JP3515796B2 - マニピュレータ動作範囲制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マニピュレータの動作
範囲を精度良く制限することができるマニピュレータ動
作範囲制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アームを関節で連結してなるマニピュレ
ータ先端の動作範囲を制限する装置として、種々の制御
装置が開発されている。例えば単純な方法として、マニ
ピュレータ先端の位置目標値や現在位置を演算装置にお
いてデータベースのデータと比較し適不適を判定し、判
定結果に応じた動作を行うソフトウェアによる方法があ
る。しかしがら、このようなソフトウェアによる動作制
御方法は、プログラムや演算装置の信頼性に依存し、充
分な方策とは言えない。

【０００３】この他に例えばアーム自身の干渉を避ける
干渉チェック・プログラムを用いた制御装置が知られて
いるが、これらは以下のような点で実用的でない。すな
わち、アーム部自身の干渉によって自分で自分を壊す破
損事故の防止を目的とするものであり、マニピュレータ
先端の動作領域の制限ではない。また関節角度により算
出した（推定）衝突位置座標を簡単な一次方程式などを
用いた評価関数によりチェックしているので、マニピュ
レータ先端の動作領域を任意の制限領域に設定するため
には、評価関数を複雑にする必要があり実用上困難であ
る。さらに、干渉チェック・プログラムはソフトウェア
上のプログラムにより実行しているため、ＣＰＵ暴走時
などには対応できず、また干渉チェック判定時には制御
を中止するだけで連続的な処理や復旧方法が考慮されて
いない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のマニ
ピュレータの動作範囲制御装置は、ソフトウェア上のプ
ログラムで構成されていたため、ＣＰＵ暴走時などには
対応できなかった。また従来のマニピュレータの動作範
囲制御装置では、簡単な関数などで制限する範囲を設定
するため、複雑な動作範囲がとれなかったり、任意にそ
の範囲を変更することが容易ではなかった。

【０００５】さらに従来のマニピュレータの動作範囲制
御装置では、制限された動作範囲外に出てしまったとき
には制御を中止するのみで、いったん停止すると再び作
業を続けるには復帰操作を改めて行わなければならず、
復帰が容易ではなかった。

【０００６】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、マニピュレータの複雑な動作制限を精度良
く行なうことができるとともに、設定・変更が容易に行
えるマニピュレータ動作範囲制御装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも基
準関節と制御対象関節とを有するマニピュレータの動作
範囲を制限するためのマニピュレータ動作範囲制御装置
において、前記各関節をマニピュレータの先端位置目標
値に基づいて駆動する駆動部と、基準関節および制御対
象関節の関節角度を検出する関節角度検出部と、基準関
節の関節角度検出部から入力される基準関節の関節角度
に基づいて求められた、制御対象関節の上限限界角度と
なる限界データを記憶する限界データ記憶装置と、制御
対象関節の関節角度検出部から入力される制御対象関節
の関節角度と、前記限界データ記憶装置からの限界デー
タとを比較して制御対象関節の干渉リミット信号を出力
する比較装置と、を備えたことを特徴とするマニピュレ
ータ動作範囲制御装置である。

【０００８】

【作用】限界データ記憶装置において、基準関節の関節
角度に基づいて制御対象関節の限界データを出力すると
ともに、この限界データと制御対象関節の関節角度が比
較装置で比較されて干渉リミット信号が出力される。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１乃至図７は本発明によるマニピュレー
タ動作範囲制御装置の一実施例を示す図である。

【００１０】はじめにマニピュレータ動作範囲制御装置
の一実施例に係る航空機１Ａの風防ガラス・クリーニン
グ用のマニピュレータについて説明する。

【００１１】図１（ａ）（ｂ）に示すように、風防ガラ
ス・クリーニング用のマニピュレータ１１は、複数の関
節を有するアーム部１５と、アーム部１５の先端に設け
られた洗浄装置１６とを備え、アーム部１５の基端は航
空機１Ａのコックピット１Ｂ天井のエスケープ・ハッチ
１Ｃに取付部１２を介して固定されている。また、コッ
クピット１Ｂ内から風防ガラス１Ｄごしに操縦部１４を
ジョイスティック操作したり自動動作することにより、
風防ガラス１Ｄに付着した固形物を風防ガラスクリーニ
ング用マニピュレータ１１で洗浄するようになってい
る。

【００１２】すなわち、操縦部１４のジョイスティック
操作により制御部１３を介して各関節を駆動したり、制
御部１３の自動動作により各関節を駆動してマニピュレ
ータ１１を作動させ、洗浄装置１６を風防ガラス１Ｄに
沿って移動させるようになっている。

【００１３】またアーム部１５と洗浄装置１６とを有す
るマニピュレータ１１と、取付部本体１７と差し出し棒
１８とからなる取付部１２と、制御部１３および操縦部
１４とから、全体システムが構成されている。

【００１４】次にマニピュレータ１１の自由度構成につ
いて図２で説明する。まずマニピュレータ１１のアーム
部１５は、関節＃１、＃２、＃３を有する長腕軽量の３
自由度垂直多関節型で、その基端は取付部本体１７を介
してエスケープ・ハッチ１Ｃに固定され、アーム部１５
の先端は左右の風防ガラス１Ｄ面上のどの位置にも到達
できるようになっている。

【００１５】またアーム部１５の先端に設けられた洗浄
装置１６は、風防ガラス１Ｄ面上に固着した固型物を除
去し、風防ガラス１Ｄ面の洗浄／仕上げ作業を行うもの
である。洗浄装置１６は軸まわりに回転（＃Ｅ）する平
面状の先端部１９を有し、かつ洗浄装置１６とアーム部
１５とは回転と曲げの２つの受動関節（＃４、＃５）で
接続されているので、洗浄装置１６の先端部１９は風防
ガラス１Ｄ面へ受動的にならうようになっている。な
お、図２において、関節＃２と関節＃３との間のアーム
部１５の長さは１．６５ｍ、関節＃３と関節＃５との間
のアーム部１５の長さは１．５５ｍとなっている。

【００１６】次にマニピュレータ１１を駆動制御する制
御系について図３により説明する。マニピュレータ１１
の関節＃１、＃２、＃３は、各々モータＭ１、Ｍ２、Ｍ
３により駆動され、また各々の関節＃１、＃２、＃３に
はエンコーダＥ１、Ｅ２、Ｅ３、ポテンショメータＰ
１、Ｐ２、Ｐ３、ブレーキＢ１、Ｂ２が設けられてい
る。

【００１７】各モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３は制御部１３に
内蔵された速度指令型のドライバＤＭで駆動され、エン
コーダＥ１、Ｅ２、Ｅ３からの相対位置信号３１がＦ／
Ｖ変換装置ＦＶを介して速度信号３２となりドライバＤ
Ｍにフィードバックされる。また、ポテンショメータＰ
１、Ｐ２、Ｐ３からの絶対位置信号３３は起動時のカウ
ンタＣＮＴの初期化に使用される。

【００１８】操縦部１４では、各種切り換えスイッチＳ
Ｗの操作により、アーム部１１の自動展開／収納などの
操縦モードの指示や、洗浄装置１６のモータ＃Ｅ（図２
参照）のドライバＤＥの電源の入／切および先端部１９
の回転速度（Ｈｉ、Ｍｉｄ、Ｌｏ）を設定するようにな
っている。

【００１９】バス・ボードからなる演算装置３５（ＣＰ
Ｕ）は制御部１３に内蔵され、電源投入と共にＲＯＭ３
６内のプログラムにより自動的に起動する。

【００２０】次に、関節＃２（基準関節）からの位置信
号に基づいて関節＃３（制御対象関節）の動作制限を行
なう装置について、図５により説明する。この動作制御
装置５０は、図３に示す制御部１３内に内蔵されてい
る。

【００２１】図５に示すように、動作制限装置５０にお
いて、関節＃２の関節角度に対応するポテンショメータ
Ｐ２の電圧値がＡＤ変換器５１でＡＤ変換されて、関節
＃３の限界データＲＯＭ５２のアドレス入力５３（８ｂ
ｉｔ）となる。次にアドレス入力５３に基づいてＲＯＭ
５２によりデータ出力５４（８ｂｉｔ）（関節＃３の上
限限界データ）が求められる。データ出力５４はＤＡ変
換器５５によりＤＡ変換され、コンパレータ５６の基準
入力電圧となる。次にコンパレータ５６において、デー
タ出力５４が関節＃３の関節角度に対応するポテンショ
メータＰ３の電圧値と比較され、ポテンショメータＰ３
の電圧値が限界データを越えた場合、関節＃３の干渉リ
ミット信号５Ａが発生する。

【００２２】なお、ここで使用した限界データＲＯＭ５
２のアドレス入力は１０ｂｉｔあるので、ＡＤ変換器５
１からの入力に使用しない上位２ｂｉｔ分を演算装置３
５に接続し、干渉リミットの有効無効の切り換えスイッ
チとして使用し、切り換え信号５Ｈを流してもよい。

【００２３】また、動作制限装置５０において、関節＃
３の通常のリミット動作を行なう電気リミット・コンパ
レータ５７が設けられている。すなわち関節＃３につい
ての通常の上限側の条件は、電気リミット・コンパレー
タ５７により関節＃３の上限電気リミット信号５８とし
て求められ、上限電気リミット信号５８は関節＃３のド
ライバＤＭ（図３）に＋方向イネーブル信号として入力
される。関節＃３についての通常の下限側の条件は、電
気リミット・コンパレータ５７により関節＃３の下限電
気リミット信号５９として求められ、下限電気リミット
信号５９は関節＃３のドライバＤＭに−方向イネーブル
信号として入力される。

【００２４】他方、関節＃３の上限干渉リミット信号５
Ａは、論理和回路５Ｂを介して、電気リミット・コンパ
レータ５７から出力される上限電気リミット信号５８と
論理和しており、二重の制約を＃３のモータドライバＤ
Ｍに対して加えることができる。

【００２５】次にこのような構成からなる本実施例の作
用について説明する。一般にアーム部１５は広い動作範
囲が必要で、したがって各関節の回転可動範囲も大きく
なる。例えば洗浄作業では、関節＃２は最大約１０５
（ｄｅｇ）となるまでアームを倒さなければならない
が、関節＃３はほとんど曲げる必要なく約１０（ｄｅ
ｇ）となる。これに対しアーム部１５の搬入／搬出時あ
るいは航空機１Ａの機体面上にとりつけ／取り外し時の
収納姿勢では、関節＃２は約０（ｄｅｇ）、関節＃３は
１８０（ｄｅｇ）となる。

【００２６】すなわち、すべての場合でも満足できる動
作範囲を関節ごとに設定すると、関節＃２と関節＃３の
作る鉛直平面内のアーム部１５の先端の動作範囲は、図
４に実線で輪郭を示すような大きな滴型から小さい半円
を引いた形状となる。

【００２７】このように各関節＃１、＃２、＃３は、そ
れぞれ大きな可動範囲が必要となるが、アーム部１５自
体から見れば収納姿勢と風防ガラス１Ｄ上の洗浄姿勢が
とれれば良い。またアーム部１５の先端が航空機１Ａの
機体面と接触する危険があるのは、展開／収納動作時で
あり、下方に広がる機体面に対して接触する危険性があ
る。またジョイスティック操作による洗浄作業時でも、
洗浄装置１９が風防ガラス１Ｄ面から離れたり機体に接
触してはならない。

【００２８】そこで、動作制限装置５０により、関節＃
２の関節角度に対応させて関節＃３の上限角度を制限す
る。

【００２９】動作制限装置５０のコンパレータ５６にお
いて上限干渉リミット信号５Ａが発生した場合の動作制
限方法として、以下の二通りが考えられる。

【００３０】１つは電気的動作制限方法である。すなわ
ち、通常の上限電気リミット信号５８が発生したときと
同様に、干渉リミット信号５Ａが発生するとアナログ・
スイッチ５Ｃが動作する。次にマニピュレータ１１の先
端位置目標値に基づく関節＃３の回転指令信号５Ｅがレ
ール・トゥ・レール・アンプ５Ｇとアナログスイッチ５
Ｃを通り、関節＃３の回転指令５Ｅのプラス方向がカッ
トされ、関節＃３の回転指令信号５Ｆとなって関節＃３
のドライバＤＭに与えられる。この処理は電気回路のみ
で構成されているので常に有効で、たとえＣＰＵ３５が
暴走しても働く。

【００３１】他は制御的動作制限方法である。すなわ
ち、干渉リミット信号５Ａが発生すると、この干渉リミ
ット信号５Ａは演算装置３５のバスを介して読み込ま
れ、演算装置３５に監視される。信号有効時の処理は、
ソフトウェア次第でさまざまな制御が実現できる。例え
ば、干渉リミット信号５Ａが演算装置３５に入っている
間中、演算装置３５は無条件に制御周期ごとに強制的に
マニピュレータ１１の位置目標値を例えば０．２（cm）
鉛直上方に設定する。このことによりアーム部１１の先
端を確実に航空機１Ａの機体面から離す事ができる。

【００３２】次に、関節＃２の位置信号により関節＃３
の限界データを求める限界データＲＯＭ５２の機能につ
いて具体例を挙げて説明する。航空機１Ａの機体形状の
測定に基づきＲＯＭ５２内のＲＯＭデータを作成した。
この場合、機体面上の位置測定から、関節＃２がある回
転角度の時の関節＃３の上限角度を決めた。これらのＲ
ＯＭデータの例を図７に示す。

【００３３】ＲＯＭデータを使った動作制限によるマニ
ピュレータ１１の先端の動作範囲は、図４の斜線で示し
た上側の範囲となる。また機体形状と干渉リミットによ
る動作制限範囲を比較するための拡大図を図６に示す。
機体面上は○印、風防ガラス面上は●印で表されてい
る。

【００３４】なお、上記実施例において、基準関節を一
つ、制御対象関節を一つとして鉛直平面内でのアーム部
先端の動作範囲の制限方法を示したが、例えば、関節＃
３の限界データＲＯＭ５２の上位５ｂｉｔを関節＃１の
ポテンショメータＰ１、下位５ｂｉｔを関節＃２のポテ
ンショメータＰ２に対応させることにより、３次元空間
内でマニピュレータ先端の動作範囲の制限を行うことも
できる。

【００３５】また関節＃２を基準関節とし、関節＃３を
制御対象関節とする例を示したが、関節＃２を、関節＃
１との関係における制御対象関節とするとともに、関節
＃３との関係における基準関節とすることもできる。

【００３６】なお、本実施例では回転関節で構成された
マニピュレータを示したが、関節の一部または全部が直
動関節などの他の形式の関節であっても構わない。

【００３７】

【発明の効果】限界データ記憶装置において基準関節の
関節角度に基づいて求められた制御対象関節の限界デー
タを記憶し、この限界データと制御対象関節の関節角度
を比較装置で比較して干渉リミット信号を出力すること
により、制御対象関節の動作範囲を基準関節との関係で
制限することができる。このため、マニピュレータの複
雑な動作制限を精度良く行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマニピュレータ動作範囲制御装置
が適用されるシステム全体の構成図。

【図２】マニピュレータの自由度を示す概略図。

【図３】本発明によるマニピュレータ動作範囲制御装置
の概略図。

【図４】マニピュレータの先端の動作領域を示す図。

【図５】限界データＲＯＭとコンパレータとを有する動
作制限装置を示す図。

【図６】ジャンボ機の機体面付近を示す拡大図。

【図７】限界データＲＯＭ内のＲＯＭデータを示す図。

【符号の説明】

１Ａ 航空機 １１ マニピュレータ １４ 操縦部 １５ アーム部 １６ 洗浄装置 ５０ 動作制限装置 ５２ 限界データＲＯＭ ５６ コンパレータ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも基準関節と制御対象関節とを有
   するマニピュレータの動作範囲を制限するためのマニピ
   ュレータ動作範囲制御装置において、 前記各関節をマニピュレータの先端位置目標値に基づい
   て駆動する駆動部と、 基準関節および制御対象関節の関節角度を検出する関節
   角度検出部と、 基準関節の関節角度検出部から入力される基準関節の関
   節角度に基づいて求められた、制御対象関節の上限限界
   角度となる限界データを記憶する限界データ記憶装置
   と、 制御対象関節の関節角度検出部から入力される制御対象
   関節の関節角度と、前記限界データ記憶装置からの限界
   データとを比較して制御対象関節の干渉リミット信号を
   出力する比較装置と、を備えたことを特徴とするマニピ
   ュレータ動作範囲制御装置。
2. 【請求項２】比較装置からの干渉リミット信号に基づい
   て制御対象関節用駆動部への信号をカットする信号カッ
   ト回路を設けたことを特徴とする請求項１記載のマニピ
   ュレータ動作範囲制御装置。
3. 【請求項３】比較装置からの干渉リミット信号に基づい
   てマニピュレータの先端位置目標値を変更する目標位置
   変更装置を設けたことを特徴とする請求項１記載のマニ
   ピュレータ動作範囲制御装置。