JP2010228905A - 作業機の遠隔操作装置及び遠隔操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機の高精度の遠隔操作を、容易且つ簡単な操作によって行い得るようにした作業機の遠隔操作装置及び遠隔操作方法を提案する。
【解決手段】遠隔指令装置Ｑと作業機Ｓに設けられた作業機制御装置Ｒからなる作業機の遠隔操作装置において、遠隔指令装置Ｑに、少なくとも、特定の座標系と、基準信号を発信する基準信号発信手段Ａと、作業機Ｓの移動方向と移動速度を指示する操作手段Ｂと、操作指令信号を出力する操作指令信号出力手段Ｃと、重力加速度方向検出手段Ｄとを備える一方、作業機制御装置Ｒには、少なくとも、基準座標系と、遠隔指令装置Ｑの特定の座標系における一軸を基準座標系における方向として検出して出力する方向信号出力手段Ｅを備え、さらに遠隔指令装置Ｑと作業機制御装置Ｒの何れか一方に、遠隔指令装置Ｑの基準座標系上の姿勢を算出する姿勢算出手段Ｆと、作業機Ｓを移動させるための制御信号を算出する制御信号算出手段Ｇを備える。
【選択図】図２

Description

本願発明は、クレーン車、高所作業車等の作業機を、該作業機から離れた位置で操作するようにした遠隔操作装置、及び遠隔操作方法に関するものである。

例えば、クレーン車においては、ブームの先端から吊下した吊荷を特定位置にできるだけ正確に移動させたいという要求があり、係る作業に際しては、作業者が車体側に配置された操作装置において操作をするよりも、車体から離れて吊荷に近い位置、あるいは吊荷の移動位置に近い位置で吊荷の移動状態を確認しながら作業を行なうのが好ましく、係る作業を可能とするために、作業者が携行して操作を行うことのできる遠隔指令装置を備えた遠隔操作装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７１３８６号公報

ところで、このような遠隔操作装置においては、上記遠隔指令装置を作業者が携行し、該遠隔指令装置に設けられた操作レバーを作業機から離れた位置で操作することから、作業機と遠隔指令装置の相対位置関係は常時変化するものと考えられる。しかし、作業機の動作を精度良く行なうためには、作業機と遠隔指令装置の相対位置関係は常時変化するものであっても、常に、上記遠隔指令装置における上記操作レバーの操作方向（即ち、作業者が意図している作業機の動作方向）と実際の作業機の動作方向が合致していることが要求される。

係る要求に応える技術として、上記特許文献１においては、作業機と遠隔指令装置の軸合わせ（即ち、座標系のＸ軸とＹ軸の軸合わせ）を行い、この合わせた軸を基準にして、上記遠隔指令装置側の操作レバーを操作することで、その操作方向へ作業機を移動させるようにしている。

そして、その具体的な手法として、無限遠点を利用して作業機と遠隔指令装置の軸合わせを行なう手法（第１の手法）とか、作業機と遠隔指令装置の相互の方向を検出して軸合わせを行なう手法（第２の手法）とか、遠隔指令装置に作業機の方向を指示する手段を設けて軸合わせを行なう手法（第３の手法）が示されている。

上記第１の手法は、無限遠点を利用するものであるが、この無限遠点の取り方で、地磁気を利用しその磁極を無限遠点する場合と、遠方に電波発信装置とか光源を設置して該電波発信装置とか光源を無限遠点する場合が考えられる。

ここで、地磁気を利用してその磁極を無限遠点とするものは、磁気センサにより地磁気を検出し、この磁北方向を基準に作業機と遠隔指令装置の軸合わせを行なうものであることから、例えば、作業環境に磁性体が存在する場合には、この磁性体の影響を受けて地磁気に歪みを生じ、作業機と遠隔指令装置の基準軸にズレが生じ、その結果、操作レバーの操作方向と作業機の移動方向が一致せず作業精度が損なわれることになる。

また、電波発信装置とか光源を無限遠点とするものは、作業現場毎に、作業領域から遠く離れた位置に専用の発信源を置くことは困難であり、その実現性は極めて低いものである。

上記第２の手法では、作業機と遠隔指令装置の双方に、互いの基準軸を検出するための装置を備えることが必要であり、装置の大型化、複雑化を招来する。

上記第３の手法では、作業に際しては、常に手動にて作業機の方向を指示する必要があり、作業の煩雑化を招来する。

このように、特許文献１に示されるような従来の遠隔操作装置においては、作業精度の確保、作業の簡略化等の点において問題の残るものであった。

そこで本願発明は、作業機の高精度の遠隔操作を、容易且つ簡単な操作によって行い得るようにした作業機の遠隔操作装置及び遠隔操作方法を提案することを目的としてなされたものである。

本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。

本願の第１の発明では、遠隔指令装置Ｑと、作業機Ｓに設けられた作業機制御装置Ｒからなり、該遠隔指令装置Ｑの指令信号に基づき上記作業機制御装置Ｒにより上記作業機Ｓを動作させるようにした作業機の遠隔操作装置Ｐにおいて、上記遠隔指令装置Ｑには、少なくとも、該遠隔指令装置Ｑ側の特定の座標系と、上記作業機制御装置Ｒに向けて基準信号を発信する基準信号発信手段Ａと、上記作業機Ｓの移動方向と移動速度をその操作方向と操作量によって指示する操作手段Ｂと、該操作手段Ｂの操作方向と操作量に対応する操作指令信号を算出して出力する操作指令信号出力手段Ｃと、加速度方向を検出して重力加速度方向信号を出力する重力加速度方向検出手段Ｄとを備え、上記作業機制御装置Ｒには、少なくとも、上記作業機Ｓ側の基準座標系と、上記遠隔指令装置Ｑの上記基準信号発信手段Ａからの基準信号を受けて上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系における一軸を上記基準座標系における方向として方向信号を出力する方向信号出力手段Ｅを備えるとともに、上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒの何れか一方には、上記方向信号出力手段Ｅからの方向信号と上記重力加速度方向検出手段Ｄからの重力加速度方向信号を受けて上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒに共通する重力加速度方向に対する上記特定の座標系の傾きを基準座標系に変換して上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系を上記基準座標系上の姿勢として算出する姿勢算出手段Ｆと、上記姿勢算出手段Ｆからの姿勢信号と上記操作指令信号出力手段Ｃからの上記操作指令信号を受けて上記作業機Ｓを上記基準座標上の所定方向へ所定速度で移動させるための制御信号を算出して作業機駆動手段に出力する制御信号算出手段Ｇを備えたことを特徴としている。

本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る作業機の遠隔操作装置において、上記遠隔指令装置Ｑの回転量を角速度に基づいて算出し回転量信号を出力する回転量出力手段Ｈを備え、上記回転量出力手段Ｈからの回転量信号に基づいて上記姿勢算出手段Ｆからの姿勢信号を補間する姿勢補間手段Ｉを備えたことを特徴としている。

本願の第３の発明では、遠隔指令装置Ｑと、作業機Ｓに設けられた作業機制御装置Ｒからなり、 該遠隔指令装置Ｑの指令信号に基づき上記作業機制御装置Ｒにより上記作業機Ｓを動作させる作業機の遠隔操作方法において、上記遠隔指令装置Ｑ側の特定の座標系を上記作業機制御装置Ｒ側の基準座標系に変換するに当たって、作業機制御装置Ｒは、上記遠隔指令装置Ｑから発信された基準信号を受信して、上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系における一軸を上記基準座標系における方向として方向信号を出力し、当該方向信号と上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒに共通する重力加速度方向に対する上記特定の座標系の傾きから、上記遠隔指令装置Ｑに設けられた操作手段Ｂによって指示された上記作業機Ｓの移動方向と移動速度に基づいて、上記作業機Ｓを上記基準座標上の所定方向へ所定速度で移動させるための制御信号を算出し、該制御信号を作業機駆動手段に出力して上記作業機Ｓを動作させることを特徴としている。

本願発明では次のような効果が得られる。

（ａ）本願の第１の発明に係る作業機の遠隔操作装置Ｐでは、上記方向信号出力手段Ｅは、上記遠隔指令装置Ｑの基準信号発信手段Ａから発信される基準信号を受けて、上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系における一軸を上記基準座標系における方向として方向信号を出力する。また、上記重力加速度方向検出手段Ｄでは、加速度方向を検出して重力加速度方向信号を出力する。

一方、上記姿勢算出手段Ｆでは、上記方向信号出力手段Ｅからの方向信号と上記重力加速度方向検出手段Ｄからの重力加速度方向信号を受けて上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒに共通する重力加速度方向に対する上記特定の座標系の傾きを基準座標系に変換して上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系を上記基準座標系上の姿勢として算出する。

上記制御信号算出手段Ｇでは、上記姿勢算出手段Ｆからの姿勢信号と上記操作指令信号出力手段Ｃからの上記操作指令信号を受けて上記作業機Ｓを上記基準座標上の所定方向へ所定速度で移動させるための制御信号を算出して作業機駆動手段に出力する。

従って、この発明に係る作業機の遠隔操作装置によれば、上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機Ｓ側の上記作業機制御装置Ｒとの座標上の軸合わせを、特定の座標系の一軸の方向と重力加速度方向で定まる姿勢に基づいて行なう構成であることから、
（イ） 例えば、地磁気を利用し、磁北方向を無限遠点として、遠隔指令装置と作業機の座標系の軸合わせを行なう構成のように、作業環境に存在する磁性体の影響を受けて地磁気に歪みを生じ、作業機と遠隔指令装置の基準軸にズレが生じることが無く、作業機Ｓを、遠隔指令装置Ｑの操作手段Ｂを操作する作業者の意図通りに正確に移動させることができ、精度の高い作業機Ｓの遠隔操作が実現される、
（ロ） 作業機と遠隔指令装置の双方に互いの基準軸を検出するための装置を備えて、これら相互の方向を検出して軸合わせを行なう構成のような、装置の大型化、複雑化を招来することがなく、装置の小型化及びこれに伴う低コスト化が図れる、
等の効果が得られる。
（ハ） また、上記遠隔指令装置Ｑは作業者が携行して操作を行うものであって、操作性あるいは作業性という点において、軽量且つ小形であることが好ましい。

この場合、この発明では、上記遠隔指令装置Ｑに、上記特定の座標系と上記基準信号発信手段Ａと上記操作手段Ｂと上記操作指令信号出力手段Ｃと上記重力加速度方向検出手段Ｄの各構成要素を備え、これら以外の他の構成要素を全て上記作業機制御装置Ｒ側に備えることもできることから、例えば、係る構成を採用した場合には、該遠隔指令装置Ｑの軽量且つ小形化が図れ、延いては作業機Ｓの操作性あるいは作業性が向上することになる。

（ｂ） 本願の第２の発明に係る作業機の遠隔操作装置Ｐによれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明の作業機の遠隔操作装置では、上記遠隔指令装置Ｑの回転量を角速度に基づいて算出し回転量信号を出力する回転量出力手段Ｈを備え、上記回転量出力手段Ｈからの回転量信号に基づいて上記姿勢算出手段Ｆからの姿勢信号を補間する姿勢補間手段Ｉを備えているので、例えば、上記遠隔指令装置Ｑの上記操作手段Ｂを操作して作業を行っている間において該遠隔指令装置Ｑの姿勢が変化し、上記方向信号出力手段Ｅからの方向信号の入力が途絶えた場合には、上記姿勢算出手段Ｆでの姿勢算出ができなくなる（換言すれば、姿勢の更新ができなくなる）が、係る場合、上記回転量出力手段Ｈからの回転量信号に基づいて、上記姿勢補間手段Ｉによって上記姿勢算出手段Ｆからの姿勢信号（即ち、上記方向信号出力手段Ｅからの方向信号の入力が途絶えた時点における姿勢信号）が補間されることで、上記方向信号の入力が途絶えた期間内においても上記遠隔指令装置Ｑの姿勢信号の更新が行なわれ、上記作業機Ｓは上記遠隔指令装置Ｑの操作手段Ｂの操作に対応して適正に動作することとなり、高精度の遠隔操作が実現される。

（ｃ） 本願の第３の発明に係る作業機の遠隔操作方法によれば、上記遠隔指令装置Ｑ側の特定の座標系の上記作業機制御装置Ｒ側の基準座標系への変換を、特定の座標系の一軸の方向とこれら両装置Ｑ、Ｒに共通する重力加速度方向に基づいて行なうものであることから、例えば、地磁気を利用して上記変換を行なう場合のように磁性体の影響を受けることがなく、常時、高精度の遠隔操作が実現されるものである。

本願発明に係る遠隔操作装置及び遠隔操作方法が適用される作業機としてのクレーン車の全体斜視図である。 本願発明に係る遠隔操作装置の第１の実施例における制御ブロック図である。 本願発明に係る遠隔操作装置の第２の実施例における制御ブロック図である。 本願発明に係る遠隔操作装置における制御フローチャートである。 上記制御フローチャートにおける姿勢検出ルーチンである。 姿勢検出手法の説明図である。 方向検出用受信器の方向検出手法の説明図である。 移動方向の決定手法の説明図である。 作業機に対する方向検出用受信器の配置構成図である。 作業機に対する方向検出用受信器の配置構成図である。

以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。

図１には、本願発明に係る遠隔操作装置Ｐが備えられた作業機としてのクレーン車４０を示している。

Ｉ：クレーン車４０の構成
このクレーン車４０は、車体４１に取付けたアウトリガー４８上に旋回台４２を載置固定し、該旋回台４２に伸縮ブーム４３の基端部を起仰可能に連結するとともに、該伸縮ブーム４３の先端のブームヘッド４４からはフックブロック４５が吊下されている。そして、上記フックブロック４５のフック４６には、所定の吊荷４７が吊下支持され、該吊荷４７は、上記伸縮ブーム４３の伸縮、起伏及び旋回の各動作によって三次元上の所定位置へ移動される。また、ウィンチ（図示省略）の巻上・巻下操作によって上記吊荷４７を昇降させることができる。

上記クレーン車４０は、車体４１側に配置された車体側操作装置（図示省略）によって上記伸縮ブーム４３の各操作が行われることは勿論であるが、これに加えて、次述する遠隔操作装置Ｐが備えられ、該遠隔操作装置Ｐによっても操作できるようになっている。

上記遠隔操作装置Ｐは、作業者が携行して操作する遠隔指令装置Ｑと上記車体４１側に設けられた作業機制御装置Ｒを備えて構成される。また、この実施形態では、上記ブームヘッド４４の両側部にそれぞれ後述の受信部２５を配置している。

ＩＩ：制御の基本思想
上記遠隔操作装置Ｐにおける制御の基本思想を説明する。この遠隔操作装置Ｐの基本思想は、上記作業機Ｓ側に基準座標系を、上記遠隔指令装置Ｑ側には特定の座標系を、それぞれ備え、これら両座標系の軸合わせを、基準信号を送受信することで定まる基準座標系における特定の座標系の一軸の方向と、上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒの双方において共通する普遍的な事象である「重力加速度方向」を利用して行なうことにある。以下において、これを具体的に説明する。

図６には、上記遠隔操作装置Ｐにおける上記作業機制御装置Ｒに対する上記遠隔指令装置Qの方向及び姿勢の検出手法を示している。同図において、符号Ｓは作業機であって、該作業機Ｓの適所には作業機制御装置Ｒが備えられている。また、この作業機制御装置Ｒには、上記受信部２５（実際的には、上述のように、ブームヘッド４４に設けられるが、ここでは仮想的に示している）が設けられるとともに、三次元の基準座標系（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を備えている。

この場合、作業機Ｓは、これを作業場所に設置して作業を行なう際には、アウトリガー４８の調整等によって車体４１を水平に設定するのが常態であることから、上記基準座標系は、そのＺ軸を鉛直方向、即ち、重力加速度方向に合致させた状態に固定される。従って、上記作業機Ｚの設置状態においては、上記基準座標系のＺ軸は常に重力加速度方向に合致したものとなるため、この実施形態では、上記作業機Ｓ側には重力加速度方向を検出するための加速度センサは備えられていない。

上記遠隔指令装置Ｑには、例えば、レーザ光等の直進性の高い基準信号を発信する基準信号発信部２４が設けられるとともに、特定の座標系（Ｕ軸、Ｖ軸、Ｗ軸）を備えている。この場合、上記特定の座標系の一軸、ここではＵ軸を上記基準信号の発信方向に合致させている。また、上記遠隔指令装置Ｑの特定の座標系の各軸は、該遠隔指令装置Ｑが水平姿勢に設定されていない限り、重力加速度方向には合致せず、上記基準座標系と特定の座標系にはズレが生じることになる。

従って、上記遠隔指令装置Ｑでの操作によって上記作業機Ｓを基準座標系上における所定位置へ正確に移動させるためには、上記遠隔指令装置Ｑ側の特定の座標系を上記作業機制御装置Ｒ側の基準座標系に変換する必要がある。そして、この場合には、上記作業機制御装置Ｒに対する上記遠隔指令装置Ｑの方向と姿勢を求めることが必要となる。

このため、図６に示すように、上記遠隔指令装置Qの基準信号発信部２４から基準信号を、上記作業機制御装置Ｒの上記受信部２５に向けて発信し、該受信部２５でこれを受信する。この基準信号がなす上記基準座標系におけるＸ軸−Ｙ軸方向の角度「α」と、Ｚ軸方向の角度「β」を検出することで、上記作業機制御装置Ｒに対する上記遠隔指令装置Ｑの方向が特定される。

一方、上記基準座標系のＺ軸と上記遠隔指令装置Ｑにおける重力加速度方向は合致するので、該遠隔指令装置Ｑにおける重力加速度方向に仮想設定した点「Ｇ」の、上記遠隔指令装置Ｑの特定の座標系上における座標位置「Ｕｇ，Ｖｇ，Ｗｇ」求めることで、上記基準座標系に対する特定の座標系の傾きを知ることができる。従って、上記遠隔指令装置Ｑにおける操作部２０の操作方向と操作量に、基準信号を送受信することで定まる基準座標系における特定の座標系の一軸の方向と上記座標位置「Ｕｇ，Ｖｇ，Ｗｇ」を加味して算出された操作方向と操作量は、上記基準座標系上における操作方向及び操作量として用いることができる。これによって、上記作業機制御装置Ｒに対して所定方向で、且つ所定の姿勢で存在する上記遠隔指令装置Ｑの操作部２０を操作した場合、この操作方向及び操作量が上記遠隔指令装置Ｑの基準座標系上における実際の操作方向及び実際の操作量として認識されるものである。

上記受信部２５として、この実施形態では、図７に示すように魚眼レンズ２７と撮像素子２８を組み合わせて用いるようにしている。この魚眼レンズ２７は、ここへの入射光の入射角「θ」の大きさと軸心L周りの方向によって上記撮像素子２８上での結像位置「ｒ」が一義的に決定される特性をもつことから、上記結像位置「ｒ」を検出することで、上記作業機制御装置Ｒに対する上記遠隔指令装置Ｑの方向を得ることができる。

尚、方向検出手法として、上述のように「レーザ光と魚眼レンズ２７と撮像素子２８」の組合せとする他に、例えば、アレイ状に配置したセンサによる超音波を利用した方法とかカメラを用いた画像処理による手法を採用することもできる。

また、この実施形態では、上記受信部２５を上記伸縮ブーム４３の先端のブームヘッド４４の左右両面に配置しているが、係る配置構成によれば、図９に示すように、一方の受信部２５の受信可能範囲「Ｍ１」と他方の受信部２５の受信可能範囲「Ｍ２」がオーバラップさせることで、クレーン車４０の全周範囲で遠隔指令装置Ｑからの基準信号を受信できる。

この場合、上記受信部２５を上記伸縮ブーム４３の先端のブームヘッド４４の左右両面に配置するのに代えて、例えば、上記ブームヘッド４４から吊下されるフックブロック４５（図１参照）の左右両面に配置することもでき、係る構成によれば、上記ブームヘッド４４のフック４６に吊下支持される吊荷４７と上記受信部２５の距離が小さくなることから、上記吊荷４７を遠隔操作によって、より精度良く移動させることができる。

さらに図１０に示すように、上記受信部２５を上記クレーン車４０の旋回台４２の左右両面に配置することもできる。係る構成によっても、一方の受信部２５の受信可能範囲「Ｍ１」と他方の受信部２５の受信可能範囲「Ｍ２」がオーバラップさせることで、クレーン車４０の全周範囲で遠隔指令装置Ｑからの基準信号を受信できる。

ＩＩＩ：遠隔指令装置Ｑの回転に伴う補間
一方、上記遠隔指令装置Ｑの上記作業機制御装置Ｒに対する方向及び姿勢は、作業中連続的に変化するものと思われるが、上記遠隔指令装置Ｑからの基準信号が上記作業機制御装置Ｒの受信部２５において受信されている間は、順次更新されるため問題はない。しかし、上記遠隔指令装置Ｑからの基準信号が上記作業機制御装置Ｒの受信部２５において受信されなくなったような場合には、該基準信号に基づく更新は期待できないため、これを補間する手段が必要となる。

係る観点から、この実施形態では、上記遠隔指令装置Ｑに三軸の角速度センサを設け、各軸回りの角速度を検出し、この各軸回りの角速度に基づいて、回転行列を用いた演算によって、元の座標系［Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１］（基準信号の受信が途絶えた時点における遠隔指令装置Ｑの座標系）から回転後における遠隔指令装置Ｑの座標系「Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２」を求め、この補間された座標系に基づいて、上記遠隔指令装置Ｑの上記作業機制御装置Ｒに対する方向及び姿勢の更新を行なうようにしている。

図８には、作業機制御装置Ｒの基準座標系において、その「Ｘ軸−Ｙ軸」に沿った平面方向に上記遠隔指令装置Ｑが回転した場合を例示している。ここで、当初、上記遠隔指令装置Ｑの特定の座標系「Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１」のＵ軸が上記作業機制御装置Ｒに指向していた状態から、該遠隔指令装置Ｑが回転して（回転角「ΣωＴ」）その特定の座標系が「Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２」に変化した場合、この回転後の特定の座標系における上記遠隔指令装置Ｑの姿勢を、初期位置の特定の座標系における遠隔指令装置Ｑの姿勢と組み合わせることで、上記作業機制御装置Ｒ側の基準座標系に対する上記遠隔指令装置Ｑの姿勢を求める。このようにして求められた上記作業機制御装置Ｒ側の軸「Ｘ軸−Ｙ軸」と上記遠隔指令装置Ｑの軸「Ｕ軸−Ｖ軸」の関係を利用して、レバー操作方向「δ１」を基準座標系における方向「δ２」に変換することで、上記基準座標系での移動方向が求められるものである。

ＩＶ：遠隔操作装置Ｐの具体的な構成
ＩＶ−１：第１の実施例
図２には、上記遠隔操作装置Ｐの第１の実施例における制御ブロック図を示している。この遠隔操作装置Ｐは、遠隔指令装置Ｑと作業機制御装置Ｒを備えて構成される。なお、上記遠隔指令装置Ｑには特定の座標系が、上記作業機制御装置Ｒには基準座標系が、それぞれ設定されていること、及び上記基準座標系はそのＺ軸が重力加速度方向に合致するように設定されていることは既述の通りである。

「遠隔指令装置Ｑの構成」
上記遠隔指令装置Ｑは、作業者が携行して操作するものであって、該遠隔指令装置Ｑには、操作部２０と角速度センサ２２と加速度センサ２３と基準信号発信部２４が備えられている。

上記操作部２０は、特許請求の範囲中の「操作手段Ｂ」に該当するものであって、作業者によって傾動操作される。この操作部２０の操作方向及び操作量は、操作レバーセンサ２１によって検出され、レバー操作入力処理部１に入力される。このレバー操作入力処理部１では、上記操作レバーセンサ２１から入力される操作方向と操作量に対応する操作指令信号を算出し、この操作指令信号のうち、操作速度に関する速度信号は通信処理部８に、操作方向に関する操作方向信号は後述の動作方向演算部７へそれぞれ出力される。尚、上記操作レバーセンサ２１と上記レバー操作入力処理部１は、特許請求の範囲中の「操作指令信号出力手段Ｃ」に該当する。

上記角速度センサ２２は、上記遠隔指令装置Ｑの回転に伴う角速度を検出し、これを回転量検出処理部２に出力する。この回転量検出処理部２では、上記角速度センサ２２からの角速度を受けて、該角速度に基づいて上記遠隔指令装置Ｑの回転量を算出し、これを回転量信号として後述の姿勢演算処理部５へ出力する。尚、上記角速度センサ２２と上記回転量検出処理部２は、特許請求の範囲中の「回転量出力手段Ｈ」に該当する。

上記加速度センサ２３は、上記遠隔指令装置Ｑにおける加速度を検出してこれを重力加速度検出処理部３に出力する。この重力加速度検出処理部３では、上記加速度センサ２３からの加速度信号を受けて、重力加速度方向を算出し、重力加速度方向信号として後述の姿勢検出処理部６へ出力する。尚、上記加速度センサ２３と重力加速度検出処理部３は、特許請求の範囲中の「重力加速度方向検出手段Ｄ」に該当する。

上記基準信号発信部２４は、特許請求の範囲中の「基準信号発信手段Ａ」に該当するものであって、レーザ光等の直進性の高い基準信号を、後述する作業機制御装置Ｒ側へ発信する。

上記姿勢検出処理部６は、特許請求の範囲中の「姿勢算出手段Ｆ」に該当するものであって、上記重力加速度検出処理部３からの重力加速度方向信号と、通信処理部４を介して後述の作業機制御装置Ｒ側から出力される方向信号を受けて、上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒに共通する重力加速度方向に対する該遠隔指令装置Ｑ側の上記特定の座標系の傾きを上記作業機制御装置Ｒの上記基準座標系に変換して上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系を上記基準座標系上の姿勢として算出し、その姿勢信号を次述の姿勢演算処理部５に出力する。尚、上記姿勢検出処理部６は、特許請求の範囲中の「姿勢算出手段Ｆ」に該当する。

上記姿勢演算処理部５は、上記回転量検出処理部２からの回転量信号を受けて、上記姿勢検出処理部６からの姿勢信号を補間して、その補間制御信号を次述の動作方向演算部７へ出力する。ただし、上記姿勢演算処理部５は、上記姿勢検出処理部６への方向信号の入力が途絶えた期間だけ補間制御を実行して補間制御信号を出力し、それ以外の場合、即ち、上記姿勢検出処理部６への方向信号が入力されている期間は、補間制御を実行することなく、上記姿勢検出処理部６からの姿勢信号をそのまま次述の動作方向演算部７へ出力する。尚、上記姿勢演算処理部５は、特許請求の範囲中の「姿勢補間手段Ｉ」に該当する。

上記動作方向演算部７は、上記レバー操作入力処理部１からの操作指令信号と、上記姿勢演算処理部５からの補間制御信号又は上記姿勢検出処理部６からの姿勢信号を受けて、作業機Ｓの作動方向を算出し、その作動方向信号を通信処理部８に出力する。この通信処理部８からは、上記作動方向信号と上記レバー操作入力処理部１からの速度信号が、作業機制御装置Ｒ側の通信処理部１０に出力され、該通信処理部１０を介して上記作業機制御装置Ｒ側のアクチュエータ作動速度演算処理部１２に入力される。

「作業機制御装置Ｒの構成」
上記作業機制御装置Ｒは、上記作業機Ｓ側に備えられるものであって、ここには受信部２５とブーム姿勢角度センサ２６が備えられている。

上記受信部２５は、上記遠隔指令装置Ｑ側の上記基準信号発信部２４から発信される基準信号を受信して該基準信号の入射方向に関する信号（即ち、図７の結像位置「ｒ」に関する信号）を入射方向検出処理部９に出力する。この入射方向検出処理部９では、上記受信部２５からの入射方向に関する信号を受けて、上記遠隔指令装置Ｑの上記特定の座標系における一軸を上記基準座標系における方向として検出しその方向信号を、通信処理部１４を介して上記遠隔指令装置Ｑの通信処理部４に出力する。なお、上記受信部２５と入射方向検出処理部９は、特許請求の範囲中の「方向信号出力手段Ｅ」に該当する。

上記ブーム姿勢角度センサ２６は、上記伸縮ブーム４３（図１参照）の現在の姿勢角度を検出し、これをブーム姿勢角度検出処理部１１に出力する。このブーム姿勢角度検出処理部１１では、ブーム姿勢角度センサ２６からの信号を受けて、現在の伸縮ブーム４３の伸縮量と起伏角度及び旋回角度を算出し、これを姿勢角度信号としてアクチュエータ作動速度演算処理部１２に出力する。

上記アクチュエータ作動速度演算処理部１２は、上記ブーム姿勢角度検出処理部１１からの姿勢角度信号と、上記通信処理部１０を介して上記遠隔指令装置Ｑの上記動作方向演算部７から入力される速度信号と操作方向信号を受けて、上記作業機Ｓを上記基準座標上の所定方向へ所定速度で移動させるため伸縮、起伏、旋回の各アクチュエータの作動速度を算出し、速度指令を制御部１３に出力する。この制御部１３では、この速度指令を受けて上記各アクチュエータに制御信号を出力してこれを作動させる。なお、上記動作方向演算部７と上記ブーム姿勢角度センサ２６と上記ブーム姿勢角度検出処理部１１と上記アクチュエータ作動速度演算処理部１２及び上記制御部１３は、特許請求の範囲中の「制御信号算出手段Ｇ」に該当する。

「遠隔操作装置Ｐの作動」
ここで、上記遠隔操作装置Ｐの実際の作動を、図４及び図５に示すフローチャートに基づいて説明する。

図４において、作業に際して電源が投入されると、まず、図５に示す姿勢検出ルーチンに基づいて、姿勢検出処理が実行される（ステップＳ１）。

即ち、姿勢検出処理においては、先ず、図５のステップＳ２１において、上記遠隔指令装置Ｑの基準信号発信部２４からの基準信号に基づいて、上記作業機制御装置Ｒ側の基準座標系に対する上記遠隔指令装置Ｑ側の特定の座標系の基準となる軸（図６ではＵ軸）の方向（即ち、角度「α」及び「β」）を検出する。

次に、方向検出ができたかどうかを判断するが、基準信号が受信できなかったような場合は、方向検出はできないので、「姿勢検出失敗」として制御を終了する（ステップＳ２７）。

ステップＳ２２において、方向検出ができたと判断される場合には、ステップＳ２３へ移行し、重力加速度方向の検出を行なう。即ち、図６の上記遠隔指令装置Ｑ側の特定の座標系における重力加速度方向「Ｇ（Ｕｇ，Ｖｇ，Ｗｇ）」を検出する。従って、ここで検出された重力加速度方向の方向（Ｇの方向）は、上記作業機制御装置Ｒ側の基準座標系のＺ軸の方向に合致する。

次に、重力加速度方向と基準信号の入射方向（角度「α」及び「β」）の一致、不一致が判断される。ここで、角度「α」及び「β」が重力加速度方向と一致する場合は、上記遠隔指令装置Ｑが上記作業機制御装置Ｒの真上あるいは真下に位置していることであって、上記作業機制御装置Ｒに対する上記遠隔指令装置Ｑの姿勢が一意に定まらないことから、「姿勢検出失敗」として扱う（ステップＳ２７）。

これに対して、角度「α」及び「β」が重力加速度方向と一致しないと判断された場合には、ステップＳ２５において、姿勢演算処理を行なう。即ち、上記作業機制御装置Ｒの基準座標系からみた上記遠隔指令装置Ｑｇの特定の座標系の回転行列を求める（図２の「姿勢検出処理部６」での処理である）。回転行列が正しく求められた場合には、「姿勢検出成功」として、姿勢制御検出処理を終了する。

図４のステップＳ２に戻って、上記姿勢検出ルーチンで姿勢検出が成功した場合には、ステップＳ３以降に移行するが、姿勢検出ができなかった場合には、姿勢検出ができるまで姿勢検出ルーチンが繰り返し実行される。

ステップＳ２において、姿勢検出が成功したと判断される場合には、次に、ステップＳ３において回転量検出処理を行なう。即ち、上記遠隔指令装置Ｑの特定の座標系の各軸回りの角速度を検出し、時間積分によって前時刻からの回転量を求める（図２の「回転量検出処理部２」での処理である）。

次に、ステップＳ４において、姿勢演算処理を行なう。即ち、現在の上記作業機制御装置Ｒの基準座標系からみた場合の上記遠隔指令装置Ｑの特定の座標系の姿勢を求める（図２の「姿勢演算処理部５」での処理である）。

次に、ステップＳ５において、レバー操作入力処理を行なう。即ち、上記遠隔指令装置Ｑにおいて入力された特定の座標系の各軸方向へのレバー操作量を、操作方向情報と操作速度情報に分離する（図２の「レバー操作入力処理部１」での処理である）。

次に、ステップＳ６において、作動方向変換処理を行なう。即ち、上記作業機制御装置Ｒの基準座標系からみた上記遠隔指令装置Ｑの姿勢と操作レバーの操作方向から、上記基準座標系における作動方向を求める（図２の「動作方向演算部７」での処理である）。

次に、ステップＳ７において、動作制御処理を行なう。即ち、ステップＳ６で求めた動作方向とステップＳ５で求めた操作速度に基づいて、上記作業機Ｓの制御点（この実施例ではブームヘッド４４）が移動するように制御を行なう（図２の「アクチュエータ作動速度演算処理部１２」での処理である）
ステップＳ２〜ステップＳ７の処理によって、上記作業機制御装置Ｒの基準座標系に対する上記遠隔指令装置Ｑの姿勢が更新される。このステップＳ２〜ステップＳ７の処理での姿勢の更新（遠隔指令装置Ｑの回転量に基づく姿勢更新）は、上記遠隔指令装置Ｑ側から発信される基準信号は関与しない。従って、この更新処理のみでも作業機Ｓの遠隔操作の精度はある程度維持されるが、この回転量に基づく姿勢更新が繰り返されると、制御誤差が次第に大きくなる。

このため、この実施例では、ステップＳ８において、再度、図５の姿勢検出ルーチンに基づく姿勢検出（即ち、基準信号に基づく姿勢検出）を実行する。そして、姿勢検出が成功した場合には、ステップＳ１０において姿勢補正処理を行ない、ステップＳ３にリターンする。

このように、基準信号に基づく姿勢検出が成功したとき、姿勢補正処理を行なうことで、「回転量に基づく姿勢更新」の繰り返しによって蓄積された制御誤差が解消され、作動制御の精度が回復する。尚、ステップＳ１０からのリターン後においては、ステップＳ３での処理を初回の処理とみなす。

ＩＶ−２：第２の実施例
図３には、上記遠隔操作装置Ｐの第２の実施例における制御ブロック図を示している。この実施例の遠隔操作装置Ｐは、上記第１の実施例の遠隔操作装置Ｐと構成要素を同じにするものであって、これと異なる点は、上記遠隔指令装置Ｑと上記作業機制御装置Ｒに分けて備えられる構成要素の数と種類である。

即ち、上記第１の実施例においては上記遠隔指令装置Ｑ側に備えられていた各構成要素のうち、該遠隔指令装置Ｑ側に備えることが必須の構成要素以外の構成要素、即ち、上記レバー操作入力処理部１と上記姿勢演算処理部５と上記姿勢検出処理部６及び上記動作方向演算部７を、この第２の実施例では上記作業機制御装置Ｒ側に備えたものである。

係る構成要素の配置とすることで、無線伝送回数を減らせることができ、制御の応答性が向上することは勿論であるが、さらに作業者が携行して操作を行う上記遠隔指令装置Ｑを小形軽量化することができ、該遠隔指令装置Ｑを用いた遠隔操作の操作性及び作業性の向上が期待できるものである。

上記以外の構成及び作用効果は、上記第１の実施例に係る遠隔操作装置Ｐの場合と同じであるため、その該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。

１ ・・レバー操作入力処理部
２ ・・回転量検出処理部
３ ・・重力加速度検出処理部
４ ・・通信処理部
５ ・・姿勢演算処理部
６ ・・姿勢検出処理部
７ ・・動作方向演算部
８ ・・通信処理部
９ ・・入射方向検出処理部
１１ ・・ブーム姿勢角度検出処理部
１２ ・・アクチュエータ作動速度演算処理部
１３ ・・制御部
１４ ・通信処理部
２０ ・・操作部
２１ ・・操作レバーセンサ
２２ ・・角速度センサ
２３ ・・加速度センサ
２４ ・・基準信号発信部
２５ ・・受信部
２６ ・・ブーム姿勢角度センサ
２７ ・・魚眼レンズ
２８ ・・撮像素子
４０ ・・クレーン車
４１ ・・車体
４２ ・・旋回台
４３ ・・伸縮ブーム
４４ ・・ブームヘッド
４５ ・・フックブロック
４６ ・・フック
４７ ・・吊荷
４８ ・・アウトリガー
Ａ ・・基準信号発信手段
Ｂ ・・操作手段
Ｃ ・・操作指令信号出力手段
Ｄ ・・重力加速度方向検出手段
Ｅ ・・方向信号出力手段
Ｆ ・・姿勢算出手段
Ｇ ・・制御信号算出手段
Ｈ ・・回転量出力手段
Ｉ ・・姿勢補間手段
Ｐ ・・遠隔操作装置
Ｑ ・・遠隔指令装置
Ｒ ・・作業機制御装置
Ｓ ・・作業機

Claims (3)

1. 遠隔指令装置（Ｑ）と、作業機（Ｓ）に設けられた作業機制御装置（Ｒ）からなり、該遠隔指令装置（Ｑ）の指令信号に基づき上記作業機制御装置（Ｒ）により上記作業機（Ｓ）を動作させるようにした作業機の遠隔操作装置（Ｐ）であって、
   上記遠隔指令装置（Ｑ）には、少なくとも、該遠隔指令装置（Ｑ）側の特定の座標系と、上記作業機制御装置（Ｒ）に向けて基準信号を発信する基準信号発信手段（Ａ）と、上記作業機（Ｓ）の移動方向と移動速度をその操作方向と操作量によって指示する操作手段（Ｂ）と、該操作手段（Ｂ）の操作方向と操作量に対応する操作指令信号を算出して出力する操作指令信号出力手段（Ｃ）と、加速度方向を検出して重力加速度方向信号を出力する重力加速度方向検出手段（Ｄ）とが備えられ、
   上記作業機制御装置（Ｒ）には、少なくとも、上記作業機（Ｓ）側の基準座標系と、上記遠隔指令装置（Ｑ）の上記基準信号発信手段（Ａ）からの基準信号を受けて上記遠隔指令装置（Ｑ）の上記特定の座標系における一軸を上記基準座標系における方向として方向信号を出力する方向信号出力手段（Ｅ）が備えられるとともに、
   上記遠隔指令装置（Ｑ）と上記作業機制御装置（Ｒ）の何れか一方には、上記方向信号出力手段（Ｅ）からの方向信号と上記重力加速度方向検出手段（Ｄ）からの重力加速度方向信号を受けて上記遠隔指令装置（Ｑ）と上記作業機制御装置（Ｒ）に共通する重力加速度方向に対する上記特定の座標系の傾きを基準座標系に変換して上記遠隔指令装置（Ｑ）の上記特定の座標系を上記基準座標系上の姿勢として算出する姿勢算出手段（Ｆ）と、上記姿勢算出手段（Ｆ）からの姿勢信号と上記操作指令信号出力手段（Ｃ）からの上記操作指令信号を受けて上記作業機（Ｓ）を上記基準座標上の所定方向へ所定速度で移動させるための制御信号を算出して作業機駆動手段に出力する制御信号算出手段（Ｇ）を備えたことを特徴とする作業機の遠隔操作装置。
2. 請求項１において、
   上記遠隔指令装置（Ｑ）の回転量を角速度に基づいて算出し回転量信号を出力する回転量出力手段（Ｈ）を備え、
   上記回転量出力手段（Ｈ）からの回転量信号に基づいて上記姿勢算出手段（Ｆ）からの姿勢信号を補間する姿勢補間手段（Ｉ）を備えたことを特徴とする作業機の遠隔操作装置。
3. 遠隔指令装置（Ｑ）と、作業機（Ｓ）に設けられた作業機制御装置（Ｒ）からなり、該遠隔指令装置（Ｑ）の指令信号に基づき上記作業機制御装置（Ｒ）により上記作業機（Ｓ）を動作させる作業機の遠隔操作方法であって、
   上記遠隔指令装置（Ｑ）側の特定の座標系を上記作業機制御装置（Ｒ）側の基準座標系に変換するに当たって、作業機制御装置（Ｒ）は、上記遠隔指令装置（Ｑ）から発信された基準信号を受信して、上記遠隔指令装置（Ｑ）の上記特定の座標系における一軸を上記基準座標系における方向として方向信号を出力し、当該方向信号と上記遠隔指令装置（Ｑ）と上記作業機制御装置（Ｒ）に共通する重力加速度方向に対する上記特定の座標系の傾きから、上記遠隔指令装置（Ｑ）に設けられた操作手段（Ｂ）によって指示された上記作業機（Ｓ）の移動方向と移動速度に基づいて、上記作業機（Ｓ）を上記基準座標上の所定方向へ所定速度で移動させるための制御信号を算出し、該制御信号を作業機駆動手段に出力して上記作業機（Ｓ）を動作させることを特徴とする作業機の遠隔操作方法。

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