(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節を有し３自由度以上の作業腕と、関節を有し１自由度以上であり先端部に作業具を取付可能な手首機構とを備えた建設作業用マニュアルマニピュレータを操作する操作制御機構において、
前記マニュアルマニピュレータの少なくとも互いに直交する３方向以上の動作を指示可能な操作手段と、
直交座標系に基づく操作方式、円筒座標系に基づく操作方式、及び各関節を独立に制御する操作方式のうち、どの操作方式に基づいて作業具を動作させるかを切り換える操作方式切り換え手段と、
前記操作手段からの動作指示と前記操作方式切り換え手段によって切り換えられた操作方式とに基づいて、前記作業腕及び手首機構の動作を制御する動作制御部を含む制御装置と、
を備え、前記操作方式切り換え手段は手首機構に取り付けられる作業具に付設され、作業具毎に適切な操作方式を指定する操作方式指定信号を記憶した記憶手段を内蔵しており、前記作業具が前記手首機構に取り付けられると同時に、前記操作方式指定信号が前記制御装置に送られ、自動的に操作方式が切り換えられることを特徴とする建設作業用マニュアルマニピュレータの操作制御機構。
【請求項２】
請求項１記載の建設作業用マニュアルマニピュレータの操作制御機構において、前記操作方式切り換え手段によって切り換えられる操作方式は、
前記マニピュレータの先端部を直交座標系に基づいて、少なくとも水平方向及び垂直方向に移動可能であり、前記作業具が把持手段の場合に適した直交操作方式と、
前記マニピュレータの各関節単位で移動可能であり、前記作業具が掘削手段の場合に適した関節操作方式と、
前記マニピュレータの先端部を円筒座標系に基づいて移動可能であり、前記作業具が穿孔手段の場合に適した円筒座標操作方式であり、
これらのうちの、少なくとも２つ以上の操作方式を有することを特徴とする建設作業用マニュアルマニピュレータの操作制御機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術技術】
本発明は、建設作業用マニピュレータの操作制御機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設作業用マニピュレータの従来例としては、例えば、特開平１−１２６８９２３号公報に記載された「移動体の水平垂直移動制御方法」がある。
この公知例においては、多関節を有するアームの、各関節に対応したレバーを操作し、それぞれ同じ速度で関節角度を変化させると、所望の点では、水平、垂直の移動速度が異なるという間題点を解決している。
【０００３】
つまり、上記公知例においては、複数の操作レバーを有する建設作業用マニピュレータにおいて、操作レバーからの信号のうち、前後水平方向及び上下垂直方向の移動指令入力信号に応じた、水平及び垂直方向の速度で、所望の部分が移動するように、演算装置を用いて、各軸の角速度を決定し、角軸をその角速度で回転させる。これにより、所望の部分の移動が操作レバーの操作に比例したものとなっている。
【０００４】
また、一個の操作レバーを左右方向に操作すると、アームが水平円周方向に移動され、この操作レバーを前後方向に操作すると、アームは前後方向に移動される。そして、他の操作レバーを前後方向に操作すると、アームが上下方向に移動される。これにより、アームの移動操作が容易とするように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記建設作業用操作型マニピュレータにおいて、アームの先端部分には、種々の作業具が取り付けられるが、この作業具の種類毎に、つまり、その作業具による作業毎に応じた適切な操作方式が存在する。
【０００６】
例えば、作業具が把持装置の場合には、把持した対象物の移動及び据置作業となるので、操作レバーの入力が、把持した対象物が目的の位置に直線的に移動するような指令となる操作方式が望ましい。また、例えば、作業具がバケットである場合には、このバケットを用いた掘削作業となるので、操作レバーの入力は、この掘削作業動作を示す指令となる操作方式が望ましい。
【０００７】
しかしながら、上記公知例にあっては、操作方式は固定であり、操作レバーの入力が、アーム先端などの制御対象となる作業具を水平または垂直に移動するような指令となるように制御している。このため、例えば、作業具が把持装置であり、把持した対象物の移動及び据置き作業の場合には、操作性は良好であるが、作業具がバケットの場合には、操作レバーの入力は、このバケットの作業を適切に指令するものではないので、操作性は良好ではない。
したがって、従来においては、アーム先端に取り付けられる作業具に応じて、適切な操作方式となり、操作性が良好な建設作業用の操作型マニピュレータは存在していなかった。
【０００８】
本発明の目的は、アーム先端に取り付けられる作業具に応じて、適切な操作方式となり、操作性が良好な建設作業用マニュアルマニピュレータの操作制御機構を実現することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成される。
（１）関節を有し３自由度以上の作業腕と、関節を有し１自由度以上であり先端部に作業具を取付可能な手首機構とを備えた建設作業用マニュアルマニピュレータを操作する操作制御機構において、マニュアルマニピュレータの少なくとも互いに直交する３方向以上の動作を指示可能な操作手段と、直交座標系に基づく操作方式、円筒座標系に基づく操作方式、及び各関節を独立に制御する操作方式のうち、どの操作方式に基づいて作業具を動作させるかを切り換える操作方式切り換え手段と、操作手段からの動作指示と操作方式切り換え手段によって切り換えられた操作方式とに基づいて、作業腕及び手首機構の動作を制御する動作制御部を含む制御装置と、を備え、操作方式切換え手段は手首機構に取り付けられる作業具に付設され、作業具毎に適切な操作方式を指定する操作方式指定信号を記憶した記憶手段を内蔵しており、作業具が手首機構に取り付けられると同時に、操作方式指定信号が前記制御装置に送られ、自動的に操作方式が切り換えられる。
【００１０】
（２）好ましくは、上記（１）において、操作方式切り換え手段によって切り換えられる操作方式は、マニピュレータの先端部を直交座標系に基づいて、少なくとも水平方向及び垂直方向に移動可能であり、作業具が把持手段の場合に適した直交操作方式と、マニピュレータの各関節単位で移動可能であり、作業具が掘削手段の場合に適した関節操作方式と、マニピュレータの先端部を円筒座標系に基づいて移動可能であり、作業具が穿孔手段の場合に適した円筒座標操作方式であり、これらのうちの、少なくとも２つ以上の操作方式を有する。
【００１２】
本発明では、例えば、建設作業用マニュアルマニピュレータの操作方式を、直行座標系に基づいた水平、垂直及び各軸回りの姿勢の操作方式から関節単位で操作する関節操作方式や円筒座標系に基づいた操作方式などの数種類の操作方式の、いずれかに切り換えられるようにしたので、作業に適した操作方式で作業を行える。
【００１３】
また、手首機構先端に取り付ける作業具によって自動的に操作方式を切り換えるようにしたので、オペレータによる操作方式の切り換え作業を行うことなく、作業を実行することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を、把持装置などで把持した対象物の移動及び据え置き作業や掘削作業等に用いる建設作業用マニュアルマニピュレータに適用した場合の例である。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態である建設作業用マニピュレータの操作制御機構の制御ブロック図であり、図２は、建設作業用マニピュレータの一例の全体概略図である。この建設作業用マニピュレータは、レバーなどの操作装置の入力によって駆動する操作型マニピュレータである。
【００１６】
まず、図２において、運転席を有する建設作業用マニピュレータ本体１と、アームやブーム及びスイングなど１自由度以上持った作業腕２と、ロールやピッチ及びヨーなど１自由度以上を有する手首機構３とで構成され、手首機構３には、把持装置４ａやバケット４ｂなどの作業具４が設置できるようになっている。
【００１７】
作業腕２と手首機構３とには油圧シリンダなどの駆動装置が設けられ、作業腕２の各関節部は、決められた範囲以内で稼働する機能を有する。また、各関節部には、図示しない角度計５が設置され、各関節部の角度を計測する。
【００１８】
制御装置６は、コンピュータや、アームを動作させるアクチュエータを制御するための方向切換弁や、方向切換弁を制御するための比例電磁弁などの制御手段で構成されている。コンピュータは、各関節（軸）の回転速度を制御するための演算プログラムを有し、操作装置７の操作方向と操作量とに応じて、各軸の目標角速度を算出する。そして、制御装置６は、この目標角速度に値する駆動電流を比例電磁弁におくり、比例電磁弁を動作させることにより、方向切換弁を介してアクチュエータを制御する。
【００１９】
操作装置（操作手段）７は、１自由度以上の操作レバー１つ以上で構成され、建設作業用マニピュレータの駆動信号を制御装置６に入カする。この操作装置７によって、把持装置４ａで把持した対象物を水平及び垂直移動させたり、バケット４ｂで掘削作業などの指令が行われる。この操作装置として、力センサなど歪ゲージ式のもの、または、電気レバーなど可変抵抗を用いた装置などがあげられる。そして、各操作方向に対して作業具の動作が割り当てられている。
また、操作装置７は、必要に応じて、オペレータが所持する携帯用のものとして構成することも可能であり、固定設置用のものとして構成することもできる。
【００２０】
８は操作方式切換装置であり、作業腕２と手首機構３の操作方式を切換える信号を通信手段１０を介して制御装置６に供給する。ここで、操作方式とは、作業具４を直交座標系において直交動作および座標軸回りに回転動作させる方式や、円筒座標系において作業具４の移動方向や姿勢を制御する方式や、各関節を独立に制御する方式などを意味する。
【００２２】
操作方式切換装置８は、把持装置４ａやバケット４ｂなどの作業具４に付設されている。操作方式切換装置８に内蔵された操作切換手段９は記憶装置で構成されている。それぞれの作業具４に適する操作方式のスイッチング信号がＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置にあらかじめ記憶されており、コネクタとケーブルとで構成される通信手段１０を通じて、手首機構３と作業具４が接続されたと同時にスイッチング信号は制御装置６に自動的に送られる。
【００２３】
次に、図１において、操作装置７の各軸の出力は、Ａ／Ｄ変換器２０でアナログ値からディジタル値に変換され、演算装置（動作制御部）２３の目標値判断部２３ａに入力される。この目標値判断部２３ａは、操作方式切換装置８からの操作方式切換信号が供給され、選択された操作方式に基づいて、操作装置７からの入力信号がどのような目標値を示すのかを判断する。そして、目標値判断部２３ａにより判断された目標値は、関節角速度変換部２３ｂに供給される。
【００２４】
行列記憶部（演算パラメータ記憶手段）２１には、複数の行列が格納されている。つまり、行列記憶部２１には、Ａ、Ｂ、Ｃの３種類の行列（演算パラメータ）が格納され、行列Ａは作業具４の姿勢を含めた直交動作用のヤコビの逆行列Ｊ-11、 行列Ｂは円筒座標系に基づいた動作用のヤコビの逆行列Ｊ-12、行列Ｃは各関節を独立して動作させるためのヤコビの逆行列Ｊ-13である。これらの行列Ａ、Ｂ、Ｃは、操作方式切換装置８からのスイッチング信号によって選択され、スイッチ２２を介して関節角速度変換部２３ｂに供給される。
【００２５】
関節角速度変換部２３ｂは、目標値判断部２３ａから供給された目標値を、行列記憶部２１からスイッチ２２を介して供給されるヤコビの逆行列により各操作方式に応じたマニピュレータの目標関節角速度に変換する。そして、関節角速度変換部２３ｂにより変換された作業腕２の各軸回りの目標角速度は、比較部２３ｃに供給される。
なお、本実施の形態では、操作方式切換装置８、スイッチ２２により演算パラメータ選択手段を構成する。
【００２６】
比較部２３ｃには、作業腕２の関節角速度が角度計５からＡ／Ｄ変換器１２を介して供給されている。そして、この角度計５から供給された関節角速度と、関節角速度変換部２３ｂから供給された目標関節角速度とが、比較部２３ｃにより比較され、その偏差に応じた角速度指令値がＤ／Ａ変換器２４に供給される。このＤ／Ａ変換器２４でアナログ値に変換された角速度指令値は、油圧制御器２５に供給される。
【００２７】
油圧制御器２５は、供給された角速度指令値に基づいて、油圧アクチュエータ１１を介して作業腕２を動作させる。油圧制御器２５は、作業腕２の各関節を駆動するための油圧シリンダなどの油圧アクチュエータ１１を演算装置２３の演算結果をもとに制御するための制御弁などで構成される。
【００２８】
油圧アクチュエータ１１により動作された作業腕２の動作結果は、各関節に設置された角度計５で、その角速度として検出され、角度計５により検出された角速度は、Ａ／Ｄ変換器１２で変換された後、演算装置２３の比較部２３ｃに供給される。
【００２９】
図３は、油圧制御器２５の一例を示す概略構成図であり、複数の油圧アクチュエータ１１のうちの一つを動作させるものを例として示す図である。
図３において、油圧ポンプ５０は、各関節を駆動する油圧アクチュエータ１１である油圧シリンダ５５に油を供給する為のポンプである。この油圧シリンダ５５に供給される油の流量は、方向切り換え弁５４で制御される。
【００３０】
この方向切り換え弁５４はパイロット部５４Ｒと５４Ｌとで構成され、ここに作用する油圧によって方向切り換え弁５４の弁開度を変化させ、油圧シリンダ５５に供給する流量を決定する。弁開度を変化させる為の比例電磁弁が５６と５７とである。
【００３１】
比例電磁弁５６と５７とは、パイロット用ポンプ５１からの油圧を変化させながらパイロット部５４Ｒと５４Ｌとにそれぞれ油圧を供給する。比例電磁弁５６及び５７は、制御装置６と信号線５８を介して接続され、制御装置６から油圧を変化させる為の電流が供給される。
【００３２】
５３は供給する油や戻ってきた油を貯めておくタンクである。また、原動機５２は、油圧ポンプ５０とパイロット用ポンプ５１を駆動する。
この図３に示した油圧制御器２５により、油圧アクチュエータ１１である油圧シリンダ５５の動作が制御され、作業腕２が動作される。
【００３３】
図４は、操作装置７の一例を示す図であり、図５は、操作装置７の他の例を示す図である。
図４の（ａ）の３１Ｌと３１Ｒとは、操作レバーであり、これら操作レバー３１Ｌ及び３１Ｒは、３次元方向であるＸＹＺ軸方向に加わる力と各軸回りのモーメントを検出できる力センサなど６方向の操作力を検出可能な６軸操作型レバーである。３０ａは、グリップである。このグリップ３０ａを握って、オペレータは矢印の方向に力をかけながら操作する。
【００３４】
図５の３２Ｌと３２Ｒとは、複数の可変抵抗（以降、ポテンショメータと呼ぶ）を備えた各々３軸方向の操作が可能な３軸操作型レバーである。
操作レバー３２Ｌと３２Ｒの内部には、ＸとＹの２軸方向の変位を検出可能なポテンショメータが内蔵されており、操作レバー３２Ｌのグリップ部３０ｂには、Ｚ軸回りの変位量を検出する回転型ポテンショメータを設置してある。また、操作レバー３２Ｒのグリップ３０Ｃには、Ｚ軸の変位を検出可能なポテンショメータが設置してある。
【００３５】
これらの操作レバーを用いて、図６に簡略化して示す建設作業用マニピュレータの作業腕２の各関節部４０から４５をコントロールする。この図６において、ＸＢ、ＹＢ、ＺＢは、マニピュレータで作業するための基準となる座標系５０の３軸である。この座標系５０は、任意の場所に設定可能であるが、図６の例では、説明を簡単にするために座標の原点０を関節４０の付け根の点４０ａに設定する。
【００３６】
把持装置４ａを有する建設作業用マニピュレータは、作業対象物の把持、移動、所定の位置への設置作業の目的で使用されることが多いので、通常、直交動作で操作したほうが作業しやすい。そこで、操作方式切換装置８の操作切換手段は、通常、直交座標となっていて、図１の制御装置６のスイッチ２２は行列Ａを選択している。
【００３７】
つまり、操作装置７からの信号（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ，φ，ψ）はヤコビの逆行列Ｊ-11で各関節の角速度に変換される。このときの、操作レバーの操作とマニピュレータの動作の関係を図４、図５及び図６を用いて説明する。
【００３８】
まず、図４の操作レバーを用いて作業腕２に直行動作をさせる場合は、操作レバー３１Ｒのみで操作する。基準となる座標系５０のＸB、ＹB及びＺBは、それぞれ６軸操作型レバー３１ＲのＸ２、Ｙ２、Ｚ２方向と一致し、それぞれの軸における回転も同様に一致する。
【００３９】
たとえば、６軸操作型レバー３１ＲをＸ＋方向、つまり、Ｘ２の一方向側に操作すれば、作業腕２の先端にある把持装置４ａは、図６の基準となる座標系５０のＸB方向に移動する。また、操作レバー３１Ｒを、φ２方向に操作すれば、作業腕２の姿勢はＹB軸回りに変化する。
【００４０】
次に、操作方式切換装置８の切り換え信号で図１の制御装置６のスイッチ２２を行列（つまり、ヤコビの逆行列Ｊ−１３）に切換えた場合を説明する。この場合は、操作レバー３１Ｒと３１Ｌとの両方の操作レバーで操作する。
【００４１】
操作レバー３１ＬをＸ１方向に操作すると、関節４２（アーム）が動作し、Ｙ１方向に操作すると、関節４０（旋回）が動作する。そして、操作レバー３１ＲをＸ２方向に操作すると、関節４３（バケット）が動作し、Ｙ２方向に操作すると、関節４１（ブーム）が動作する。
【００４２】
この操作は、関節４３の先にバケット４ｂを取り付けた掘削作業に用いる場合の操作である。この場合には、マニピュレータの手首機構３には、ピッチング動作を行うアクチュエータのみが有効であり、ロールやヨーの動作を行うアクチュエータは駆動しないので、φやψの方向の操作レバーの入力は必然的に無効となる。また、Ｚ２方向の入力もヤコビの逆行列の設定で無効となる。つまり、通常の油圧ショベルの操作が可能となる。
【００４３】
次に、円筒座標系をべースとした操作を説明する。
この場合の図1の制御装置６のスイッチ２２は、行列Ｂに切換えられ、ヤコビの逆行列としてＪ−１２が用いられる。この場合、操作レバーは、３１Ｌ１と３１Ｒとの両方を使用する。
【００４４】
操作レバー３１Ｒを操作するときの操作方向とマニピュレータの動作は直交動作の時と同一であるが、操作レバー３１ＬのＹ１方向の操作（油圧ショベルの旋回操作と同一の操作方向）は、図６の関節４０のみを動作させることとなり、これにより、円筒座標系での動作を実現する。
【００４５】
一方、図５の操作装置を用いて、各動作を実現すると次のようになる。
まず、直交動作では、３２Ｌと３２Ｒの両方の操作レバーを用いて操作する。操作レバー３２Ｌは、図６の座標系のＹB軸回りの回転φB、ＸB軸回りの回転θB、ＺB軸回りの回転ψBの方向の操作に用う。また、操作レバー３２Ｒは、ＸB、ＹB、ＺB軸方向の操作に用いる。操作レバー３２Ｌのφ１とθ１とψ１は、それぞれ、φB、θB、ψBの操作に該当し、また、操作レバー３２ＲのＸ２、Ｙ２、Ｚ２は、それぞれ、ＸB、ＹB、ＺBに該当する。
【００４６】
また、図５の操作装置で、円筒座標系での動作をさせる場合は、図４の例と同じく、ヤコビの逆行列Ｊ-12で操作レバー３２Ｌのθ１方向を関節４０の操作に割りつけることにより実現可能である。
【００４７】
また、掘削作業時など各関節を独立に動かす場合については、図４の操作方式と同一であり、ψ１やＺ２方向の入力に対しては、作業腕２は反応しない。これも、ヤコビの逆行列Ｊ-13で設定される。
【００４８】
図７及び図８は、作業により操作方式を変更することが作業上、有利であることを直交座標系による操作方式と円筒座標系による操作方式とを例として、説明するための図である。
まず、図７は、直交座標系に基づく操作方式による作業具６０の移動を示す図である。この直交座標系に基づく操作方式の場合には、作業具６０が把持装置のように、対象物の移動作業を行う動作に適している。つまり、対象物の移動は、Ａ点からＣ点、Ｃ点からＢ点というように、最短距離を通過するように、直線的に移動するほうが効率的である。したがって、この場合には、直交座標系による操作方式が最適である。
【００４９】
また、図８は、円筒座標系に基づく操作方式による作業具６０の移動を示す図である。この円筒座標系に基づく操作方式の場合には、作業具６０がオーガ（穿孔手段）のように、一定の地点での作業を行う動作に適している。つまり、作業地点Ａにて、作業した後、次の作業地点Ｂに移動する場合には、直線的に移動する必要は無く、その操作に適した移動でよい。
【００５０】
つまり、Ａ点からＢ点に移動する場合には、直線的に移動すれば、図７に示すように、マニピュレータ本体１が障害物となるが、円筒座標系により、移動角度θで移動するように指令すれば、作業具６０は、本体１を中心として、円弧状に移動し、マニピュレータ本体１が障害物となること無く、速やかに移動する事ができる。
【００５１】
図７に示すように作業具６０として把持装置を使用し、対象物を移動する場合においても円筒座標系を用いれば、Ａ点からＢ点への移動については、速やかに行うことができるが、対象物の移動についても、円弧状の移動となってしまうので作業性から、把持装置を使用する場合には、直交座標系により操作を行う方が便利である。
【００５２】
なお、操作方式切換装置８をオペレータが操作することにより操作方式を切り換えるのでは無く、自動的に操作方式を切り換えるものである。この自動的に操作方式を切り換えるものについて、以下に説明する。
【００５３】
把持装置などの作業具に設置した操作方式切換装置８の内部に、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶装置を設置しておき、その内部には、直交操作または、関節操作、または、円筒座標操作のいずれかを指定する操作方式指定信号が記憶されている。そして、作業具４と手首機構３とが接続されると自動的に上記操作方式指定信号は、制御装置６に送られ、制御装置６内部のスイッチ２２を切り換える。
【００５４】
この場合、作業具内部の記憶装置に行列記憶部２１に格納された各行列のうち、適切な行列を記憶させておき、その行列を直接、演算装置２３に供給するように構成することも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているので、次のような効果がある。
アーム先端に取り付けられる作業具に応じて、自動的に適切な操作方式となり、操作性が良好なマニュアルマニピュレータの操作制御機構を実現することができる。つまり、マニュアルマニピュレータにおいて、直交座標系や円筒座標系等に基づいた複数の操作方式のデータを制御装置に記憶させておき、それらを自動的に切り換えることにより、把持作業や穿孔作業や掘削作業などの夫々に適した操作方式で建設作業を行えるようにしたので、一台のマニピュレータで複数の作業を効率よく行うことができる。
【００５６】
また、例えば、把持装置をつけたときは直交座標系における操作、またバケットをつけた時は各関節単位の操作というように、手首機構先端にとりつけた作業具によって自動的に操作方式を切り換えるようにしたので、操作方式の切り換え作業なしに各作業内容に適した操作方式で作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である建設作業用マニピュレータの操作制御装置の制御ブロック図である。
【図２】建設作業用マニピュレータの一例の全体概略図である。
【図３】油圧制御器の一例を示す概略構成図である。
【図４】操作装置の一例を示す図である。
【図５】操作装置の他の例を示す図である。
【図６】建設作業用マニピュレータの関節部分を簡略化して示す図である。
【図７】直交座標系に基づく操作方式による作業具の移動を説明するための図である。
【図８】円筒座標系に基づく操作方式による作業具の移動を説明するための図である。
【符号の説明】
１              建設作業用マニュアルマニピュレータ本体
２              作業腕
３              手首機構
４              作業具
４ａ            把持装置  ４ｂ            バケット
６              制御装置
７              操作装置（操作手段）
８              操作方式切換装置（操作方式切り換え手段）
９              操作切換手段
１１            アクチュエータ
２１            行列記憶部
２２            スイッチ
２３            演算装置（動作制御部）
２３ａ          目標値判断部
２３ｂ          関節角速度変換部
２３ｃ          比較部
２５            油圧制御器
３１Ｌ、３１Ｒ  操作レバー
３２Ｌ、３２Ｒ  操作レバー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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