのときか安全
状態となるので、安全状態を論理値１とするには、否定
演算処理か必要となる。従って、このようなセンサは、
第８図に示す安全を確保すべき空間を間接的に監視する
安全システムには有効であるか、直接監視する第７図の
安全システムには適用できない。

これらセンサをフェールセーフに構成するための方法の
１つとしては、送信側で交流信号を発生し、この交流信
号を受信側で増幅する方法がある。

この場合の受信側における増幅回路と整流回路の実施例
を第１Ｏ図に示す。

図において、０３〜Ｃ５はコンデンサ、Ｒ６とＲ７は抵
抗、Ｄ３とＤ４はダイオード、ＱＩＯはトランジスタで
、抵抗Ｒ６，Ｒ７とトランジスタＱ１０でエミッタ接地
の交流増幅器を構成し、コンデンサ０３〜Ｃ５とダイオ
ードＤ３．Ｄ４とで構成される倍電圧整流回路を構成し
ている。また、Ｅは交流増幅器の電源電圧、ａは倍電圧
整流回路の出力電圧であり、出力電圧ａがあるとき作業
許可信号Ｐｅ＝１、出力電圧ａか無しのときＰｅ＝０と
なる。Ｓｃは受光器１６から増幅器に入力する交流入力
信号を示す。

かかる構成において、抵抗Ｒ６，Ｒ７又はトランジスタ
Ｑ１０に断線又は短絡の故障か生じた場合、交流信号か
生じない。また、この増幅器の出力信号（トランジスタ
ＱＩＯのコレクタ出力信号）は、整流回路を構成するコ
ンデンサＣ４によって電源電圧Ｅに重畳されて整流され
る。このため、整流回路の出力信号ａは、第９図の回路
を構成する電気的要素のいずれに故障か生じても、入力
信号Ｓｃがないときに生じるということはなく、フェー
ルセーフな構成である。

〈発明の効果〉以上説明したように本発明によれば、機械か作業する空
間の安全をセンサて確認し、安全か確認されたときに機
械可動部の可動を許可する許可信号を発生させ、この許
可信号が発生したときのみ機械可動部が可動できるよう
にしたのて、危険状態を検出して機械可動部の可動を停
止させる従来システムのようにセンサ故障時には危険状
態の検出ができず機械可動部か可動する虞れかあり必ず
しも安全か確保されないのに比べて、センサ故障時には
許可信号か発生されず機械可動部か可動することがなく
安全を確実に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する人間・機械作業システムをモ
デル化した図、第２図は同上作業システムで安全か確保
されるためのシステム構成図、第３図は本発明に係る安
全システムの構成方法をモデル化した図、第４図及び第
５図は本発明に適用するセンサの基本構成を説明するた
めの図、第６図は第３図の論理積要素の一実施例を示す
論理積演算回路図、第７図〜第９図は本発明におけるフ
ェールセーフなセンサのそれぞれ別の実施例を示す構成
図、第１０図はセンサをフェール上１フに構成するため
の増幅及び整流回路の実施例を示す回路図である。１１、２１・・・発振器　　１２・・・発光素子　　１
３・・・投光器　　１４・・・受光素子　　１５．２３
・・・増幅器　　１６・・・受光器　　１７・・・整流
回路　　２２・・・可飽和磁性コア２４・・・通電線　
　Ｓｍ・・・センサ　　Ｇｍ・・・論理積要素

Claims

【特許請求の範囲】

（１）作業者と機械とが協調して作業を行う作業空間に
おける作業者の安全を確保するに際し、出力エネルギ状
態を２値変数として論理値１、０で表すとき、高エネル
ギ状態に相当する論理値１の作業許可信号が発生したと
きのみ、作業空間に対する機械側の作業実行エネルギを
発生させることを特徴とする作業の安全システム構成方
法。
（２）前記作業許可信号は、センサが作業空間に作業者
が存在しない安全状態を確認したときのみ発生すること
を特徴とする請求項１記載の作業の安全システム構成方
法。
（３）センサの発生する作業許可信号には、否定論理演
算を含まないことを特徴とする請求項２記載の作業の安
全システム構成方法。
（４）安全状態及び危険状態を示す安全情報を２値の論
理値で表し、安全状態を論理値１、危険状態を論理値０
としたときに、センサの受信エネルギ状態と該エネルギ
状態に基づく安全情報とが一致することを特徴とする請
求項２又は３記載の作業の安全システム構成方法。