(57)【要約】【課題】  負荷対象物をハンドリングするオペレータの作業負荷を軽減する。【解決手段】  リモートハンドリング装置１０００は、ジョイスティック装置１１０、荷重昇降装置１３０、および反力制御部１００を備えている。ジョイスティック装置は手動操作受付用のスティック１１２を通じ操作反力を生成する反力生成装置１１６を有している。反力制御部は、パルス反力制御部１０４および偏差反力制御部１０６のいずれかまたは双方を含んでいる。パルス反力制御部は、負荷対象物５００の動荷重値の時間変化率成分を算出し、パルス反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号ＳＲＦを出力する。また、偏差反力制御部は、動荷重値の静荷重値からの偏差量成分を算出し、反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号ＳＲＦを出力する。本発明は既設のリモートハンドリング装置に追加する補助装置１２００としても実施される。【選択図】図２
2014000655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じて手動操作受付用のスティックを通じオペレータに知覚させる反力を生成するための反力生成装置が前記スティックに接続されているジョイスティック装置と、
該ジョイスティック装置から離して設置され、前記スティックの入力座標値、または該入力座標値に対応付けられている速度指令値のいずれかに応じ負荷対象物を上昇、停止、または下降させる荷重昇降装置と、
該負荷対象物の動荷重値の時間変化率成分を算出し、該時間変化率成分の存在に応じたパルス反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力するパルス反力制御部と
を備える
負荷対象物のリモートハンドリング装置。
【請求項２】
前記パルス反力制御部は、前記反力指令値のうちの前記パルス反力の振幅を指定するための値を前記時間変化率成分に応じた値にした上で、前記反力指令信号を出力するものである
請求項１に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項３】
前記パルス反力制御部は、前記入力座標値または前記速度指令値の少なくともいずれかを示す速度関連信号を受信するものであり、
前記反力指令信号の示す前記反力指令値は、前記パルス反力制御部が、該入力座標値または該速度指令値の前記少なくともいずれかに基づいて前記スティックをその中立位置から遠ざける向きの反力を生成しない値として算出したものである
請求項１に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項４】
前記時間変化率成分は、前記負荷対象物がその周囲の物体に衝突したことにより生じたものである
請求項１に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項５】
受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じて手動操作受付用のスティックを通じオペレータに知覚させる反力を生成するための反力生成装置が前記スティックに接続されているジョイスティック装置と、
該ジョイスティック装置から離して設置され、前記スティックの入力座標値、または該入力座標値に対応付けられている速度指令値のいずれかに応じ負荷対象物を上昇、停止、または下降させる荷重昇降装置と、
該負荷対象物の動荷重値が静荷重値からのからの差分として示す偏差量成分を算出し、該偏差量成分の存在に応じた反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力する偏差反力制御部と
を備える
負荷対象物のリモートハンドリング装置。
【請求項６】
前記偏差反力制御部は、振動しない反力を前記偏差量成分の値に応じて生成するための反力指令値を含めて前記反力指令信号を前記反力生成装置に出力するものである
請求項５に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項７】
前記偏差反力制御部は、振動反力を前記偏差量成分の値に応じて生成するための反力指令値を含めて前記反力指令信号を前記反力生成装置に出力するものである
請求項５または請求項６に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項８】
前記偏差反力制御部は、前記入力座標値または前記速度指令値の少なくともいずれかを示す速度関連信号を受信するものであり、
前記反力指令信号の示す前記反力指令値は、前記偏差反力制御部が、該入力座標値または該速度指令値の該少なくともいずれかに基づいて前記スティックをその中立位置から遠ざける向きの反力を生成しない値として算出したものであり、
これにより、前記スティックを前記中立位置に近付ける向きに前記反力を生成する
請求項５に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項９】
前記偏差量成分は、前記負荷対象物がその周囲の物体と摩擦することにより生じたものである
請求項５に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項１０】
前記入力座標値または前記速度指令値の少なくともいずれかを示す速度関連信号を受信し、該入力座標値または該速度指令値の該少なくともいずれかに基づいて、前記反力指令信号が示す前記反力指令値のうち、前記スティックをその中立位置から遠ざける向きの反力を生成する値を判定し、当該値を反力を生成しない値に選択的に置換することにより補正済反力指令値を得て、該補正済反力指令値を示す補正済反力指令信号を出力する反力補正処理部
をさらに備え、
前記ジョイスティック装置の前記反力生成装置は、前記反力指令信号に代えて前記反力補正処理部からの前記補正済反力指令信号を受信して、前記入力座標値を変化させる向きの反力を前記補正済反力指令値に応じて生成するものであり、
これにより、前記スティックを前記中立位置に近付ける向きに前記反力を生成するものである
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項１１】
前記反力補正処理部は、前記入力座標値または前記速度指令値の前記少なくともいずれかが前記負荷対象物を停止させるべき値であるときの前記補正済反力指令値を、反力を生成しない値に選択的にさらに置換することにより前記補正済反力指令値を得て前記補正済反力指令信号を出力するものである
請求項１０に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項１２】
オペレータからの手動操作受付用のスティックにおける一の入力軸の入力座標値を検知する入力座標センサーと、受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じて前記スティックを通じ前記オペレータに知覚させる反力を生成するための前記スティックに接続されている反力生成装置とを有するジョイスティック装置と、
前記入力座標センサーから前記入力座標値を示す入力座標信号を受信し、該入力座標値に対応付けられている速度指令値を示す速度指令信号を出力する昇降制御部と、
前記ジョイスティック装置から離して設置され、該速度指令信号を受信し、前記速度指令値に応じ負荷対象物を上昇、停止、または下降させる荷重昇降装置と、
前記負荷対象物の動荷重値を検知可能に装備されている荷重センサーと、
該荷重センサーから該動荷重値を示す動荷重信号を受信し、該動荷重値における前記負荷対象物の静荷重値からの差分である偏差量成分、または該動荷重値のうちのいずれかの時間変化率成分を算出し、該時間変化率成分の存在に応じたパルス反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力するパルス反力制御部と
を備える
負荷対象物のリモートハンドリング装置。
【請求項１３】
オペレータからの手動操作受付用のスティックにおける一の入力軸の入力座標値を検知する入力座標センサーと、受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じて前記スティックを通じ前記オペレータに知覚させる反力を生成するための前記スティックに接続されている反力生成装置とを有するジョイスティック装置と、
前記入力座標センサーから前記入力座標値を示す入力座標信号を受信し、該入力座標値に対応付けられている速度指令値を示す速度指令信号を出力する昇降制御部と、
前記ジョイスティック装置から離して設置され、該速度指令信号を受信し、前記速度指令値に応じ負荷対象物を上昇、停止、または下降させる荷重昇降装置と、
前記負荷対象物の動荷重値を検知可能に装備されている荷重センサーと、
該荷重センサーから該動荷重値を示す動荷重信号を受信し、該動荷重値における前記負荷対象物の静荷重値からの差分である偏差量成分を算出し、該偏差量成分の存在に応じた反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力する偏差反力制御部と
を備える
負荷対象物のリモートハンドリング装置。
【請求項１４】
前記入力座標信号または前記速度指令信号の少なくともいずれかと前記反力指令信号とを受信し、前記入力座標値または前記速度指令値の少なくともいずれかに基づいて、前記反力指令信号が示す前記反力指令値のうち、前記一の入力軸における中立位置から前記スティックを遠ざける向きの反力を生成する値を判定し、当該値を反力を生成しない値に選択的に置換することにより補正済反力指令値を得て、該補正済反力指令値を示す補正済反力指令信号を出力する反力補正処理部
をさらに備え、
前記反力補正処理部は、前記入力座標値または前記速度指令値の前記少なくともいずれかが前記負荷対象物を停止させるべき値であるときの前記補正済反力指令値を、反力を生成しない値に選択的にさらに置換することにより前記補正済反力指令値を得て前記補正済反力指令信号を出力するものである
請求項１２または請求項１３に記載のリモートハンドリング装置。
【請求項１５】
離れている荷重昇降装置をジョイスティック装置により手動操作するオペレータにスティックを通じ反力を知覚させる、負荷対象物のリモートハンドリング装置の補助装置であって、
前記ジョイスティック装置の手動操作受付用のスティックに接続され、受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じた前記反力を生成する反力生成装置と、
前記負荷対象物の動荷重値が静荷重値からの差分として示す偏差量成分、または該動荷重値のうちのいずれかの時間変化率成分を算出し、該時間変化率成分の存在に応じたパルス反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力するパルス反力制御部と
を備える
リモートハンドリング装置の補助装置。
【請求項１６】
離れている荷重昇降装置をジョイスティック装置により手動操作するオペレータにスティックを通じ反力を知覚させる、負荷対象物のリモートハンドリング装置のための補助装置であって、
前記ジョイスティック装置の手動操作受付用のスティックに接続され、受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じた前記反力を生成する反力生成装置と、
前記負荷対象物の動荷重値が静荷重値からの差分として示す偏差量成分を算出し、該偏差量成分の存在に応じた反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力する偏差反力制御部と
を備える
リモートハンドリング装置の補助装置。
【請求項１７】
前記スティックの入力座標値、または該入力座標値に対応付けられている速度指令値のいずれかに基づいて、前記反力指令信号が示す前記反力指令値のうち、前記スティックをその中立位置から遠ざける向きの反力を生成する値を判定し、当該値を反力を生成しない値に選択的に置換することにより補正済反力指令値を得て、該補正済反力指令値を示す補正済反力指令信号を出力する反力補正処理部
をさらに備え、
前記ジョイスティック装置の前記反力生成装置は、前記反力指令信号に代えて前記反力補正処理部からの前記補正済反力指令信号を受信して、前記一の入力軸の前記入力座標値を変化させる向きの反力を、前記補正済反力指令値に応じて生成するものであり、
これにより、前記スティックを前記中立位置に近付ける向きに前記反力を生成するものである
請求項１５または請求項１６に記載のリモートハンドリング装置の補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は負荷対象物のリモートハンドリング装置およびその補助装置に関する。さらに詳細には本発明は、ジョイスティックにより操作する負荷対象物のリモートハンドリング装置およびその補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電設備などに利用される操作対象物を離れた位置からオペレータが操作するハンドリング装置が実用化されている。特許文献１（特開２００３−１０７１８８号公報）には、原子力発電設備の燃料交換装置が開示されている。このような燃料交換装置には一般に、操作対象物の昇降を手動操作により制御する装置が備わっている。このような離れた位置からオペレータが操作する操作対象物のハンドリング装置を本出願において「リモートハンドリング装置」と呼び、操作対象物を「負荷対象物（load object）」と呼ぶ。
【０００３】
リモートハンドリング装置のためにオペレータが直接触れる操作入力装置を大別すると、昇降の操作をボタンなどのスイッチにより受け付けるスイッチ入力装置と、その操作をレバーまたはスティックにより受け付けるジョイスティック装置とに分けることができる。実際、既存の原子力発電設備においては、負荷対象物をカメラにより撮影した映像と負荷対象物の時々刻々変化する荷重値を測定する荷重センサーの指示値とを頼りに、上記操作入力装置をオペレータが手動操作して負荷対象物を昇降させている。
【０００４】
図１はジョイスティック装置７１０を用いる従来のリモートハンドリング装置７０００の構成を示す概略構成図である。ジョイスティック装置７１０は、オペレータによる手動操作を受け付けるスティック７１２を有しており、そのスティック７１２には、オペレータの操作によるスティックの傾きなどの入力位置座標値を検知する位置センサーとなるボテンショメータ７１４が備わっている。例えば、ジョイスティック装置７１０では、スティック７１２の一つの入力軸における中間位置を中立位置とする。そして、その中立位置を挟んで、一方を上昇、他方を下降、そしてその中立位置を停止に対応付けしておく。ポテンショメータ７１４の入力位置座標値はこの対応付けに応じて制御部７２０により昇降装置７３０のモーター７３２に対する指令信号に変換されるのである。モーター７３２の動作は、適当なギアなどの増力減速機構を経て負荷対象物５００の上昇、停止、または下降のために変換される。ジョイスティック装置７１０のスティック７１２のある入力軸における傾きすなわち入力座標の位置が、負荷対象物５００を上昇、停止、または下降させる速度に対応付けられる。昇降装置７３０には、負荷対象物５００の動荷重値を測定するための荷重センサー７４０が装着されており、その荷重センサー７４０の示す値が表示装置７５０によりジョイスティック装置７１０を操作するオペレータに提示される。そしてカメラ７６０により撮影している負荷対象物５００およびその周囲の映像も、オペレータの眼前の表示装置７７０によりオペレータに提示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０７１８８号公報、例えば図１２および図１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願の発明者らは、入力装置としてジョイスティック装置を採用したリモートハンドリング装置を操作するオペレータの実際の作業を分析した。すると従来のリモートハンドリング装置７０００にはオペレータの作業負荷の点で改善の余地があることに気づいた。負荷対象物５００およびその周囲の映像は、例えば負荷対象物５００を上方から鉛直下方につり下げながら昇降させるものである場合、昇降装置７３０の付近において下方の負荷対象物５００を向くカメラ７６０を通じ表示装置７７０に提供される。また荷重センサー７４０の指示値も、その指示値そのものや指示値に応じ変化する表示、例えばグラフやバー表示などが、通常は別の表示装置７５０やメーター等によりそのオペレータに対して提供される。オペレータは、これらの視覚情報として提供される映像および荷重値を頼りに、離れた位置にある負荷対象物５００の時々刻々の状態を観察しかつ推測しながら昇降装置を操作しなくてはならない。
【０００７】
ところが実際のカメラ７６０は、負荷対象物５００の周囲の注意を要する位置を常に的確に撮影できるわけではない。例えば何らかの物体により撮影できない死角が生じることもしばしばである。また、荷重センサー７４０の値が異常となり表示装置７５０やメーターの指示値が変化したとしても、オペレータがそれに気づくためには、自発的な注意力をその指示値に向け続けていなくてはならない。負荷対象物５００の周囲の状況や荷重値がオペレータに視覚情報を通じて提供される限り、過大な作業負荷がオペレータにかかることとなる。
【０００８】
この作業負荷を軽減すべく本出願の発明者らは、負荷対象物を昇降させる昇降装置の周囲の物体との接触の状況を、ジョイスティックの操作反力（以下、単に「反力」という）によりオペレータに触覚または力覚を通じて知覚させる手法を検討した。最初に検討したのはバイラテラル制御である。バイラテラル制御では、マスター機器（例えばジョイスティック装置）に入力を行なうことによりスレーブ機器（昇降装置）の動作を手動操作するマスター・スレーブ系において、操作中のオペレータに反力がフィードバックされる。このために、スレーブ機器（昇降装置）からマスター機器（ジョイスティック装置）に反力の信号を伝える信号経路を通じてスレーブ側からマスター側に信号が伝達される。典型的には、例えばオペレータには負荷対象物の荷重値に比例した力として上記反力が伝えられる。
【０００９】
しかしながら、本出願の発明者らがバイラテラル制御の適用を検討したところ、例えば原子力発電設備において用いられる昇降装置に従来のバイラテラル制御を適用してもオペレータの実際の作業負荷は十分には軽減されないことが判明した。この問題は、昇降装置のバイラテラル制御を、昇降方向だけではなく、昇降方向に直交する横方向や、ねじれの自由度まで反力を再現する多自由度のものとしても同様であった。
【００１０】
本発明は、上記問題の少なくともいくつかを解決することを課題とする。本発明は、負荷対象物のリモートハンドリング装置において適切な情報に基づく適切な反力をオペレータに知覚させることにより、リモートハンドリング装置による作業負荷を軽減させるとともに、当該リモートハンドリング装置それ自体の発展に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の発明者らは、原子力発電設備のリモートハンドリング装置の場合の対象物すなわち負荷対象物の特質と作業とのそれぞれの特質のために、バイラテラル制御による効果が限定的なものとなっていることに気づいた。つまり、まず負荷対象物の特質として、原子力発電設備にて扱われる負荷対象物は、例えば燃料集合体などを含む場合、極めて慎重かつ繊細な取り扱いを要する負荷対象物である。しかも、その負荷対象物は周囲に他の物体が存在する位置にて昇降させる必要がある。したがって、負荷対象物が周囲の物体に触れたことによる軽微なアタリといったわずかな衝撃力や、周囲の物体に触れたまま引き上げたり下降したりする昇降動作が乗じてしまうコスレといったわずかな摩擦力をオペレータに確実に知覚させなくてはならない。また、原子力発電設備のリモートハンドリング装置が利用される作業の特質は、オペレータには高い注意力が要求されることである。オペレータは、上述した負荷対象物のアタリやコスレ（以下、「接触情報」と呼ぶ）以外にも、時々刻々の様々な情報に接しながら作業を行なう必要がある。
【００１２】
バイラテラル制御により生成される反力の効果が限定的となるのは、これらの負荷対象物の特質および作業の特質のためである。つまり、原子力発電設備にて注意が向けられるべき負荷対象物の周囲の物体との接触情報の繊細さは、たとえバイラテラル制御を導入したとしても変わらず、僅かな反力を間違いなく知覚することができるような繊細な注意力がオペレータには常時要求される点も何ら改善されない。この事情は、たとえ荷重値に正確に比例した反力をすべての自由度で生成できたとしても大差ない。原子力発電設備におけるリモートハンドリング装置においてオペレータの作業負荷を軽減させる効果はバイラテラル制御のみでは不十分である。
【００１３】
そこで本出願の発明者らは、負荷対象物の接触情報を信号処理により選択すること、および、接触情報を強調した反力または警告となる反力として表現してオペレータに高い確実性をもって知覚させること、の二つに着目した。そしてオペレータの作業負荷を軽減させることが可能なリモートハンドリング装置およびリモートハンドリング装置の補助装置の構成を案出し、その評価システムにおける有用性を確認することにより、本出願の発明を完成した。
【００１４】
本出願のある態様においては、受信した反力指令信号の示す反力指令値に応じて手動操作受付用のスティックを通じオペレータに知覚させる反力を生成するための反力生成装置が前記スティックに接続されているジョイスティック装置と、該ジョイスティック装置から離して設置され、前記スティックの入力座標値、または該入力座標値に対応付けられている速度指令値のいずれかに応じ負荷対象物を上昇、停止、または下降させる荷重昇降装置と、該負荷対象物の動荷重値の時間変化率成分を算出し、該時間変化率成分の存在に応じたパルス反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力するパルス反力制御部とを備える負荷対象物のリモートハンドリング装置が提供される。
【００１５】
本出願のある態様においては、負荷対象物の動荷重値が静荷重値からのからの差分として示す偏差量成分を算出し、該偏差量成分の存在に応じた反力指令値を示す反力指令信号を前記反力生成装置に出力する偏差反力制御部を、上記パルス反力制御部に代え、または、上記パルス反力制御部とともに備える負荷対象物のリモートハンドリング装置も提供される。
【００１６】
本出願において、ジョイスティック装置とは、例えばレバーまたは操縦桿を有している可動部（以下「スティック」と呼ぶ）を備えている、オペレータが掌により直接触れて操作する手動操作入力用の入力装置をいう。通常は、スティックの少なくとも一つの角度が入力軸となって、その入力軸の入力座標値が電気信号として伝達される。
【００１７】
荷重昇降装置とは、電動モーター等の動力発生装置からの動力をギアまたは油圧などの適当な動力機構により適宜変換して負荷対象物を昇降させることが可能であり、制御された速度により負荷対象物を上昇、停止、または下降させることが可能な任意の装置を含んでいる。そして、本出願では負荷対象物の上昇、停止、または下降の速度を制御するために、ジョイスティック装置の入力座標値を直接または間接的に反映した速度指令値が参照される。
【００１８】
動荷重値とは時間に依存した荷重値であり、静止している負荷対象物の場合の静荷重値と同一となる。時間とともに変化する荷重値には、加減速に伴う加速度を生じさせる力に加え、接触情報の手がかりとなる、周囲の物体とのアタリ（衝撃）やコスレ（摩擦）による荷重値の変動量を含んでいる。例えば、負荷対象物の動荷重値は、負荷対象物と周囲の物体とのすべてが静止していれば静荷重値そのものである。また、一定の速度（等速）で上昇している負荷対象物が静止している周囲の物体に当たると、その衝撃による力の成分は、少なくともその瞬間においては静荷重値から増大させるような波形となって検知される。さらに、等速で上昇している負荷対象物が静止している周囲の物体に対しこすれると、その摩擦力の成分は、荷重値を静荷重値から継続的に増大させるような波形となって検知される。負荷対象物が下降している場合はこれらの逆である。なお、本出願における動荷重値は、重力方向の成分が関心の対象となっている。また、アタリ（衝撃）やコスレ（摩擦）との表現は、負荷対象物の昇降操作において生じうる典型的な現象を説明するためのものに過ぎない。本発明の各態様は、信号処理またはデータ処理のみに基づいて検知される任意の現象を、それをどのように表現するかを問わず、対象とすることができる。
【００１９】
時間変化率成分とは端的には時間微分値である。本出願においてこの時間変化率は、上記動荷重値の時間変化率である。実施上は、動荷重値の静荷重値からの差分である偏差量成分をいったん求め、その偏差量成分の時間変化率として算出される場合もある。
【００２０】
また、時間変化率や偏差量成分の存在とは、これらの値が非ゼロの値を有していることを意味している。その典型例は、各値または各値の絶対値が適当な閾値と比較されて有意な値といえると判定されることである。
【００２１】
本出願のある態様は、より詳細な構成を有する態様や、また、既設のリモートハンドリング装置に追加する補助装置の態様により本発明が実施されることもある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のいずれかの態様においては、オペレータの作業負荷を軽減させることが可能なリモートハンドリング装置またはその補助装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のリモートハンドリング装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明のある実施形態におけるリモートハンドリング装置の構成を示す概略構成図である。
【図３】本実施形態における荷重値の変化とそれに応じてリモートハンドリング装置において生成される反力を例示する説明図である。
【図４】本発明のある実施形態におけるリモートハンドリング装置においてソフトウエアにより実装される反力制御部および昇降制御部の構成の一例の構成を含むリモートハンドリング装置全体の構成を示すブロックダイヤグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係るリモートハンドリング装置およびその補助装置の実施形態を図面を参照して説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示してはいない。
【００２５】
［１  第１実施形態］
［１−１  リモートハンドリング装置の概略構成］
図２は、本実施形態におけるリモートハンドリング装置１０００の構成を示す概略構成図である。また、図３は、荷重値の変化とそれに応じてリモートハンドリング装置１０００において生成される反力を例示する説明図である。本実施形態のリモートハンドリング装置１０００は、ジョイスティック装置１１０、昇降制御部１２０、荷重昇降装置１３０、および荷重センサー１４０を備えている。
【００２６】
ジョイスティック装置１１０は、入力座標センサー１１４と反力生成装置１１６とを有している。入力座標センサー１１４は、オペレータからの手動操作受付用のスティック１１２における一の入力軸の入力座標値を検知する。また、反力生成装置１１６は、スティック１１２を通じオペレータに知覚させる反力を、受信した反力指令信号ＳＲＦまたは補正済反力指令信号ＳＲＦ−Ｍの示す反力指令値に応じて生成するためのものであり、スティックに接続されている。なお、典型的なジョイスティック装置１１０には、スティック１１２を中立位置に対して戻す向きの力を作用させるバネなどの機構（図示しない）が備わっており、オペレータが手をスティック１１２から離すと直ちにスティック１１２が中立位置に戻るようになっている。また、オペレータから見て例えば前後の入力軸と左右の入力というように、複数の入力軸を有するジョイスティックを採用したとしても、負荷対象物５００の昇降に対応付けされるのは通常はいずれか一の入力軸である。
【００２７】
昇降制御部１２０は、入力座標センサー１１４から入力座標値を示す入力座標信号ＳＰを受信し、入力座標値に対応付けられている速度指令値を示す速度指令信号ＳＶを出力する。昇降制御部１２０は例えばＰＬＣ（programmable logic controller）やコンピュータなど、信号の入出力が可能なブログラム可能機器を動作させるためのソフトウエアとして実装される。
【００２８】
荷重昇降装置１３０はジョイスティック装置１１０から離して設置されている。荷重昇降装置１３０は速度指令信号ＳＶを受信し、速度指令値に応じ、例えば荷重モーター１３２等の動力を利用して負荷対象物５００を上昇、停止、または下降させる。この速度指令値は昇降のための軸における速度値そのものまたは当該得度値に換算可能な値である。
【００２９】
そして荷重センサー１４０が負荷対象物５００の動荷重を検知可能に装備されている。荷重センサー１４０は、時々刻々の荷重値を測定するための十分な応答性を備えている。
【００３０】
［１−２  反力制御部１００（概要）］
リモートハンドリング装置１０００にはさらに反力制御部１００が備わっている。反力制御部１００は、動荷重値を示す荷重信号ＳＷを入力として、反力生成装置１１６に与える反力指令信号ＳＲＦを出力する。ここで、荷重信号ＳＷは、表示装置１５０において動荷重値を示す信号として従来から利用されている信号である。反力制御部１００は入力座標センサー１１４からの入力座標信号ＳＰまたは昇降制御部１２０からの速度指令信号ＳＶの少なくともいずれかを入力として利用する。入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶのうちのいずれかの信号は反力の向きを制御するために利用される。また、リモートハンドリング装置１０００には、カメラ７６０および表示装置７７０と同様の映像撮影・表示装置による負荷対象物５００の視覚的な確認手段が備わっている（図２には図示しない）。そして、本実施形態のリモートハンドリング装置１０００は、荷重信号ＳＷに基づいて負荷対象物５００の二種類の接触状態に合わせて別々の反力を生成する。
【００３１】
［１−２−１  反力制御部による接触の検出と強調］
本実施形態における反力制御部１００では、負荷対象物５００によるアタリ（衝撃）とコスレ（摩擦）を、荷重信号ＳＷの信号波形に着目して検出する。本出願の発明者らは、アタリが荷重信号ＳＷの時間変化率として検知可能なこと、および、コスレが荷重信号ＳＷの静荷重値からの差分である偏差量成分として検知可能なことを確認している。
【００３２】
図３（ａ）は負荷対象物５００を一定の速度で上昇させている場合のある期間の動荷重Ｗ（ｔ）を示す説明図である。動荷重値Ｗ（ｔ）は荷重センサー１４０からの荷重信号ＳＷが示す時間依存波形である。動荷重値Ｗ（ｔ）は実際には負荷対象物５００に作用する力を時々刻々示す。図３（ａ）では、説明のための典型例として、弱いアタリＡ、強いアタリＢ、コスレＣ、アタリおよびコスレＤに応じた時間変化波形として動荷重値Ｗ（ｔ）を図示している。図３（ｂ）は動荷重値Ｗ（ｔ）の時間変化率、つまり負荷対象物５００からの動荷重値Ｗ（ｔ）を時間ｔにより微分したｄＷ／ｄｔの波形である。弱いアタリＡの直前までは一定の速度で負荷対象物５００が上昇しているため、動荷重値Ｗ（ｔ）は静荷重値Ｗ０の値である。その後の時間変化率により、例えば適当な閾値ＴＨ１との大小比較を行なうことにより、弱いアタリＡ、強いアタリＢ、アタリおよびコスレＤが検知可能である。時間変化率が負となる場合には、負の値の閾値ＴＨ２を利用する。また、図３（ｃ）は、偏差量成分、つまり、動荷重値Ｗ（ｔ）と静荷重値Ｗ０の差分ΔＷ（ｔ）を示している。この差分ΔＷは、弱いアタリＡ、強いアタリＢ、コスレＣ、アタリおよびコスレＤのすべてにおいて０でない値となる。この差分ΔＷからは、例えば適当な閾値ＴＨ３との大小比較をすることにより、コスレＣやアタリおよびコスレＤを検出することが可能である。この場合にも、負の偏差を検知するには負の値の閾値ＴＨ４を利用する。
【００３３】
図２に戻ると、反力制御部１００は、アタリとコスレの二つの接触状態それぞれに対して別々の反力を生成する制御を行なう。その際、本実施形態における反力制御部１００では、アタリとコスレのそれぞれをそのまま反力に反映させるのではなく、スティック１１２を通じてオペレータが知覚しやすいように強調する処理も行なう。
【００３４】
［１−２−１−１  時間変化率によるパルス反力の生成］
具体的には、アタリに対応させる反力のために、反力制御部１００は、パルス反力と呼ぶ孤立した反力を知覚させるパルス状の反力を生成する。このための処理は、反力制御部１００の一部であるパルス反力制御部１０４により行なわれる。このパルス反力を生成するためのきっかけには、荷重信号ＳＷが示す動荷重値Ｗ（ｔ）の時間変化率が存在するかどうかが、つまり、図３（ｂ）のｄＷ／ｄｔが衝突を検知するための閾値を超えるかどうかが利用される。図３（ｄ）は、動荷重値Ｗ（ｔ）の時間変化率（図３（ｂ））において閾値ＴＨ１を超えた値が得られたことに対応してパルス反力Ｆ１が生成される様子を示している。グラフの縦軸は力の向きと強さを示している。ここで、パルス反力Ｆ１を負の方向に描いているのは、上昇のために操作されているスティック１１２を中立位置に戻す向きの力を生成するためである。パルス反力Ｆ１においては、弱いアタリＡ、強いアタリＢ、アタリおよびコスレＤにおける各アタリのタイミングに合わせて、それぞれパルス反力Ｆ１Ａ、Ｆ１Ｂ、およびＦ１Ｄが生成される。なお、典型的には、弱いアタリＡ、強いアタリＢにおいて見られるように、動荷重値Ｗ（ｔ）の時間変化率が閾値ＴＨ１を超える期間はさまざまであるが、それとは無関係な一定の時間幅のパルス状の力としてバルス反力Ｆ１Ａ、Ｆ１Ｂ、Ｆ１Ｄが生成される。また、パルス反力Ｆ１Ａ、Ｆ１Ｂ、およびＦ１Ｄの波形の高さは、その時間変化率成分に応じた値とされる。これらの高さは、例えば、動荷重値Ｗ（ｔ）の時間変化率のピーク値や、閾値ＴＨ１を超え、またはＴＨ２を下回った部分の面積に応じた値とされる。いずれの場合であっても、閾値ＴＨ１またはＴＨ２に相当する時間変化率成分が検出されて初めて反力が反力生成装置１１６により生成される。それ以外の期間において、反力生成装置１１６は、後述するコスレが検知された場合を除き特に反力を生成しない。
【００３５】
なお、反力生成装置１１６が反力を生成しない期間には、オペレータは操作に必要な最低限のスティック１１２からの力のみを知覚している状態である。この力は通常は、スティック１１２を中立位置に戻すバネなどの機構による静的な力である。このため、スティック１１２の位置を固定している限り、オペレータの掌にはスティック１１２から一定のバネの力で押しつける力が四六時中作用している。オペレータはそのバネの力に対して何ら意識を向けることはない。その状態で動荷重値Ｗ（Ｔ）の時間変化率の存在に応じて反力生成装置１１６がパルス反力を生成することにより、オペレータはアタリが生じたことを触覚または力覚により知覚することができるのである。したがって、上述した反力生成装置１１６を制御する処理は、時間変化率に基づいてアタリを検出するという点と、知覚が容易なパルス反力を生成する点とを組み合わせた警告のための処理といえる。さらにこの処理は、アタリを検出しない正常な期間における反力の生成をマスクつまり抑制することによりアタリの検出を際立たせるという意味において、オペレータに対する強調の処理ともなっている。
【００３６】
［１−２−１−２  偏差量成分からの反力の生成］
もう一つのコスレに対応して生成する反力のためには、振動しない反力および振動反力と呼ぶ反力を知覚させる反力指令信号ＳＲＦを出力する。このための処理は、反力制御部１００の一部である偏差反力制御部１０６により行なわれる。この振動しない反力および振動反力を生成するきっかけとして、負荷対象物５００がその周囲の物体と摩擦することにより生じた荷重信号ＳＷの偏差量成分（図３（ｃ））が利用される。図３（ｅ）および（ｆ）は、振動しない反力Ｆ２および振動反力Ｆ３が生成される様子を示している。振動しない反力Ｆ２および振動反力Ｆ３は、動荷重値Ｗ（ｔ）の偏差量成分である差分ΔＷ（図３（ｃ））において閾値ＴＨ３を超えた値が得られたことに対応して、それぞれ、コスレＣとアタリおよびコスレＤにおけるコスレのタイミングに合わせて生成される。また、コスレＣとアタリおよびコスレＤにおいては、摩擦力の変化により差分ΔＷが時間的に変化している。この変化は、時間変化率としては必ずしも大きいとは限らず、例えば、閾値ＴＨ１（図３（ｂ））を超えない程度である。しかし、振動しない反力Ｆ２または振動反力Ｆ３を、差分ΔＷの値に応じたものとすることより、コスレの強さの変化をオペレータが知覚することができる。例えば図３（ｅ）の振動しない反力Ｆ２Ｃ、Ｆ２Ｄ、および図３（ｆ）の振動反力Ｆ３Ｃ、Ｆ３Ｄは、差分ΔＷの値に応じた値として描いている。つまり、振動しない反力Ｆ２（図３（ｅ））は差分ΔＷの変化を正しく表現させることができる。なおこの場合であっても、差分ΔＷのうち閾値ＴＨ３に満たない値は振動しない反力Ｆ２には反映されない。このため、閾値ＴＨ３を適切に選べば有意なコスレのみを強調することが可能である。また、振動反力Ｆ３（図３（ｆ））は振動としてオペレータに知覚されるため、コスレの発生を強調して知覚させることが可能である。つまり、振動しない反力Ｆ２および振動反力Ｆ３により生成された反力は、ともに閾値ＴＨ３に相当する偏差が生じた場合に確実に反力が知覚されるような警告の処理されたものといえる。さらにこの警告処理も、コスレを検出しない正常な期間に反力の生成をマスクすることによりコスレの検出を際立たせるという意味において、オペレータに対する強調の処理となっている。
【００３７】
［１−２−１−３  反力の重畳］
なお、オペレータに知覚させる実際の反力は、例えば図３（ｄ）〜（ｆ）に示したパルス反力Ｆ１、振動しない反力Ｆ２、そして振動反力Ｆ３を、適当な比率で重ね合わせたものである。この比率は、パルス反力Ｆ１、振動しない反力Ｆ２、および振動反力Ｆ３を、必要に応じて互いに区別できるように決められる。さらに、上述した例では、図３（ｅ）に示した振動しない反力Ｆ２、そして図３（ｆ）に示した振動反力Ｆ３を両者に共通の閾値ＴＨ３、ＴＨ４により生成させているが、本実施形態においては、振動しない反力Ｆ２と振動反力Ｆ３とのそれぞれを生成させるための閾値を変更することも有用である。例えば、コスレが生じていることを確実にオペレータに認識させるため、小さい差分ΔＷにおいて振動反力Ｆ３を生成するとともに、それより大きな差分ΔＷの場合にコスレの具体的な強さを知覚させるように振動しない反力Ｆ２を重畳することも有用である。それとは逆に、コスレの強さが小さい時点ではコスレの程度が小さいため振動しない反力Ｆ２のみを生成するとともに、コスレの強さが大きくなって初めて振動反力Ｆ３を生成することも有用である。上記比率や反力の生成の開始となる閾値の具体的な値は、オペレータに対してどのような情報をどのように認識させるかといった実施上の条件に基づき適宜に決定することができる。
【００３８】
［１−２−１−４  反力の補正］
そして反力制御部１００には、パルス反力制御部１０４、偏差反力制御部１０６これらとは異なる反力補正処理部１０８も実装されると有利である。反力補正処理部１０８は反力指令値を補正するものである。この補正は、主として反力の向きを限定する処理である。また、反力補正処理部１０８はそれ以外の例外処理として反力指令値を補正する。
【００３９】
なお、反力制御部１００も、実用上は例えばＰＬＣやコンピュータなどのブログラム可能機器上のソフトウエアとして実装される。次にパルス反力制御部１０４、偏差反力制御部１０６、および反力補正処理部１０８の詳細な動作についてさらに説明する。
【００４０】
［１−２−２  パルス反力制御部１０４の詳細な動作］
パルス反力制御部１０４の典型的な動作は、まず、荷重センサー１４０から動荷重値を示す動荷重信号ＳＷを受信する。次いで動荷重値の時間変化率成分を算出する。このためには、荷重信号ＳＷの動荷重値から直接時間変化率成分を算出してもよいし、また、荷重信号ＳＷの示す動荷重値のうち、負荷対象物５００の静荷重値からの差分である偏差量成分を算出してそこから時間変化率成分を算出してもよい。そして、その時間変化率成分の存在に応じたパルス反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号ＳＲＦを出力する。パルス反力とは、図３（ｄ）に例示したような、ある時間（例えば０．１秒間）に知覚可能な反力を生成する孤立したパルス状の反力である。このパルス状の反力のための反力指令値は、その反力の時間変化を示すパルス状の時間変化波形として与えられる。そしてその波形は、アタリが生じたことをスティック１１２を通じてオペレータに触覚または力覚により知覚させるために適する任意の波形の反力とすることができ、この波形の典型例は、例えば矩形波、三角波などである。そしてパルス反力の反力指令値を示す反力指令信号ＳＲＦが、反力生成装置１１６から出力される。オペレータがスティック１１２から知覚している操作力は、例えば、スティック１１２を中立位置に戻すためのバネなどの特に時間変化を示さないものから、反力生成装置１１６がパルス反力制御部１０４の制御の下で生成するパルス反力を含むものに変化する。このため、オペレータは、スティック１１２からも当たりが生じたことを認知することが可能となる。
【００４１】
特に、パルス反力制御部１０４は、反力指令値のうちのパルス反力の振幅を指定するための値を荷重信号ＳＷの時間変化率成分に応じた値にした上で反力指令信号ＳＲＦを出力すると有利である。アタリを強調した反力で知覚させることに加え、アタリの強弱も反力により知覚することができれば、オペレータは、負荷対象物５００の昇降動作において生じた事象についての一層詳細な情報を得ることができる。
【００４２】
さらに、パルス反力制御部１０４を、反力指令信号ＳＲＦの示す反力指令値を、入力座標値または速度指令値の少なくともいずれかに基づいて、パルス反力制御部１０４が、中立位置からスティック１１２を遠ざける向きの反力を生成しない値とすると有利である。この際、パルス反力制御部１０４は、入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶの少なくともいずれかをさらに受信する。なお、入力座標信号ＳＰおよび速度指令信号ＳＶは、ともに速度に関連した信号であるため、入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶのいずれかを指すために速度関連信号ということもある。ここで中立位置は、スティック１１２がその中立位置であるときの入力座標値ＳＰに対応付けられている速度指令値が負荷対象物５００を停止させるべき値となる一の入力軸におけるスティック１１２の位置である。この構成により、スティック１１２を中立位置に近付ける向きに反力を生成することが可能となる。
【００４３】
これを具体例で説明すると、例えば、スティック１１２の入力座標値が正の時に荷重昇降装置１３０は負荷対象物５００を上昇させるとする。このとき、上昇中に負荷対象物５００にアタリが生じると、その瞬間に荷重信号ＳＷの荷重値が増大しその時間変化率成分は正の値となる。この正の時間変化率に対して、パルス反力制御部１０４は、スティック１１２の負の方向に入力座標センサー１１４が反力を生成するような反力指令値を算出する。これに対し、上昇中に負荷対象物５００にアタリによって荷重信号ＳＷの荷重値の時間変化率成分が負の値となる場合に単純に符号を反転させて反力を生成すると、スティック１１２の正の方向に入力座標センサー１１４が反力を生成するような反力指令値を生成することとなる。ところがその場合、負荷対象物５００の上昇速度をさらに増大させる向きの反力となる。もしオペレータがそれに応じてスティック１１２を操作したり、反力によるスティック１１２の動きを許容すると、中立位置からのオペレータによる手動操作を反力が助長することとなってしまう。したがって、本実施形態のパルス反力制御部１０４がそのような向きの反力を生成させないことが好適な構成となる。なお、上昇中に負荷対象物５００にアタリによって荷重信号ＳＷの荷重値の時間変化率成分が負の値となる場合は、例えば図３（ｂ）にて下向き矢印により示したように、アタリやコスレによる荷重値が減少する場面である。
【００４４】
［１−２−３  偏差反力制御部１０６の詳細な動作］
次に、偏差反力制御部１０６について説明する。偏差反力制御部１０６は、荷重センサー１４０から動荷重値を示す動荷重信号ＳＷを受信し、動荷重値における負荷対象物５００の静荷重値からの差分である偏差量成分を算出する。そして、偏差反力制御部１０６は、偏差量成分の存在に応じた反力を生成するための反力指令値を示す反力指令信号ＳＲＦを反力生成装置１１６に出力する。
【００４５】
偏差反力制御部１０６は振動しない反力を偏差量成分の値に応じて生成するための反力指令値を含めて反力指令信号ＳＲＦを反力生成装置に出力するものであると有利である。ここでの振動しない反力は、コスレが生じたことにより動荷重値が静荷重値に比べて増大または減少したことに応じた動荷重値の偏差量成分によりされる。このため、例えば一定の速度で上昇または下降している負荷対象物５００がある時点になって初めて周囲の物体とコスレを生じた場合、その時点まではスティック１１２を通じて反力を感じなかったオペレータは、その時点から反力を知覚することとなる。
【００４６】
また偏差反力制御部１０６は、振動反力を上記偏差量成分に応じて生成するための反力指令値を含めて反力指令信号ＳＲＦを出力すると有利である。振動反力は、スティック１１２を通じてオペレータに振動を知覚させるための反力であり、典型的には、パルス反力を断続させて繰り返すことにより実現することができる。なお、振動反力は、振動の振幅が小さい力であっても、比較的知覚されやすいため、コスレによる摩擦力による荷重値の増分を強調する手法として有用である。この振動反力の振幅を、偏差量成分に応じたものとするために、例えば偏差量成分に例えば比例させたり、非線形に対応する振幅としたりすることも有利である。
【００４７】
本実施形態においては、パルス反力制御部１０４と同様に、偏差反力制御部１０６においても、反力の向きを制限することが好適である。そのために、偏差反力制御部１０６も、入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶの少なくともいずれかすなわち速度関連信号をさらに受信する。また偏差反力制御部１０６は、入力座標値ＳＰまたは速度指令値ＳＶの少なくともいずれかに基づいてスティック１１２の一の入力軸における中立位置からスティックを遠ざける向きの反力を生成しない値として反力指令信号ＳＲＦの示す反力指令値を算出する。
【００４８】
［１−２−４  反力補正処理部１０８の詳細な動作］
上述したように、本実施形態の反力制御部１００には、反力補正処理部１０８がさらに備わっていると有利である。反力補正処理部１０８は、入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶの少なくともいずれかと反力指令信号ＳＲＦとを受信する。また反力補正処理部１０８は、入力座標値または速度指令値の少なくともいずれかに基づいて、反力指令信号ＳＲＦが示す反力指令値のうち、スティック１１２の一の入力軸における中立位置からスティック１１２を遠ざける向きの反力を生成する値を判定する。このため、図２に示すように、反力補正処理部１０８には、入力座標信号ＳＰが入力される。そして反力補正処理部１０８は、当該値を、反力を生成しない値に選択的に置換する。これにより補正済反力指令値を得て、補正済反力指令値を示す補正済反力指令信号ＳＲＦ−Ｍを反力補正処理部１０８から出力する。
【００４９】
この場合、ジョイスティック装置１１０の反力生成装置１１６は、反力指令信号ＳＲＦに代えて反力補正処理部１０８からの補正済反力指令信号ＳＲＦ−Ｍを受信して、一の入力軸の入力座標値ＳＰを変化させる向きの反力を、補正済反力指令値に応じて生成する。
【００５０】
この構成により、スティック１１２を中立位置に近付ける向きの反力が生成される（以下、「反力の向きの制限処理」という）。ここで、実際には、パルス反力制御部１０４または偏差反力制御部１０６を上述した好適な構成とした場合には、反力補正処理部１０８による反力の向きの制限は通常の操作では殆ど実行されない。というのは、パルス反力制御部１０４と偏差反力制御部１０６により、反力指令信号ＳＲＦを算出する時点で殆どのタイミングでいずれも入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶの入力座標値または速度指令値に基づいて反力の向きが決定されるためである。それでもなお、反力生成装置１１６に反力を生成させるタイミングにおいて、パルス反力制御部１０４や偏差反力制御部１０６による反力指令値のままではスティック１１２を中立位置から遠ざけるような向きの反力となってしまう場合がありうるため、反力の向きの制限処理が採用されるのである。そのような場合の例としては、パルス反力制御部１０４のパルス反力が生成されている期間中にスティック１１２が中立位置を跨いで反対に操作される場合を想定することができる。さらに、例えばパルス反力制御部１０４における時間変化率の算出は、一般にノイズ等に敏感なものとなり、また数値計算の誤差の影響を受けることもある。これらの場合であっても、反力補正処理部１０８による反力の向きの制限処理を行なうことよって、スティック１１２を中立位置から遠ざけるような向きの反力の生成が防止される。
【００５１】
さらに、反力補正処理部１０８は、入力座標値または速度指令値の少なくともいずれかが負荷対象物５００を停止させるべき値であるときの補正済反力指令値を、反力を生成しない値に選択的にさらに置換すると有利である。これにより反力補正処理部１０８は、補正済反力指令値を得て補正済反力指令信号ＳＲＦ−Ｍを出力する。この処理（以下「停止時反力制限処理」という）は、反力を生成するとオペレータの操作意思と反する反力となるためである。つまり、入力座標信号ＳＰまたは速度指令信号ＳＶから得られるスティック１１２の位置が中立位置である場合は、停止させる意思によりオペレータがスティック１１２を中立位置に戻している操作であるか、または、スティック１１２がバネの力により中立位置に戻っている。このため、これらの状況に合わせれば、反力の生成を制限するのが適切となるのである。
【００５２】
［１−３  第１実施形態の変形例］
上述したリモートハンドリング装置１０００においては、反力制御部１００のパルス反力制御部１０４と偏差反力制御部１０６とを個別に説明した。実用面からは反力指令値として、図２に示したパルス反力制御部１０４と偏差反力制御部１０６の双方からの信号を加算処理した反力指令値を採用する構成も有利である。例えば負荷対象物５００が最初に僅かな衝撃とともに接触してその後に摩擦を引き起こす場合には、パルス反力制御部１０４および偏差反力制御部１０６のそれぞれが、接触の開始のアタリに応じたパルス反力およびコスレに応じた反力のための反力指令値を算出する。これらが加算された反力指令信号ＳＲＦにより反力により、オペレータは、負荷対象物５００の周囲の物体への接触が一時的なものであるか、コスレつまり摩擦を伴っているかといった状況を、スティック１１２を通じて把握することが可能となる。
【００５３】
［２  第２実施形態］
［２−１  既設のリモートハンドリング装置への追加］
上述したリモートハンドリング装置１０００は、従来のリモートハンドリング装置７０００（図１）のような既設のリモートハンドリング装置に対していくつかの機器を追加することにより実現することができる。以下、既設のリモートハンドリング装置に対して追加される補助装置として本発明の第２実施形態を説明する。引き続き図２を参照する。
【００５４】
本実施形態の補助装置１２００は、離れている荷重昇降装置をジョイスティック装置により手動操作するオペレータに対し、スティックを通じ反力を知覚させるために負荷対象物のリモートハンドリング装置に付加される。例えば図１に示した従来のリモートハンドリング装置７０００が設置されているとき、反力制御部１００と反力生成装置１１６とを有する補助装置１２００を追加し、必要な信号として荷重信号ＳＷや入力座標信号ＳＰを反力制御部１００に入力するだけで、実質的にリモートハンドリング装置１０００を作製することが可能となる。この際、反力制御部１００におけるパルス反力制御部１０４と偏差反力制御部１０６とは、必要に応じて、それぞれが単独で追加されることも、また双方が同時に追加されることもどちらの場合もある。さらに、反力補正処理部１０８も必要に応じ追加することができる。
【００５５】
なお、既設のリモートハンドリング装置を改修することにより、補助装置１２００の補助装置を追加してリモートハンドリング装置１０００と同等の機能を追加する具体的な追加作業では、本実施形態を適用するために、公知の変形を行なうことができる。例えば、ジョイスティック装置７１０（図１）に反力生成装置１１６を追加してジョイスティック装置１１０の構成とすることに代え、反力生成装置１１６の機能を有するジョイスティック装置１１０を利用する可能性もある。また、昇降制御部１２０がすでにソフトウエアにより実装されている場合には、反力制御部１００を追加する作業は、当該ソフトウエアのみの改修作業となるかもしれない。これらの現実の追加作業は、具体的なリモートハンドリング装置の構成に合わせて当業者により適宜に実施することが可能である。
【００５６】
［３  実装例］
［３−１  ソフトウエアにより実装される反力制御部１００］
次に、反力制御部１００のソフトウエアによる実装例について、図４を参照して説明する。図４は、図２に示したリモートハンドリング装置１０００においてソフトウエアにより実装される反力制御部および昇降制御部の構成の一例の構成を含むリモートハンドリング装置１０００Ａ全体の構成を示すブロックダイヤグラムである。図４は、本出願の第１実施形態に従う評価システムを作製した際のソフトウエアの構成例であり、本出願の第２実施形態に従う評価システムとなる構成例でもある。ここでは、作製した評価システムの理解を容易にするため、ソフトウエアとハードウエアの区別を区別して、ソフトウエアの要素を実線により、ハードウエアの要素を鎖線により示している。本実装例では、表示装置１５０、カメラ、そして映像のため表示装置の説明は省略する。また、以下の説明において、図２に説明した要素と実質的な違いの無い要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。この際、説明済の用語との対応を混乱させないため、ソフトウエアモジュールにより実現される要素や要素間でやりとりされるデータを、上述した処理部や信号の要素名により説明する。さらに、ソフトウエアによる実装のためのみの差異を有する要素には、アルファベットまたは数値を末尾に追加した関連する符号を付して説明する。以下の実装例に示す手法、処理内容、処理手順、要素や具体的処理等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。
【００５７】
［３−１−１  ソフトウエアによる昇降制御部１２０Ａ］
ジョイスティック装置１１０からの入力座標信号ＳＰは、昇降制御部１２０Ａに入力される。昇降制御部１２０Ａは図２に示した昇降制御部１２０と同等の機能を実行するものである。つまり、この昇降制御部１２０Ａにより、入力座標信号ＳＰにより示される入力座標値から速度指令値を示す速度指令信号ＳＶが生成されて出力され、荷重昇降装置１３０に送られる。具体的には、ジョイスティック装置１１０のスティック１１２に接続されている入力座標センサー１１４からの入力座標信号ＳＰの示すアナログ値の入力座標値が、ＡＤ変換部１２２によりスケールを調整する変換（同様の処理を以下「工業値変換」という）を施してデジタル値とされる。この変換により入力座標信号ＳＰは、例えばマイナス１００〜プラス１００％の数値範囲の入力座標値を示す入力座標信号ＳＰ２とされる。入力座標信号ＳＰ２が示す入力座標値の正負はそれぞれが例えば負荷対象物５００の上昇と下降に割り当てられ、０は停止とされる。この段階の入力座標値には、ノイズが含まれている可能性があるため適当なフィルタ処理部１２４によりノイズが除去される。その後、マイナス１００〜１００％の数値範囲の入力座標値を示す入力座標信号ＳＰ３となって、速度指令変換部１２６により、モーターの速度指令値を示す速度指令信号ＳＶ２に変換される。速度指令信号ＳＶ２が示す速度指令値は、例えばマイナス１００〜プラス１００％の値であり、荷重モーター１３２の速度に比例した値である。こうして、速度指令変換部１２６により、スティック１１２の入力座標値と荷重モーター１３２の速度の対応関係が実質的に決定される。
【００５８】
速度指令変換部１２６は例えば、停止付近では微動が可能であるとともに、高速の移動を行ないうるような非線形変換を行なう。速度指令信号ＳＶ２の示す速度指令値は、例えばＤＡ変換部１２８により、工業値変換されて荷重モーター１３２に対して適切な電圧レンジの速度指令信号ＳＶとされ出力される。荷重昇降装置１３０の荷重モーター１３２には、荷重モーター駆動電源１３４が接続されており、速度指令信号ＳＶに比例した速度で荷重モーター１３２を動作させるために必要な増幅された電流信号が荷重モーター駆動電源１３４から出力される。荷重モーター１３２には、図示しないギアなどの増力減速機構が接続されている。こうして、ジョイスティック装置１１０からの入力座標信号ＳＰが示す入力座標値に応じ、速度指令信号ＳＶが示す速度指令値に比例した速度で直接負荷対象物５００が荷重モーター１３２により上昇、停止、または下降される。負荷対象物５００を昇降させる軸である昇降軸１３６には、移動量の限界の到達を検知するために上端リミットスイッチ１３８Ｌと下端リミットスイッチ１３８Ｕが装着されている。
【００５９】
荷重センサー１４０は、適当な位置に装着されて負荷対象物５００の動荷重値の計測信号を出力する。この計測信号は、ロードセル変換器１４２を経て荷重信号ＳＷとされ、ロードセルインターフェース１４４を通じ反力制御部１００Ａに入力される。荷重信号ＳＷは反力制御部１００Ａの入力時に工業値変換され、荷重信号ＳＷ２とされる。反力制御部１００Ａは、反力を生成するための反力指令信号ＳＲＦを生成する。
【００６０】
［３−１−２  ソフトウエアによる反力制御部１００Ａ］
反力制御部１００Ａでは、まず、荷重信号ＳＷ２の示す荷重値から、適当なフィルタ１０２０によりノイズを除去して荷重信号ＳＷ３を生成する。この荷重信号ＳＷ３から負荷対象物５００が静止している際の荷重値により静荷重値を決定する。具体的には、下端リミットスイッチ１３８Ｕまたは上端リミットスイッチ１３８Ｌのいずれかが負荷対象物５００が昇降軸１３６の上端または下端にあることを示しているときの荷重信号ＳＷ３がサンプリングされてその荷重値が静荷重記憶部１０２６に格納される。このような動作のため、反力制御部１００には、下端リミットスイッチ１３８Ｕおよび上端リミットスイッチ１３８Ｌからの入力を受け付ける上端下端入力部１０２４が備わっている。なお、下端リミットスイッチ１３８Ｕ、上端リミットスイッチ１３８Ｌの他の目的は、荷重モーター１３２の動作を制御する荷重モーター駆動電源１３４に入力されて、荷重モーター１３２の動作を上端または下端の範囲に制限することである。
【００６１】
次いで、静荷重記憶部１０２６の静荷重値と、荷重信号ＳＷ３の動荷重値との差分が差分処理部１０２２により算出されて、偏差量成分ΔＳＷ３として算出される。この偏差量成分ΔＳＷ３は、パルス反力制御部１０４Ａと偏差反力制御部１０６Ａに入力される。
【００６２】
パルス反力制御部１０４Ａでは、偏差量成分ΔＳＷ３から時間変化率成分が算出されて、時間変化率成分の絶対値がある閾値つまり時間変化率閾値を超えている場合に、パルス反力のための反力の値を生成する。ここで時間変化率閾値は、負荷対象物５００が周囲の物体に衝突しアタリが生じる場合には、偏差量成分ΔＳＷ３からの時間変化率が超えるような値に選択されている。例えば、負荷対象物５００を上昇させているときにアタリが生じると、静荷重記憶部１０２６の静荷重値から増大する荷重信号ＳＷ３が得られる。従って、偏差量成分ΔＳＷ３は、正の大きな時間変化率を示す。その際、孤立したパルス状のパルス反力がある時間だけ生成するための反力指令値をパルス反力制御部１０４Ａが算出する。したがって、パルス反力は、時間変化率成分が存在することに応じて生成される。なお、偏差量成分ΔＳＷ３の時間変化の起源は、荷重信号ＳＷの時間変化である。また、時間変化率閾値の例が図３に示した閾値ＴＨ１、ＴＨ２である。
【００６３】
パルス反力制御部１０４Ａにより算出されるパルス反力のための反力指令値は、スティック１１２を中立位置に戻す方向のパルス反力を生成するためのものであり、スティック１１２を中立位置から遠ざける向きの反力は生成されない。このような反力指令値を算出するためには、スティック１１２の入力座標値または速度指令値を利用する必要がある。この目的で、本実装例のパルス反力制御部１０４Ａには、図２に示したリモートハンドリング装置１０００において入力座標信号ＳＰを入力していたパルス反力制御部１０４とは異なり、昇降制御部１２０Ａからの速度指令信号ＳＶ２が入力される。また、パルス反力制御部１０４Ａは、リモートハンドリング装置１０００におけるパルス反力制御部１０４が荷重信号ＳＷを入力としているのに対し、静荷重との差分である偏差量成分ΔＳＷ３を入力としている点において実施上の差異を有している。ただしこの点は時間変化率の算出上において実質的相違点とはならない。
【００６４】
そして、パルス反力制御部１０４Ａは反力指令値を算出して反力指令信号ＳＲＦ２として出力する。
【００６５】
偏差反力制御部１０６Ａは、振動反力または繰返パルス反力を生成するための反力指令値を算出する。この際にも、スティック１１２を中立位置から遠ざける向きの反力は生成されない。このため、偏差反力制御部１０６Ａにも、偏差量成分ΔＳＷ３に加え、昇降制御部１２０Ａからの速度指令信号ＳＶ２も入力される。この点において、本実装例は入力座標信号ＳＰを入力していた図２のリモートハンドリング装置１０００の偏差反力制御部１０６と異なっている。また、偏差反力制御部１０６Ａは、リモートハンドリング装置１０００における偏差反力制御部１０６が荷重信号ＳＷを入力としているのに対し、静荷重との差分である偏差量成分ΔＳＷ３を入力としている。このため、偏差反力制御部１０６の動作は、リモートハンドリング装置１０００Ａの偏差反力制御部１０６Ａの動作と差分処理部１０２２、上端下端入力部１０２４、静荷重記憶部１０２６の動作を含むものである。
【００６６】
そして、偏差反力制御部１０６Ａは反力指令値を算出して反力指令信号ＳＲＦ３として出力する。偏差反力制御部１０６Ａでは、偏差量成分ΔＳＷ３の絶対値がある閾値つまり偏差量閾値を超えている場合に、振動しない反力（図３（ｅ））や振動反力（図３（ｆ））のための反力の値を生成する。ここで偏差量閾値は、負荷対象物５００が周囲の物体に摩擦して生じるコスレの際に、偏差量成分ΔＳＷ３が超えるような値に選択されている。例えば、負荷対象物５００を上昇させているときにコスレが生じると、静荷重記憶部１０２６の静荷重値から増大する荷重信号ＳＷ３が得られる。このとき、偏差量成分ΔＳＷ３は、正の偏差量を示す。その際、上記偏差量閾値を偏差量成分ΔＳＷ３が超えた場合には、振動しない反力や振動反力のための反力指令値を偏差反力制御部１０６Ａが算出する。したがって、パルス反力は、時間変化率成分が存在することに応じて生成される。なお、偏差量閾値例が図３に示した閾値ＴＨ３、ＴＨ４である。
【００６７】
パルス反力制御部１０４Ａからの反力指令信号ＳＲＦ２が示す反力指令値と偏差反力制御部１０６Ａからの反力指令信号ＳＲＦ３が示す反力指令値は加算処理部１０２８により重畳され、反力指令信号ＳＲＦ４として反力補正処理部１０８Ａに入力される。反力補正処理部１０８Ａは、生成される反力を適切なものにするために、反力指令信号ＳＲＦ４が示す反力指令値を対象に補正処理を行なう。反力補正処理部１０８Ａには、上記補正処理のために速度指令信号ＳＶ２も入力される。この点、本実装例の反力補正処理部１０８Ａは図２に示した入力座標信号ＳＰを入力していた反力補正処理部１０８とは異なっている。反力補正処理部１０８Ａの具体的な処理は４つである。まず（１）反力指令信号ＳＲＦ４の反力指令値にかかわらず、速度指令信号ＳＶ２が０であるときには反力補正値を０とする。また（２）反力指令信号ＳＲＦ４の示す反力の向きとスティック１１２の向きが同一であるときには反力補正値を０とする。さらに（３）反力指令信号ＳＲＦ４の反力指令値が反力指令値の上限値を超えるときには反力指令値を当該上限値とする。最後に、（４）（１）〜（３）以外のときには反力指令信号ＳＲＦ４の反力指令値をそのまま出力する。これらのうち（１）および（２）の処理はそれぞれ、「１−２−４  反力補正処理部１０８の詳細な動作」の欄にて上述した停止時反力制限処理、および反力の向きの制限処理である。
【００６８】
反力補正処理部１０８Ａの出力は反力指令信号ＳＲＦ５となり、工業値変換された上、モーター駆動電源１１８に反力指令信号ＳＲＦとして出力される。反力生成装置１１６は、モーター駆動電源１１８からの出力電流により駆動され、スティック１１２を通じてオペレータに知覚させる反力を反力制御部１００の制御動作に従って生成する。このような制御動作により、負荷対象物５００の周囲の物体とのアタリやコスレが適切に検出され、図３に例示した反力のようなオペレータにとって知覚が容易となるように強調された反力が生成される。
【００６９】
本出願の発明者らは、リモートハンドリング装置１０００Ａの評価システムにおいて各種のパラメータを調整することより、上述した第１実施形態のリモートハンドリング装置１０００の有用性を実際に確認した。すなわち、図３に示した反力により説明すれば、負荷対象物５００と周囲の物体とのアタリとコスレは、スティック１１２を通じたパルス反力Ｆ１、ならびに振動しない反力Ｆ２および振動反力Ｆ３により、オペレータは負荷対象物５００の昇降操作に注意力を向けていないタイミングにおいても知覚することが可能であった。その際オペレータは、アタリとコスレを区別することも可能であった。さらに、アタリおよびコスレＤ（図３（ａ））のようなアタリとコスレが共に生じた場合には、そのアタリとコスレが連続していることについても認識することができた。そして、パルス反力Ｆ１Ａとパルス反力Ｆ１Ｂとの区別や、振動しない反力Ｆ２Ｃ、Ｆ２Ｄ、振動反力Ｆ３Ｃ、Ｆ３Ｄそれぞれにおいて反力が変化している状況もオペレータが知覚することが可能であった。なお、リモートハンドリング装置１０００Ａの評価システムのこれらの確認のために調整した上記パラメータは次のパラメータ群のうち少なくとも一のパラメータとした：閾値ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３、ＴＨ４、パルス反力Ｆ１、振動しない反力Ｆ２、および振動反力Ｆ３についてのそれぞれの強さ、これらについてのそれぞれの相対的なバランス、パルス反力Ｆ１についての期間、振動反力Ｆ３についての交番周期およびパルスの期間、ならびに、反力補正処理部１０８Ａにおける反力指令値の上限値、とした。
【００７０】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実装例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のリモートハンドリング装置またはその補助装置は、負荷対象物を離れた位置から手動操作する任意の装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０００  リモートハンドリング装置
１２００  補助装置
５００  負荷対象物
１００、１００Ａ  反力制御部
１０２０  フィルタ
１０２２  差分処理部
１０２４  上端下端入力部
１０２６  静荷重記憶部
１０２８  加算処理部
１０４、１０４Ａ  パルス反力制御部
１０６、１０６Ａ  偏差反力制御部
１０８、１０８Ａ  反力補正処理部
１１０  ジョイスティック装置
１１２  スティック
１１４  入力座標センサー
１１６  反力生成装置
１１８  モーター駆動電源
１２０、１２０Ａ  昇降制御部
１２２  ＡＤ変換部
１２４  フィルタ処理部
１２６  速度指令変換部
１２８  ＤＡ変換部
１３０  荷重昇降装置
１３２  荷重モーター
１３４  荷重モーター駆動電源
１３６  昇降軸
１３８Ｌ  上端リミットスイッチ
１３８Ｕ  下端リミットスイッチ
１４０  荷重センサー
１４２  ロードセル変換器
１４４  ロードセルインターフェース
１５０  表示装置
ＴＨ１〜ＴＨ４  閾値
ＳＰ、ＳＰ２  、ＳＰ３  入力座標信号
ＳＶ、ＳＶ２  速度指令信号
ＳＷ、ＳＷ２、ＳＷ３  荷重信号
ＳＲＦ、ＳＲＦ２〜ＳＲＦ５  反力指令信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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