JPH0459413B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、土木建設機械、荷役運搬機械等の作
業機械に備えられたマニピユレータの作業機構を
制御するマニピユレータの作業機構制御装置に関
する。

土木建設機械、荷役運搬機械等の作業機械にあ
つては、旋回する機械本体に作業用アタツチメン
ト本体および作業機構により成る作業用アタツチ
メントを備え、オペレータが機械本体の旋回操作
および作業用アタツチメントの駆動操作を行なう
ことにより、所期の作業が実施されるように構成
したものがある。このような構成を、油圧シヨベ
ルを例示して説明する。

第１図は油圧シヨベルの概略構成の側面図であ
る。図で、１は下部走行体、２は下部走行体１に
旋回可能に設置された上部旋回体、３は上部旋回
体２を旋回駆動する旋回用回転機構である。下部
走行体１、上部旋回体２および旋回用回転機構３
により油圧シヨベル本体４が構成される。５は上
部旋回体２の回動支点６に可回動に取付けられた
ブーム、７はブーム５の回動支点８に可回動に取
付けられたアーム、９はアーム７の回動支点１０
に可回動に取付けられたバケツトである。１１は
ブームシリンダ、１２はアームシリンダ、１３は
バケツトシリンダである。ブーム５およびアーム
７により作業用アタツチメント本体１４が構成さ
れ、この機構用アタツチメント本体１４とその先
端の回動支点１０に取付けられた作業具を備えた
作業機構１５（図示の場合はバケツト９が作業具
に該当する）とにより作業用アタツチメント１６
が構成される。

作業機構１５としては、バケツト９以外に、作
業目的に応じて種々の作業具を備えたものが考え
られる。この作業機構１５はブーム５アーム７の
駆動により、両者で作る二次元平面内の位置に自
由に移動せしめられ、又、これに旋回用回転機構
３の駆動を加えることにより三次元空間内の位置
に自由に移動せしめることができる。このような
作業用アタツチメント１６および旋回用回転機構
３の動きを判り易く示すには、JIS規格BO138
「産業用ロボツト記号」に準処した形で表すのが
便利である。この「産業用ロボツト記号」を用い
て第１図に示す油圧シヨベルを図示すると第２図
に示すようになる。

第２図は上記「産業用ロボツト記号」による油
圧シヨベルの側面図である。図で、第１図に示す
部分と同一部分には同一浮号が付してある。１７
は第１図に示す旋回用回転機構３に相当する旋回
体回転駆動部であり、この記号は、旋回体回転駆
動部１７が軸１７ａを中心に回転する部分である
ことおよび回転機構を含むことを意味する。１８
はブーム回動駆動部であり、この記号は、ブーム
回動駆動部が紙面に垂直な軸１８ａを中心に回動
する部分（第１図の回動支点６）であることおよ
びブーム駆動機構（第１図のブームシリンダ１
１）を含むことを意味する。同様に、１９，２０
はアーム回動駆動部、作業機構駆動部であり、そ
れらの記号は、それぞれそれらが回動部分（第１
図の回動支点８，１０）、駆動機構（第１図のア
ームシリンダ１２、バケツトシリンダ１３）であ
ることを意味する。このように、これらの記号を
用いることにより油圧シヨベル全体の動作を図に
より直ちに把握することができ、きわめて便利で
ある。そこで、これらの記号を用いていくつかの
作業機構１５の構成を次図に表現してみる。

第３図ａ乃至ｄは作業機構の概略構成図であ
る。第３図ａで、７はアーム、２０は作業機構駆
動部であり、第１図に示すものと同じである。以
下の説明においては、各信号に、それらの記号が
意味する動作を直接表わす名称を付することにす
る。これにしたがつて、作業機構駆動部２０を、
上下振り機構２０と称する。２１は回動軸２１ａ
を中心に回動する左右振り機構、２２は回転機
構、２３は回転機構２２に取付けられた把持具で
ある。把持具２３は、例えば対向した位置に爪を
有し、この爪で物体を把持する作業具である。作
業機構１５は、上下振り機構２０、左右振り機構
２１、回転機構２２および把持具２３で構成され
る。

このような作業機構１５において、作業機構１
５の位置は、旋回体回転駆動部１７、ブーム回動
駆動部１８およびアーム回動駆動部１９を駆動す
ることにより所望位置に設定される。又、把持具
２３自体の姿勢は、上下振り機構２０の駆動によ
り把持具２３は上向き又は下向きとなり、左右振
り機構２１の駆動により把持具２３は左向き又は
右向きとなり、回転機構２２の駆動により把持具
２３は回転して把持方向が任意の方向となるよう
に制御される。即ち、作業機構１５の位置は油圧
シヨベルの旋回用回転機構３と作業用アタツチメ
ント本体１４により制御され、把持具２３の姿勢
にそれ自体が有する駆動機構により制御される。

第３図ｂは把持具２３の他の駆動機構を示すも
のであり、アーム７と連結した回転機構２４、上
下振り機構２５、回転機構２２で構成されてい
る。この姿勢制御の動作については第３図ａに示
すものとほぼ同じであるので、説明は省略する。

第３図ｃは作業具としてバフ用工具を用いる場
合の駆動機構を示すものであり、２０，２１はそ
れぞれ第３図ａに示すものと同じ上下振り機構お
よび左右振り機構である。２６は左右振り機構２
１に取付けられたバフ用工具であり、ワイヤブラ
シあるいは布等を回転させて対象物を研磨する。
バフ用工具２６はそれ自体回転機構を備えてい
る。上下振り機構２０が駆動されるとバフ用工具
２６のワイヤブラシあるいは布等は上下方向に向
き、左右振り機構２１が駆動されると左右方向に
向き、姿勢制御がなされる。

第３図ａ，ｂに示す作業機構は自由度が３であ
り、第３図ｃに示す作業機構は自由度が２であ
る。しかし、第３図ａ，ｂに示す作業機構におい
て、把持具２３自体が回転機構２２を具備してい
るものとすると、第３図ｃに示すバフ用工具区同
様になり、その作業機構は自由度が２であるとみ
なすことができる。このように考えると、作業機
構は第３図ｄに示すような機構に一般化される。
即ち、第３図ｄで、２０は上下振り機構、２１は
左右振り機構、２７は作業具である。そして、こ
の作業具２７の姿勢制御を考える場合、上下振り
機構２０と左右振り機構２１を具備しておれば充
分である。

第４図ａ，ｂは第３図ｄに示す作業機構を備え
た油圧シヨベルの側面図および平面図である。図
で、第１，２，３図に示す部分と同一部分には同
一符号が付してある。Ｐは作業具２７の適所に想
定された作業具の位置に関する基準点を示す。
今、作業用アタツチメント１６が第４図ａの実線
で示す状態にあるものとする。この状態から、所
定の作業を行なうべく作業機構１５の上下振り機
構２０を駆動して作業具２７を、その軸線が一点
鎖線で示す線A₁に一致するように姿勢制御する。
そうすると、図から明らかなように、作業具２７
の基準点Ｐも点P₁に移動する。このため、基準
点Ｐを維持したまま作業具２７の姿勢を線A₁方
向に向くように制御するには、同時に作業用アタ
ツチメント本体１４の位置制御をも行なう必要が
ある。即ち、ブーム回動駆動部１８およびアーム
回動駆動部１９をも駆動し、作業用アタツチメン
ト１６を二点鎖線で示す線A₂に沿う位置、姿勢
とすれば、作業具２７の基準点Ｐを維持しつつ作
業具２７を所望の姿勢とすることができるのであ
る。

作業具２７の姿勢制御による基準点Ｐのずれ
は、垂直面内だけでなく水平面内でも生じる。
今、第４図ｂに示す平面内において、作業用アタ
ツチメント１６が実線で示す状態にあるものとす
る。この状態から、所定の作業を行なうでく作業
機構１５の左右振り機構２１を駆動して、作業具
２７を、その軸線が一点鎖線で示す線B₁に一致
するように姿勢制御する。この結果、作業具２７
の基準点Ｐは線B₁上の点P₂に移動する。したが
つて基準点Ｐを維持したまま作業具２７の姿勢を
線B₁方向に向くように制御するには、同時に旋
回体回転駆動部１７を駆動して位置制御を行な
い、作業用アタツチメント本体１４を二点鎖線で
示す線B₂に沿う位置に移動させる必要がある。

このように、所定の作業を行なうために作業機
構１５によつて作業具２７の姿勢のみを調節する
と、作業具２７の基準点Ｐが移動して所定の作業
が実行できなくなる不都合を生じる。したがつ
て、この不都合を避けるためには、作業具２７の
姿勢を制御するとともにその位置を制御する必要
がある。一般に、作業具２７の姿勢制御は第４図
ａ，ｂに示す変化を同時に実施することが多く、
この場合、作業機構１５を適切な位置とするため
には、旋回体回転駆動部１７、ブーム回動駆動部
１８およびアーム回動駆動部１９を正確に駆動さ
せなければならない。そして、このような基準点
Ｐの移動量の補償を操作レバーにより正確に行な
うことは極めて困難で非常に熟練を要するもので
あつた。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を
解決し、作業機構の駆動による作業具の姿勢制御
に伴つて生じる作業具の位置に関する基準点の移
動を自動的、かつ、正確に補償することができ、
ひいては単純な操作で作業機構による所期の作業
を正確に実行することができるマニピユレータの
作業機構制御装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は、旋回可能
な本体とこの本体に取付けられた２以上の自由度
をもつアタツチメント本体の各アクチユエータの
駆動を制御する第１の制御機構群に対して、各ア
クチユエータの駆動速度を指令する指令信号を出
力する操作レバー等の速度指示手段を設け、又、
２以上の自由度をもつ作業機構の各アクチユエー
タの駆動を制御する第２の制御機構群に対して、
それら各アクチユエータの駆動速度を指令する指
令信号を出力する操作レバー等の作業機構速度指
示手段を設け、この作業機構速度指示手段の出力
信号および作業機構の各アクチユエータの変位又
は速度信号（即ち、アクチユエータの移動信号）
のうち少なくともいずれか１つを演算機構に入力
して、作業機構の作業具の予め定められた位置に
関する基準点の移動量を補償するには第１の制御
機構群の各制御機構にどのような値の制御信号を
与えればよいかをヤコビの逆行列等の演算式、又
は近似曲線を用いて求め、その値でこれら各制御
機構を制御するようにしたことを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第５図は本発明の第１の実施例に係るマニピユ
レータの作業機構制御装置のブロツク図である。
図で、第４図ａ，ｂに示す部分と同一部分には同
一符号が付してある。３０は上部旋回体２、作業
用アタツチメント本体１４、作業機構１５の各ア
クチユエータを駆動する油圧源である。３１−１
７，３１−１８，３１−１９はそれぞれ、旋回体
回転駆動部１７と油圧源３０、ブーム回動駆動部
１８と油圧源３０、アーム回動駆動部１９と油圧
源３０の間に介在する制御機構であり、入力され
た信号に応じた流量の圧油を出力する。制御機構
３１−１７，３１−１８，３１−１９により位置
制御を行なう第１の制御機構群３１Ａを構成す
る。３１−２０，３１−２１はそれぞれ上下振り
機構２０と油圧源３０、左右振り機構２１と油圧
源３０の間に介在する制御機構であり、制御機構
３１−１７，３１−１８，３１−１９と同じく入
力された信号に応じた流量の圧油を出力する。制
御機構３１−２０，３１−２１により姿勢制御を
行なう第２の制御機構群３１Ｂを構成する。３２
はオペレータにより操作される位置制御操作装置
を示し、所定のレバーを操作することによりその
操作量に応じた信号が出力される。３３は、同じ
くオペレータにより操作される姿勢制御操作装置
を示し、所定のレバーを操作することにより操作
量に応じた信号が出力される。３４は姿勢制御操
作装置３３から出力される信号を入力し、この信
号に基づいて、基準点Ｐの変化を補正するための
制御量を算出する演算機構である。３５−１７，
３５−１８，３５−１９はそれぞれ、制御機構３
１−１７，３１−１８，３１−１９を制御すべ
く、位置制御操作装置３２それぞれ演算機構３４
から出力された信号を加算する信号加算部であ
る。なお、上記制御機構３１−１７，３１−１
８，３１−１９，３１−２０，３１−２１として
は、具体的には方向切換弁、電磁比例弁、サーボ
弁又は指令値に応じた量を吐出することができる
可変油圧ポンプ等種々の装置が考えられる。

オペレータが姿勢制御操作装置３３の操作レバ
ーを操作すると、その操作量に応じた信号が制御
機構３１−２０，３１−２１の両方又は一方に出
力され、この信号に応じて当該制御機構が駆動さ
れ、油圧源３０から作業機構１５の対応するアク
チユエータ２０，２１に圧油が供給される。した
がつて、作業具２７は、前記操作レバーの操作量
に応じた速度で所望の姿勢に駆動される。この場
合、さきに第４図ａ，ｂおよびその説明で述べた
ように、作業具２７の基準点Ｐの位置は点P₁，
P₂等に変化する。一方、姿勢制御操作装置３３
の信号は演算機構３４にも入力される。演算機構
３４では、作業具２７が姿勢制御操作装置３３の
出力信号に応じて姿勢制御された場合の基準点Ｐ
の移動量を補償するために、上部旋回体２、ブー
ム５およびアーム７をどのように駆動すればよい
かを、姿勢制御操作装置３３の信号と各関節駆動
部の回転変位信号に基づいて演算する。この演算
には、第４図ａ，ｂに示すような機構上の関係を
解析的に解くための演算式、例えば通常用いられ
るヤコビの逆行列等の演算式又はその近似曲線な
どが用いられる。そして、その具体的算出は当該
者が容易になし得る程度のものであるので、その
詳細な説明は省略する。演算の結果、演算機構３
４からは旋回体回転駆動部１７、ブーム回動駆動
部１８およびアーム回動駆動部１９のうちの所要
の駆動部のアクチユエータに対してその駆動速度
に応じた信号が出力される。この信号は信号加算
部３５−１７，３５−１８，３５−１９に入力さ
れ、もし位置制御操作装置３２の操作レバーが全
く操作されていない場合には、そのまま制御機構
３１−１７，３１−１８，３１−１９に入力され
る。制御機構３１−１７，３１−１８，３１−１
９はその入力信号に応じた量の圧油を対応する駆
動部１７，１８，１９のアクチユエータに供給
し、これに応じて上部旋回体２、ブーム５、アー
ム７が適切に駆動される。この結果、作業機構１
５の姿勢制御による作業具２７の基準点Ｐのずれ
は補償され、作業に何等の支障をも生じることは
ない。

一方、姿勢制御操作装置３３の操作中に位置制
御操作装置３２が操作されると、位置制御操作装
置３２の信号は信号加算部３５−１７，３５−１
８，３５−１９において演算機構３４からの信号
と加算され、この加算された値により各駆動部１
７，１８，１９のアクチユエータの駆動が制御さ
れる。

なお、信号加算部３５−１７，３５−１８，３
５−１９の代わりに信号選択部を設け、位置制御
操作装置３２および演算機構３４の両方から信号
が出力された場合、それら信号のいずれか一方を
選択してこれを制御機構３１−１７，３１−１
８，３１−１９に出力することもできる。

このように、本実施例では、姿勢制御操作装置
の信号を演算機構に入力し、演算機構で所定の演
算を行ない、この演算結果に応じて上部旋回体、
ブーム、アームを駆動するようにしたので、作業
機構の姿勢制御により生じる作業具の基準点の移
動を自動的、かつ、正確に補償することができ、
これにより、操作者は作業機構に対して当該作業
機構のみを操作を行うだけで高度の熟練を要する
ことなく所期の作業を正確に実行することができ
る。第６図は本発明の第２の実施例に係るマニピ
ユレータの作業機構制御装置のブロツク図であ
る。図で、第５図に示す部分と同一部分には同一
符号が付してある。３１−１７ａ，３１−１７ｂ
は旋回体回転駆動部１７のアクチユエータの駆動
を制御する制御機構、３１−１８ａ，３１−１８
ｂはブーム回転駆動部１８のアクチユエータの駆
動を制御する制御機構、３１−１９ａ，３１−１
９ｂはアーム回動駆動部１９のアクチユエータの
駆動を制御する制御機構である。制御機構３１−
１７ａ，３１−１８ａ，３１−１９ａは演算機構
３４の演算により算出された信号を入力し、この
信号に応じて油圧源３０からの圧油の吐出量を制
御する。又、制御機構３１−１７ａ，３１−１８
ｂ，３１−１９ｂは位置制御操作装置３２の操作
レバーの操作量に応じた信号を入力し、この信号
に応じて油圧源３０からの圧油の吐出量を制御す
る。制御機構３１−１７ａ，３１−１７ｂ，３１
−１８ａ，３１−１８ｂ，３１−１９ａ，３１−
１９ｂにより第１の制御機構群が構成される。各
制御機構には第５図に示すものと同様、方向切換
弁、電磁比例弁、サーボ弁、可変油圧ポンプ等が
用いられる。３６−１７は制御機構３１−１７
ａ，３１−１７ｂからの吐出油を合流する動力加
算部、３６−１８は制御機構３１−１８ａ，３１
−１８ｂからの吐出油を合流する動力加算部３６
−１９は制御機構３１−１９ａ，３１−１９ｂか
らの吐出油を合流する動力加算部である。動力加
算部３６−１７，３６−１８，３６−１９はそれ
ぞれ旋回体回転駆動部１７、ブーム回動駆動部１
８、アーム回動駆動部１９に対応して前記合流し
た圧油を供給する。

オペレータが姿勢制御操作装置３３の操作レバ
ーを操作するとその操作量に応じた信号が出力さ
れ、作業具２７の姿勢は所望の姿勢に制御される
とともに、その信号は演算機構３４に入力され、
さきの実施例に述べた演算が行なわれ、演算機構
３４からは算出された所要の制御量に応じた信号
が制御機構３１−１７ａ，３１−１８ａ，３１−
１９ａに出力される。これら各制御機構は入力し
た信号に応じた流量の圧油を吐出する。このと
き、位置制御操作装置３２の操作レバー操作され
ていなければ、制御機構３１−１７ａ，３１−１
８ａ，３１−１９ａから吐出された圧油は動力加
算部３６−１７，３６−１８，３６−１９を経て
そのまま旋回体回転駆動部１７、ブーム回動駆動
部１８、アーム回動駆動部１９のアクチユエータ
へ供給される。上部旋回体２、ブーム５、アーム
７はこの供給された圧油の流量に応じて適切に駆
動され、その結果、作業機構１５の姿勢制御に伴
つて生じる作業具２７の基準点Ｐのずれは補償さ
れ、作業に何等の支障をも生じない。

一方、姿勢制御操作装置３３の操作中に位置制
御操作装置３２が操作されると、制御機構３１−
１７ｂ，３１−１８ｂ，３１−１９ｂからはその
操作量に応じた流量の圧油が出力され、この圧油
は動力加算部３６−１７，３６−１８，３６−１
９において制御機構３１−１７ａ，３１−１８
ａ，３１−１９ａからの圧油と合流せしめられ、
この合流した圧油が対応するアクチユエータに供
給され、これに応じてアクチユエータが駆動され
る。

なお、動力加算部３６−１７，３６−１８，３
６−１９に代えて動力選択部を設け、位置制御操
作装置３２および演算機構３４の両方から信号が
出力された場合、これらの信号によつて駆動され
るいずれか一方の制御機構からの圧油を選択して
これを出力するようにすることもできる。

このように、本実施例では、姿勢制御操作装置
の信号を演算機構に入力し、演算機構で所定の演
算を行ない、この演算結果に応じて上部旋回体、
ブーム、アームを駆動するようにしたので、さき
の実施例と同じ効果を奏する。

なお、上記実施例では作業機構として油圧シヨ
ベルを例示して説明したがこれに限ることはな
い。又、作業具２７の姿勢制御を行なうアクチユ
エータ２０，２１の実際の変位又は速度を検出
し、この信号を姿勢制御操作装置３３の信号の代
りに演算機構３４に入力してもほぼ同様の効果が
得られる。さらに又、前記アクチユエータ２０，
２１の実際の変位又は速度信号を姿勢制御操作装
置の信号とともに演算に用いるようにすれば、よ
り正確な制御量を得ることができる。その理由
は、姿勢制御操作装置の信号とアクチユエータの
実際の変位又は速度信号とを比べると、前者は後
者に比べて「遅れ」が少ない点で優れているが、
後者は前者に比べて作業具の真の姿勢を表わす信
号であると言う意味で優れている。そこで両者の
長所を生かした制御アルゴリズムを採用するとよ
りよい制御が可能になる。

さらに又、位置制御操作装置および姿勢制御操
作装置としてはオペレータが操作する操作レバー
に限ることはなく、例えばオペレータの音声によ
る指令に応じた信号を出力する装置を用いてもよ
い。

以上述べたように、本発明では、作業具の姿勢
制御を行なう作業機構速度指示手段の出力信号お
よび作業機構のアクチユエータの移動動信号（速
度又は変位信号）のうちの少なくとも一方の信号
に基づいて演算機構により所定の演算を行ない、
この演算結果に応じて旋回可能な本体とこの本体
に取付けられた作業用アタツチメント本体を駆動
するようにしたので、作業機構の姿勢制御により
生じる作業具の基準点の移動を自動的、かつ、正
確に補償することができ、これにより、操作者は
作業機構に対して当該作業機構のみの操作を行う
だけで高度の熟練を要することなく所期の作業を
正確に実行することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は油圧シヨベルの概略構成の側面図、第
２図は特定の記号を用いた油圧シヨベルの側面
図、第３図ａ，ｂ，ｃ，ｄは作業機構の概略構成
図、第４図ａ，ｂは第３図ｄに示す作業機構を備
えた油圧シヨベルの側面図および平面図、第５図
および第６図はそれぞれ本発明の第１、第２の実
施例に係るマニピユレータの作業機構制御装置の
ブロツク図である。 １……下部走行体、２……上部旋回体、４……
本体、５……ブーム、７……アーム、１４……作
業用アタツチメント本体、１５……作業機構、１
６……作業用アタツチメント、１７……旋回体回
転駆動部、１８……ブーム回動駆動部、１９……
アーム回動駆動部、２０……上下振り機構、２１
……左右振り機構、２７……作業具、３０……油
圧源、３１Ａ，３１A′……第１の制御機構群、
３１Ｂ……第２の制御機構群、３２……位置制御
操作装置、３３……姿勢制御操作装置、３４……
演算機構、Ｐ……基準点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 旋回可能な本体と、この本体に取付けられた
   ２以上の自由度をもつ作業用アタツチメント本体
   と、この作業用アタツチメント本体に取付けられ
   た２以上の自由度をもつ作業具を備えた作業機構
   と、前記本体および前記作業用アタツチメント本
   体を駆動する各アクチユエータと、これら各アク
   チユエータを駆動制御する第１の制御機構群と、
   操作者により前記第１の制御機構群に対し各アク
   チユエータの駆動速度指令信号が出力される速度
   指示手段と、前記作業機構の各アクチユエータを
   駆動制御する第２の制御機構群と、操作者により
   前記第２の制御作業群に対して各アクチユエータ
   の駆動速度指令信号が出力される作業機構速度指
   示手段とを備えたマニピユレータの作業機構制御
   装置において、前記作業機構速度指示手段の出力
   信号および前記作業機構の各アクチユエータの移
   動信号のうちの少なくとも１つに基づいて予め前
   記作業具の所定個所に定められた作業具の位置に
   関する基準点の移動量を補償するための前記第１
   の制御機構群の制御量を算出する演算機構と、こ
   の演算機構により算出された値を前記第１の制御
   機構群に出力する出力手段とを設けたことを特徴
   とするマニピユレータの作業機構制御装置。