JP7563407B2 - 遠隔操作システム及びマニピュレータの遠隔操作方法 - Google Patents

Description

本開示は、遠隔操作システム及びマニピュレータの遠隔操作方法に関する。本開示は、特に、高所作業台などの不安定な移動台（昇降台）に搭載されたマニピュレータを遠隔操作する遠隔操作システム及びマニピュレータの遠隔操作方法に関する。遠隔操作は、いわゆるバイラテラル制御によるマスタスレーブシステムとして、マスタ操作装置の操作部によってマニピュレータを制御する技術を含む。

従来、産業用ロボットのようなマニピュレータ（ロボットアーム）は、固定面又は安定した台座に設置されて、事前のティーチングにて教示された軌道でアーム先端を位置制御されている。このようなロボットアームの作業対象物は、ティーチングのときと位置が変わらないことが前提となっている。そのため、作業対象物の位置が変化する作業又は非定常な作業への適用は困難である。ここで、作業を自動化することが困難な非定常又は非定型の作業について、いわゆるマスタスレーブ遠隔操作によって、マスタ操作装置を手動操作して、スレーブマニピュレータを遠隔制御する事例がある。

例えば特許文献１の技術は、スレーブマニピュレータの先端などにあるエンドエフェクタが剛性の高い物体と接触した場合に、入力グリップ（マスタ操作装置）に大きなスレーブ反力が発生しないように、あらかじめ設定した上限値以上になると上限値を入力グリップに帰還する。

また、例えば特許文献２の技術は、車両から伸びるブ－ムの上端に搭載されたスレ－ブマニピュレータに作用する外力を反力として、車両側に搭載されたマスタマニピュレータにフイ－ドバック制御を行う。特許文献２の技術では、作業ポイントに至る経路上の障害物を検出し、障害物を避けるために回避点を設けて、スレーブマニピュレータが回避点を越えると反力を増加させるため、接触を未然に防止できる。

特開平０８－２２９８５８号公報 特開平０８－３００２７７号公報

ここで、特許文献１の技術では、スレーブマニピュレータに伝わる反力を検知するが、着目している物体との接触による反力を対象とする。したがって、特許文献１の技術は、想定外の障害物に接触した場合の急な反力に対応できない。また、マスタ操作装置へ伝える反力に上限値が設けられているため、例えば想定外の大きな反力を受けた場合などに上限値以上の反力を感じ取ることができない。

特許文献２の技術では、作業ポイントに至る経路上の障害物までの距離を視覚装置により判定する。しかし、視野角、視覚装置の画質（解像度）、撮影から投影まで時間遅れなどの影響によって、距離を見誤る可能性がある。

また、固定されていない移動台（例えば高所作業台）にスレーブマニピュレータを搭載する場合に、急な反力及び移動台の移動によって、ブームに搭載したスレーブマニピュレータが揺れるという課題もある。遠隔操作の場合に、スレーブマニピュレータ側に取り付けられたカメラ映像を操作室のモニターを確認しながらアーム先端位置を操作するが、揺れによって作業対象物の位置を捉えるのが難しいこともあり、操作は熟練を要し、容易でなかった。

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、マニピュレータを容易に遠隔操作可能にする遠隔操作システム及びマニピュレータの遠隔操作方法を提供することにある。

本開示の一実施形態に係る遠隔操作システムは、
操作部を備えるマスタ操作装置と、
移動自在な移動台に搭載されて、作業対象物に対して所定の作業を行う作業用ツールを備えるマニピュレータと、
前記マニピュレータから張り出すように前記マニピュレータに取り付けられ、前記作業対象物に接触する接触部材と、
前記接触部材が前記作業対象物から受ける反力を前記マスタ操作装置へフィードバックし、前記操作部の動きに対応するように前記マニピュレータを遠隔操作する制御装置と、を備える。

本開示の一実施形態に係るマニピュレータの遠隔操作方法は、
移動自在な移動台に搭載されて、作業対象物に対して所定の作業を行う作業用ツールを備えるマニピュレータの遠隔操作方法であって、
マスタ操作装置の操作部の動きに対応するように前記マニピュレータを遠隔操作する工程と、
前記マニピュレータから張り出すように前記マニピュレータに取り付けられた接触部材を前記作業対象物に接触させる工程と、
前記接触部材が前記作業対象物から受ける反力を前記マスタ操作装置へフィードバックする工程と、を含む。

本開示によれば、マニピュレータを容易に遠隔操作可能にする遠隔操作システム及びマニピュレータの遠隔操作方法を提供することができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る遠隔操作システムを示す図である。 図２は、本開示の一実施形態に係る遠隔操作システムの部分拡大図である。 図３は、図２の遠隔操作システムの変形例を示す部分拡大図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態に係る遠隔操作システム及びマニピュレータの遠隔操作方法が説明される。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号が付されている。同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

＜第１実施形態＞
（システム構成）
図１に示すように、本実施形態に係る遠隔操作システム１は、作業対象物としての構造体５１に対して所定の作業を行う際に用いられるものであり、マニピュレータ（ロボットアーム）の一例であるスレーブアーム２１と、マスタ操作装置２２と、制御装置２と、接触部材と、を備えている。スレーブアーム２１は、高所作業車１１のブーム１２の先端にある移動台１３に搭載されている。移動台１３は移動自在であるように構成されている。ここで、遠隔操作システム１は、移動自在な台に搭載されるマニピュレータを遠隔操作するシステムであればよく、高所作業車１１としての構成に限定されない。

スレーブアーム２１は、一例として６軸方向に自由度を有する垂直多関節型のロボットアームである。ただし、マニピュレータは、マスタ操作装置２２によって遠隔操作されるものであれば、ロボットアームに限定されず、任意の構造及び形状を有するものであってよい。

マスタ操作装置２２は、スレーブアーム２１を操作する操作部を備えている。図１に示すように、マスタ操作装置２２（制御装置２）とスレーブアーム２１とはケーブル２３によって接続されており、マスタ操作装置２２によってスレーブアーム２１の遠隔制御（マスタスレーブ遠隔制御）が実行される。操作部は、特定の構成に限定されないが、一例として、スレーブアーム２１と同じ垂直多関節型のロボットアームとなっていてよい。マスタ操作装置２２の操作部とスレーブアーム２１とを同一形状とすることで、マスタスレーブ制御システムである遠隔操作システム１を組むのが比較的容易となる。ただし、マスタとスレーブについて、必ずしも相似形である必要はない。また、マスタとスレーブについて、同じ自由度である必要はない。また、操作部は、他の一例として、ジョグシャトルのような回転型のコントローラであってよい。

制御装置２は、マスタ操作装置２２を制御するとともに、スレーブアーム２１の位置（角度）と反力をマスタ操作装置２２へフィードバックする。具体的には、アームの角度から軌道計算されるスレーブアーム２１の位置と、スレーブアーム２１に作用する反力とを、バイラテラル制御で双方向に伝達可能となっている。スレーブアーム２１が垂直多関節型のロボットアームの場合、各関節に設けられた駆動モータのトルクを、反力としてマスタ操作装置２２に伝達する構成とすることが好ましい。マスタ操作装置２２及び制御装置２は、操作室１４に設けられてよい。操作室１４には、スレーブアーム２１に設置されたカメラからの画像を表示するモニターなどがさらに設けられていてよい。

スレーブアーム２１の先端には、構造体５１に対して所定の作業を行うための作業用ツール４が取り付けられている。作業用ツール４としては、例えば高所作業で使われる検査装置、ケレン装置、塗装装置などが挙げられる。所定の作業としては、例えば検査、洗浄、塗装などが挙げられる。作業用ツール４はエンドエフェクタとも称される。また、作業対象物である構造体５１としては、例えば橋梁の桁下構造などの鋼構造物が挙げられるが、鋼構造物に限定されない。

また、スレーブアーム２１には、スレーブアーム２１から張り出すように接触部材が取り付けられている。本実施形態では、接触部材はスレーブアーム２１の先端から３つ目の関節に取り付けられている。これにより、接触部材が構造体５１に接触した状態で、スレーブアーム２１の先端に取り付けられた作業用ツール４が３軸方向に移動可能となっている。ここで、作業用ツール４は、接触部材が構造体５１に接触した状態で、少なくとも２軸方向に移動可能となっていることが好ましい。

接触部材は作業対象物に接触する部材である。接触部材は、接触時の衝撃をやわらげるために緩衝性能を有することが好ましい。本実施形態において、接触部材は緩衝性能を備えるダンパー（接触ダンパー３）である。緩衝性能は、本実施形態のようにダンパーを備えることで実現されてよいし、例えばゴムなどの伸縮する素材を用いることによって実現されてよい。接触部材は、スレーブアーム２１から張り出してスレーブアーム２１よりも先に構造体５１に接触（当接）する大きさ、形状であればよく、例えば棒状のロッド、プローブ、湾曲した盾状のカバー（図２の接触カバー５参照）、クッション状のブロックなどでよい。接触部材（接触ダンパー３）が構造体５１に接触した際の反力は、スレーブアーム２１へ伝わり、制御装置２を介してマスタ操作装置２２へ伝達される。また、構造体５１に接触する接触部材（接触ダンパー３）によって、スレーブアーム２１で作業を行う際に、構造体５１に対してスレーブアーム２１の姿勢を安定させることができる。ここで、接触部材（接触ダンパー３）の先端（構造体５１に接触する部分）に接触センサなどのセンサが取り付けられて、センサの検知結果が制御装置２へ伝えられる構成であってよい。

さらに、接触ダンパー３の先端には、構造体５１に沿って摺動する摺動体又は構造体５１に接合する接合体が設けられていることが好ましい。摺動体としては、ローラーなどが挙げられる。また、接合体としては、例えば電磁石、吸引機、懸架フックなどが挙げられる。このように、接触ダンパー３の先端に摺動体又は接合体を設け、摺動体又は接合体を構造体５１に当接させることで、接触ダンパー３が受ける反力を滑らかに精度よく伝えることができる。また、接触ダンパー３を安定して移動又は固定させることができる。

スレーブアーム２１（マニピュレータ）から張り出す接触部材を設け、接触部材を構造体５１（作業対象物）に接触させながらマスタ操作装置２２で操作することによって、移動台１３が移動したり揺れたりして不安定な場合であっても、スレーブアーム２１の姿勢を安定させることができる。また、接触部材がスレーブアーム２１よりも先に構造体５１へ接触するため、スレーブアーム２１に急な反力が生じることを防ぐことができる。また、接触部材が受ける反力がマスタ操作装置２２にフィードバックされるため、カメラ画像又は距離センサによる位置制御だけに頼らずに、スレーブアーム２１を容易に遠隔操作することが可能となる。

（遠隔操作方法）
本実施形態に係る遠隔操作システム１によって作業を行う際の手順（マニピュレータの遠隔操作方法）が以下に説明される。本実施形態において、マニピュレータの遠隔操作方法は第１操作工程、第２操作工程及び第３操作工程を含む。

第１操作工程では、高所作業車１１のブーム１２によって移動台１３全体を上昇させ、スレーブアーム２１を構造体５１に接近させる。このとき、スレーブアーム２１の先端をできるだけ曲げて、スレーブアーム２１がコンパクトであるようにする。第１操作工程では、スレーブアーム２１の先端を伸ばせば構造体５１へ接触できる程度にまで、移動台１３を構造体５１へ接近させる。ここで、第１操作工程において、カメラ画像又は距離センサによる位置制御が実行されてよい。

第２操作工程では、マスタ操作装置２２の操作部が操作員によって操作されて、操作部の動きに対応するようにスレーブアーム２１が遠隔操作される。また、第２操作工程では、スレーブアーム２１から張り出すようにスレーブアーム２１に取り付けられた接触ダンパー３が、スレーブアーム２１を伸ばすことによって徐々に伸ばされる。そして、接触ダンパー３は作業対象物である構造体５１に接触する。接触ダンパー３の構造体５１への接触によって、スレーブアーム２１が支持される。

第３操作工程では、接触ダンパー３が構造体５１から受ける反力がマスタ操作装置２２にフィードバックされる。すなわち、操作員は、接触ダンパー３が受ける反力を操作部で感じとる。操作員は、例えば反力が一定の範囲内になるよう力の調整を行いながらスレーブアーム２１を遠隔操作して、作業用ツール４を構造体５１の目標位置（作業位置）へ移動させることができる。つまり、第３操作工程では、反力がフィードバックされたマスタ操作装置２２の操作部の動きに対応して、スレーブアーム２１の遠隔操作がさらに実行される。ここで、スレーブアーム２１が作業位置に到達した後も、接触ダンパー３を構造体５１に接触させたまま、スレーブアーム２１の自重を構造体５１で支えるように寄り掛けておくことで、スレーブアーム２１の先端を安定させることができる。操作員は、スレーブアーム２１先端の作業用ツール４の構造体５１に対する位置を決定して、安定した状態で、所定の作業を行うことができる。

上記の手順によれば、スレーブアーム２１を構造体５１に接近させる際に、接触ダンパー３を構造体５１へ接触させることで、スレーブアーム２１が構造体５１にぶつかってスレーブアーム２１に急な反力が生じることを防ぐことができる。また、スレーブアーム２１で作業を行う際に、スレーブアーム２１と構造体５１との相対位置（距離）を保った状態でスレーブアーム２１を構造体５１に沿って移動させることができる。そのため、移動台１３が移動したり揺れたりして不安定な場合であっても、スレーブアーム２１の姿勢を安定させることができ、カメラ画像又は距離センサによる位置制御だけに頼らずにスレーブアーム２１を容易に遠隔操作することができる。

＜第２実施形態＞
図２は、本開示の第２実施形態に係る遠隔操作システム１の部分拡大図である。図２で省略されている高所作業車１１の部分は図１と同じである。本実施形態に係る遠隔操作システム１は、接触部材の構成内容、数及び位置が第１実施形態と異なる。重複説明を回避するため、第１実施形態と異なる構成が以下に説明される。本実施形態において、スレーブアーム２１の先端に接触ダンパー３が取り付けられている。詳細に述べると、スレーブアーム２１の先端に取り付けられた作業用ツール４の近傍に接触ダンパー３が取り付けられている。これにより、作業用ツール４で作業を行う際に接触ダンパー３によって作業用ツール４の姿勢を安定して保持することができる。

また、本実施形態において、接触部材は、接触ダンパー３に加えて、接触カバー５を含む。接触カバー５はスレーブアーム２１に複数取り付けられている。接触カバー５は盾状の湾曲した接触面を有している。また、接触カバー５は、スレーブアーム２１の複数の関節にそれぞれ取り付けられており、接触カバー５が構造体５１に接触した際の反力がアームの関節部分に伝わるようになっている。ここで、接触カバー５は、１つの関節に対して複数が取り付けられていることが好ましく、アームの関節の外側（屈曲方向外側）に接触面が向くように取り付けられることが好ましい。また、接触カバー５は、関節の屈曲に合わせて回転するように移動してよい。また、複数の接触カバー５を１つの関節に取り付ける場合に、複数の接触カバー５が互いに間隔を空けたまま移動してよいし、関節の屈曲に合わせて接触カバー５同士が重なり合うことが可能であってよい。

さらに、図３に示すように、接触部材は、接触ダンパー３と同様に緩衝機能を備えるダンパー構造６を有する接触カバー５で構成されてよい。図３の例において、接触ダンパー３を含む全ての接触部材はダンパー構造６を有する。

本実施形態に係る遠隔操作システム１は、特に構造体５１の形状が複雑で作業箇所が狭い場合などに好適に用いられる。スレーブアーム２１に複数の接触部材を取り付け、特に関節部分を接触カバー５で保護することによって、スレーブアーム２１が構造体５１の作業箇所以外の部分にぶつかってスレーブアーム２１に急な反力が生じることを防ぐことができる。また、スレーブアーム２１を複数の接触部材によって支持することができるため、構造体５１に対してスレーブアーム２１の姿勢をさらに安定させることができる。ここで、図２及び図３の接触部材の数などは一例であって、接触部材は複数の関節の少なくとも１つに取り付けられていればよい。

以下、本開示の効果を実施例に基づいて具体的に説明するが、本開示はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例）
本実施例において、図２の遠隔操作システム１が用いられた。スレーブアーム２１として、６自由度の関節を有する垂直多関節型のロボットアームが使用された。スレーブアーム２１として使用された垂直多関節型のロボットアームは、本体重量が４０ｋｇ、最大リーチ長さが１３００ｍｍ、最大可搬重量が１２ｋｇである。

マスタ操作装置２２として、６自由度の関節を有する垂直多関節型のロボットアームが使用された。

高所作業車１１は、製鉄所の保守点検、清掃作業などで使われる一般的な作業車が使用された。ブーム１２の最大高さは５０ｍであった。また、高所作業車１１の最大載荷重量は２００ｋｇであった。

作業用ツール４として、１００ＭＰａの水圧の高圧洗浄機（洗浄ノズル）がスレーブアーム２１の先端に取り付けられた。高圧洗浄機は、手持ちも可能な５ｋｇの重量である。通常の人手作業でも、この高圧洗浄機を用いて１時間程度の作業が問題なく行われる。スレーブアーム２１の先端に取り付けられた高圧洗浄機を用いて、鋼構造物のダスト洗浄及び表面の錆びを落とすケレン作業が行われた。

比較のために、同じ高圧洗浄機を用いて人手作業が行われた。高圧洗浄機を手持ちする人手作業では、高所作業車１１の移動台１３を高さ４０ｍの位置まで上げたところで、風の影響を受けて±１００ｍｍ程度の揺れが生じて、洗浄及びケレンにムラが生じた。

実施例として、接触ダンパー３が取り付けられたスレーブアーム２１を、同じ移動台１３に搭載して、高さ４０ｍの位置まで上げた。移動台１３が揺れる中で、マスタ操作装置２２でスレーブアーム２１を伸ばして、関節にある接触カバー５を鋼構造物に押し当てるように接触させたところ、スレーブアーム２１の揺れを抑えることができた。

移動台１３の高さはそのままで、接触カバー５によってスレーブアーム２１を鋼構造物に寄り掛けて、移動台１３を水平方向へ１ｍ移動させた。このとき、マスタ操作装置２２の操作において、スレーブアーム２１からの反力が一定の範囲内になるように力が調整された。

目標とする作業エリアで移動台１３の移動が止められた。目標とする作業エリアにおいて、スレーブアーム２１の遠隔操作だけによって、鋼構造物の５０ｃｍ×５０ｃｍの面積の洗浄及びケレン作業が行われた。

スレーブアーム２１に取り付けたカメラからの映像は操作室１４のモニターに表示されていたが、作業中において、高圧洗浄機の水膜によって鋼構造物がほとんど見えなかった。しかし、接触ダンパー３からの反力を一定にしながらの遠隔操作によって、高圧洗浄機と鋼構造物の距離を一定に保つことができ、洗浄作業及びケレン作業を安定して行うことができた。

以上のように、本開示の実施形態に係る遠隔操作システム１及びマニピュレータの遠隔操作方法は、上記の構成及び工程によって、マニピュレータを遠隔操作する際に、作業対象物に対してマニピュレータの姿勢を安定させて、マニピュレータに急激な力が作用することがないようにできる。そのため、本開示の実施形態に係る遠隔操作システム１及びマニピュレータの遠隔操作方法は、マニピュレータを容易に遠隔操作可能にする。

本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部又は各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示に係る実施形態は装置が備えるプロセッサにより実行されるプログラム又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

上記の実施形態において主に高所作業を例に説明したが、本開示の実施形態に係る遠隔操作システム１及びマニピュレータの遠隔操作方法は、高所のみならず、難所、高温環境下、粉塵環境下、アクセスが困難な建築物又は構造物などで行われる作業の全般で使用され得る。

１ 遠隔操作システム
２ 制御装置
３ 接触ダンパー（接触部材）
４ 作業用ツール（エンドエフェクタ）
５ 接触カバー（接触部材）
６ ダンパー構造
１１ 高所作業車
１２ ブーム
１３ 移動台（高所作業台）
１４ 操作室
２１ スレーブアーム（マニピュレータ）
２２ マスタ操作装置
２３ ケーブル
５１ 構造体（作業対象物）

Claims (6)

1. 操作部を備えるマスタ操作装置と、
   移動自在な移動台に搭載されて、作業対象物に対して所定の作業を行う作業用ツールを備えるマニピュレータと、
   前記マニピュレータから張り出すように前記マニピュレータに取り付けられ、前記作業対象物に接触する接触部材と、
   前記接触部材が前記作業対象物から受ける反力を前記マスタ操作装置へフィードバックし、前記操作部の動きに対応するように前記マニピュレータを遠隔操作する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   カメラ画像又は距離センサによる位置制御によって、前記移動台を前記作業対象物に接近させる接近させる第１制御と、
   前記第１制御の後に、前記操作部の動きに対応するように前記マニピュレータを遠隔操作し、前記マニピュレータから張り出すように前記マニピュレータに取り付けられた接触部材を前記作業対象物に接触させる第２制御と、
   前記第２制御の後に、前記接触部材が前記作業対象物から受ける反力を前記マスタ操作装置へフィードバックする第３制御と、を実行する、遠隔操作システム。
2. 前記接触部材はダンパー構造を有する、請求項１に記載の遠隔操作システム。
3. 前記接触部材の先端には、前記作業対象物に沿って摺動する摺動体又は前記作業対象物に接合する接合体が設けられている、請求項１又は２に記載の遠隔操作システム。
4. 前記作業用ツール及び前記接触部材は、前記マニピュレータの先端に取り付けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の遠隔操作システム。
5. 前記マニピュレータは複数の関節を備え、
   前記接触部材は、前記複数の関節の少なくとも１つに取り付けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の遠隔操作システム。
6. 移動自在な移動台に搭載されて、作業対象物に対して所定の作業を行う作業用ツールを備えるマニピュレータの遠隔操作方法であって、
   カメラ画像又は距離センサによる位置制御によって、前記移動台を前記作業対象物に接近させる接近させる第１工程と、
   前記第１工程の後に、マスタ操作装置の操作部の動きに対応するように前記マニピュレータを遠隔操作し、前記マニピュレータから張り出すように前記マニピュレータに取り付けられた接触部材を前記作業対象物に接触させる第２工程と、
   前記第２工程の後に、前記接触部材が前記作業対象物から受ける反力を前記マスタ操作装置へフィードバックする第３工程と、を含む、マニピュレータの遠隔操作方法。

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