農業ロボットの安全システムに関する研究
－シミュレーションによる安全性と作業効率の評価－

Research on Safety Systems of Agricultural Robots
– Evaluation of Safety and Work Efficiency by Computer Simulation –

山田大暁

1. はじめに
本研究は，農業のロボット化が進む中で安全かつ作業効率の良い人間協調型農業ロボットの開発を最終目標とし，複数の人間に対する危険度関数を提案した。さらに，コンピュータシミュレーションによってトレードオフの関係にある安全性と作業効率を数値化し，その評価を行った。

2. 危険度関数
人間に対する危険性の程度を数値化し，その値に応じた制御を行うために，危険度関数Dを定義した。
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Lはロボットアーム（以下アーム）の先端部分と人間の頭部の距離，kは係数，iは人間の識別記号である。これまでは，一人の人間を想定していたが，今回は複数の人間が存在する場合の危険度を検討した1)。まずは各人の危険度をそれぞれ算出し，それらの①最大値，②合計値，③平均値，④重み付け（距離），⑤重み付け（危険度）を求めて5種類の関数を再定義した。これらの関数を用いてシミュレーションによって安全性と作業効率を数値化した。危険度が上昇するとアームは動きを制御され安全性が向上するので，安全性 (S)は危険度の累積値を基に算出した。また，作業効率 (E)はアームの移動距離に基づいて算出した。さらに両者を評価するために，大きさS×EおよびバランスE/Sをそれぞれ設定した。なお，SとEは比較しやすいよう上限値を10とした。実験では2人の人間 (i = a, b) を想定した。

3. 実験方法
大規模トマト生産施設での作業を想定した際に，ロボットと同一あるいは隣接した作物列間で人間が直進や停止して作業することが多くなると予想されたため同様の動きで実験を行った。アームは作物列に対して作業をすることを想定して0.25 m/sでの往復等速直線移動しており，危険度が25を超えると減速し，100を超えると停止するよう設定している。そのため危険度関数①～⑤の算出においても100を上限とした。予想される人間の移動，停止などの動きを複数用意し，危険度関数Dの①～⑤におけるSとEを比較し，安全性と作業効率を評価した。

4. 実験結果および考察
危険度関数②（合計値）の実験結果例をFig. 1，2，Table 1に示す。Fig. 1は人間とアームの動き，Fig. 2の上図は人間a, bの各危険度と危険度関数②の推移，下図はそれに対応したアームの速度を表している。a, bのアームへの接近にともない危険度が上昇し (ⅰ)，危険度が100に達した時点でアームが停止した (ⅱ)。その後，aは停止したままであるが，bがアームから離れたためDが低下した。その結果アームが動き出し，aの危険度が一時的に上昇した (ⅲ)。Table 1には各危険度関数の結果を示す。危険度関数③のSは最も小さな値となったが，Eは他の1.5倍程度の値を示しておりS×Eは最も高い値を示し，SとEのバランスを表すE/Sも5つの中では最も高い値となった。他の危険度関数においても，SとEはトレードオフの関係を示しており，作業の状況や目的に応じて危険度関数を選択することが望まれる。
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Fig.1 Movements of workers and robot arm

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Fig.2 Simulation results with danger function ②

Table 1 Comparison of safety and work efficiency calculated from each danger function
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