JPS6233944A - マニピユレ−タ用姿勢制御装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、土木建設機械、荷役運搬機械等（こ備エラし
たマニピュレータおよびその他一般のマニピュレータの
作業具の姿勢制御装置（こ関する。

〔発明の背景〕

土木建設機械、荷役運搬機械等においては１機械本体に
作業用アタッチメント本体および作業機構より成る作業
用アタッチメントを備え、オペレータがこの作業用アタ
ッチメントを操作することにより所期の作業が実施され
るように構成されたものがある。このような構成を、油
圧ショベルを例示して説明する。

第１図は油圧ショ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により油圧シロベル本体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
動に取付けられたパケットである。１１はブームシリン
ダ、１２はアームシリンダ、１３はパケットシリンダで
ある。ブーム５およびアーム７により作業用アタッチメ
ント本体１４が構成され、この作業用アタッチメント本
体１４とその先端の回動支点１０に取付けられた作業機
構１５（図示の場合はパケット９がこれに該当する）と
により作業用アタッチメント１６が構成される。

作業機構１５としては、パケット９以外に８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およびアーム７の駆動により２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ッチメント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ＢＯ１
３８「産業用ロボット記号」に準拠した形で表すのが便
利である。この「産業用ロボット記号」を用いて第１図
に示す油圧ショ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［産業用ロボット記号］による油圧シロベ
ルの側面図である。図で、第１図に示す部分と同一部分
には同一符号が付しである。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１１）を含むことを意味
する。同様に、１９．２０はアーム回動駆動部１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．パケットシリンダ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
ことにより油圧ショ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、複数の自由度を有する
作業機構を取付けた油圧ショベルを次回に表現してみる
。

第３図（ａ）、　（ｂ）は油圧ショベルの概略構成の側
面図および平面図である。図で、第２図に示す部分と同
一部分には同一符号が付しである。第２図に示す油圧シ
ョベルと第３図に示す油圧ショベルとが異なる点はその
作業機構１５の構成にある。以下、第３図に示す作業機
構１５の構成について説明するが、この説明において、
各記号には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。これにしたがって１作業機構１
５に属する作業機構駆動部２０を、以後、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２例えば対向し
た位置に爪２３ａ、２３ｂを有し、この爪２３ａ、２３
ｂにより作業対象である把持すべき物体２４を把持する
。

このように構成された油圧ショベルにおいて。

作業機構１５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。即ち、ブーム回動駆動
部１８を角速度ω１である時間駆動し、アーム回動駆動
部１９を角速度ω２である時間駆動することにより、ブ
ーム５およびアーム７を含む平面内の所望位置に作業機
構１５を位置せしめることができ、さらに、旋回体回転
駆動部１７を角速度ωＳである時間旋回することにより
、三次元空間内の所望位置に作業機構１５を位置せしめ
ることができるのである。そこで２作業機構１５（即ち
把持具２３）の位置移動に関与する構成部分、即ち、上
部旋回体２．旋回体回転駆動部１７．ブーム５．ブーム
回動駆動部１８゜アーム７およびアーム回動駆動部１９
を総称して腕部２５と呼ぶこととする。一方１作業機構
】５自体の姿勢は上下振り機構２０．左右振り機構２１
および回転機構２２により制御される。即ち。

三次元空間内に図のように基準軸ｘ、ｙ、ｚを想定する
と、上下振り機構２０をｙ軸と平行な軸上に角速度ωｐ
ｉである時間駆動すると把持具２３は所望の角度だけ上
方向又は下方向を向き、左右振り機構２１を２軸と平行
な軸上角速度ωｙｏである時間駆動すると把持具２３は
所望の角度だけ左方向又は右方向を向き２回転機構２２
をＸ軸上に角速度ωｒｏである時間回動すると把持具２
３は所望の角度だけ回転する。このようなＸ＋　　７＋
　　ｚ軸に関する回動により１把持具２３は所望の姿勢
をとり得るのである。そこで２把持具２３の姿勢変化に
関与する構成部分、即ち、上下振り機構２０゜左右振り
機構２１および回転機構２２を総称して手首部２６と呼
ぶことにする。

ところで、従来、第１図に示すような油圧ショベルを操
作する場合、その操作上の自由度は４であり、４本の操
作レバーか、あるいは１本の操作レバーで２つのアクチ
ュエータを操作する方式のものでは２本の操作レバーで
行なっている。ここで用いられている操作レバーは第４
図に示すような変位形操作レバーであり、握り部２７．
握り部２７を支持する軸部２８．軸部２８を支持する支
持部２９で構成されている。握り部２７を手で握って軸
部２８を倒す（変位させる）ことにより。

その変位量を検出し、前記各駆動部の操作信号を得てい
るのである。一般的に云って、この操作レバー変位量は
駆動部の駆動速度に関与するものの。

その変位方向はかならずしも駆動部の駆動方向に一致し
ていないのみならず、当然２作業具（パケット）の移動
方向とも一致していない。しかしながら、非熟練者であ
っても多少の教習と実地訓練により、上記操作レバーを
用い、４自由度を有する油圧ショベルを容易に操作する
ことができる。

しかるに、第３図に示すような６自由度を有するマニピ
ユレータを、上記変位形操作レバーを用いてスムーズか
つ迅速に操作しようとすると、３自由度の腕部２５の位
置制御を行うための複数のレバー操作に加えて手首部２
６の３自由度の姿勢制御を行なわねばならず、又、姿勢
制御を行なう操作レバーの操作方向と手首部２６の回動
方向と力ゝ８ ＃一致しないので、その操作は極めて複雑かつ困難とな
る。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり
、その目的は、非熟練者であっても容易操作することが
できるマニピュレータの作業具の姿勢制御装置を提供す
るにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため９本発明は９作業具の所望の回
動に対応した回転変位が付与される１つの操作装置と、
この操作装置に付与された回転変位の各基準軸成分を検
出する検出手段と、この検出手段の信号に基づいて手首
部の対応するアクチュエータの駆動を制御する駆動制御
機構とを設は作業具の所望の回動に対応する回転変位を
操作装置に与え、この操作装置に取付けられた検出手段
によりその回転変位の各基準軸成分を検出し、ここの検
出された値１こ基づいて、前記手首部の対応するアクチ
ュエータの駆動を制御することにより。

前記操作装置に付与された回転変位の方向と前記作業具
の回動方向を一致させ、かつ、その回動角速度が回転変
位量に比例するようにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下２本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第５図は本発明の実施例に係るマニピュレータ用姿勢制
御装置の操作レバーの斜視図である。図で、３０は操作
レバーを示し２球状の握り部３１゜握り部３１に連結さ
れた軸部３２およびこの軸部３２を支持する支持部３３
で構成されている。握り部３１は手との摩擦が大きい表
面性状となっていて、握り部３１を手で握って操作する
場合２手が滑らないようにされている。一般的に云って
。

第５図に示される形状の操作レバーは、第４図に示すも
のと同様１手で握り部を握って軸部３２を倒す構成（軸
変位形操作レバー）となっているのが通常である。しか
しながら６本実施例の操作レバー３０はこのような通常
の軸変位形操作レバーとはその操作態様を異にし、力又
は回軸力が加えられても軸部３２は全く変位せず、握り
部３１がその中心部を回転中心として回転変位する構造
となっていて、握り部３１の内部には握り部３１の回転
変位成分を検出することができる検出部が備えられてい
る。ここで、この検出部の構成２作用を説明するに先立
ち、握り部の回転変位成分について説明する。

握り部３１には、その中心部分で交叉するＸ軸。

ｙ軸および２軸が想定される。今、第３図（ａ）、　（
ｂ）において１把持具２３自体を三次元空間のある方；
にある角速度で回動させる姿勢制御を行なった合、その
角速度は各基準軸毎の回転角速度成分に分解することが
できる。これらの回転角速度成分をそれぞれ図示の如く
ω工、ωア、ω２とする。

一方、操作レバー３０の握り部３１に三次元空間のある
方向の回転変位を与えると、その回転変位は前記想定さ
れた各軸部の回転変位成分θ工、θア。

θ２に分解することができる。このことから９回転角速
度成分ω工、ωア、ω２と回転変位成分θ工。

θア、θ２が比例するように関連づけることができれば
、握り部３１に回転変位成分θ工、θア。

θ２を適宜与えることにより、所望の回転角速度成分ω
Ｘ、ωア、ω２を得ることができ１把持具２３の姿勢制
御を行なうことができる筈である。

握り部３１の内部に備えられた回転変位検出部は。

するものである。以下２本発明の回転変位検出部につい
て説明する。

第６図は上記回転変位検出部の一実施例を示す概念図で
ある。図で、第５図に示す部分と同一部分には同一符号
が付しである。３５は第５図に示す握り部３１の球状に
加工された内面、３６は握り部３１に固着された支柱、
３７は球面軸受２３８゜３９．４０．はそれぞれ回転変
位成分θ工、θｙ。

θ２を検出する回転角検出Ｊｈで握り部３１の内面３５
に内接するローラとポテンショメータにより構成されて
いる。４１は軸部３２に固着された回軸角検出器３８，
３９．４０の支持部である。回転角検出器３８，３９．
４０のローラは、それぞれ第２図に示す座標軸のｙ　−
ｚ　、　ｚ’　−ｘ　、　　ｘ　−ｙ平面上に位置する
ように取付けられていて、それぞれ握り部３１の回転変
位成分θＸ、θｙ、θ２に比例した回転角θＸ’　＋　
　θｙ′、０２′で回転し、ポテンショメータにより回
転変位成分θ工、θア。

θ２を検出することができる。

第７図は上記回転変位検出部の他の実施例を示す概念図
である。図で、第６図に示す部分と同一部分には同一符
号が付しである。４２は回転変位成分θ２を検出するポ
テンショメータであり、４３゜４４は、それぞれ主に回
転変位成分θＸ、θｙを検出するポテンショメータであ
る。４５は連結棒であり、握り部３１が図のｘ”軸まわ
りに回転できるように構成されている。４６は連結部で
あり。

連結棒４５を図のｙ″軸まわりに回転できるように構成
されている。この連結部４６は軸部３２に固着されたボ
テンシ式メータ４２によ））、図ノｚ軸まわりに回転で
きるように支持されている。

ここで、握り部３１を図のｘ”軸まわりに回転すると、
握り部３１と連結棒４５の間が回転し、ポテンショメー
タ４３により回転角θＸ′を検出できる。又１図のｙ″
軸まわりに回転すると連結棒４５と連結部４６との間が
回転し、ポテンシヨメータ４４により回転角θｙ′を検
出できる。握り部３１を図の２軸まわりに回転するとポ
テンシぴメータ４２により回転変位成分θ２を直接検出
することができる。ｙ′軸およびｙ′軸は他の軸まわり
に回転があると第５図のＸ軸およびｙ軸番ζ一致しない
のでθ！、θｙ′はそれぞれθ工、θアに一致しない。

しかしながら、これは簡単な座標変換演算により補正で
きるので、適当な演算機構を設けることにより、θＸ、
θｙ、θ２を求めることができる。

したがって、握り部３１に所望の回転変位を与えると、
その回転変位に応じて各回転変位成分〜。

θｙ、θ２が得られる。そして前述のように、この回転
変位成分θＸ、θｙ、θ２と回転角速度成分ω工ωｙ、
ω２とが比例するように関連づければ、上下振り機構２
０．左右振り機構２１および回転機構２２の３自由度を
もつ姿勢制御系統は１本の操作レバー３０のみで自由に
制御することができ。

把持具２３に所望の姿勢をとらせることができる。

しかも１把持具２３は操作レバー３０に与えられた回転
変位と同一方向にその回転変位量に比例した回転角速度
で回動して姿勢を変更するのであるから、操作レバー３
０に対する回転変位の与え具合と一致して把持具２３の
姿勢を制御することができ、オペレータは、恰かも、自
身が直接把持具２３又は物体２４を持って動かしている
かのごとく、自由に操作を行うことができる。

次に２回転変位成分θＸ、θｙ、θ２と回転角第８図は
本発明の実施例に係るマニピュレータ用姿勢制御装置の
系統図である。図で３０は油圧シ冒ペルの動きとは無関
係の位置（例えば地上）に設けられた第５図に示す操作
レバー、３４は第６図および第７図に示る操作レバーの
回転変位検出部であり、操作レバー３０に与えられた回
転変位成分θＸ、θｙ、θ２に応じた信号Ｓｅｘ、　Ｓ
ｅｚ。

Ｓｅｚを出力する。４７は演算機構であり、信号Ｓｅｘ
、　　Ｓｅｚ、Ｓｅｚを入力して回転機構２２の駆動信
号Ｓｒｏ、左右振左右横２１の駆動信号Ｓｙｏ　、およ
び上下振り機構２０の駆動信号Ｓｐｉを演算して出力す
る。４８はサーボ系を示し、信号Ｓｒｏに応じて図示し
ない油圧源から回転機構２２に流量Ｑｒｏを出力する回
転サーボ装置４８−２２．信号Ｓｙｏに応じて左右振り
機構２１に流量Ｑｙｏを出力する左右サーボ装置４８−
２１および信号Ｓｐｉに応じて上下振り機構２０に流量
Ｑｐｉを出力する上下サーボ装置４８−２０の３つのサ
ーボ装置より成る。４９は上記旋回機構２２．左右振り
機構２１゜上下振り機構２０の各アクチュエータを含む
手首部２６のマニピュレータ装置を示す。

操作レバー３０に与えられた回転変位の各成分に応じた
信号Ｓθｘ、　　Ｓθｙ、Ｓ＃Ｚは演算機構４７に入力
され、演算機構４７ではこれらの信号に基づいて所定の
演算が行なわれる。この演算は２把持具２３１こ把持さ
れた物体２４を所望の姿勢とするために、そのような姿
勢に応じて操作レバー３０に与えられた回転変位に対応
して把持具２３を動かすためには、各アクチュエータ２
０．２１．２２をどのように駆動すれば良いかを決定す
るための演算である。勿論、この演算には１手首部２６
に想定された基準軸と操作レバー３０に定められた基準
軸とのずれによる回転変位のずれを補正する演算も含ま
れるし、又、第７図の実施例の検出値θ′Ｘ、θ′ｙを
θＸ、θｙに補正する演算も含まれる。

この種の演算は制御工学上通常行なわれるものであり、
上記演算も数学的な難易の差はあっても通常の演算と同
じく解決可能な範囲のものであり。

さらに本発明がこの演算の解析方法をその要旨とするも
ししではないので、演算機構４７における演算の説明は
省略する。

演算機構４７から出力された信号Ｓｒｏ、　　Ｓｙｏ　
。

Ｓｐｉはサーボ系４８の対応するサーボ装置に入力され
、各サーボ装置は担当するアクチュエータに対して入力
信号に応じた油量を供給してこれを駆動する。各アクチ
ュエータの駆動によりアニピーレータ装置が作動し、そ
の把持具２３は回転角速度成分ωＸ、ωｙ、ω２を合成
した速度（回転変位成分θｘ＋１９ｙ＋　　θ２を合成
した操作レバー３０に与えられた回転変位に比例する速
度）でその姿勢を変化する。

なお、操作レバー３０の設置個所を油圧シＩベル本体の
適宜個所（例えば運転台）に選定すれば。

手首部２６に想定された基準軸と操作レバー３０に定め
られた基準軸とは常に平行関係にあるので。

演算機構４７の構算は大巾に簡素化される。

このように２本実施例では、操作レバーの握り部に回転
変位検出部を設け、検出された回転変位の成分に基づい
て演算機構により各アクチュエータの駆動信号を得、こ
の信号に応じてサーボ系を操作して各アクチュエータに
この信号に応じた油量を供給するようにしたので、操作
レバーを持ち替えることなく１本の操作レバーのみで把
持具を所望の姿勢に制御することができる。又、操作レ
バーに与える回転変位の方向と把持具の回動方向が一致
し、かつ、その回転変位量が把持具の回動角速度に比例
するので、オペレータの感覚と一致した操作を行うこと
かで者、非熟練者であってもその操作を容易に行なうこ
とができる。

なお９以上の実施例の説明においては、油圧シＵベルに
おける制御装置を例示したが、油圧ショベルに限ること
はな（、どのような種類のマニピュレータにも適用する
ことができるし、又、当然ながら把持具以外の作業具を
備えた作業機構にも適用可能である。さらに、姿勢制御
の自由度は３つに限ることなく２つでも適用でき、その
場合。

演算機構は簡素化し得る。又、操作レバーのマニピュレ
ータにおける設置個所はマニピュレータの運転席に限る
ことはな（２作業具上のある個所。

運転席と作業具を連結するリンク機構上のある個所等に
設置することができる。そして９作業具上のある個所に
設置した場合には９作業具に近接してこれを操作するこ
とができるので、よりきめ細かで正確な操作が可能であ
る。又、操作は有線による操作又は無線による操作も可
能である。又。

操作レバーの握り部の外部形状は、四面体、六面体２手
で握ったときその手の内部形状と類似する形状等２回転
変位が正確に検出部に伝達される形状であればよい。又
、各系統に適切な不感帯領域を設定することにより、他
系統の意図せぬ入力を阻止することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように９本発明では１作業具の姿勢制御を１
本の操作レバーで操作できるようにし。

この操作レバーに与える回転変位の方向と作業具の回動
の方向が一致し、かつ、その回転変位量と作業具の回動
角速度とが比例するように構成したので、オペレータの
感覚と一致した操作を行なうことができ、多自由度を有
する姿勢制御の操作系を容易に操作することができる。

第１図は油圧ショベルの概略構成の側面図、第２図は特
定の記号を用いて表わした油圧ショベルの測定図、第３
図（ａ）、　（ｂ）は作業機構を取付けた油圧ショベル
の側面図および平面図、第４図は従来形操作レバーの斜
視図、第５図は本発明の実施例に係るマニピュレータ用
制御装置の操作レバーの斜視図、第６図、第７図は操作
レバーの回転変位検出部の概念図、第８図は本発明の実
施例に係るマニピュレータ用制御装置の系統図である。

３・・・・・・旋回機構、５・・・・・・ブーム、７・
・・・・・アーム。

１４・・・・・・作業用アタッチメント本体、１５・・
・・・・作業機構、１６・・・・・・作業用アタッチメ
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、２２・
・・・・・回転機構。

２３・・・・・・把持具、２４・・・・・・物体、２５
・・・・・・腕部。

２６・・・・・・手首部、３０・・・・・・操作レバー
、２７゜３１・・・・・・握り部、２８．３２・・・・
・・軸部、２９゜３３・・・・・・支持部、３４・・・
・・・回転変位検出部、３７・・・・・球面軸受、３８
，３９．４０・・・・・・回転角検出Ｌ　　４２，４３
．４’４・・・・・・ポテンショメータ。

４５・・・・・・連結棒、４６・・・・・・連結部、４
７・・・・・・演算機構、４Ｂ・・・・・・サーボ系、
４９・・・・・・マニピュレータ装置。

第１図 第２図 第４図 第５図 第６０　　　　第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作業具の位置を移動させる腕部と、この腕部に取付
   けられ、前記作業具の姿勢を変える手首部とを有するマ
   ニピュレータにおいて、前記作業具の姿勢変化のための
   所望の回動に対応した回転変位が付与される操作装置と
   、この操作装置に付与された回転変位の各基準軸成分を
   検出する検出手段と、この検出手段の信号に基づいて前
   記手首部の対応するアクチュエータの駆動を制御する駆
   動制御機構とを設けたことを特徴とするマニピュレータ
   用姿勢制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記作業具の所望
   の回動に対応した回転変位は、当該作業具の所望の回動
   方向に一致し、かつ、その回動角変位量に比例した回転
   変位であることを特徴とするマニピュレータ用姿勢制御
   装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記駆動制御機構
   は、前記検出手段の信号に基づいて前記各アクチュエー
   タの駆動に関与する値を演算する演算手段と、この演算
   手段の演算結果に応じて前記各アクチュエータの駆動出
   力を発生するサーボ装置とで構成されていることを特徴
   とするマニピュレータ用姿勢制御装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記アクチュエー
   タの駆動に関与する値は、当該アクチュエータの駆動速
   度であることを特徴とするマニピュレータ用姿勢制御装
   置。