JP3749308B2

JP3749308B2 - Operation control mechanism of manual manipulator for construction work

Info

Publication number: JP3749308B2
Application number: JP12189696A
Authority: JP
Inventors: 義紀古野; 邦雄柏木; 榑沼　　透
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2016-05-16
Also published as: JPH09302709A

Description

【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^-1 ₁、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^-1 ₂、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^-1 ₃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^-1 ₁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^−１ _３）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^−１ _２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^-1 ₂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^-1 ₃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[0001]
[Technology to which the Invention belongs]
The present invention relates to an operation control mechanism for a manipulator for construction work.
[0002]
[Prior art]
As a conventional example of a manipulator for construction work, for example, there is a “horizontal / vertical movement control method of a moving body” described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-1268923.
In this known example, when the lever corresponding to each joint of an arm having multiple joints is operated and the joint angle is changed at the same speed, the horizontal and vertical moving speeds differ at a desired point. The point is solved.
[0003]
That is, in the above known example, in a construction manipulator having a plurality of operation levers, the horizontal and vertical speeds according to the movement command input signals in the front-rear horizontal direction and the vertical direction in the signals from the operation levers. Thus, the angular velocity of each axis is determined using an arithmetic unit so that the desired portion moves, and the angular axis is rotated at the angular velocity. As a result, the movement of the desired portion is proportional to the operation of the operation lever.
[0004]
Further, when one operation lever is operated in the left-right direction, the arm is moved in the horizontal circumferential direction, and when this operation lever is operated in the front-rear direction, the arm is moved in the front-rear direction. When the other operation lever is operated in the front-rear direction, the arm is moved in the up-down direction. Thereby, it is comprised so that the movement operation of an arm may become easy.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the operation-type manipulator for construction work, various work tools are attached to the tip portion of the arm. An appropriate operation method corresponding to each type of the work tool, that is, every work by the work tool. Exists.
[0006]
For example, when the work tool is a gripping device, the grasped object is moved and placed, and therefore the input of the operation lever is a command for linearly moving the grasped object to the target position. The operation method is desirable. For example, when the work tool is a bucket, excavation work is performed using the bucket, and therefore, an operation method in which an input of the operation lever is a command indicating the excavation work operation is desirable.
[0007]
However, in the above known example, the operation method is fixed, and control is performed so that the input of the operation lever is a command to move the work tool to be controlled such as the arm tip horizontally or vertically. Yes. For this reason, for example, when the work tool is a gripping device and the gripping target is moved and stationary, the operability is good, but when the work tool is a bucket, the input of the operation lever is Since the operation of this bucket is not appropriately commanded, the operability is not good.
Therefore, conventionally, there has been no operation-type manipulator for construction work that has an appropriate operation method according to the work tool attached to the tip of the arm and has good operability.
[0008]
An object of the present invention is to realize an operation control mechanism of a manual manipulator for construction work that has an appropriate operation method according to the work tool attached to the tip of the arm and has good operability.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
(1) Operation for operating a manual manipulator for construction work including a work arm having a joint and having a degree of freedom of 3 degrees or more and a wrist mechanism having a joint and having a degree of freedom of 1 degree or more and capable of attaching a work tool to the tip. In the control mechanism, an operation means capable of instructing at least three directions orthogonal to each other of the manual manipulator, an operation method based on an orthogonal coordinate system, an operation method based on a cylindrical coordinate system, and an operation method for independently controlling each joint The operation arm and wrist mechanism based on the operation method switching means for switching the operation tool based on which operation method and the operation method switched from the operation instruction from the operation means and the operation method switching means. A control device including an operation control unit for controlling the operation of the device, and the operation method switching means is attached to a work tool attached to the wrist mechanism, A storage means for storing an operation method designation signal for designating an appropriate operation method for each tool is built in, and at the same time when the work tool is attached to the wrist mechanism, an operation method designation signal is sent to the control device to automatically The operation method is switched to.
[0010]
(2) Preferably, in the above (1), the operation method switched by the operation method switching means is such that the tip of the manipulator can be moved at least in the horizontal direction and the vertical direction based on the orthogonal coordinate system, and the work tool is Orthogonal operation method suitable for gripping means, movable in units of each joint of the manipulator, joint operation method suitable for work tool being excavation means, and moving the manipulator tip based on cylindrical coordinate system It is possible and is a cylindrical coordinate operation method suitable when the work tool is a drilling means, and has at least two or more of these operation methods.
[0012]
In the present invention, for example, the operation method of the manual manipulator for construction work is based on a joint operation method or a cylindrical coordinate system that operates in units of joints from a horizontal, vertical, or posture-based operation method based on an orthogonal coordinate system. Since the operation method can be switched to one of several operation methods, the operation method suitable for the work can be performed.
[0013]
In addition, since the operation method is automatically switched by the work tool attached to the tip of the wrist mechanism, the operation can be executed without performing the operation method switching operation by the operator.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The embodiment described below is an example in which the present invention is applied to a manual manipulator for construction work that is used for the movement of an object gripped by a gripping device or the like, a stationary work, an excavation work, or the like.
[0015]
FIG. 1 is a control block diagram of an operation control mechanism of a construction work manipulator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an overall schematic diagram of an example of a construction work manipulator. This manipulator for construction work is an operation type manipulator that is driven by an input of an operation device such as a lever.
[0016]
First, in FIG. 2, a construction manipulator main body 1 having a driver's seat, a work arm 2 having at least one degree of freedom such as an arm, a boom and a swing, and a wrist mechanism 3 having at least one degree of freedom such as a roll, pitch and yaw. In the wrist mechanism 3, a work tool 4 such as a gripping device 4 a or a bucket 4 b can be installed.
[0017]
The work arm 2 and the wrist mechanism 3 are provided with a drive device such as a hydraulic cylinder, and each joint portion of the work arm 2 has a function of operating within a predetermined range. In addition, an angle meter 5 (not shown) is installed in each joint part, and the angle of each joint part is measured.
[0018]
The control device 6 includes control means such as a computer, a direction switching valve for controlling an actuator for operating the arm, and a proportional electromagnetic valve for controlling the direction switching valve. The computer has a calculation program for controlling the rotation speed of each joint (axis), and calculates the target angular velocity of each axis according to the operation direction and the operation amount of the operation device 7. Then, the control device 6 sends a drive current worth the target angular velocity to the proportional solenoid valve, and operates the proportional solenoid valve to control the actuator via the direction switching valve.
[0019]
The operation device (operation means) 7 is composed of one or more operation levers having one or more degrees of freedom, and inputs a drive signal for the manipulator for construction work to the control device 6. By the operation device 7, the object gripped by the gripping device 4a is moved horizontally and vertically, or a command such as excavation work is performed by the bucket 4b. Examples of the operation device include a strain gauge type device such as a force sensor, or a device using a variable resistor such as an electric lever. The operation of the work tool is assigned to each operation direction.
Moreover, the operating device 7 can also be comprised as a portable thing which an operator possesses as needed, and can also be comprised as a thing for fixed installation.
[0020]
Reference numeral 8 denotes an operation method switching device, which supplies a signal for switching the operation method between the work arm 2 and the wrist mechanism 3 to the control device 6 via the communication means 10. Here, the operation method includes a method in which the work tool 4 is orthogonally moved and rotated around the coordinate axis in the Cartesian coordinate system, a method for controlling the moving direction and posture of the work tool 4 in the cylindrical coordinate system, and each joint independently. It means a method to control to.
[0022]
The operation method switching device 8 is attached to the work tool 4 such as the gripping device 4a or the bucket 4b. The operation switching means 9 built in the operation method switching device 8 is constituted by a storage device. A switching signal of an operation method suitable for each work tool 4 is stored in advance in a storage device such as a ROM or a RAM, and the wrist mechanism 3 and the work tool 4 are connected through the communication means 10 constituted by a connector and a cable. At the same time, the switching signal is automatically sent to the control device 6.
[0023]
Next, in FIG. 1, the output of each axis of the controller device 7 is converted from an analog value to a digital value by the A / D converter 20 and input to the target value determination unit 23 a of the arithmetic device (operation control unit) 23. The The target value determination unit 23a is supplied with the operation method switching signal from the operation method switching device 8, and determines what target value the input signal from the operation device 7 indicates based on the selected operation method. To do. Then, the target value determined by the target value determination unit 23a is supplied to the joint angular velocity conversion unit 23b.
[0024]
The matrix storage unit (calculation parameter storage means) 21 stores a plurality of matrices. That is, the matrix storage unit 21 stores three types of matrices (arithmetic parameters) A, B, and C. The matrix A is an inverse Jacobian matrix J ^-1 ₁ for orthogonal operation including the posture of the work tool 4. , Matrix B is a Jacobian inverse matrix J ^-1 ₂ for operation based on a cylindrical coordinate system, and matrix C is a Jacobian inverse matrix J ^-1 ₃ for operating each joint independently. These matrices A, B, and C are selected by a switching signal from the operation method switching device 8 and supplied to the joint angular velocity conversion unit 23b via the switch 22.
[0025]
The joint angular velocity conversion unit 23b converts the target value supplied from the target value determination unit 23a into the target joint angular velocity of the manipulator corresponding to each operation method using the Jacobian inverse matrix supplied from the matrix storage unit 21 via the switch 22. Convert. The target angular velocity around each axis of the work arm 2 converted by the joint angular velocity conversion unit 23b is supplied to the comparison unit 23c.
In the present embodiment, the operation method switching device 8 and the switch 22 constitute calculation parameter selection means.
[0026]
The joint angular velocity of the work arm 2 is supplied from the goniometer 5 via the A / D converter 12 to the comparison unit 23c. Then, the joint angular velocity supplied from the goniometer 5 and the target joint angular velocity supplied from the joint angular velocity conversion unit 23b are compared by the comparison unit 23c, and an angular velocity command value corresponding to the deviation is converted into a D / A converter. 24. The angular velocity command value converted into an analog value by the D / A converter 24 is supplied to the hydraulic controller 25.
[0027]
The hydraulic controller 25 operates the work arm 2 via the hydraulic actuator 11 based on the supplied angular velocity command value. The hydraulic controller 25 includes a control valve for controlling the hydraulic actuator 11 such as a hydraulic cylinder for driving each joint of the work arm 2 based on the calculation result of the calculation device 23.
[0028]
The operation result of the work arm 2 operated by the hydraulic actuator 11 is detected as an angular velocity by the angle meter 5 installed in each joint, and the angular velocity detected by the angle meter 5 is converted by the A / D converter 12. Then, it is supplied to the comparison unit 23c of the arithmetic unit 23.
[0029]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the hydraulic controller 25, and illustrates an example of operating one of the plurality of hydraulic actuators 11.
In FIG. 3, a hydraulic pump 50 is a pump for supplying oil to a hydraulic cylinder 55 that is a hydraulic actuator 11 that drives each joint. The flow rate of the oil supplied to the hydraulic cylinder 55 is controlled by the direction switching valve 54.
[0030]
This direction switching valve 54 is composed of pilot portions 54R and 54L, and the opening degree of the direction switching valve 54 is changed by the hydraulic pressure acting on the direction switching valve 54 to determine the flow rate supplied to the hydraulic cylinder 55. 56 and 57 are proportional solenoid valves for changing the valve opening.
[0031]
The proportional solenoid valves 56 and 57 supply hydraulic pressure to the pilot portions 54R and 54L, respectively, while changing the hydraulic pressure from the pilot pump 51. The proportional solenoid valves 56 and 57 are connected to the control device 6 through a signal line 58, and a current for changing the hydraulic pressure is supplied from the control device 6.
[0032]
Reference numeral 53 denotes a tank for storing oil to be supplied or oil returned. The prime mover 52 drives the hydraulic pump 50 and the pilot pump 51.
The operation of the hydraulic cylinder 55 that is the hydraulic actuator 11 is controlled by the hydraulic controller 25 shown in FIG.
[0033]
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the operating device 7, and FIG. 5 is a diagram illustrating another example of the operating device 7.
In FIG. 4A, 31L and 31R are operation levers, and these operation levers 31L and 31R are force sensors that can detect a force applied to the XYZ-axis direction, which is a three-dimensional direction, and a moment around each axis. This is a 6-axis operation type lever capable of detecting the direction operation force. 30a is a grip. Holding this grip 30a, the operator operates while applying a force in the direction of the arrow.
[0034]
Reference numerals 32L and 32R in FIG. 5 are three-axis operation type levers each including a plurality of variable resistors (hereinafter referred to as potentiometers) and capable of operation in three-axis directions.
The operation levers 32L and 32R have a built-in potentiometer capable of detecting displacements in the two axial directions of X and Y, and the grip portion 30b of the operation lever 32L rotates to detect the amount of displacement around the Z axis. A type potentiometer is installed. Further, a potentiometer capable of detecting the Z-axis displacement is installed on the grip 30C of the operation lever 32R.
[0035]
Using these operation levers, the joint portions 40 to 45 of the work arm 2 of the construction work manipulator shown in a simplified manner in FIG. 6 are controlled. In FIG. 6, XB, YB, and ZB are the three axes of the coordinate system 50 serving as a reference for working with the manipulator. The coordinate system 50 can be set at an arbitrary location, but in the example of FIG. 6, the coordinate origin 0 is set at the base point 40 a of the joint 40 for the sake of simplicity.
[0036]
The construction work manipulator having the gripping device 4a is often used for the purpose of gripping, moving, and setting the work object to a predetermined position. Therefore, the operation switching means of the operation method switching device 8 is normally in the rectangular coordinates, and the switch 22 of the control device 6 in FIG.
[0037]
That is, the signals (X, Y, Z, θ, φ, ψ) from the operating device 7 are converted into angular velocities of the respective joints by the Jacobian inverse matrix J ⁻¹ ₁ . The relationship between the operation of the operation lever and the operation of the manipulator at this time will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6.
[0038]
First, when the operation arm 2 of FIG. 4 is used to cause the work arm 2 to perform a direct operation, the operation lever 31R is used alone. XB, YB, and ZB of the reference coordinate system 50 coincide with the X2, Y2, and Z2 directions of the six-axis operation lever 31R, respectively, and the rotations on the respective axes also coincide with each other.
[0039]
For example, if the 6-axis operation type lever 31R is operated in the X + direction, that is, one direction side of X2, the gripping device 4a at the tip of the work arm 2 moves in the XB direction of the coordinate system 50 serving as a reference in FIG. To do. If the operation lever 31R is operated in the φ2 direction, the posture of the work arm 2 changes around the YB axis.
[0040]
Next, the case where the switch 22 of the control device 6 in FIG. 1 is switched to a matrix (that is, the Jacobian inverse matrix J ⁻¹ ₃ ) by the switching signal of the operation method switching device 8 will be described. In this case, the operation levers 31R and 31L are used for operation.
[0041]
When the operation lever 31L is operated in the X1 direction, the joint 42 (arm) is operated, and when the operation lever 31L is operated in the Y1 direction, the joint 40 (turning) is operated. When the operation lever 31R is operated in the X2 direction, the joint 43 (bucket) operates, and when the operation lever 31R is operated in the Y2 direction, the joint 41 (boom) operates.
[0042]
This operation is an operation when used for excavation work in which the bucket 4 b is attached to the tip of the joint 43. In this case, only the actuator that performs the pitching operation is effective for the wrist mechanism 3 of the manipulator, and the actuator that performs the roll or yaw operation is not driven. Therefore, the input of the operation lever in the direction of φ or ψ is inevitable. Will be invalid. The input in the Z2 direction is also invalidated by setting the Jacobian inverse matrix. That is, a normal hydraulic excavator can be operated.
[0043]
Next, operations based on the cylindrical coordinate system will be described.
Switch 22 of the control device 6 of FIG. 1 in this case is switched to the matrix B, J ^-1 ₂ is used as the inverse matrix of the Jacobian. In this case, the operation lever uses both 31L1 and 31R.
[0044]
The operation direction when manipulating the operation lever 31R and the operation of the manipulator are the same as in the orthogonal operation, but the operation of the operation lever 31L in the Y1 direction (the same operation direction as the turning operation of the hydraulic excavator) is shown in FIG. Only the joint 40 is operated, thereby realizing the operation in the cylindrical coordinate system.
[0045]
On the other hand, when each operation is realized using the operation device of FIG.
First, in the orthogonal operation, the operation is performed using both the operation levers 32L and 32R. The operation lever 32L is used for operations in the directions of rotation φB around the YB axis, rotation θB around the XB axis, and rotation φB around the ZB axis in the coordinate system of FIG. The operation lever 32R is used for operations in the XB, YB, and ZB axis directions. Φ1, θ1, and ψ1 of the operation lever 32L correspond to operations of φB, θB, and ψB, respectively, and X2, Y2, and Z2 of the operation lever 32R correspond to XB, YB, and ZB, respectively.
[0046]
When the operation device of FIG. 5 is operated in the cylindrical coordinate system, the θ1 direction of the operation lever 32L is assigned to the operation of the joint 40 by the Jacobian inverse matrix J ⁻¹ ₂ as in the example of FIG. Can be realized.
[0047]
Further, when the joints are moved independently, such as during excavation work, the operation method is the same as that in FIG. 4, and the work arm 2 does not react to inputs in the ψ1 and Z2 directions. This is also set by the Jacobian inverse matrix J ⁻¹ ₃ .
[0048]
FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining that it is advantageous in terms of work to change the operation method according to work, taking an operation method using an orthogonal coordinate system and an operation method using a cylindrical coordinate system as examples.
First, FIG. 7 is a diagram illustrating movement of the work tool 60 by an operation method based on the orthogonal coordinate system. In the case of an operation method based on this orthogonal coordinate system, the work tool 60 is suitable for an operation of moving an object like a gripping device. That is, it is more efficient to move the object linearly so as to pass through the shortest distance from point A to point C and from point C to point B. Therefore, in this case, an operation method using an orthogonal coordinate system is optimal.
[0049]
FIG. 8 is a diagram illustrating movement of the work tool 60 by an operation method based on the cylindrical coordinate system. In the case of an operation method based on this cylindrical coordinate system, the work tool 60 is suitable for an operation of performing work at a certain point, such as an auger (perforation means). That is, after moving at the work point A, when moving to the next work point B, it is not necessary to move linearly, and movement suitable for the operation may be used.
[0050]
In other words, when moving from point A to point B, if it moves linearly, the manipulator body 1 becomes an obstacle as shown in FIG. 7, but it moves at a moving angle θ by the cylindrical coordinate system. The work tool 60 moves in an arc shape with the main body 1 as the center, and the manipulator main body 1 can move quickly without becoming an obstacle.
[0051]
As shown in FIG. 7, when a gripping device is used as the work tool 60 and the object is moved, if the cylindrical coordinate system is used, the movement from the point A to the point B can be quickly performed. Since the movement of the object is also an arc-shaped movement, it is more convenient to operate with the orthogonal coordinate system when using the gripping device from the viewpoint of workability.
[0052]
The operation method is not automatically switched by the operator operating the operation method switching device 8, but the operation method is automatically switched. This automatic switching operation will be described below.
[0053]
A storage device such as a RAM or a ROM is installed inside the operation method switching device 8 installed on a work tool such as a gripping device, and any of orthogonal operation, joint operation, and cylindrical coordinate operation is installed in the storage device. An operation method designation signal for designating is stored. When the work tool 4 and the wrist mechanism 3 are connected, the operation method designation signal is automatically sent to the control device 6 to switch the switch 22 inside the control device 6.
[0054]
In this case, it is also possible to store an appropriate matrix among the matrices stored in the matrix storage unit 21 in the storage device inside the work tool and supply the matrix directly to the arithmetic device 23. It is.
[0055]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects are obtained.
According to the work tool attached to the tip of the arm, the operation method automatically becomes an appropriate operation method, and an operation control mechanism of a manual manipulator with good operability can be realized. In other words, in a manual manipulator, data of a plurality of operation methods based on an orthogonal coordinate system, a cylindrical coordinate system, etc. is stored in a control device, and by switching them automatically, gripping work, drilling work, excavation work, etc. Since the construction work can be performed by the operation method suitable for each of the above, a plurality of work can be efficiently performed with one manipulator.
[0056]
In addition, for example, the operation method is automatically switched by a work tool attached to the tip of the wrist mechanism, such as an operation in an orthogonal coordinate system when a gripping device is attached, or an operation of each joint unit when a bucket is attached. As a result, it is possible to perform work with an operation method suitable for each work content without switching the operation method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram of an operation control device for a construction manipulator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an overall schematic diagram of an example of a manipulator for construction work.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a hydraulic controller.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an operation device.
FIG. 5 is a diagram illustrating another example of the operating device.
FIG. 6 is a simplified diagram showing a joint portion of a manipulator for construction work.
FIG. 7 is a diagram for explaining movement of a work tool by an operation method based on an orthogonal coordinate system.
FIG. 8 is a diagram for explaining movement of a work tool by an operation method based on a cylindrical coordinate system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manual manipulator main body for construction work 2 Work arm 3 Wrist mechanism 4 Work tool 4a Gripping device 4b Bucket 6 Control device 7 Operation device (operation means)
8 Operation system switching device (operation system switching means)
9 Operation switching means 11 Actuator 21 Matrix storage unit 22 Switch 23 Arithmetic unit (operation control unit)
23a Target value determination unit 23b Joint angular velocity conversion unit 23c Comparison unit 25 Hydraulic controller 31L, 31R Operation lever 32L, 32R Operation lever

Claims

In an operation control mechanism for operating a manual manipulator for construction work comprising a work arm having a joint and a degree of freedom of 3 degrees or more and a wrist mechanism having a joint and a degree of freedom of 1 degree or more and capable of attaching a work tool to the tip. ,
Operating means capable of instructing at least three directions of the manual manipulator orthogonal to each other;
An operation method switching means for switching which operation method is operated based on an operation method based on an orthogonal coordinate system, an operation method based on a cylindrical coordinate system, and an operation method for independently controlling each joint;
A control device including an operation control unit for controlling the operation of the work arm and the wrist mechanism based on the operation instruction from the operation unit and the operation method switched by the operation method switching unit;
The operation method switching means is attached to a work tool attached to the wrist mechanism, and has built-in storage means for storing an operation method designation signal for designating an appropriate operation method for each work tool. An operation control mechanism for a manual manipulator for construction work, wherein the operation method designation signal is sent to the control device and the operation method is automatically switched simultaneously with being attached to the wrist mechanism.

In the operation control mechanism of the manual manipulator for construction work according to claim 1, the operation method switched by the operation method switching means is:
Based on an orthogonal coordinate system, the manipulator can be moved at least in the horizontal direction and the vertical direction, and an orthogonal operation method suitable for the case where the work tool is a gripping means,
It is movable in units of each joint of the manipulator, and a joint operation method suitable for the case where the work tool is excavation means,
The tip of the manipulator is movable based on a cylindrical coordinate system, and is a cylindrical coordinate operation method suitable for the case where the working tool is a drilling means,
Of these, an operation control mechanism for a manual manipulator for construction work, having at least two or more operation methods.