人の動きを予測できても、安全判断では予測の不確実性をどう扱うかが問われます。
先に結論
人と協働するロボットの近接安全は、「人を検知したら停止する」か「AIの予測に任せる」かの二択ではない。人体の占有領域をロボットの危険源と同じ座標系で扱い、検出遅延、遮蔽、位置誤差、相対速度、ロボットの停止距離を含めて保護分離距離を継続評価することが基本になる。
分離距離を保証できる間は通常速度または制限速度で運転し、制限速度でも境界を維持できない場合は保護停止へ移行する。センサー故障、追跡断絶、通信・同期異常などで保証が失われた場合は、最後の推定値や予測値で運転を継続しない。予測軌道は先回りした速度制限の補助には使えるが、それだけを安全バリアとして扱うべきではない。
なぜ動的な評価が必要か
協働ロボットでは、人が作業領域に入ること自体が直ちに異常とは限らない。ロボットの速度、工具の形状、人体との距離、制動性能に応じて、通常動作、速度制限、保護停止を使い分ける必要がある。一方、検出から制動開始までに時間がかかれば、検知時点では安全に見えても、ロボットはその間に人体へ接近する。
そのため設計対象は人体検出器だけではない。センサー、推定器、通信、制御器、ドライブ、ブレーキを含む安全機能全体を、リスクアセスメントと安全関連制御系の要求に結び付ける必要がある。ISO/TS 15066は速度・分離監視などの協働運転方式を扱い、ISO 12100は危険源の同定、リスク低減、妥当性確認を含む設計プロセスを示している。
位置・速度・予測軌道の扱い
人体の位置は一点ではなく、人体または身体部位の占有領域として表現する。人体、ロボットの危険点、工具、周辺設備を共通座標系へ変換し、センサーの位置誤差、時刻同期と検出の遅延、遮蔽、複数人の識別不確実性を危険側に評価する。
安全レーザースキャナなどが保護フィールドへの侵入状態だけを出力する場合、その出力から連続的な位置や速度を直接得られるとは限らない。連続トラッキングを利用する場合は、時刻付きの位置推定から危険源への相対速度、つまり接近速度を算出する。平滑化や外れ値除去を行う場合も、更新遅延、推定誤差、トラッキング断絶を考慮し、瞬間値をそのまま安全入力にしない。
予測軌道は、将来位置を示す一本の確定線ではない。人の動きは周囲の人、物体、環境、相互作用、作業意図に依存し、予測ホライズンが長いほど不確実性が増す。したがって短時間先の複数の軌道候補を包絡する占有領域として扱い、最大接近速度と位置不確実性を含めてロボットの停止包絡との重なりを評価する。遮蔽、信頼度低下、追跡断絶、想定外の加速度が起きた場合は、予測を無効化して保守側へ遷移させる。
flowchart LR
A["センサー入力\n時刻付きデータ"] --> B["時刻同期・共通座標系への変換"]
B --> C["人体・身体部位の\n占有領域を推定"]
C --> D["追跡・接近速度・\n不確実性を推定"]
D --> E["短時間の複数軌道を\n占有包絡として評価"]
E --> F["ロボットの停止包絡と\n保護分離距離を評価"]
F --> G{"分離距離を\n保証できるか"}
G -->|"余裕がある"| H["通常動作"]
G -->|"制限速度なら保証可能"| I["速度制限"]
G -->|"保証できない"| J["安全関連の保護停止"]
D --> K{"追跡・同期・検出系に\n異常があるか"}
K -->|"いいえ"| E
K -->|"はい"| L["保守側へ遷移"]
L --> I
L --> J
E -.-> M["予測は補助情報\n安全バリア単独ではない"]
M -.-> F分離距離から速度制限へ
保護分離距離の考え方では、人体の接近速度、システム全体の応答時間、ロボットの停止距離、人体または身体部位の侵入距離、センサーと位置推定の不確実性を考慮する。ISO 13855の基本関係は、接近速度をK、総応答時間をT、侵入距離をCとして S=K×T+C で表される。
ただし、この式は保護装置の配置に関する基本的な考え方であり、協働ロボットの停止包絡、工具の到達範囲、予測軌道を同じ式へ機械的に追加できることを意味しない。停止移動距離の工学的な近似としては、次の式で検討できる。
d_stop ≒ v×T_total + v²/(2a_brake)
ここで v はロボット速度、T_total は検出から制動開始までの総時間、a_brake は制動減速度である。実際の安全値には不確実性マージンを加え、実機測定と妥当性確認によって確定する。速度上限は、現在距離だけでなく、予測された最大接近、制御遅延、機械的な制動性能を含めても、保護分離境界を越えずに停止できる最大速度として定める。
検出方式と出力の比較
| 方式 | 主な出力 | 確認すべき点 | 主な役割 |
|---|---|---|---|
| 保護フィールド侵入検知 | 設定領域への侵入状態 | 安全定格出力、応答時間、故障検出、認証範囲 | 速度制御・停止 |
| 連続トラッキング | 時刻付きの人体位置や身体部位 | 座標誤差、遅延、遮蔽、複数人、更新断絶 | 距離・接近速度の評価 |
| 速度推定 | 連続位置から得た相対速度 | 平滑化、外れ値、推定誤差、遅延 | 動的速度上限の補助 |
| 軌道予測 | 将来位置の分布または占有領域 | 予測時間、信頼度、異常時の無効化 | 先回りした制限の補助 |
安全レーザースキャナ、3D深度カメラ、レーダー、ウェアラブルデバイスの選択は、方式名だけで決められない。検出対象、位置精度、速度取得能力、遮蔽耐性、遅延、故障検出、安全認証、安全関連制御への組み込み可否を、対象環境とリスクアセスメントに照らして評価する。ISO/TS 15066やISO 13855は、特定のセンサー、フィルタ、機械学習モデルを一律に指定していない。
状態遷移と安全チャネル
実装では、少なくとも次の状態を明示する。
- 通常動作：人体の占有領域、予測包絡、停止包絡を含めて分離距離を維持できる。
- 速度制限：接近が予測される、または余裕が減少しているが、制限速度なら境界を越えずに停止できる。
- 保護停止：急接近、許容速度でも距離を確保できない、センサー故障・遮蔽、通信・同期の規定外れが発生した。
- リセット待ち・再起動：危険状態の解消、停止状態、リセット操作、再起動条件を確認してから復帰する。
予測や3D認識を計画最適化に使う場合でも、安全停止の経路と補助的な予測経路は分ける。予測経路の信頼度が低下したとき、安全経路が保守側へ遷移できる構成にする。研究用の連続トラッキング結果を、そのまま安全定格の速度入力や停止入力とみなせるかは、製品仕様、認証範囲、安全機能の構成、妥当性確認に依存する。
stateDiagram-v2 [*] --> 通常動作 通常動作 --> 速度制限: "接近予測または余裕の減少\n制限速度なら分離距離を保証" 通常動作 --> 保護停止: "急接近・分離距離を保証できない" 通常動作 --> 保護停止: "センサー故障・遮蔽・通信や同期の規定外れ" 速度制限 --> 通常動作: "分離距離の余裕を再確認" 速度制限 --> 保護停止: "制限速度でも保証できない\nまたは異常が発生" 保護停止 --> リセット待ち・再起動: "危険状態の解消と停止状態を確認" リセット待ち・再起動 --> 通常動作: "再検出・リセット操作・再起動条件を確認" リセット待ち・再起動 --> 保護停止: "再検出または再起動条件を満たさない" state "通常動作" as 通常動作 state "速度制限" as 速度制限 state "保護停止" as 保護停止 state "リセット待ち・再起動" as リセット待ち・再起動
制約と採用判断
最も避けるべきなのは、予測が当たることを安全の前提にする設計である。人の軌道は複数の妥当な候補を持ち、長い予測ホライズンほど包絡が広がる。現在距離だけで速度を決める設計も、検出遅延と停止距離を含まないため不十分になりうる。
実際の停止距離は、速度、ペイロード、姿勢、工具、床面、ブレーキ温度、機械摩耗、制御周期、負荷慣性で変化する。要求性能レベルまたはSIL、停止カテゴリ、診断、リセット条件、再起動条件は、センサーからアクチュエータまでの安全機能全体を対象に、リスクアセスメントと妥当性確認で決める。
動的な速度制限を採用する条件は、人の位置と接近を継続評価でき、制御遅延と停止性能を含む安全距離を実機で確認できることだ。保護フィールドの侵入状態しか安全側で扱えない場合は、連続速度を推定したつもりにならず、製品仕様と認証範囲に適合した速度制限・停止機能として構成する。予測を使う場合は、短時間の保守的な包絡、信頼度低下時のフォールバック、遮蔽や追跡断絶時の挙動を先に定義する。
まとめ
人協働ロボットの近接安全では、人体を点ではなく、誤差と遅延を含む占有領域として扱う。速度は危険源への相対的な接近として推定し、予測軌道は不確実性を含む短時間の包絡へ変換する。そのうえで停止包絡を含む分離距離を評価し、保証が失われた場合は速度制限または保護停止へ移行する。予測は安全機能を補助できるが、安全関連制御全体の検証に代わるものではない。
参考情報
- ISO/TS 15066:2016 — Robots and robotic devices — Collaborative robots
- ISO 13855:2024 — Safety of machinery — Positioning of safeguards
- ISO 12100:2010 — Safety of machinery — General principles for design
- ISO 13849-1:2023 — Safety-related parts of control systems
- Human Motion Trajectory Prediction: A Survey
- Social LSTM: Human Trajectory Prediction in Crowded Spaces
動的な速度制限は、予測精度だけでなく、停止性能と安全機能全体の検証によって成立します。
AI利用に関する注記
本サイトの記事は、複数のAIエージェントによる調査・執筆・レビューを経て公開しています。正確性と品質の向上に努めていますが、内容については必ず一次情報をご確認ください。
