(57)【要約】【課題】従来方式は、起伏アームと屈曲アームの角度センサからマニピュレータ先端の位置を求め、目標位置との偏差量により起伏アームと屈曲アームを夫々動作させるため、制御時間がかかり複雑で高価であった。【解決手段】起伏シリンダにより駆動される起伏アームと、屈曲シリンダにより駆動される屈曲アームと、各アームの角度を検出する起伏アーム角度センサ及び屈曲アーム角度センサと、水平操作桿及び／又は垂直操作桿と、を備えたマニピュレータにおいて、各アーム角度センサからそれぞれのアーム角度を検出し、起伏シリンダと屈曲シリンダに供給する一定の油量比を規定したシリンダ油量比テーブルを配置し、検出されたそれぞれのアーム角度とシリンダ油量比テーブルとに基づいて、起伏シリンダと屈曲シリンダに供給する一定の油量比を求めて出力することにより、現状位置のマニピュレータ先端を略水平又は垂直に移動させること。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起伏シリンダにより駆動される起伏アームと、前記起伏アームに連結され屈曲シリンダにより駆動される屈曲アームと、前記起伏アームの角度を検出する起伏アーム角度センサ及び前記屈曲アームの角度を検出する屈曲アーム角度センサと、水平操作桿及び／又は垂直操作桿と、を備えたマニピュレータにおいて、
前記起伏アーム角度センサと前記屈曲アーム角度センサからそれぞれのアーム角度を検出し、
前記マニピュレータの先端を略水平移動又は略垂直移動させるため、前記起伏シリンダと前記屈曲シリンダに供給する一定の油量比を規定したシリンダ油量比テーブルを配置し、
前記水平操作桿又は前記垂直操作桿の操作を元に、前記検出されたそれぞれのアーム角度と前記シリンダ油量比テーブルとに基づいて、前記起伏シリンダと前記屈曲シリンダに供給する一定の油量比を求めて出力することにより、現状位置のマニピュレータ先端を略水平又は垂直に移動させる
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記シリンダ油量比テーブルは、前記マニピュレータ先端の動作範囲を区分して各動作範囲区分毎に各シリンダに供給する油量を一定比率とするものである
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記水平操作桿又は前記垂直操作桿の操作における操作量によって、各シリンダに供給する油量を制御する
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項４】
請求項１、２、又は３において、
現状位置のマニピュレータ先端が限定された移動範囲である場合に、前記起伏アーム角度センサと前記屈曲アーム角度センサを不要とし、前記シリンダ油量比テーブルの油量比を単一値とする
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項５】
起伏シリンダにより駆動される起伏アームと、前記起伏アームに連結され屈曲シリンダにより駆動される屈曲アームと、前記起伏アームの角度を検出する起伏アーム角度センサ及び前記屈曲アームの角度を検出する屈曲アーム角度センサと、水平操作桿及び／又は垂直操作桿と、を備えたマニピュレータの先端を略水平又は垂直に移動させる方法において、
前記起伏アーム角度センサと前記屈曲アーム角度センサからそれぞれのアーム角度を検出し、
前記マニピュレータの先端を略水平移動又は略垂直移動させるため、前記起伏シリンダと前記屈曲シリンダに供給する一定の油量比を規定したシリンダ油量比テーブルを配置し、
前記水平操作桿又は前記垂直操作桿の操作を元に、前記検出されたそれぞれのアーム角度と前記シリンダ油量比テーブルとに基づいて、前記起伏シリンダと前記屈曲シリンダに供給する一定の油量比を求めて出力することにより、現状位置のマニピュレータ先端を略水平又は垂直に移動させる
ことを特徴とするマニピュレータの移動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２関節マニピュレータにおいて起伏アームと屈曲アームを同時動作させることにより、マニピュレータ先端の軌跡をほぼ水平又はほぼ垂直に移動させる簡便な制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の多関節マニピュレータは、マニピュレータ先端軌跡を水平又は垂直に制御する場合、起伏アームの角度（基台との角度）及び屈曲アームの角度（起伏アームとの角度）等をセンサにより制御装置に取り込み、マニピュレータ先端の現在位置を計算し、目標位置との偏差により、起伏アーム及び屈曲アームの必要な移動速度を逐次計算し、この計算結果に基づいて起伏シリンダと屈曲シルンダへの油の供給量を逐次制御する閉ループのフィードバック制御方法が主流である。
【０００３】
油圧建設機械の技術分野において、人手操作による起伏アームと屈曲アームを複合動作させ、マニピュレータ先端を水平動作させるために、起伏アームと屈曲アームの異なる操作桿をバランス良く操作して、水平軌跡動作させることはかなりの熟練を必要とする作業であった。このように、人手では困難な高度な操作能力が要求させる油圧建設機械の水平動作作業をコンピュータ制御により精密に行なわせる試みが多数提案されている。
【０００４】
従来技術のコンピュータ制御は、ブームとアームとパケット、及びこれらを駆動するそれぞれのシリンダを備えた油圧式ショベルにおいて、パケットによる地ならし作業、即ちパケットの平行移動がオペレータの手動操作で困難であったことに鑑みて、パケットの移動速度を指令値として与え、この移動速度に対応するブーム回動速度及びアーム回動速度を演算で求めてパケットを平行移動制御するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献】
特開昭５５−３００３８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のフィードバック制御方式は、起伏アームと屈曲アームの各々の角度より、マニピュレータ先端の位置を求め、各位置において、目標位置のと偏差を逐次計算し、偏差量により起伏アームと屈曲アームを夫々動作させるため、制御演算処理に時間がかかるため動作速度が遅くなり、制御装置が複雑で高価になるという課題があった。
【０００７】
また、上述した特許文献１のコンピュータ制御においても、ブーム及びアームの回動速度の演算に際して、ブーム角度センサ及びアーム角度センサからの角度を検出して演算の対象とせねばならず、その都度角度検出と演算処理を実施するという煩雑さが残るものであった。
【０００８】
本発明の目的は、起伏アームとそれに繋がる屈曲アームとそれぞれのアームを駆動するシリンダとを備えたマニピュレータにおいて、マニピュレータ先端を略水平又は略垂直方向に移動させる簡便な制御方法を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。  起伏シリンダにより駆動される起伏アームと、前記起伏アームに連結され屈曲シリンダにより駆動される屈曲アームと、前記起伏アームの角度を検出する起伏アーム角度センサ及び前記屈曲アームの角度を検出する屈曲アーム角度センサと、水平操作桿及び／又は垂直操作桿と、を備えたマニピュレータにおいて、
前記起伏アーム角度センサと前記屈曲アーム角度センサからそれぞれのアーム角度を検出し、
前記マニピュレータの先端を略水平移動又は略垂直移動させるため、前記起伏シリンダと前記屈曲シリンダに供給する一定の油量比を規定したシリンダ油量比テーブルを配置し、
前記水平操作桿又は前記垂直操作桿の操作を元に、前記検出されたそれぞれのアーム角度と前記シリンダ油量比テーブルとに基づいて、前記起伏シリンダと前記屈曲シリンダに供給する一定の油量比を求めて出力することにより、現状位置のマニピュレータ先端を略水平又は垂直に移動させるマニピュレータ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る２関節マニピュレータの水平又は垂直制御装置及び方法について、図１〜図５を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る２関節マニピュレータの基本構成を示し、吊り荷の水平押し出し動作態様を表す図であり、図２は本発明の実施形態に係る２関節マニピュレータの基本構成を示し、吊り荷の水平引き込み動作態様を表す図である。また、図３は本実施形態に関する水平又は垂直制御を実現するための制御構成を示す図であり、図４はマニピュレータ先端の水平及び高さ位置と起伏シリンダ及び屈曲シリンダの流量比との関係を示す図である。図５は本実施形態に関する制御方法を表すフローチャートである。
【００１１】
ここで、１はポスト、２は起伏アーム、３は起伏シリンダ、４は屈曲アーム、５は屈曲シリンダ、６は吊り荷、１１ａは水平操作桿、１１ｂは垂直操作桿、１２はポンプ、１３はパイロットポンプ、１４は流量制御弁、１５は電磁比例弁、１６は起伏アーム角度センサ、１７は屈曲アーム角度センサ、１８は制御装置、をそれぞれ表す。
【００１２】
図１と図２は、いずれも水平動作中の状態を表す２関節のマニピュレータであり、このマニピュレータは、架台等に固定されたポスト１にピンジョイント（回動連結点）で起伏アーム２と起伏シリンダ３を連結し、更に、起伏アーム２の先端部に屈曲アーム４と屈曲シリンダ５をピンジョイントで連結し、屈曲アーム４の先端に吊り荷６を吊り下げている。このようなマニピュレータの基本構成を用いて吊り荷を移動させるには、基本的には、起伏アームの角度θ１及び屈曲アームの角度θ２とオペレータの操作する操作桿１１の操作量に応じて、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５への流量比（制御装置１８に格納されたシリンダ油量比テーブルにより決まるもの）と流量（操作桿の押し込み量又は引き込み量によって決まるもの）を制御することにより、吊り荷６を略水平又は略垂直制御することができる（詳細は後述するが、図３参照）。
【００１３】
図３には、起伏シリンダ３及び屈曲シリンダ５、流量制御弁１４、電磁比例弁１５、操作桿１１、起伏アーム角度センサ１６及び屈曲アーム角度センサ１７等を備えた２関節マニピュレータの関連構成を示しているが、まず、各構成要素の基本的な機能について説明する。水平操作桿１１ａ又は垂直操作桿１１ｂは、マニピュレータ先端のポジションを水平移動又は垂直移動されるための操作桿であり、例えば、水平移動させたい場合には水平操作桿１１ａを押し込み（例えば、マニピュレータ先端ポジションを遠ざける）又は引き込み（例えば、マニピュレータ先端ポジションを近づける）ことによって、両シリンダ３，５に流れる油量比を制御装置１８で演算して結果的に略水平移動させるものである。その際、押し込み又は引き込みのそれぞれの移動量は油量の多寡に関係し、マニピュレータの移動速度の大小に対応している。
【００１４】
また、流量制御弁１４は、ポンプ１２からの油をシリンダ３，５の右又は左室に導いてシリンダ操作端を伸縮させる機能を有するとともに、シリンダに流入する油量を制御できる機能を備えている。シリンダへの油量制御機能を用いる場合、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５へのそれぞれの油量を制御することによって、即ち、両シリンダへの油量比を制御することによって、マニピュレータ先端のポジション軌跡を操作者の希望するポジション通りに描かせるものである。
【００１５】
上述した流量制御弁１４の前記伸縮機能と油量制御機能とを適宜に選定、調整するものが電磁比例弁１５であり、更に、この電磁比例弁１５は制御装置１８からの制御信号で動作するものである。制御装置１８は、操作桿１１ａ、１１ｂと角度センサ１６，１７からの信号、並びに後述する図４のシリンダ油量比テーブルの油量比信号を入力パラメータとして制御信号を出力する。
【００１６】
更に説明すると、図３において、ポンプ１２は、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５への油量を制御する流量制御弁１４ａ，１４ｂに油を供給する。パイロットポンプ１３は、流量制御弁１４への制御信号であるパイロット圧力を制御する電磁比例弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄへパイロット油圧を供給する。制御装置１８は、操作者による水平操作桿１１ａ又は垂直操作桿１１ｂの操作量を取り込み、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５へ供給する油量を計算する。更に、制御装置１８は、起伏アーム角度センサ１６と屈曲アーム角度センサ１７で検出された起伏アーム角度θ１と屈曲アーム角度θ２をそれぞれ取り込み、この取り込んだ情報（θ１とθ２からマニピュレータ先端のポジションが換算可能）に基づいて起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５へ送る油量比を制御装置内の図４に示すシリンダ油量テーブル（詳細は後述する）により求める。
【００１７】
図４に、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５に供給する油量比の概念（図４の（２）参照）と制御装置１８内のメモリに格納されたシリンダ油量比テーブル（図４の（１）参照）とを示す。図４の（１）のテーブルは、横軸がマニピュレータ先端の水平位置であり、縦軸がその高さ位置を示す。そして、水平位置と高さ位置を適宜のブロックに分け、マニピュレータ先端が略（疑似）水平移動又は略（疑似）垂直移動する際における両シリンダの油量比を予め求めてテーブル（表）にして記憶しておく。更に、水平位置と高さ位置は、図３に示す起伏アーム角度センサ１６と屈曲アーム角度センサ１７からのθ１とθ２によって換算可能である。
【００１８】
ここで、図４を参照して制御装置１８から電磁比例弁１５への制御信号の出力態様を例示すると、マニピュレータ先端ポジションが水平位置で４番目ブロック、高さ位置で２番目ブロックであることが角度センサ１６，１７からの検出信号で分かり、このポジションから手前に略水平にマニピュレータ先端を移動させようとする場合、まず水平操作桿１１ａを引き込む。そうすると、制御装置１８はテーブルから油量比が０．８であることが求まって（当該ブロック内では油量比は一定比率である）、この油量比と水平操作桿１１ａの引き込み量による油量とを出力する。次いで、角度センサ１６，１７からマニピュレータ先端位置が検出されて、テーブルの左側に水平移行した油量比が求まってこの油量比に対応した制御信号を出力する。このようにして、順次図４に示すブロックに示された油量比を出力する。
【００１９】
なお、以上は水平移動を例にとって説明したが、テーブルにはマニピュレータを略垂直移動させる場合の油量比も予め求めて表にしているので、垂直操作桿１１ｂによる垂直移動も同様に可能である。図４に示したブロックの粗密はマニピュレータの水平又は垂直移動における脈動の許される範囲によって決まるものであり、マニピュレータの使用条件によって、複数のテーブルを準備してその内の適宜のテーブルを採用することもできる。
【００２０】
このように、上述した起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５へ供給する各油量と各油量の流量比に基づいて、制御装置１８が電磁比例弁１５に制御信号を与え、電磁比例弁１５によるパイロット圧力で流量制御弁１４を制御することにより起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５を或る一定の速度比で同時動作させることにより、マニピュレータの先端に吊り下げた吊り荷６の移動軌跡を略水平又は略垂直に動作させることが可能となる。
【００２１】
ここで、マニピュレータ先端の動作範囲が狭い場合（マニピュレータの移動範囲がその使用条件によって予め決まっているような限定した動作態様の場合）は、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５へ供給する油量比を１つに固定した制御方法とするこにより、起伏アーム角度センサ１６と屈曲アーム角度センサ１７の制御装置１８への取り込みが不要となり、より簡便な制御方法となる。即ち、移動範囲が予め決まっているので、角度センサによるマニピュレータのその都度の位置検出は不要となるのである。
【００２２】
図５に示した制御の流れは上記の記述内容を取り纏めたものであり、図５に記述した内容の通りである（図５の説明は図５の記述通り）。図５でアーム角度θ１とθ２は、前述したように図４に示す水平位置と高さ位置に換算可能である。ここで、起伏アーム角度１６と屈曲アーム角度１７の検出値より、起伏シリンダ３と屈曲シリンダ５への油量の供給量の比を制御装置１８で計算するが、この計算頻度はマニピュレータの先端軌跡の要求精度が高く無く、ほぼ水平又はほぼ垂直の軌跡であれば良いという条件であれば、起伏アーム角度１６及び屈曲アーム角度１７から起伏シリンダと屈曲シリンダへの流量比の求める上記の関係表は細かく作成する必要はない。特に、マニピュレータの動作範囲が狭く限定されている場合には、起伏アーム角度１６及び屈曲アーム角度１７と起伏シリンダと屈曲シリンダの流量比との関係表は流量比の値を１種類程度に固定することにより、より簡便なマニピュレータの略水平又は略垂直の制御が実現できる。
【００２３】
また、より簡易な略垂直制御方式として、起伏アームのみを動作させることにより２関節のマニピュレータ先端を略垂直に動作させることができる。この略垂直制御方式はマニピュレータの腕の長さが長い場合にほぼ垂直な軌跡に近づくこととなる。
【００２４】
以上の説明では、起伏又は屈曲アームの駆動はそれぞれのシリンダで実現するものを例示したが、シリンダに限らず、例えば、ピンジョイントで各アームを回動駆動するモータであっても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、起伏アーム角度θ１及び屈曲アーム角度θ２と起伏シリンダと屈曲シリンダへ供給する油の流量比の関係表（テーブル）から、起伏シリンダと屈曲シリンダへの油の流量比を決めることができるので、制御装置が複雑にならず、且つ熟練操作者を必要としない２関節のマニピュレータ先端の略水平又は略垂直移動が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る２関節マニピュレータの基本構成を示し、吊り荷の水平押し出し動作態様を表す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る２関節マニピュレータの基本構成を示し、吊り荷の水平引き込み動作態様を表す図である。
【図３】本実施形態に関する水平又は垂直制御を実現するための制御構成を示す図である。
【図４】マニピュレータ先端の水平及び高さ位置と起伏シリンダ及び屈曲シリンダの流量比との関係を示す図である。
【図５】本実施形態に関する制御方法を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１  ポスト
２  起伏アーム
３  起伏シリンダ
４  屈曲アーム
５  屈曲シリンダ
６  吊り荷
１１ａ  水平操作桿
１１ｂ  垂直操作桿
１２  ポンプ
１３  パイロットポンプ
１４  流量制御弁
１５  電磁比例弁
１６  起伏アーム角度センサ
１７  屈曲アーム角度センサ
１８  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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