JP2009006465A - ダイレクト操作装置および配電作業用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】操作棒に無理な力が作用することなく、操作棒の作用力に倣う方向を維持したまま並進方向の操作力を正確に力センサに伝達することが可能となり、実際の配電作業での適用に耐える安全性の高いダイレクト操作装置を提供する。
【解決手段】ダイレクト操作装置２を、基部２０と、基部２０に固定された複数の雄コネクタ２１と、雄コネクタ２１のいずれか１個に接続固定される雌コネクタ２２とから構成し、雌コネクタ２２が雄コネクタ２１の接続を検知する圧電スイッチを内蔵した接合部と、接合部に設けられる力センサ部と、力センサ部を介して立設された少なくとも２自由度の回転機構を備えたフック部とを備え、力センサ部がフック部の引き回しによる力を検知して制御装置１０へ出力するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットのダイレクト操作装置およびそれを用いた配電作業用ロボットに関する。

従来からロボットのような複数の独立した作動系をコントロールするための多制御型コントローラの一種として、ジョイスティック型コントローラが知られている。かかる従来のコントローラは、制御対象となる作動系を切り替えるスイッチを備えており、このスイッチにより制御対象となる作動系を選択した上で、ジョイスティックを傾動操作することにより、選択した一つの作動系に対して傾動方向に対応した方向の作動信号を出力するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、このようなコントローラは、複雑なスイッチ操作のために誤操作が発生しやすいといった問題があった。
また、このような問題に対処するために、別の構造のジョイスティック型コントローラは、ジョイスティックの外表面を軸方向で分割することにより該ジョイスティックの軸方向に複数の操作領域を形成して、制御対象と作動方向を特定することが出来るようにしたものもあった（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−２８１７７９号公報 特許３４０６２５９号公報

以上述べたように、このような６自由度制御が可能なジョイスティックコントローラで、傾動操作による操作手段を行う場合、ロボットに直接付設して操作する（以下、「ダイレクト操作」と呼ぶ）と、ロボットの動作に伴ってジョイスティックも同時に動作するため、ロボットの姿勢変化によりジョイスティックの操作位置が作業者から離れた位置に移動した場合、所望の操作を行うことが非常に困難であった。
また、作業者が作業中誤ってジョイスティックに接触し傾動操作を行ってしまい、ロボットの誤動作が発生して作業者への危険源が増加することも起こり得る。特に、配電作業用ロボットの操作においては絶縁性を考慮すると、直接素手で操作することが困難であり、安全上の観点から問題となっていた。
また、配電作業環境は屋外電柱上であり、その作業環境周囲には配電機器が多種多様に設置され、ダイレクト操作を行った際に装柱機器がロボットに接触して誤動作し、装柱機器などの周辺機器が触れただけで動作する可能性があり、非常に危険であるという問題があった。
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、実際の配電作業での適用に耐えうる配電作業用ロボットのダイレクト操作装置とそれを用いたロボットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載のダイレクト操作装置の発明は、基部と、前記基部に固定された複数の第１コネクタ部（雄または雌）と、前記第１コネクタ部（雄または雌）のいずれか１個に接続固定される第２コネクタ部（雌または雄）とから構成されるダイレクト操作装置であって、前記第２コネクタ部が前記第１コネクタ部の接続を検知する圧電スイッチを内蔵した接合部と、前記接合部に設けられる力センサ部と、前記力センサ部を介して立設された少なくとも２自由度の回転機構を備えたフック部とを備え、前記力センサ部が前記フック部の引き回しによる力を検知して出力することを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のダイレクト操作装置において、前記複数の第１コネクタ部の接続端子配置が互いに異なっており、かつ前記第２コネクタ部は前記複数の第１コネクタ部の前記各接続端子と接続可能な構造となっていることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のダイレクト操作装置において、前記複数の第１コネクタ部は３個であり、それぞれ取付け軸の軸方向に直角な断面で９０度、１８０度、２７０度の位置に設けられたことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載のダイレクト操作装置において、前記フック部が前記取付け軸先端の複数の方向からの取り付けができ、前記力センサ部は取り付け位置の同定をする信号の出力をすることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のダイレクト操作装置において、前記フック部が前記力センサの正常状態を示すＬＥＤを備えたことを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５記載のダイレクト操作装置を搭載した配電作業用ロボットであって、長尺状の棒の先端に引っ掛け部を、その把持部にイネーブルスイッチと非常停止スイッチを備えた絶縁性の操作棒を備え、前記引っ掛け部を前記フック部に引っかけて操作することを特徴としている。
請求項７記載の発明は、請求項４又は５記載のダイレクト操作装置を搭載した配電作業用ロボットであって、前記力センサのセンサ情報を基に制御する制御装置と、前記力センサのセンサ情報と前記取り付け位置同定信号を無線で送信する無線通信手段とバッテリとを備え、前記制御装置は操作位置指令量を生成するインピーダンス制御部と、前記インピーダンス制御部の位置指令を入力して位置・速度制御処理を行う位置・速度制御部と、前記位置・速度制御部の出力に応じて前記ロボットの各関節部のモータを制御するサーボアンプ部を備えたことを特徴としている。

上記構成により、回転自在のフック機構であるため、絶縁を有した操作棒の着脱が容易で、かつ、作業者の操作力を確実に伝達することが可能である。
また、対象作業に応じて操作位置を変更することが可能となり、作業性が格段に向上する。
また、マニピュレータの絶縁性が確実に確保されるため、極めて安全であり、またケーブルがないため耐久性と信頼性が増す。
また、作業者は力センサの異常状態を早期に発見することが可能となるため、作業者とロボットへの安全性が向上する。
また、絶縁操作棒の手元に、イネーブルＳＷと非常停止ＳＷを備えているため、非常に安全な操作手段である。

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。

図１は本発明に係るダイレクト操作ハンドルを使用した配電作業用ロボットを作業者が操作する様子を示すロボットシステム全体の構成図である。
図１において、１は配電作業用ロボットである。ロボット１の先端にはフランジ１Ｆが取り付けてあり、このフランジ１Ｆに本発明に係るダイレクト操作装置２の基端部に設けられたフランジ２Ｆによって互いに固定されている。このダイレクト操作装置２の反対方向先端部分にはハンド３が設けられている。図ではハンド３によって部品Ｗが把持されている様子を例示している。また、ロボット１のアームをダイレクト操作装置２の基端部として用いてもよい。この場合、フランジ１Ｆ、２Ｆは省略できる。
ダイレクト操作装置２はフランジ２Ｆに固定される基部２０（ロボット１のアーム）とこの基部２０に固定された３個の第１コネクタ部（雄コネクタ）２１（図１では１個のみ見えるが、図２では２１ａ、２１ｂ、２１ｃの３個が見える。）とこれら３個の第１コネクタ部２１のいずれか１個と接続固定される第２コネクタ部（雌コネクタ）２２（図３参照）とから構成されている。雄コネクタ
２１と雌コネクタ２２とは雄雌逆であってももちろん構わない。

図２は基部２０に固定された３個の第１コネクタ部２１を説明する図で、（イ）は基部２０の長さ方向に直角な断面で切った断面図、（ロ）は３個の第１コネクタ部２１をそれぞれ正面側から見た正面図で、（ロ−ａ）、（ロ−ｂ）、（ロ−ｃ）はそれぞれ第１コネクタ部２１ａ、２１ｂ、２１ｃの正面図である。
３個の第１コネクタ部２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち２個の２１ａと２１ｃは基部２０の長さ方向に直角な断面で切った面で見て互いに１８０度離れた部位に埋込み固定され、第１コネクタ部２１ｂは第１コネクタ部２１ａと２１ｃの中間部位にて埋込み固定されている。各第１コネクタ部はそれぞれ矩形断面の差込ピン（２１ａ１、２１ｂ１、２１ｃ１）と円形断面の差込ピン（２１ａ２、２１ｂ２、２１ｃ２）とを備えている点で共通しているが、２種の差込ピンの互いの位置関係がそれぞれ異なっている点が特徴である。

図３は図２の３個の第１コネクタ部のいずれかに接続固定される第２コネクタ部を説明する図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切った断面図である。（ａ）の正面図において、第２コネクタ部２２は矩形断面の嵌着孔２２１を１個と円形断面の嵌着孔を３個（２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２）とそれぞれ９０度間隔で備えている点が特徴である。このように第２コネクタ部２２は１個の矩形断面の嵌着孔２２１と３個の円形断面の嵌着孔２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２を備えているので、図２の３個の第１コネクタ部２１ａ、２１ｂ、２１ｃのいずれにも差込むことが可能となっている。
（ｂ）の断面図において、２２Ａは接合部、２２Ｂは力センサ部、２２Ｃはベース部、２２Ｄはベース部２２Ｃに取り付けられバッテリを内蔵した無線通信部、２２Ｅはダイレクト操作装置２のロボット１への取り付け位置を検出してスイッチングデータ処理を行い取り付け位置を同定する取り付け位置同定出力部、２２Ｆは力センサ２２Ｂの上に立設された円筒状ロッド、２２Ｇは円筒状ロッド２２Ｆの軸中心周りに相対的に回転するロッド回転部、２２Ｌはロッド回転部ロッド回転部２２Ｇの孔に挿通され回転自在に固定されたフック部である。また、２２Ｍはロッド回転部２２Ｇの頂部に埋め込まれたＬＥＤ（発光ダイオード）で、力センサ部２２Ｂが正常状態であることをフック部２２Ｌが表示している。作業者ＰはＬＥＤ２２Ｍで力センサの異常状態を早期に発見することが可能となるため、作業者Ｐとロボット１への安全性が向上する。
接合部２２Ａには矩形断面の嵌着孔２２１と円形断面の嵌着孔２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２がとそれぞれ９０度間隔で設けられ、中に圧電スイッチ２２１ｋ、２２ａｋ、２２ｂｋ、２２ｃｋ（図では２２１ｋ１と２２ａｋが見える）が配置されている。各圧電スイッチから配線（図では２２Ｂ１と２２Ｂ２が見える）が取り付け位置同定出力部２２Ｅまで延びている。

次に、本発明のダイレクト操作装置２の取り付け位置同定出力部２２Ｅの構成と機能について説明する。
上述したように、力センサ２２Ｂの底部にある接合部２２Ａに設けられた１箇所の矩形断面の嵌着孔２２１と３箇所の円形断面の嵌着孔２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２の孔には、それぞれ圧電スイッチ２２１ｋ、２２ａｋ、２２ｂｋ、２２ｃｋが配設されており、作業者Ｐが操作装置２の基部を持って第２コネクタ部２２を３個の第１コネクタ部２１ａ、２１ｂ、２１ｃのいずれかに押し当てて接続固定すると、押し当てられた２個の圧電スイッチがＯＮとなり、このＯＮパターンを位置同定出力部２２Ｅはスイッチングデータ処理することでどの第１コネクタ部２１ａ、２１ｂ、２１ｃが使用されるのかを知ることが出来る。例えば第２コネクタ部２２の接合部２２Ａ（図２）を第１コネクタ部２１ａに接続固定すると圧電スイッチ２２１ｋ（図３）と圧電スイッチ２２ａｋ（図３）がＯＮとなり、このＯＮパターンをスイッチングデータ処理部２２Ｅ（図３）が無線通信部２２Ｄ（図３）を介して座標変換部１０ｂ（図１）に送るようになる。
また、作業者Ｐが接合部２２Ａを第１コネクタ部２１ｂ（図２）に押し当てて固定すると圧電スイッチ２２１ｋと圧電スイッチ２２ｂｋがＯＮとなり、また、接合部２２Ａを第１コネクタ部２１ｃ（図２）に押し当てて固定すると圧電スイッチ２２１ｋと圧電スイッチ２２ｃｋがＯＮとなり、このＯＮパターンを位置同定出力部２２Ｅが無線通信部２２Ｄを介して座標変換部１０ｂに送るようになる。このようにして位置の同定が自動的にできる。
また、対象作業に応じて第１コネクタ部２１を選択して操作位置を変更することが可能となるので、作業性が格段に向上する。さらに、位置同定出力部２２Ｅを設けることで、ダイレクト操作装置２の位置を自動的に同定することができ、力センサ２２Ｂのセンサ座標系とロボット１のロボット座標系との間の同次変換行列を一意に決定することができる。

ロボット１は制御装置１０によって制御される。
制御装置１０は、ダイレクト操作装置２の操作信号を受信する無線受信部１０ａと、操作棒４のイネーブルスイッチ４Ｃ１と非常停止スイッチ４Ｃ２の出力信号を入力して制御するスイッチ信号監視部１０ｆと、スイッチ信号監視部１０ｆの出力に応じてサーボ動力の遮断を行うサーボ遮断回路１０ｇと、ダイレクト操作装置２の取り付け位置同定出力部（図３の２２Ｅ）の出力に応じて、力センサ２２Ｂの取り付け方向を決定して座標変換を実行する座標変換部１０ｂと、力センサ２２Ｂの出力に応じて操作位置指令量を生成するインピーダンス制御部１０ｃと、インピーダンス制御部１０ｃの位置指令を入力して、位置速度制御処理を行う位置・速度制御部１０ｄと、位置・速度制御部１０ｄの出力に応じて、ロボット１の各関節部１１、１２、１３にある各モータＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３を電流制御するサーボアンプ部１０ｅで構成される。

ここでインピーダンス制御部１０ｃのインピーダンスモデルは、以下のように表される。

但し、Ｆ：力センサ２２Ｂの出力である接触力
Ｍ：慣性係数
Ｂ：粘性係数
Ｋ：バネ係数
従って、慣性係数Ｍと粘性係数Ｂ、バネ係数Ｋを調整することで、ロボット１のダイレクト操作性能を調整することが出来る。
インピーダンス制御自体は公知技術であるため、これ以上の詳細な説明は割愛する。

次に、図１の操作棒４について説明する。
操作棒４はＦＲＰなどの絶縁材料でできた棒であり、先端に鉤型形状の引っ掛け部４Ａがあり、反対側近傍に操作部４Ｃがあり、操作部４Ｃにはイネーブルスイッチ４Ｃ１と非常停止スイッチ４Ｃ２が設置されている。引っ掛け部４Ａと操作部４Ｃの間の中間部分が取っ手４Ｂとなっている。
ダイレクト操作例としては、ダイレクト操作装置２のフック部２２Ｌに作業者Ｐが把持した操作棒４の先端に鉤型形状の引っ掛け部４Ａを引っ掛けてダイレクト操作を行う。ダイレクト操作装置２のフック部２２Ｌの回転機構としては、力センサ２２Ｂに円筒状ロッド２２Ｆのベース部２２Ｃが固定され、円筒状のロッド２２Ｆの軸中心周りに相対的に回転するロッド回転部２２Ｇがベース部に対してＺ軸周りに回転自在とする。また、ダイレクト操作装置２のフック部２２Ｌは回転部２２ＧのＸ軸方向に設けられた穴に貫通し、Ｘ軸周りに回転自在とする。
作業者Ｐがダイレクト操作を行いたい場合、操作棒４の先端部４Ａをダイレクト操作装置２のフック部２２Ｌに引っ掛けて引き回し操作することで、回転部２２Ｇが２自由度の回転機構を備えているため、操作棒４側に無理な力が作用することなく、操作棒４の作用力に倣う方向を維持したまま並進方向の操作力を正確に力センサ２２Ｂに伝達することが可能となる。このように回転自在のフック機構であるため、絶縁を有した操作棒の着脱が容易で、かつ作業者の操作力を確実に伝達することが可能となる。また、絶縁性操作棒４により絶縁性が確実に確保されるため、極めて安全であり、またケーブルがないため耐久性と信頼性が増す。
また、作業者Ｐが把持する把持部４Ｂの近傍の操作部４Ｃにあるイネーブルスイッチ４Ｃ１のオンで動作開始し、オフで動作中止する。また、非常停止スイッチ４Ｃ２は非常のために設けられた停止スイッチである。

次に、作業者Ｐが操作装置２を用いてロボット１をダイレクト操作する過程を通して本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
作業者Ｐは、図１においてロボット１の下方に位置してロボット１をダイレクト操作する。この場合、作業者Ｐは、配電作業で発生する６０００Ｖ以上の電圧がある活線作業においては、絶縁性を確保するために、ＦＲＰなどの絶縁素材で構成された操作棒４を把持して、ロボット１のフック部２２Ｌに、操作棒４の引っ掛け部４Ａを掛けて、所望の操作方向に操作力を作用させる。
操作力は力センサ２２Ｂで検出され、検出信号は、無線通信部２２Ｄを介して、制御装置１０の座標変換部１０ｂに送られる。送られた検出信号は位置同定出力部２２Ｅの出力結果に応じて、公知技術である同次変換行列により座標変換処理され、インピーダンス制御部１０ｃに入力され、位置修正量が、位置速度制御部１０ｄに入力される。
但しこの場合、イネーブルスイッチ４Ｃ１が押された時に、サーボ遮断回路１０ｇが無効となり、インピーダンス制御部１０ｃの出力が位置速度制御部１０ｄに入力され、サーボアンプ１０ｅへ電流指令が出力され、ロボット１が動作可能となる。作業者Ｐが異常を感じてイネーブルスイッチ４Ｃ１をオフすれば、サーボ遮断回路１０ｇが有効となり、ハードブレーキがＯＮされた状態となり、ロボット１は動作せずに、作業者Ｐの安全性を確保することができる。このように、絶縁性操作棒４の手元にイネーブルスイッチ４Ｃ１と非常停止スイッチ４Ｃ２を備えているため、非常に安全な操作手段となっている。
以上述べたように、ロボットのダイレクト操作装置において、２自由度の回転機構を備えているため、操作棒４側に無理な力が作用することなく、操作棒４の作用力に倣う方向を維持したまま並進方向の操作力を正確に力センサ２２Ｂに伝達することが可能となり、実際の配電作業での適用に耐えうる安全性の高いダイレクト操作装置を提供することができる。

本発明に係るダイレクト操作装置を使用した配電作業用ロボットを作業者が操作する様子を示すロボットシステム全体の構成図である。 基部に固定された３個の第１コネクタ部を説明する図で、（イ）は基部の長さ方向に直角な断面で切った断面図、（ロ）は３個の第１コネクタ部をそれぞれ正面側から見た正面図で、（ロ−ａ）、（ロ−ｂ）、（ロ−ｃ）はそれぞれ第１コネクタ部の正面図である。 図２の３個の第１コネクタ部のいずれかに接続固定される第２コネクタ部を説明する図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切った断面図である。

符号の説明

１ ロボット
１１、１２、１３ ロボット関節部
Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３ モータ
１Ｆ ロボット側フランジ
１０ 制御装置
１０ａ 無線受信部
１０ｂ 座標変換部
１０ｃ インピーダンス制御部
１０ｄ 位置・速度制御部
１０ｅ サーボアンプ部
１０ｆ スイッチ信号監視部
１０ｇ サーボ遮断回路
２ ダイレクト操作装置
２Ｆ ダイレクト操作装置側フランジ
２０ 基部
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 第１コネクタ部（雄コネクタ）
２１ａ１、２１ｂ１、２１ｃ１ 矩形断面の差込ピン
２１ａ２、２１ｂ２、２１ｃ２ 円形断面の差込ピン
２２ 第２コネクタ部（雌コネクタ）
２２Ａ 接合部
２２Ｂ 力センサ部
２２Ｃ ベース部
２２Ｄ 無線通信部
２２Ｅ 取り付け位置同定出力部（スイッチングデータ処理部）
２２Ｆ 円筒状ロッド
２２Ｇ ロッド回転部
２２Ｌ フック部
２２１ 矩形断面の嵌着孔
２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２ 円形断面の嵌着孔
２２１ｋ、２２ａｋ、２２ｂｋ、２２ｃｋ 圧電スイッチ
２２Ｍ ＬＥＤ（発光ダイオード）
３ ハンド
４ 操作棒
４Ａ 引っ掛け部
４Ｂ 取っ手
４Ｃ 操作部
４Ｃ１ イネーブルスイッチ
４Ｃ２ 非常停止スイッチ
Ｗ 部品
Ｐ 作業者

Claims (7)

1. 基部と、前記基部に固定された複数の第１コネクタ部（雄または雌）と、前記第１コネクタ部（雄または雌）のいずれか１個に接続固定される第２コネクタ部（雌または雄）とから構成されるダイレクト操作装置であって、前記第２コネクタ部が前記第１コネクタ部の接続を検知する圧電スイッチを内蔵した接合部と、前記接合部に設けられる力センサ部と、前記力センサ部を介して立設された少なくとも２自由度の回転機構を備えたフック部とを備え、前記力センサ部が前記フック部の引き回しによる力を検知して出力することを特徴とするダイレクト操作装置。
2. 前記複数の第１コネクタ部の接続端子配置が互いに異なっており、かつ前記第２コネクタ部は前記複数の第１コネクタ部の前記各接続端子と接続可能な構造となっていることを特徴とする請求項１記載のダイレクト操作装置。
3. 前記複数の第１コネクタ部は３個であり、それぞれ取付け軸の軸方向に直角な断面で９０度、１８０度、２７０度の位置に設けられたことを特徴とする請求項２記載のダイレクト操作装置。
4. 前記フック部は前記取付け軸先端の複数の方向からの取り付けができ、前記力センサ部は取り付け位置の同定をする信号の出力をすることを特徴とする請求項３記載のダイレクト操作装置。
5. 前記フック部が前記力センサの正常状態を示すＬＥＤを備えたことを特徴とする請求項４記載のダイレクト操作装置。
6. 請求項１〜５記載のダイレクト操作装置を搭載した配電作業用ロボットであって、長尺状の棒の先端に引っ掛け部を、その把持部にイネーブルスイッチと非常停止スイッチを備えた絶縁性の操作棒を備え、前記引っ掛け部を前記フック部に引っかけて操作することを特徴とする配電作業用ロボット。
7. 請求項４又は５記載のダイレクト操作装置を搭載した配電作業用ロボットであって、前記力センサのセンサ情報を基に制御する制御装置と、前記力センサのセンサ情報と前記取り付け位置同定信号を無線で送信する無線通信手段とバッテリとを備え、前記制御装置は操作位置指令量を生成するインピーダンス制御部と、前記インピーダンス制御部の位置指令を入力して位置・速度制御処理を行う位置・速度制御部と、前記位置・速度制御部の出力に応じて前記ロボットの各関節部のモータを制御するサーボアンプ部を備えたことを特徴とする配電作業用ロボット。

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