(57)【要約】【課題】ブーム先端の重量増を抑え、さらには操作性を向上させ、安全にマニピュレータを誘導操作することが可能な架空配電線路用作業装置を提供する。【解決手段】キャビン２と、キャビン２に取り付けられ、その先端に力センサ３２を介して複数種の作業工具３４を交換して装着可能なマニピュレータ３１と、マニピュレータ３１の動作を制御する制御装置３８とからなり、キャビン２に搭乗したオペレータＨがマニピュレータ３１を操作して架空電線路に対して作業を行う架空配電線路用作業装置３において、制御装置３８は、インピーダンス制御によって力センサ３２で検出された外力の方向へマニピュレータ３１を動作させる動作指令を生成する動作指令生成部を備え、動作指令生成部は、力センサ３２の出力から、オペレータＨが作業工具３４へ加えた力のみを抽出する操作力抽出部を設けた。【選択図】図１
2007236121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビンと、前記キャビンに取り付けられ、その先端に力センサを介して複数種の作業工具を交換して装着可能なマニピュレータと、前記キャビンに取り付けられ、前記マニピュレータの動作を制御する制御装置と、を備えて成る架空配電線路用作業装置において、
前記制御装置が、インピーダンス制御によって前記力センサで検出された外力の方向へ前記マニピュレータを動作させる動作指令を生成する動作指令生成部を備え、かつ、前記動作指令生成部は、前記力センサの出力から、オペレータが前記作業工具へ加えた力のみを抽出する操作力抽出部を備えたことを特徴とする架空配電線路用作業装置。
【請求項２】
前記動作指令生成部は、前記複数種の作業工具の情報を記憶する作業情報記憶部を備え、かつ、前記操作力抽出部は、前記作業工具の情報によって前記力センサの出力から前記作業工具の質量による力を取り除いて、オペレータが前記作業工具へ加えた力のみを抽出することを特徴とする請求項１記載の架空配電線路用作業装置。
【請求項３】
前記動作指令生成部は、前記作業情報記憶部に記憶された作業工具の情報から前記操作力抽出部の出力を推定し、前記操作力抽出部の実際の出力と比較する操作有効判断部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の架空配電線路用作業装置。
【請求項４】
前記操作有効判断部は、前記推定値と前記操作力抽出部の実際の出力との差が所定値以内であるか否かをオペレータに提示し、前記差が所定値より大きい場合には、前記マニピュレータを停止させることを特徴とする請求項３記載の架空配電線路用作業装置。
【請求項５】
前記作業工具の情報は、前記作業工具の質量と重心位置であることを特徴とする請求項２または３記載の架空配電線路用作業装置。
【請求項６】
前記キャビンは、その周辺部にガイド部を備え、前記マニピュレータは、前記ガイド部に沿って前記キャビン周囲を移動可能であることを特徴とする請求項１記載の架空配電線路用作業装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータを用いて架空配電線路に対して配電用機材の取り付けや取り外し作業等を行う架空配電線路用作業装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
架空配電線路における作業は、電柱に碍子やトランス等の配電用機材を取り付け、これに電線を支持したり接続したりする作業であり、通常は作業員が高所作業車のブーム上のバケットに乗って手作業やホットスティック操作によって行っている。
ところが、近年安全性を確保しつつ感電防止の防護時間を省略して作業効率を高める等の理由から、マニピュレータを使った架空配電線路用作業装置が用いられるようになっている。
図６に架空配電線路用作業装置の一例を示す。図６において、６０は架空配電線路用作業装置、６１は高所作業車、６２はブーム、６３はマニピュレータ、６４は工具、６５はキャビン、Ｈはオペレータである。図から判るように、架空配電線路用作業装置６０は、高所作業車６１のブーム６２上にマスタースレーブ方式のマニピュレータ６３を搭載したものであり、このマニピュレータ６３の先端には各種の工具６４が取り付けられていて、さらに、ブーム６２の頂部にはキャビン６５が設けてある。
このキャビン６５の内部にオペレータＨが搭乗しマニピュレータ６３を操作することで、マニピュレータ６３の先端の各種工具６４によるボルト締めや電線の皮剥ぎ、リード線の切断等の作業を行う。
【０００３】
このような従来の架空配電線路用作業装置６０にあっては、オペレータＨがマニピュレータ６３の基端部側のキャビン６５内からマニピュレータ６３の先端の工具６４を操作して配電用機材の取り付け等の作業を行うため、オペレータＨはマニピュレータ６３によって作業対象である電柱や電線から隔てられ、マニピュレータ６３を介してのみ作業を行うこととなる。
したがってオペレータＨはマニピュレータ６３での作業中に、手作業を行ったりホットスティックを操作したりしてマニピュレータ６３との協調作業を行うことができないという欠点があった。
【０００４】
こうした問題に対処するものとして、例えば特許文献１にて開示されているような架空配電線路用作業装置が知られている。この架空配電線路用作業装置によればキャビンとマニピュレータの間隔や位置関係を自由に変えることで、オペレータとマニピュレータとの協調作業を可能とし、かつマニピュレータへの配線用機材の受け渡しや、マニピュレータの先端工具の修理交換作業等を、一人のオペレータで行うことができる。特許文献１の架空配電線路用作業装置は、オペレータとマニピュレータの協調作業を容易とするための配置構成に重点を置いたものとなっている。
【０００５】
一方、作業の効率を考慮したものとして、特許文献２にて開示されているような、協調作業のためのマニピュレータへの動作指示を容易にするマニピュレータの誘導制御方法を用いた架空配電線路用作業装置が知られている。特許文献２では、旋回、起伏、並びに伸縮の各作動を行うマニピュレータを備え、マニピュレータはその先端に力検出手段を介して把持装置を備え、キャビン内のオペレータが把持装置に把持されたホットスティックを介してマニピュレータを誘導操作する架空配電線路用作業装置が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８―２２８４１６号公報
【特許文献２】特開平１１−６９５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べたように従来の架空配電線路用作業装置では、マニピュレータとオペレータとの協調作業を容易にする配置構成やその制御装置について提案されているが、協調作業の場合の操作性や安全性において問題があった。
例えば特許文献２の作業装置では、オペレータがマニピュレータを誘導する際に使用するホットスティックは、作業の種類に応じてその先端に取り付けられる作業工具が異なり、それによって重さが変化するため、オペレータが意図するマニピュレータへの操作力のみを適切に抽出することが困難であり、操作性の悪化を招いた。
そして最悪の場合、操作力の誤検出によりオペレータとマニピュレータが接触し、オペレータが怪我をする恐れがあった。
【０００８】
また、特許文献１のような作業装置でも、キャビンとマニピュレータとの位置関係を変化させられることが特許文献２の場合と同様にオペレータとマニピュレータとの接触をもたらす恐れがあった。また駆動機構がブーム先端重量の増加に繋がるため、ブーム自体の動作範囲が狭くなり、作業性が低下するといった問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ブーム先端の重量増を抑え、さらには操作性を向上させ、安全にマニピュレータを誘導操作することが可能な架空配電線路用作業装置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】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の架空配電線路用作業装置の発明は、キャビンと、前記キャビンに取り付けられ、その先端に力センサを介して複数種の作業工具を交換して装着可能なマニピュレータと、前記キャビンに取り付けられ、前記マニピュレータの動作を制御する制御装置と、を備えて成る架空配電線路用作業装置において、前記制御装置が、インピーダンス制御によって前記力センサで検出された外力の方向へ前記マニピュレータを動作させる動作指令を生成する動作指令生成部を備え、かつ、前記動作指令生成部は、前記力センサの出力から、オペレータが前記作業工具へ加えた力のみを抽出する操作力抽出部を備えたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の架空配電線路用作業装置において、前記動作指令生成部が、前記複数種の作業工具の情報を記憶する作業情報記憶部を備え、かつ、前記操作力抽出部が、前記作業工具の情報によって前記力センサの出力から前記作業工具の質量による力を取り除いて、オペレータが前記作業工具へ加えた力のみを抽出することを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の架空配電線路用作業装置において、前記動作指令生成部が、前記作業情報記憶部に記憶された作業工具の情報から前記操作力抽出部の出力を推定し、前記操作力抽出部の実際の出力と比較する操作有効判断部を備えることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の架空配電線路用作業装置において、前記操作有効判断部が、前記推定値と前記操作力抽出部の実際の出力との差が所定値以内であるか否かをオペレータに提示し、前記差が所定値より大きい場合には、前記マニピュレータを停止させることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項２または３記載の架空配電線路用作業装置において、前記作業工具の情報が前記作業工具の質量と重心位置であることを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の架空配電線路用作業装置において、前記キャビンがその周辺部にガイド部を備え、前記マニピュレータが前記ガイド部に沿って前記キャビン周囲を移動可能であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１および請求項２記載の発明によると、作業中にマニピュレータに装着した作業工具の種類が変わった場合にも、オペレータの操作力を精度よく抽出し、一定の力でマニピュレータを動かすことができるので操作性が向上する。
また、請求項３から請求項５記載の発明によると、マニピュレータに加えられた力が適切か否かを確認してオペレータに提示し、異常な力が加わった場合にはそれを検知しマニピュレータを停止するため、安全性が向上する。
また、請求項６記載の発明によると、マニピュレータとオペレータとの間隔を大きく変化させることなく、マニピュレータの動作範囲を広げることができるので、安全性とともに操作性が向上する。さらには、マニピュレータをキャビン上に、オペレータと隣接する様に配置できるため、ブームにかかる加重を軽減できる。またマニピュレータとオペレータが隣接した状態がとれるため協調作業が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明に係る架空配電線路用作業装置の構成図である。
図１は高所作業車本体の図示を省略し、キャビン２付近のみを抜き出して描いている。図において、１はブーム、２はキャビン、３は本発明に係る架空配電線路用作業装置である。架空配電線路用作業装置３はマニピュレータ３１、力センサ３２、把持装置３３、ホットスティック（作業工具）３４と３５、ガイド部３６、操作有効判断部（後述、図３の１３ｃ）の機能の有効／無効を切り換えるスイッチ３７、制御装置３８、ＬＥＤ（発光ダイオード）３９を備えている。なお、Ｐはオペレータである。図６で示したような高所作業車６１に旋回・起伏・伸縮自在に設置されるブーム１（図６の６２相当）の先端にオペレータＨが搭乗するキャビン２（図６の６５相当）が取り付けられ、実施例１では、架空配電線路用作業装置３はキャビン２に搭載されて使用されている。キャビン２の縁部には多関節型（図４参照）のマニピュレータ３１が設置されている。実施例１ではマニピュレータ３１は図４で示すように６軸の関節で構成されており、各関節は根元の関節軸から順にモータＪ１、モータＪ２、・・・モータＪ６により駆動されるようになっている。マニピュレータ３１の先端部には、力センサ３２を介して把持装置３３が取り付けられ、この把持装置３３はオペレータＨによる操作に従ってホットスティック３４を取付けたり、取外したりする。マニピュレータ３１の先端部に対してホットスティック３４の取付け、取外しが容易にできる機構であれば把持装置３３の代わりに他の装置、例えば嵌合装置を用いてもよい。
本発明では、マニピュレータ３１の操作はマスタースレーブ方式では行わず、把持装置３３に把持させたホットスティック３４などの作業工具に対してオペレータＨが把持した別のホットスティック３５によって力を加えることでマニピュレータ３１への動作指令としている。
【００１３】
さらに、マニピュレータ３１は、キャビン２の外縁部に設けられたガイド部３６に沿って平行移動ができるようになっている。実施例１においては、この平行移動はリニアモータ（図示せず）を利用して行なっている、別種類のアクチュエータによる駆動方式を採用してもよい。
また、マニピュレータ３１およびガイド部３６の動作を制御する制御装置３８はキャビン２内の下部に設置されている。
【００１４】
図２はその制御装置３８の内部構成を説明するブロック図である。
図２に示すように制御装置３８は、力センサ３２（図１）の出力に応じてマニピュレータ３１（図１）およびガイド部３６（図１）への動作指令を生成する動作指令生成部１３と、この動作指令生成部１３が生成する位置指令を入力として、マニピュレータ３１およびガイド部３６に対する位置速度制御処理を行う位置速度制御部１４と、この位置速度制御部１４の出力に応じてマニピュレータ３１の各関節軸モータＪ１、・・・モータＪ６（図４）とガイド部３６のリニアモータとを電流制御するサーボアンプ部１５と、サーボアンプ部１５の出力を停止させるサーボ遮断回路１６とで構成されている。
位置速度制御部１４は、マニピュレータ３１の各軸のモータ（モータＪ１、・・・モータＪ６）およびガイド部３６のリニアモータに設けられた位置検出器（いずれも図示せず）のフィードバックを受け、フィードバック制御を実行する。
【００１５】
図３は、図２の動作指令生成部１３内の構成を示す。
図において、１３は動作指令生成部、１３ａは操作力抽出部、１３ｂは作業情報記憶部、１３ｃは操作有効判断部、１３ｄはインピーダンス制御部である。
操作力抽出部１３ａは、力センサ３２（図１）の出力からマニピュレータ３１（図１）に対するオペレータＨの操作力を抽出するブロックである。
作業情報記憶部１３ｂは、マニピュレータ３１が把持する作業工具（例えば図１に示するホットスティック３４など）の種類に応じて予め設定された情報を記憶しているブロックである。
操作有効判断部１３ｃは、作業情報記憶部１３ｂに記憶された作業工具に関する情報に基づき、後述するインピーダンス制御部１３ｄへ操作力を出力するか否かを判断するブロックである。
インピーダンス制御部１３ｄは、操作力抽出部１３ａで抽出された操作力を入力としてマニピュレータ３１およびガイド部３６を力制御するための位置指令を生成するブロックである。
【００１６】
一方、マニピュレータ３１（図１）には操作有効判断部１３ｃ（図３）の判断結果をオペレータＨに提示する手段としてＬＥＤ３９が付設されている。ＬＥＤ３９は提示手段の一例に過ぎず、オペレータＨへの提示はスピーカからのブザー音や、液晶表示装置など他の方法を用いてもよいことは言うまでもない。
また、ＬＥＤ３９を設ける場所も、マニピュレータ３１の上に限らず、キャビン２の上であってもよい。
さらに、キャビン２の上には操作有効判断部１３ｃ（図３）の機能の有効／無効を切り換えるスイッチ３７が設けられている。この切り換えは、インピーダンス制御部１３ｄへ操作力を出力するか否かを判断する機能の切り換えのことであり、有効の場合は所定の判断基準に適合した場合のみインピーダンス制御部１３ｄ（図３）へ出力し、無効の場合は常に操作力をインピーダンス制御部１３ｄへ出力する。
【００１７】
ここで、操作有効判断部１３ｃにおける判断の基準と、ＬＥＤ３９の用途について説明する。
キャビン２（図１）上のスイッチ３７（図１）をオペレータＨがＯＮにすると、図３の操作有効判断部１３ｃの機能が有効状態となり、その後オペレータＨがホットスティック３４を把持装置３３に把持させると、操作有効判断部１３ｃは、作業情報記憶部１３ｂに予め設定されているホットスティック３４の質量および重心位置を用いて、把持時の操作力抽出部１３ａの推定出力値を算出する。
ここで重心位置とは、把持装置３３によってホットスティック３４が正しく把持された状態において、把持部分を基準とした相対的な位置として表現されている。
さらに、実際に操作力抽出部１３ａから出力された値と推定出力値とを比較し、その差が所定値よりも大きい場合はＬＥＤ３９にて操作が無効であることをオペレータＨに表示するとともに、サーボ遮断回路１６に出力してマニピュレータ３１の各軸モータを停止させ、誤動作を防止する。
なお、把持装置３３が把持しているホットスティック３４など作業工具の種類については、作業中に把持する作業工具が変化するのに伴ってオペレータＨが作業情報記憶部１３ｂへ入力するものとする。この入力は、キャビン２上に設けられた図示しない操作ボタンにより行ってもよいし、作業工具にバーコードを設けておき、キャビン２上に設けられたバーコードリーダにより行ってもよい。
【００１８】
以上のように構成される架空配電線路用作業装置３（図１）にて、オペレータＨは自分が把持したホットスティック３５によってマニピュレータ３１が把持したホットスティック３４などの作業工具を押したり引っ張ったりすることで、直接マニピュレータ３１の操作を行うことができる。このように、マニピュレータ３１の操作はマスタースレーブ方式では行わず、オペレータＨが把持したホットスティック３５によって把持装置３３の把持するホットスティック３４に対して力を加えることでマニピュレータ３１への動作指令としている。
図４はこのようなことができる本発明のマニピュレータの構成を示す概略図である。図において、オペレータＨによるホットスティック３４に対する操作により、力センサ３２が力ＦＦを検出すると、操作力抽出部１３ａ（図３）では、作業情報記憶部１３ｂ（図３）内に記憶されたホットスティック３４の質量と重心位置を用いて、力センサ３２で検出されたマニピュレータ３１の先端部に加わる力ＦＦからオペレータＨによる操作力Ｆｔのみを抽出する。
前述のスイッチ３７（図１）によって、操作有効判断部１３ｃ（図３）がオペレータＨによる操作力Ｆｔをインピーダンス制御部１３ｄ（図３）へ出力か否かを判断するようになっていれば、前述のように推定出力値との比較を行う。両者の差が所定値より小さければインピーダンス制御部１３ｄにてマニピュレータ３１に対する位置指令を生成する。
【００１９】
図５は図３のインピーダンス制御部１３ｄを説明するブロック図である。
図において、１７は力信号の座標変換ブロック、１８はインピーダンスモデルブロック、１９ａはマニピュレータ逆運動学ブロック、１９ｂはマニピュレータ順運動学ブロック、２０は逆Ｚ変換ブロックである。
前記の抽出された操作力Ｆtは、力センサ３２の位置を原点とする先端座標系ΣＦに基づいているため、まず座標変換ブロック１７で操作力Ｆtをマニピュレータ３１の基準座標系ΣＳＴに基づく力信号Ｆbに座標変換する。
操作力Ｆtから力信号Ｆbへの座標変換は、図４において力センサ３２の位置を原点とする先端座標系ΣFから基準座標系ΣＳＴへの同次変換である。
力信号Ｆbは、次に示す式（１）で与えられる。
【００２０】
【数１】
2007236121.tif 000003
【００２１】
ここで、力信号Ｆtから力信号Ｆbへの座標変換に関しては、オペレータＨが所定値以上の力を加えなければマニピュレータ３１が動かないように不感帯を設定しておく。具体的には、Ｆｔが予め設定された閾値を越えない場合には座標変換の結果を出力せず、以後の処理を行わないようにする。
【００２２】
次に、インピーダンスモデル１８に基づいて、座標変換された力信号Ｆbと、予め設定した所定のインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、Ｋとを用い、次の式（２）で示される微分方程式を解く。
【００２３】
【数２】
2007236121.tif 000004
【００２４】
ここで、パラメータＭは仮想質量に、パラメータＤは仮想粘性係数に、パラメータＫはばね定数に、それぞれ相当する。但し、本発明ではＫ＝０とすることで、マニピュレータ３１を任意の方向へ誘導可能としている。
これにより基準座標系ΣＳＴに基づく位置指令ベクトルＶSTを求める。ＶSTは現在位置からの変位量を表し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向それぞれの位置指令からなる位置指令ベクトルである。
式（２）により求めた位置指令ベクトルＶSTは前述のように基準座標系ΣSTに基づく変位量なので、位置速度制御部１４へ位置指令を出力するのに先立ち、基準座標系ΣSTに基づく現在位置を加算した上で、マニピュレータ逆運動学１９ａによりマニピュレータ３１の各関節軸モータＪ１、・・・モータＪ６への指令値へと変換する必要がある。
一方、マニピュレータ順運動学１９ｂによって、マニピュレータ３１の各軸のモータの位置から基準座標系ΣＳＴに基づくマニピュレータ３１の先端位置と姿勢を求めると、次に示す式（３）のように与えられる。
【００２５】
【数３】
2007236121.tif 000005
【００２６】
ここで、Ｐx、Ｐy、Ｐzはそれぞれ基準座標系ΣＳＴから見たマニピュレータ３１先端のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置を表し、ｒ11〜ｒ33はマニピュレータ３１先端の姿勢を表すベクトルである。
ここでＰ＝（Ｐx、Ｐy、Ｐz）とすると、ＶSTとＰとの和として次の式（４）で表されるＷがマニピュレータ３の先端が到達すべき位置である。
【００２７】
Ｗ＝Ｐ＋ＶST              ・・・  式（４）
Ｗは、基準座標系ΣSTに基づくマニピュレータ３１先端の座標であるので、  公知技術であるマニピュレータ逆運動学１９ａに基づいて、マニピュレータ３１の各軸の位置指令に変換し、位置速度制御部１４に入力することにより、マニピュレータ３１を動作させることが出来る。
式（４）におけるＰは、マニピュレータ逆運動学１９ａが１つ前の制御周期において出力したマニピュレータ３１の各関節軸モータＪ１、・・・モータＪ６への指令値を使って求める。すなわち、図５における逆Ｚ変換２０によって、前回の制御周期においてマニピュレータ逆運動学１９ａが出力した指令値を求め、この指令値をマニピュレータ順運動学１９ｂにより基準座標系ΣＳＴに基づくマニピュレータ３１の先端位置Ｐへと変換する。このＰを式（４）に用いる。
もしＷがマニピュレータ３１先端の到達可能範囲外となった場合は、Ｗの位置に応じてガイド部のリニアモータが動作して、マニピュレータ全体を基準座標系ΣSTのＸＹ平面上にて平行移動させ、ガイド部による平行移動とマニピュレータ３１の各軸の動作でＷへと到達させる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上述べたように、ブーム先端の重量像を最小限にする構成でかつ、安全にマニピュレータを誘導操作することが可能な架空配電線路用作業装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の制御装置内の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の動作指令生成部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明のマニピュレータの概略構成を示す図である。
【図５】本発明のインピーダンス制御部の制御ブロック図である。
【図６】従来の架空配電線路用作業装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ブーム
２  キャビン
３  本発明に係る架空配電線路用作業装置
３１  マニピュレータ
３２  力センサ
３３  把持装置
３４、３５  ホットスティック（作業工具）
３６  ガイド部
３７  スイッチ
３８  制御装置
３９  ＬＥＤ
１３  動作指令生成部
１３ａ  操作力抽出部
１３ｂ  作業情報記憶部
１３ｃ  操作有効判断部
１３ｄ  インピーダンス制御部
１４  位置速度制御部
１５  サーボアンプ部
１６  サーボ遮断回路
１７  座標変換
１８  インピーダンスモデル
１９ａ  マニピュレータ逆運動学
１９ｂ  マニピュレータ順運動学
２０  逆Ｚ変換（Ｚ-1）
６０  従来の架空配電線路用作業装置
６１  高所作業車
６２  ブーム
６３  マニピュレータ
６４  工具
６５  キャビン
Ｈ  オペレータ
【図１】
2007236121.tif 000006
【図２】
2007236121.tif 000007
【図３】
2007236121.tif 000008
【図４】
2007236121.tif 000009
【図５】
2007236121.tif 000010
【図６】
2007236121.tif 000011