JPH02292193A - 操作指令装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、例えば各種作業を行なうクレーンや、マニ
ビュレー夕等の作業体を遠隔操作するのに用いる操作指
令装置に関する。

（従来の技術） 従来、この種の操作指令装置としては、第７図に示すよ
うに、ジョイスティックと称する操作部１が軸受２を介
して操作自在に配設され、この操作部１を操作者３が操
作すると、その操作量に対応した操作反力がスプリング
等の弾性部材４により発生され、操作者３に付与される
。同時に、操作部１は、その操作変位量が変位検出器５
により検出され、この変位検出器５の検出値に対応した
指令信号を図示しないマニピュレー夕に出力して動作さ
せる。

ところが、上記操作指令装置では、マニビュレ−タ（図
示せず）の先端部の力／トルクを感得することができな
いことにより、その先端部における力の微妙な調整が困
難なために、過大な力が発生して取扱い対象を破損した
りするおそれがあり、その取扱い操作に高度な熟練が要
求されていた。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来の操作指令装置では、マニビュ
レー夕先端部の微妙な力加減を調整することが困難なた
めに、取扱い対象を破損したりするおそれがあり、その
取扱い操作に熟練が要求されていた。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、作業体
先端部の力加減の調整を行ない得るようにして、簡便な
取扱い操作を実現し得るようにした操作指令装置を提洪
することを目的とする。

［発明の構成］ （課頴を解決するための手段） この発明は、作業体に対して遠隔的に速度指令を出力し
て該作業体を駆動制御する操作自在な操作部と、この操
作部に対して操作位置に応じた仮想的なばね係数を有す
る操作反力を付与する反力発生手段と、前記作業体に付
与される力を検出する力検出手段と、この力検出手段で
検出した検出値及び前記操作部の２！準位置からの正及
び負方向の変位二に応じて正及び負方向の仮想的なばね
係数を設定して前記反力発生手段の操作反力のレベルを
切換設定する設定手段とを備えて操作指令装置を構成し
たものである。

（作用） 上記構成によれば、操作部には、その操作に連動して、
作業体に付与される正及び負方向の力に対応した正及び
負方向の操作反力が、操作部の操作位置に応じたレベル
で付与される。従って、操作者は、作業体先端部に付与
される正及び負方向の力を感得しながらの操作が可能と
なることにより、作業体先端部の微妙な力加減を考慮し
た操作を行なうことができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例について、図面を参照して詳細
に説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係る操作指令装置を示す
もので、操作部１０は支持構体１１内に第１〜第３の並
進機構１２〜１４を介して矢印Ａ，Ｂ，Ｃ方向の並進３
軸（並進３自由度）及び第１〜第３の回転機構１５〜１
７を介して矢印Ｄ，Ｅ，Ｆ方向の回転３軸（回転３自由
度）回りに回転自在に配設される。この操作部１０は、
操作者１８により操作されると、基部に設けた力／トル
クセンサ１９が、その操作にともなう力／トルクを検出
し、その力／トルクに対応した速度で駆動制御される。

この際、操作部１０は、その操作量に対応したマニビュ
レータ速度指令ｖＲを図示しないマニビュレータ駆動制
御部に出力してマニピュレータ２０を遠隔操作せしめる
。

すなわち、上記操作部１０には第２図に示すように、そ
の操作軸１０ａに対応して変位センサ２１が配設される
。この変位センサ２１の出力端は第３図に示すように、
目標反力設定部２２の演算部２３の一方の入力端に接続
される。この演算部２３の他方の入力端にはマニビュレ
ータ２０の先端部に設けた先端カセンサ２４の出力端が
座標変換部２５を介して接続される。座標変換部２５は
先端カセンサの検出信号をマニピュレータ２０の基部の
座標系に変換して該座標系に平行な方向の力を算出し、
演算部２３に出力する。演算部２３は、入力したマニピ
ュレータ２０の先端力及び操作部１０の操作力に応じて
後述するように操作反力Ｆ８を求めて、その出力端より
減算器２６に出力する。減算器２６の他方の入力端には
上記力／トルクセンサ１９の出力端が座標変換部２７を
介して接続される。座標変換部２７は上記力／トルクセ
ンサ１９の検出信号を操作部１０の第１図におけるＡＢ
Ｃに平行名座標軸を有する基部の座標系に変換して該座
標系に平行な方向の力／トルクＦ．を算出し、上記減算
器２６に出力する。

減算器２６は入力した力／トルクＦ１と目標反カ動制御
部２８に出力する。このモータ駆動制御部２８は入力し
た反力設定値ΔＦに対応した目標トルクを後述するよう
に求めて各自由度に対応する駆動モータ１２ａ（第２図
参照、但し、図中では、第１〜第３の並進機構１２〜１
４及び第１〜第３の回転機構１５〜１７のうち、第１の
並進機構１２以外の他の５軸に対応する駆動モータにつ
いては図示せず）を制御し、上記６０由度に対応される
ｍ１〜第３の並進機構１２〜１４及び第１〜第３の回転
機構１５〜１７を構成する駆動機構部２９を駆動して操
作部１０を制御する。この際、操作部１０の操作変位Ｘ
．は、図示しないセンサで検出され、その検出信号が減
算器３０の一方に入力される。減算器３０の他方の入力
端には基準位置座標部３１からの基準位置Ｘ。が入力さ
れており、これらを引き算して変位ＪＩＸを求める。そ
して、減算器３０の出力端には乗算部３２が接続される
。乗算部は、入力した変位量Ｘに比例係数Ｇを掛けてマ
ニピュレータ指令速度ｖＲを求め、図示しないマ′ニピ
ュレータ駆動部に出力してマニビュレータ２０を駆動制
御する。また、減算器３０の出力端には上記変位センサ
２１が接続される。この変位センサ２１は減算器３０で
検出した変位量Ｘを検出して上記演算部２３に出力する
。

上記モータ駆動制御部２８は、例えば第４図に示すよう
に構成され、１自由度分のモータ速度ｅｌ　　（ｉ−１
．２，３，４，５．６）が６自由度分求められる。即ち
、入力した１自由度分の反力設定値ΔＦｌ　　（ｉ−１
．２，３，４，５．６）はＰＩＤ制御回路に導かれて目
標トルクτｌ　（ｉ一ｉ，２，３．４．５．６）が算出
され、この目標トルクτ１に対応して駆動モータ１２ａ
（第２図参照）が駆動される。ここで、駆動モータ１２
ａは、そのモータ速度ｅｌで対応する第１の並進磯構１
２を駆動制御する。

上記構成において、操作部１０は、使用者により操作さ
れると、力／トルクセンサ１９が力／トルクを検出して
座標変換部２７に出力される。座標変換部２７は入力し
た検出値を前述したように座標変換して力／トルクＦ．
を求め、この力／トルクＦ．をモータ駆動制陣部２８に
出力する。ここで、モータ駆動制御部２８は前述したよ
うに、矢印Ａ−Ｆ方向の６自由度における目標トルクを
求めて、この目標トルクに対応したモータ速度ｅ，を求
め、駆動モータ１２ａ（第２図参照、但し、図中では、
第１〜第３の並進機構１２〜１４及び第１〜第３の回転
機構１５〜１７のうち、第１の並進機構１２以外の他の
５軸に対応する駆動モータについては図示せず）を駆動
して操作部１０を駆動制御する。すると、操作部１ｏは
、その操作量に対応したマニビュレータ速度指令ＶＲを
求めてマニビュレータ２０を遠隅操作する。同時に、操
作部１０の操作軸１０ａの変位が変位センサ２１で検出
され、この変位センサ２１の検出値（基準位置からの変
位ｆｆｉＸ）は演算部２３に出力される。この演算部２
３にはマニビュレー夕先端部の先端カセンサ２４の検出
値【が入力されており、以下に述べるような手順で１自
由度毎に６自由度分の目標反力Ｆａｒ　（ｉ−１．２＋
　　３，４ｒ５，６）を算出する。

すなわち、目標反力ＦＲＩは、マニピュレータ２０に対
して基準位置（原点Ｏ）Ｘｏより負方向（引張力向）あ
るいは正方向（圧接方向）の力が？与されると、その力
に応じてレベルが切り替え設定されて異なるレベルで設
定される。例えば、先端カセンサ２４で検出した検出値
ｆ−０の状態では、第５図中実線で示す如く基準位置Ｘ
ｏに対して略対称のレベル特性に設定され、ｆ＞Ｏの状
態では、第５図中破線で示すように正方向に剛となるよ
うに設定され、ｆ＜０の状態では、第５図中一点鎖線で
示すように負方向に剛となるように設定される。そして
、基準位置Ｘｏに対する変位ｆｍＸは、例えば正方向の
所定の位置ａと負方向の所定の位置−ａと中間−ａ＜Ｘ
＜ａ領域において、目標反力Ｆ■−０の不感領域が設け
られ、操作時にお−ける操作反力のいわゆる発振現象の
防止が図られる。即ち、変位′ｆｒｋＸ≧ａの時には、
Ｆ　Ｒｌ−　Ｋ　＠　　’　Ｘ　　ａ　／　Ｋ　ａの演
算が行われて目標反力ＦＲが算出される。そして、Ｘ≦
一ａの時には、 Ｆ　Ｒ　−　Ｋ　ｂ　　”　Ｘ　十ａ　／　Ｋ　ｂの演
算が行われて目標反力Ｆ．Ｉが算出される。ここで、Ｋ
ａ　ｒ　Ｋｍは、仮想的なばね係数で、先端カセンサ２
４の検出値ｆに応じて切り替え設定され、ｆ≧０の時、 ｘ＜．−Ｃ−ｌｆｌ＋ｃｏ Ｋ．−ＣＯ の式で求められ、ｆ≦０の時、 Ｋ．−Ｃ。

Ｋ　ｈ　−　Ｃ−ｌ　ｆ　Ｉ　＋　Ｃ　ｏの式で求めら
れる。なお、Ｃ，Ｃｏは、正の定数である。

上記減算器２５は、力／トルクセンサ１９で検出した力
／トルクＦ．と、上述したように１自由度づつ求めた６
自由度分の目標反力ＦＲとを引算して反力設定値ΔＦを
求め、モータ駆動制御部２６に出力する。このモータ駆
動制御部２６は、反力設定値ΔＦに対応した目標トルク
で駆動モータ１２ａ（第２図参照、但し図の都合上、第
１の並進機構１２以外の他の５軸に対応する駆動モータ
については図示せず）を駆動制御し、ここに駆動機構部
を形成する第１〜第３の並進機構１２〜１４及び第１〜
第３の回転機構１５〜１７がモー夕速度θで駆動制御さ
れて操作部１０が動作制御される。この際、操作部１０
には、前述したように、その変位量Ｘと、マニビュレー
タ２０に対して基準位置（原点）Ｘｏより負方向（引張
力向）あるいは正方向（圧接方向）に付与される力に応
じて演算部２３で算出した負及び正方向の操作反力ＦＩ
１が付与される。

同時に、操作部１０は、その操作変位Ｘ．が上述したよ
うにセンサ（図示せず）で検出され、その操作変位Ｘ．
が減算器２６に入力される。減算器２６は、入力した操
作変位量Ｘ．と基準位置座を求められる。この変位ｆｆ
ｉＸは乗算部３２で比例係数Ｇが乗算されてマニビュレ
ータ指令速度ＶＲが生成され、このマニピュレータ指令
速度ｖ３が図示しないマニビュレータ駆動部に出力され
てかマニビュレータ２０が駆動制御される。

このように、上記操作指令装置は、操作部１０の操作に
連動して、マニビュレータ２０に付与される力及び操作
部１０の基準位置Ｘ。からの正及び負方向の変位ｆｆｉ
Ｘに応じて正及び負方向の仮想的なばね係数を設定して
操作部１０の正及び負方向の操作反力ＦＲを切換設定す
るように構成したことにより、操作者１８がマニピュレ
ー夕先端部に付与される正及び負方向の力を感得しなが
らの操作が可能となるため、マニビュレータ２０の先端
部の微妙な力加減を考慮した操作を行なうことができる
。これによれば、マニビュレータ２０による作業対象の
破損を確実に防止することが可能となるため、簡便な取
扱い操作が実現されると共に、安全性の向上が実現され
る。

なお、上記実施例では、基準位置Ｘ。より正及び負方向
の所定の位置までを不感領域に設定したが、この不感領
域を設けないで構成することも可能である。この場合に
は、発振現象の防止が可能な程度の精度が要求される。

また、上記実施例で操作反力ＦＲを略比例するような特
性に設定した場合で説明したが、これに限ることなく、
使用目的に応じて第６図に示すように、所定の領域以後
の仮想的なばね係数を高めるよう１４Ｍ：歳することも
可能で、その他、２次関数、３次関数等の各種の特性が
考えられる。

さらに、上記実施例では、変位センサ２１を設けて変位
量を検出するように構成したが、これに限ることなく、
６自由度に対応する各駆動モータの回転角を積算して検
出することも可能である。

また、上記実施例では、操作部１０の力／トルクを力／
トルクセンサ１９を用いて検出したが、これに限ること
なく、例えば６自由度に対応する各駆動モータの発生ト
ルク量を積算して求めるように構成することも可能であ
る。

さらに、上記実施例では、作業体として並進３自由度、
回転３自由度を制御するマニピュレータ２０に適用した
場合で説明したが、この制御方式に限ることなく、適用
可能である。また、適用する作業体としても、マニピュ
レータに限ることなく、例えばクレーンの操作指令用と
しも適用可能である。

よって、この発明は上記実施例に限ることなく、その他
、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形４実施
し得ることは勿論のことである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明によれば、作業体先端部
の力加減の，Ｊ！ＪＵを行ない得るようにして、簡便な
取扱い操作を実現し得るようにした操作指令装置を提洪
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る操作指令装置を適用
したマニピュレータシステムを示す図、第２図は第１図
の操作部の詳細を示す図、第３図は第１図の制御系を示
す回路構成図、第４図は第１〆 性図、第４図は従来の操作指令装置を示す図である。 １０・・・操作部、１１・・・支持構体、１２〜１４・
・・第１〜第３野並進機構、１５〜１７・・・第１〜第
３の回転機構、１８・・・操作者、１９・・・力／トル
クセンサ、２０・・・マニピュレー夕、２１・・・変位
センサ、２２・・・目標反力設定部、２３・・・演算部
、２４・・・先端カセンサ、２５．２７・・・座標変換
部、２６．３０・・・減算器、２８・・・モータ駆動制
御部、２９・・・駆動機構部、３１・・・基準位置座標
部、３２・・・乗算部、１２ａ・・・駆動モータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）作業体に対して遠隔的に速度指令を出力して該作
   業体を駆動制御する操作自在な操作部と、 この操作部に対して操作位置に応じた仮想的なばね係数
   を有する操作反力を付与する反力発生手段と、 前記作業体に付与される力を検出する力検出手段と、 この力検出手段で検出した検出値及び前記操作部の基準
   位置からの正及び負方向の変位量に応じて正及び負方向
   の仮想的なばね係数を設定して前記反力発生手段の操作
   反力のレベルを切換設定する設定手段とを具備したこと
   を特徴とする操作指令装置。
2. （２）前記反力発生手段は前記基準位置より正及び負方
   向の所定の位置までの領域で前記操作反力を零に設定し
   てなることを特徴とする請求項１記載の操作指令装置。