JPH07328967A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】工具交換の完全自動化を実現できるマニピュレ
ータを提供する。 【構成】アームの先端に設けられた工具ホルダへの工具
の取付けおよび取外しをティーチング・プレイバック機
能を用いて行うマニピュレータであって、工具交換制御
装置４５は、アームの先端部に設けられた力／トルクセ
ンサ２４からの情報に基いて工具取付け時には工具ホル
ダと被取付工具との間の位置誤差を吸収し、工具取外し
時には取付けられている工具と工具返却部との間の位置
誤差を吸収する位置誤差吸収手段を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アームの先端に設けら
れている工具ホルダへの工具の取付けおよび取外しを自
動的に行えるようにしたマニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、危険な作業現場は勿論の
こと各種の作業現場において、人間の手に代って種々の
作業を行うマニピュレータが広く使用されている。最近
では、配電線路の保守作業といった危険で複雑な作業を
活線のままで行えるようにした活線作業用マニピュレー
タも開発されている。

【０００３】このようなマニピュレータの多くは、操作
者によって操作されるマスタアームとこれに追従して実
際に作業を実行するスレーブアームとを備えたマスタ・
スレーブ方式を採用している。そして、力感覚を持った
操作性が得られるように種々の工夫がなされている。

【０００４】ところで、このようなマニピュレータを使
って実際に作業を行う場合、作業性を向上させるには、
その作業に最も適した手先、すなわち専用工具を用いる
ことが望まれる。たとえば、前述した活線作業用マニピ
ュレータを例にとると、碍子の交換作業と電線を碍子に
固定するバインド作業とはかなり異質な作業であり、同
じ工具を用いると作業能率が大幅に低下する。したがっ
て、多くのマスタ・スレーブマニピュレータでは、スレ
ーブアームの先端部に共通の工具ホルダを設け、この工
具ホルダに対して各専用工具を取付けたり、取外したり
できるようにしている。

【０００５】専用工具の交換を行う手法には種々の方式
がある。たとえば、前述した活線作業用マニピュレータ
で、マスタア−ムを地上近くに配置し、スレーブアーム
を伸縮自在なブームの先端部から延出させたものでは次
のようにしている。作業時において、スレーブアームは
地上より数ｍから10数ｍの場所に位置している。したが
って、専用工具を交換する度に、ブームを縮ませてスレ
ーブアームを地上まで降ろし、この状態で手作業で専用
工具を交換することは極めて非能率的となる。そこで通
常は、スレーブアームの作業空間近くに専用工具を収容
した工具箱を吊しておき、通常の作業と同様にビジュア
ル・フィードバック機能および力フィードバック機能を
利用してマスタ・スレーブ操作で専用工具の交換を行う
ようにしている。

【０００６】しかしながら、このように操作者が介在し
た工具交換作業では、交換に長時間を要するばかりか、
操作にある程度の習熟を要するなどの問題があった。そ
こで、操作者の作業負担の軽減および工具交換時間の短
縮を図るために、工具交換の自動化が望まれている。自
動工具交換では、基本的に操作者が介在しないため、マ
スタ・スレーブ操作において用いているビジュアル・フ
ィードバック機能、力フィードバック機能および操作者
の判断機能を他の方法で実現する必要がある。

【０００７】これを実現する一つの方法として、溶接ロ
ボットなどで採用しているティーチング・プレイバック
機能を用いることが考えられる。しかし、前述した活線
作業用マニピュレータのように、長尺のブームを用い、
しかも大型のスレーブアームを用いるマニピュレータで
は、位置合せ誤差を回避することが困難で、工具ホルダ
と被取付工具との間の位置合せおよび取付けられている
工具と工具返却部との間の位置合せを如何にして実現す
るかが問題となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、操作者の
作業負担の軽減や工具交換時間の短縮を図るために、テ
ィーチング・プレイバック機能を用いて工具交換の自動
化を図ろうとする場合には、工具ホルダと被取付工具と
の間、取付けられている工具と工具返却部との間の精度
の高い位置合せを何らかの手段で実現する必要があっ
た。そこで本発明は、上述した要望を満たし、工具交換
の完全自動化を実現できるマニピュレータを提供するこ
とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るマニピュレータは、アームの先端に設
けられた工具ホルダへの工具の取付けおよび取外しをテ
ィーチング・プレイバック機能を用いて行うマニピュレ
ータであって、前記アームの先端部に設けられた力／ト
ルクセンサと、この力／トルクセンサからの情報に基い
て工具取付け時には前記工具ホルダと被取付工具との間
の位置誤差を吸収し、工具取外し時には取付けられてい
る工具と工具返却部との間の位置誤差を吸収する位置誤
差吸収手段とを備えている。

【００１０】

【作用】このマニピュレータにおいて、工具の取付けお
よび取外しは、基本的にはティーチング・プレイバック
機能を用いて行われる。また、このマニピュレータにお
いて、工具ホルダへの工具の取付けは、たとえば工具に
設けられた取付用シャフトを工具ホルダに設けられた装
着孔に挿入する嵌め合い方式で行われ、かつ取付用シャ
フトが装着孔に一定量挿入されたときに工具ホルダに設
けられたロック用のアクチュエータをオン動作させて取
付けを完了させるものとする。また、工具ホルダに取付
けられている工具の取外しは、工具返却部上へ工具を位
置させた状態でアクチュエータをオフ動作させ、続いて
工具ホルダを後退させて取付用シャフトを工具ホルダの
装着孔から脱出させることによって完了させるものとす
る。

【００１１】今、工具取付け指令が与えられると、プレ
イバック機能により、工具返却部上に保管されている工
具の取付用シャフトを工具ホルダの装着孔へ挿入させる
べくアームの位置制御が行われる。工具ホルダの装着孔
へ工具の取付シャフを挿入させるには、装着孔の軸心線
と取付シャフトの軸心線との間の軸ずれ量が許容範囲内
にあることが条件となる。この条件を満たさないとき、
つまりミスアライメントの大きいときには、このミスア
ライメントの程度が負荷のアンバランス量となって力／
トルクセンサで検出される。位置誤差吸収手段は、力／
トルクセンサで検出された負荷に応じた力制御をアーム
に施して上記条件を成立させる。したがって、工具ホル
ダと工具とを正確に位置合せした条件で工具ホルダへの
工具の取付けが実行されることになる。

【００１２】また、工具取外し指令が与えられると、プ
レイバック機能により、工具返却部上に工具を返却すべ
くアームの位置制御が行われる。工具を工具返却部上へ
正しく返却するには、工具返却部と工具との相対位置ず
れ量が許容範囲内にあることが条件となる。この条件を
満たさないとき、つまりミスアライメントの大きいとき
には、このミスアライメントの程度が負荷のアンバラン
ス量となって力／トルクセンサで検出される。位置誤差
吸収手段は、力／トルクセンサで検出された負荷に応じ
た力制御をアームに施して上記条件を成立させる。した
がって、工具返却部上の正しい位置へ工具の返却が実行
されることになる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係るマニピュレータを
搭載した柱上活線作業車１の外観が示されている。

【００１４】この柱上活線作業車１は、たとえば電柱２
の上端部に固定された横木３によって支持されている碍
子４を配電線５に通電したままの状態で交換するときな
どにおいて使用される。

【００１５】柱上活線作業車１は、車両１１と、この車
両１１上に旋回自在で、かつ起伏自在に、しかも伸縮自
在に搭載されたブーム１２と、このブーム１２の先端部
に取付けられたワーキングベース１３と、このワーキン
グベース１３に支持された作業用アーム１４と、ワーキ
ングベース１３に支持されたクレーン１５と、このクレ
ーン１５の先端部下面に支持された側面解放形の工具箱
１６と、この工具箱１６内に載置保管された専用工具１
７ａ，１７ｂとを備えている。

【００１６】ブーム１２は、車両１１上のキャビン１８
内に配置されている図示しないレバーの操作によって旋
回角、起伏角および長さが調整される油圧駆動式に構成
されている。ワーキングベース１３は、ブーム１２の先
端部に軸心線１９を中心にして旋回可能に支持されてい
る。

【００１７】作業用アーム１４は、キャビン１８内に配
置されている図示しないマスタアームと対をなしてマス
タ・スレーブマニピュレータを構成するスレーブアーム
である。

【００１８】この作業用アーム１４は、図２に示すよう
に、前記軸心線１９と平行な軸心線２０を中心とするφ
₁ 方向、軸心線２０と直交する軸心線２１を中心とする
φ₂方向に回動自在で、両軸心線２０，２１と直交する
軸心線２２に沿ったφ₃ 方向に伸縮自在なアーム２３を
備えている。

【００１９】アーム２３は、途中位置から先端側にかけ
ての部分が完全な絶縁構造に形成されている。そして、
アーム２３の先端部には、この先端部に搭載された電池
を電源とし、出力を電気・光変換して送信する６軸の力
／トルクセンサ２４を介して工具ホルダ２５が取付けて
あり、この工具ホルダ２５に作業に応じた専用工具１７
が後述する手法で選択的に取付けられる。

【００２０】この例の場合、工具ホルダ２５への専用工
具１７の取付けは、専用工具１７に設けられた図示しな
い取付用シャフトを工具ホルダ２５に設けられたガイド
２７に沿わせて図示しない装着孔に挿入する嵌め合い方
式で行われる。そして、取付用シャフトが装着孔に一定
量挿入された状態で工具ホルダ２５に設けられた油圧駆
動式のロック用アクチュエータ２８をオン動作させるこ
とによって取付けを完了するようになっている。また、
工具ホルダ２５からの専用工具１７の取外しは、ロック
用アクチュエータ２８をオフ動作させた状態で行われ
る。

【００２１】ここで、図２中、２９，３０，３１は、ア
ーム２３の先端部を図中φ₄ ，φ₅，φ₆ で示す方向に
回転可能とする駆動モータ（油圧駆動モータ）を示して
いる。また、３２，３３は、φ₁ ，φ₂ で示す方向の回
動角を制御するモータを示している。油圧駆動モータ２
９，３０，３１は、アーム２３内に配設された図示しな
い油圧チューブを介してキャビン１８内に導かれて図示
しないマスタ・スレーブ制御装置に接続されている。同
様に、モータ３２，３３の入力端もマスタ・スレーブ制
御装置に接続されている。また、力／トルクセンサ２４
の出力および各関節に設けられた図示しない位置検出器
（ただし、アーム２３の先端側に設けられている位置検
出器は出力を電気・光変換して送信する）の出力もマス
タ・スレーブ制御装置に入力される。

【００２２】マスタ・スレーブ制御装置は、公知のもの
と同様にマスタアームの動きに追従させてスレーブアー
ムである作業用アーム１４を力帰還型で制御するように
構成されている。具体的には、ワーキングベース１３に
取付けられたテレビカメラ４１によって得られた作業空
間の映像情報をキャビン１８内のモニタテレビに映し出
し、このモニタテレビを観察しながら操作者がマスタア
ームを操作することによって作業用アーム１４に作業を
行わせるようにしている。

【００２３】クレーン１５は、ワーキングベース１３に
対して前述した軸心線１９を中心に旋回自在に片持ち支
持されている。なお、このクレーン１５の旋回角は図示
しないクレーン駆動装置によって調整され、その旋回角
は内界センサ４２によって検出される。また、クレーン
１５の先端部に軸心線３４を中心にして回転自在に支持
された工具箱１６の回転角は上記クレーン駆動装置によ
って一緒に調整され、その回転角は内界センサ４３によ
って検出される。そして、内界センサ４２，４３の出力
および前述した力／トルクセンサ２４の出力は、図３に
示す工具交換制御装置４５に導入される。

【００２４】工具交換制御装置４５は、工具名指定器４
６から工具指定信号Ｓ₁ が与えられ、かつ工具取付け指
令器４７から取付け指令Ｓ₂ あるいは工具取外し指令器
４８から取外し指令Ｓ₃ が与えられると、クレーン駆動
装置４９を制御してクレーン１５を退避位置から内界セ
ンサ４２の出力がθ₁ となる工具交換位置まで旋回さ
せ、次に内界センサ４３の出力がθ₂ となる位置まで工
具箱１６を回転させる。次に、後述する制御を組合せた
ティーチング・プレイバック方式で作業用アーム駆動系
５０を制御し、作業用アーム１４をティーチングされた
工具交換経路に沿って移動させ、この間に工具ホルダ２
５の位置との関連においてロック用アクチュエータ２８
をオン動作あるいはオフ動作させて工具ホルダ２５への
専用工具の取付けあるいは取外しを行わせる。そして、
これらの動作が終了した時点で再びクレーン駆動装置４
９を制御してクレーン１５を退避位置に移動させるよう
にしている。

【００２５】次に、上記のように構成された柱上活線作
業車１の使用例を説明する。碍子４を交換する作業は、
作業用アーム１４によって行われる。作業用アーム１４
は、先端側が大地に対して完全に絶縁構造に形成されて
いる。前述の如く、作業用アーム１４は、キャビン１８
内に配置されているマスタアームと対をなしてマスタ・
スレーブマニピュレータを構成するスレーブアームであ
る。この作業用アーム１４による作業は、キャビン１８
内の操作者によって操作されるマスタアームに完全に追
従して行われる。この制御方式としては、たとえば公知
の力帰還型バイラテラル制御が用いられるため、詳しい
説明は省略する。

【００２６】ここでは、工具交換動作について詳しく説
明する。図３に示される工具交換制御装置４５は、基本
的にはティーチング・プレイバック制御方式を採用して
いる。したがって、まずティーチングの手法について説
明する。

【００２７】図４に示すように、作業用アーム１４の旋
回中心である軸心線２０を原点として直交するＸ軸，Ｙ
軸で表現されるアーム座標系と、工具箱１６の回転中心
である軸心線３４を原点として直交するｘ軸，ｙ軸で表
現される工具箱座標系とを定義する。

【００２８】ここで、工具座標系において、工具箱１６
内に載置されている特定の専用工具、たとえば工具箱１
６内における候専用工具１７ａの取付用シャフト基端位
置（以後、工具位置と略称する）を（ｘ_a ，ｙ_a ）とす
る。また、アーム座標系において、上記工具位置（ｘ
_a ，ｙ_a ）から工具座標系のｘ軸に沿って負の方向にＬ
だけ離れた位置にある作業用アーム１４の先端、つまり
工具ホルダ２５における装着孔の先端位置（以後、ホル
ダ位置と略称する）を（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ）とする。

【００２９】このとき、クレーン１５の旋回角をθ₁ と
し、工具箱１６の回転角をθ₂ とし、軸心線２０からク
レーン１５の旋回中心である軸心線１９までのアーム座
標系におけるＸ軸方向距離をＤｘとし、軸心線２０から
軸心線１９までのアーム座標系におけるＹ軸方向距離を
Ｄｙとし、軸心線１９から軸心線３４までの長さをＬ₀
とすると、アーム座標系におけるホルダ位置（Ｘ₁ ，Ｙ
₁ ）は、工具座標系における工具位置（ｘ_a ，ｙ_a ）を
用いて次のように記述できる。

【００３０】 Ｘ₁ ＝−Ｄｘ＋Ｌ₀ ・cos θ₁ ＋（ｘ_a −Ｌ）・cos θ ＋ｙ_a ・sin θ …(1) Ｙ₁ ＝Ｄｙ−Ｌ₀ ・cos θ₁ −（ｘ_a −Ｌ）・sin θ ＋ｙ_a ・cos θ …（２）
θ＝θ_１ ＋θ₂ …(3) また、工具箱座標系における工具位置（ｘ_a ，ｙ_a ）を
アーム座標系における位置（ｘ_a ′，ｙ_a ′）で表現す
ると、次のように記述できる。

【００３１】 ｘ_a ′＝（Ｘ₁ ＋Ｄｘ）cos θ−（Ｙ₁ −Ｄｙ）・sin θ −Ｌ₀ ・cos θ₁ ・cos θ−Ｌ₀ ・sin θ₁ ・sin θ＋Ｌ …(4) ｙ_a ′＝（Ｘ₁ ＋Ｄｘ）sin θ＋（Ｙ₁ −Ｄｙ）・cos θ −Ｌ₀ ・cos θ₁ ・sin θ＋Ｌ₀ ・sin θ₁ ・cos θ …(5) 今、Ｄｘ，Ｄｙ，Ｌ₀ ，θ₁ ，θ₂ ，工具座標系におけ
る工具位置（ｘ_a ，ｙ_a ）が既知であるとし、ホルダ位
置と工具位置とが同じ高さにあるものとすると、(1) 式
および(2) 式から判るように、ホルダ位置と工具位置と
の間のＬを設定することによってアーム座標系における
ホルダ位置を算出することができる。

【００３２】したがって、(1) 式および(2) 式にしたが
って、Ｌをある値から零まで減少させることによって、
工具ホルダ２５の装着孔に専用工具１７ａの取付用シャ
フトを挿入させるように作業用アーム１４を位置制御す
ることができる。また、零からある値までＬを増加させ
ることによって、工具ホルダ２５の装着孔から専用工具
１７ａの取付用シャフトを脱出させるように作業用アー
ム１４を位置制御することができる。

【００３３】このように、工具箱座標系、つまりクレー
ン１５に追従させて作業用アーム１４を位置制御する動
作をクレーン追従形プレイバック動作と呼ぶ。工具交換
制御装置４５は、上述したクレーン追従形プレイバック
動作と後述する位置誤差吸収動作とを組合せて工具交換
を行わせるようにしている。

【００３４】次に、工具交換の具体的な動作を説明す
る。まず、工具ホルダ２５への工具の取付け、たとえば
専用工具１７ａを取付ける場合について図５を適宜参照
しながら説明する。

【００３５】専用工具１７ａを表す工具指定信号Ｓ₁
と、工具の取付け指令Ｓ₂ とが与えられると、工具交換
制御装置４５は、クレーン駆動装置４９を制御してクレ
ーン１５を退避位置から内界センサ４２の出力がθ₁ と
なる工具交換位置まで旋回させ、次に内界センサ４３の
出力がθ₂ となる位置まで工具箱１６を回転させる（ス
テップｆ₁ ）。

【００３６】次に、(1) 式および(2) 式の演算を行い、
作業用アーム駆動系５０を制御し、クレーン追従形プレ
イバック動作でアプローチ動作を行わせる。すなわち、
専用工具１７ａにおける取付用シャフトの基端を示す工
具位置（ｘ_a ，ｙ_a ）から工具座標系のｘ軸に沿った負
の方向にＬだけ離れた位置（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ）に工具ホルダ
２５における装着孔の先端部を位置させるべく作業用ア
ーム１４を位置制御する（ステップｆ₂ ）。

【００３７】次に、クレーン追従形プレイバック動作
で、工具箱座標系のｘ軸と平行にＬを零まで減少させる
方向にホルダ位置を前進させるべく作業用アーム１４を
位置制御する。このとき、作業用アーム１４の先端部に
作用する力／トルクを力／トルクセンサ２４の出力でモ
ニタし、工具位置とホルダ位置とのズレを修正した後、
さらに前進させる。そして、作業用アーム１４の先端に
作用するのｘ軸方向（工具箱座標系）の荷重が所定値以
上になった時点で前進動作を停止させ、工具ホルダ２５
と専用工具１７ａとの間の荷重を除去するために、所定
の距離だけ後退動作を行わせる。この動作によって、工
具ホルダ２５の装着孔に専用工具１７ａの取付用シャフ
トが規定量だけ挿入された状態が形成される（ステップ
ｆ₃ ）。

【００３８】次に、ロック用アクチュエータ２８をオン
動作させて工具ホルダ２５に専用工具１７ａを結合させ
た状態にする（ステップｆ₄ ）。次に、リンプ動作と呼
ばれる力制御を行い、作業用アーム１４の先端に作用す
る外力を解放する（ステップｆ₅ ）。

【００３９】リンプ動作は次のような制御アルゴリズム
で行われる。 (1) 予めパラメータを設定する。 Ｆｒ₀ ：摩擦力 Ｍｒ₀ ：摩擦トルク Ｃｉ ：粘性摩擦係数 (2) 力／トルクセンサ２４で計測された力／トルクを工
具先端の力／トルクに変換した値を、図２に示されるよ
うに、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。

【００４０】(3) 図２に示されるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向
の合成力／トルクを算出する。 Ｆｒ＝（Ｆｘ² ＋Ｆｙ² ＋Ｆｚ² ）^1/2 Ｍｒ＝（Ｍｘ² ＋Ｍｙ² ＋Ｍｚ² ）^1/2 (4) 力／トルクに応じて次式により、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸
方向および各軸回りの速度指令値を生成する。

【００４１】 Ｖｘ^d ＝Ｃｘ^-1（Ｆｒ−Ｆｒ₀ ）Ｆｘ／Ｆｒ Ｖｙ^d ＝Ｃｙ^-1（Ｆｒ−Ｆｒ₀ ）Ｆｙ／Ｆｒ Ｖｚ^d ＝Ｃｚ^-1（Ｆｒ−Ｆｒ₀ ）Ｆｚ／Ｆｒ Ｖα^d ＝Ｃα^-1（Ｍｒ−Ｍｒ₀ ）Ｍｘ／Ｍｒ Ｖβ^d ＝Ｃβ^-1（Ｍｒ−Ｍｒ₀ ）Ｍｙ／Ｍｒ Ｖγ^d ＝Ｃγ^-1（Ｍｒ−Ｍｒ₀ ）Ｍｚ／Ｍｒ ただし、Ｆｒ，ＭｒがそれぞれＦｒ₀ ，Ｍｒ₀ 以下の場
合には速度指令値を零にする。

【００４２】(5) 逆ヤコビ行列を用いてアーム関節の速
度指令値ωｍ^d を求め、各軸を駆動する。 (6) Ｆｒ≦Ｆｒ₀ 、Ｍｒ≦Ｍｒ₀ になった時点で制御を
終了する。

【００４３】このようにして、外力を解放させた後、作
業アーム１４を所定距離だけ後退させる（ステップｆ
₆ ）。次に、クレーン１５を退避位置まで旋回させ（ス
テップｆ₇ ）て工具の取付け作業を終了する。

【００４４】次に、工具ホルダ２５に取付けられている
専用工具を工具箱１６内の指定返却場所へ返却する動
作、つまり工具取外し動作を図６を適宜参照しながら説
明する。

【００４５】現在取付けられている、たとえば専用工具
１７ａを表す工具指定信号Ｓ₁ と、工具の取外し指令Ｓ
₃ とが与えられると、工具交換制御装置４５は、クレー
ン駆動装置４９を制御してクレーン１５を退避位置から
内界センサ４２の出力がθ₁となる工具交換位置まで旋
回させ、次に内界センサ４３の出力がθ₂ となる位置ま
で工具箱１６を回転させる（ステップｆ₁₁）。

【００４６】次に、(1) 式および(2) 式の演算を行い、
作業用アーム駆動系５０を制御し、クレーン追従形プレ
イバック動作でＬ＝０、すなわち専用工具１７ａを工具
箱１６内の返却場所の真上に位置させるべく作業用アー
ム１４を位置制御する（ステップｆ₁₂）。

【００４７】次に、専用工具１７ａを工具箱１６内の返
却場所上に載置させるべく一定速度で返却場所方向（図
２におけるＺ軸方向）に作業用アーム１４を移動させる
とともに作業用アーム１４に作用する外力に応じた力制
御を行って専用工具１７ａと返却場所とのミスアライメ
ントを吸収する。そして、Ｚ軸方向の荷重が所定値以上
になった時点で作業用アーム１４の移動を停止させる
（ステップｆ₁₃）。

【００４８】この工具載置動作は次のような制御アルゴ
リズムで行われる。 (1) 予めパラメータを設定する。 Ｖｚ₀ ：工具載置時の進行方向（Ｚ軸方向）速度指令値 Ｆｚ₀ ：進行動作を停止させる基準となる荷重 Ｆｒ₀ ：径方向摩擦力 Ｍｚ₀ ：捻り方向摩擦トルク Ｍｒ₀ ：曲げ方向摩擦トルク Ｃｉ ：粘性減衰係数 (2) 力／トルクセンサ２４で計測された力／トルクを工
具先端の力／トルクに変換した値を、図２に示されるよ
うに、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。

【００４９】(3) 図２に示されるＸ軸およびＹ軸方向の
合成力／トルクを算出する。 Ｆｒ＝（Ｆｘ² ＋Ｆｙ² ）^1/2 Ｍｒ＝（Ｍｘ² ＋Ｍｙ² ）^1/2 (4) 力／トルクに応じて次式により、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸
方向および各軸回りの速度指令値を生成する。

【００５０】 Ｖｘ^d ＝Ｃｘ^-1（Ｆｒ−Ｆｒ₀ ）Ｆｘ／Ｆｒ Ｖｙ^d ＝Ｃｙ^-1（Ｆｒ−Ｆｒ₀ ）Ｆｙ／Ｆｒ Ｖｚ^d ＝Ｖｚ₀ Ｖα^d ＝Ｃα^-1（Ｍｒ−Ｍｒ₀ ）Ｍｘ／Ｍｒ Ｖβ^d ＝Ｃβ^-1（Ｍｒ−Ｍｒ₀ ）Ｍｙ／Ｍｒ Ｖγ^d ＝Ｃγ^-1（Ｍｚ−sgn （Ｍｚ）Ｍｚ₀ ） ただし、Ｆｒ，Ｍｒ，ＭｚがそれぞれＦｒ₀ ，Ｍｒ₀ ，
Ｍｚ₀ 以下の場合には速度指令値を零にする。なお、sg
n(a)は、a の符号を求める関数である。

【００５１】(5) 逆ヤコビ行列を用いてアーム関節の速
度指令値ωｍ^d を求め、各軸を駆動する。 (6) Ｆｚ≧Ｆｚ₀ ：アームの進行を停止 次に、作業用アーム１４に作用する外力に応じたリンプ
動作を行い、作業用アーム１４の先端に作用する外力を
解放する（ステップｆ₁₄）。このリンプ動作の制御アル
ゴリズムは、工具を取付ける場合と全く同じである。

【００５２】このようにして、外力を解放させた後、ロ
ック用アクチュエータ２８をオフ動作させて工具ホルダ
２５から専用工具１７ａを抜き出し可能な状態にする
（ステップｆ₁₅）。

【００５３】次に、クレーン追従形プレイバック動作で
工具箱座標系のｘ軸に沿わせて作業アーム１４を所定距
離だけ後退させる（ステップｆ₁₆）。この後退動作によ
って、工具ホルダ２５の装着孔から専用工具１７ａの取
付用シャフトが完全に抜け出し、ここに専用工具１７ａ
の指定返却場所への返却がなされる。次に、クレーン１
５を退避位置まで旋回させ（ステップｆ₁₇）て工具の取
外し作業を終了する。

【００５４】このように、工具位置を基準にして算出し
た目標位置に作業アーム１４の先端に設けられた工具ホ
ルダ２５を位置制御するティーチング・プレイバック機
能と、作業アーム１４の先端に設けられた力／トルクセ
ンサ２４からの情報をもとにして工具ホルダ２５と工具
との間および工具と工具返却場所との間のミスアライメ
ントを吸収する機能とを組合せているので、工具の交換
を完全に自動的に行わせることができる。また、工具変
換時の位置決め精度が悪く、工具が予め教示した位置以
外にある場合でも、力／トルクセンサ２４からの情報を
もとにして工具位置を精度よくモニタして工具交換を自
動的に行うことができる。

【００５５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、上述した実施例は、本発明
を活線作業用マニピュレータに適用した例であるが、こ
れに限られるものではなく、各種用途のマニピュレータ
に適用できる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば工
具の交換を完全に自動化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るマニピュレータを搭載
した柱上活線作業車の概略外観図

【図２】同マニピュレータの作業用アーム（スレーブア
ーム）の斜視図

【図３】同マニピュレータにおける工具自動交換系のブ
ロック構成図

【図４】同工具自動交換系で採用しているティーチング
・プレイバック動作を説明するための図

【図５】同工具自動交換系での工具取付け動作の手順を
説明するための図

【図６】同工具自動交換系での工具取外し動作の手順を
説明するための図

【符号の説明】

１…柱上活線作業車 ２…電柱 ４…碍子 １１…車両 １２…ブーム １３…ワーキン
グベース １４…作業用アーム（スレーブアーム）１５…クレーン １６…工具箱 １７，１７ａ，
１７ｂ…専用工具 １８…キャビン ２３…アーム ２４…力／トルクセンサ ２５…工具ホル
ダ ２８…ロック用アクチュエータ ２９，３０，３
１…油圧駆動モータ ３２，３３…モータ ４１…テレビカ
メラ ４２，４３…内界センサ ４５…工具交換
制御装置 ４６…工具名指定器 ４７…工具取付
け指令器 ４８…工具取外し指令器 ４９…クレーン
駆動装置 ５０…作業用アーム駆動系

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アームの先端に設けられた工具ホルダへの
   工具の取付けおよび取外しをティーチング・プレイバッ
   ク機能を用いて行うマニピュレータであって、前記アー
   ムの先端部に設けられた力／トルクセンサと、この力／
   トルクセンサからの情報に基いて工具取付け時には前記
   工具ホルダと被取付工具との間の位置誤差を吸収し、工
   具取外し時には取付けられている工具と工具返却部との
   間の位置誤差を吸収する位置誤差吸収手段とを具備して
   なることを特徴とするマニピュレータ。