JPH0458528B2

JPH0458528B2 -

Info

Publication number: JPH0458528B2
Application number: JP5523384A
Authority: JP
Inventors: Kozo Ono
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1984-03-24
Filing date: 1984-03-24
Publication date: 1992-09-17
Also published as: JPS60199126A

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、荷役運搬機械等に備
えられたマニピユレータを制御するマニピユレー
タ用制御装置に関する。

〔発明の背景〕

土木建設機械、荷役運搬機械等においては、機
械本体に作業用アタツチメント本体および作業機
構より成る作業用アタツチメントを備え、オペレ
ータがこの作業用アタツ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、この作業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機構１５
（図示の場合はバケツト９がこれに該当する）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およびアー
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
B0138「産業用ロボツト記号」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符号が付してある。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１，７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。１
８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、複数の自
由度を有する作業機構を取付けた油圧シヨベルを
次図に表現してみる。

第３図ａ，ｂは油圧シヨ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てある。第２図に
示す油圧シヨベルと第３図に示す油圧シヨベルと
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。これにしたがつて、作業機構１５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、例えば対向した位置に爪２３ａ，２３ｂ
を有し、この爪２３ａ，２３ｂ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ヨベルにおいて、
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ω_s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。一方、作業
機構１５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ω_pi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ｚ軸と平行な軸上に角速
度ω_ya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、回転機構２２
をｘ軸上に角速度ω_rpである時間回動すると把持
具２３は所望の角度だけ回転する。このような
ｘ，ｙ，ｚ軸に関する回動により、作業機構１５
は所望の姿勢をとり得るのである。

ところで、従来、作業機構１５を所望位置で所
望姿勢とするには、上記各駆動部１７，１８，１
９および各機構２０，２１，２２をそれぞれ対応
する１本の操作レバーで駆動することにより行な
つていた。したがつて、操作レバーは６本とな
り、作業機構１５の位置および姿勢の制御には必
然的に操作中における操作レバーの持ち替えを要
することとなる。このような操作レバーの持ち替
えは第３図ａ，ｂに示すようなマニピユレータの
操作においては、致命的な欠陥となる。以下、そ
の理由を説明する。今、把持具２３で物体２４を
把持し、作業機構１５の姿勢を変えることにより
物体２４の姿勢を変えようとする場合を考える
と、上下振り機構２０、左右振り機構２１および
回転機構２２を駆動すると、当然物体２４の位置
が変化する。このため、物体２４を同一場所に位
置せしめ、その姿勢だけを変えようとする場合に
は、上下振り機構２０、左右振り機構２１および
回転機構２２を制御すると同時に、その位置の変
化を補正するため旋回体回転駆動部１７、ブーム
回動駆動部１８およびアーム回動駆動部１９をも
制御しなければならない。このような補正は、作
業機構１５の姿勢を変える場合には常に必要とな
る。実際上の作業においても、まず予め作業機構
１５の概略の位置決めをしておき、次いで姿勢を
変え、これによりずれた位置を補正し、再び姿勢
を変えるという動作を繰り返えして所望位置、所
望姿勢を得ている。このように、把持具２３を所
望位置に所望姿勢で臨ませるには、６本の操作レ
バーを頻繁に持ち替えて操作しなければならず、
その制御は極めて困難になるという致命的な欠陥
を生じるのである。加えて、各駆動部１７，１
８，１９および各機構２０，２１，２２の各アク
チユエータの駆動関係を適当に保持しつつ把持具
２３の位置および姿勢を任意に調節することは、
作業用アタツチメント１６の各リンク機構上の特
徴を充分知り盡したうえでそれらの動きを把持具
２４の位置と姿勢との関係に迅速に反映させるこ
とができる者のみがなし得ることであり、これに
は高度の熟練を要し、この点からも、非熟練者に
とつて、把持具２３の位置および姿勢制御は極め
て困難であつた。なお、操作レバーには、１本の
操作レバーで２つのアクチユエータを操作する方
式のものが存在するが、このような操作レバーを
採用したとしても上記の例では３本を要し、その
持ち替えの頻度は減少するものの、持ち替えを頻
繁に行なう必要があることに変りなく、又、その
操作には却つてより一層の熟練を要し、制御の困
難さに変りはない。

〔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、操作レバーを持ち替える
ことなく１つの操作装置で操作することができ、
又、初心者でも容易に操作することができるマニ
ピユレータ用制御装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、三次元空間内を移動可能な作業用ア
タツチメント本体と、この作業用アタツチメント
本体の所定部分に取付けられた１以上の自由度を
もつ作業機構とを備えたマニピユレータにおい
て、握り部、この握り部を支持するほぼ直線状の
支持部分、前記握り部に装着され前記支持部分の
置かれた基準軸と直角な平面内の直交する２つの
軸について当該握り部に加えられた前記作業機構
の直線方向変位に対応する力成分および前記作業
機構の回転変位に対応する回転力成分の少なくと
も１つを検出する第１の検出手段、ならびに前記
支持部分に装着され前記基準軸について当該支持
部分に加えられた前記作業機構の前記基準軸方向
の変位に対応する力成分および前記作業機構の前
記基準軸と直交する平面内の回転変位に対応する
回転力成分の少なくとも一方を検出する第２の検
出手段で構成された操作装置と、前記第１の検出
手段および前記第２の検出手段の信号に基づいて
前記作業用アタツチメント本体を駆動するアクチ
ユエータおよび前記作業機構を駆動するアクチユ
エータのうちの対応するアクチユエータの駆動を
制御する駆動制御機構とを設けたことを特徴とす
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第４図は本発明の第１の実施例に係るマニピユ
レータ用制御装置の操作レバーの斜視図である。
図で、２５は操作レバーを示し、球状の握り部２
６、握り部２６に連結されてこれを支持する軸部
２７およびこの軸部２７を支持する支持部２８で
構成されている。握り部２６は手との摩擦が大き
い表面性状となつていて、握り部２６を手で握つ
て操作する場合、手が滑らないようにされてい
る。一般的に言つて、第４図に示される形状の操
作レバーは手で握り部を握つて軸部２７を倒す構
成（変位形操作レバー）となつているのが通常で
ある。しかしながら、本実施例の操作レバー２５
はこのような通常の変位形操作レバーとはその操
作態様を全く異にするものである。即ち、操作レ
バー２５は力および回転力が加えられても全く変
位しないか又は極微小の変位しかしないように構
成されている。

操作レバー２５の握り部２６の中心には、握り
部２６に加えられた力、回転力成分を検出する第
１の検出部２９₁が備えられ、又、ほゞ直線状の
支持部２８には、握り部２６に加えられ軸部２７
および支持部２８を経て伝達される力、回転力成
分を検出する第２の検出部２９₂が備えられてい
る。ここで、これら第１の検出部２９₁および第
２の検出部２９₂の構成、作用を説明するに先立
ち、握り部２６に加えられる力、回転力成分につ
いて説明する。

以下、説明を簡単にし且つ最も実用的な例とし
て、支持部２８が垂直軸ｚ上に設けられている例
で説明する。握り部２６には、検出部２９₁の中
心部分で交叉するｘ軸，ｙ軸およびｚ軸が想定さ
れる。今、第３図ａ，ｂにおいて、把持具２３を
三次元空間のある方向にある速度で移動させる位
置制御を行つた場合、その速度は各基準軸毎の移
動速度成分に分解することができる。これらの移
動速度成分をそれぞれ図示の如くV_x，V_y，V_zと
する。又、把持具２３自体を三次元空間のある方
向にある角速度で回動させる姿勢制御を行なつた
場合、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_x，ω_y，ω_zとする。

一方、操作レバー２５の握り部２６に三次元空
間のある方向の力を加えると、その力は前記想定
された各軸毎の力の成分F_x，F_y，F_zに分解する
ことができる。又、操作レバー２５の握り部２６
に三次元空間のある方向の回転力を加えると、そ
の回転力は前記想定された各軸毎の回転力成分
M_x，M_y，M_zに分解することができる。

これらのことから、移動速度成分V_x，V_y，V_z
と力の成分F_x，F_y，F_z、および回転角速度成分
ω_x，ω_y，ω_zと回転力成分M_x，M_y，M_zが比例す
るように関連づけることができれば、握り部２６
に力の成分F_x，F_y，F_zおよび回転力成分M_x，
M_y，M_zを適宜作用せしめることにより、所望の
移動速度成分V_x，V_y，V_zと所望の回転角速度成
分ω_x，ω_y，ω_zを得ることができ、把持具２３の
位置制御および姿勢制御を行なうことができる筈
である。そして、力の成分F_x，F_y，F_zおよび回
転力成分M_x，M_y，M_zは１つの握り部２６にこ
れらの合成力、合成回転力として同時に作用させ
ることができるのであるから、把持具２３の位置
制御および姿勢制御も同時に行ない得るのであ
る。握り部２６に備えられた第１の検出部２９₁
は、握り部２６に作用したこれら力、回転力のう
ち、上記力の成分F_x，F_yおよび回転力成分M_x，
M_yを個々に検出する機能を有し、又、支持部２
８に備えられた第２の検出部２９₂は、握り部２
６に作用した力、回転力のうち、軸部２７を介し
て伝えられる上記力の成分F_z、および回転力成分
M_zを個々に検出する機能を有する。ここで、第
１の検出部２９₁と第２の検出部２９₂とを分けて
設置した理由について説明する。

握り部２６、軸部２７および支持部２８はそれ
ぞれ互いに固定して連結された構成となつてい
る。したがつて、握り部２６に加えられた力、回
転力は軸部２７および支持部２８にも伝達され
る。それ故、力の成分F_x，F_y，F_zおよび回転力
成分M_x，M_y，M_zを検出する検出部は握り部２
６、軸部２７、支持部２８のいずれに設置しても
検出可能のはずである。しかしながら、今、仮に
力の成分F_x，F_y，F_zおよび回転力成分M_x，M_y，
M_zを検出する検出部を支持部２８に設け、かつ、
この検出部においてｘ軸，ｙ軸，ｚ軸が交叉して
いる場合について考えると、次のような不具合を
生じる。即ち、握り部２６に力F_xを作用させる
と、その力F_xは軸部２７を介して支持部２８に
設けられた検出部により検出される。しかし、同
時に、力F_xによつてその検出部に想定される基
準軸の１つｙ軸まわりに回転力成分M_yが発生す
ることになる。そして、この回転力成分M_yの大
きさは、握り部２６の中心と支持部２８の検出部
との間の距離をｌとすると、F_x・ｌである。結
局、握り部２６には力F_xのみを作用させたにも
かかわらず、検出部は力F_xと同時に何等作用さ
せていない回転力M_yまでも出力してしまうこと
になる。同様に、握り部２６に回転力M_yのみを
作用させても、検出部は回転力M_yとともに何等
作用させていない力F_x（F_x＝M_y／ｌ）までも出力
してしまう。このようにして、力F_xと回転力M_y
の入力は互いに干渉し合うことになる。このよう
な干渉は力F_yと回転力M_xとの間にも存在するの
は明らかである。以上のことから、力F_x，F_yお
よび回転力M_x，M_yの検出を支持部２８に設けら
れた検出部により行なうことは、当該干渉を排除
する手段が必要であり、不適当である。検出部を
軸部２７に設けることも同様の理由により不適当
である。これに対して、握り部２６に加えられた
力および回転力のｚ軸方向の力の成分F_zおよび回
転力成分M_zは距離ｌの影響はなく何等干渉なく
検出することができる。

以上の理由から、検出部の設置個所には制約が
生じる。即ち、力の成分F_x，F_yおよび回転力成
分M_x，M_yの検出部は距離ｌに影響されない個所
に設置する必要があり、その個所としては握り部
２６の中心部が最適である。そして、握り部２６
が球形でない場合には、握り部を手で握つた場
合、その握りの中心付近が当該検出部設置個所と
して最適である。一方、力の成分F_zおよび回転力
成分M_zの検出部は、握り部２６、軸部２７およ
び支持部２８のいずれに設置しても干渉を生じる
ことはない。そして、以上の理由により、前記第
１の検出部２９₁は力の成分F_x，F_yおよび回転力
成分M_x，M_yの検出を担当する検出部とされ、前
記第２の検出部２９₂は力の成分F_zおよび回転力
成分M_zの検出を担当する検出部とされるのであ
る。支持部２８が例えばｘ軸方向に設けられ、
ｙ，ｚ軸方向の検出部が握り部２６に設けられる
場合も全く同様であることを述べる。

次に、第１および第２の検出部２９₁，２９₂の
公知の１例についてその概略を説明する。

第５図は第４図に示す検出部の斜視図である。
図で、２９Ａは第１の剛体部（図示されていな
い。）に連結された第１のリング、２９Ｂは第２
の剛体部（図示されていない。）に連結されると
ともに第１のリング２９Ａに対向して設けられた
第２のリングである。２９Ｃは第１のリング２９
Ａと第２のリング２９Ｂを連結するたわみ梁であ
り、このたわみ梁２９Ｃは３本設けられている。
２９Ｄは各たわみ梁２９Ｃの内面に設けられた引
張・圧縮力検出ゲージ、２９Ｅは各たわみ梁２９
Ｃの外面に設けられた剪断力検出ゲージである。

このような構成において、例えば第１の剛体部
に対して何等かの力が作用すると、この力は第１
のリング２９Ａ、各たわみ梁２９Ｃ、第２のリン
グ２９Ｂを介して第２の剛体部へ伝達される。こ
の力の伝達過程において、各たわみ梁２９Ｃ作用
した力に応じてたわみ、このたわみは各検出ゲー
ジ２９Ｄ，２９Ｅにより検出される。即ち、引
張・圧縮力検出ゲージ２９Ｄは主として力の成分
F_x，F_yおよび回転力成分M_zを検出し、剪断力検
出ゲージ２９Ｅは主として力の成分F_zおよび回転
力成分M_x，M_yを検出する。この各成分F_x，F_y，
F_z，M_x，M_y，M_zの個々の検出は、各たわみ梁
２９Ｃの各検出ゲージ２９Ｄ，２９Ｅからの信号
を計算機へ入力し、所要の演算を実行することに
より行なわれる。

したがつて、握り部２６を第４図に示すように
第１の検出部２９₁によつて上半部と下半部に分
割し、その上半部に所望の力又は回転力あるいは
その両方を加えると、加えられた力、回転力に応
じて各成分F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_zが得られ
る。同じく、支持部２８を第４図に示すように第
２の検出部２９₂によつて上半部と下半部に分割
し、握り部２６に加えられた力、回転力を軸２７
を介してその上半部に伝達すると、その力、回転
力に応じて各成分F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_zが
得られる。もちろんF_z，M_zを検出する手段とし
ては従来から一般的に知られている一軸ロードセ
ル及びトルクメータを用いても良いことは明らか
である。そして、第１の検出部２９₁から得られ
た力の成分F_x，F_yおよび第２の検出部２９₂から
得られた力の成分F_zと移動速度成分V_x，V_y，V_z
とが比例するように関連づけ、又、第１の検出部
２９₁から得られた回転力成分M_x，M_yおよび第
２の検出部２９₂から得られた回転力成分M_zと回
転角速度成分ω_x，ω_y，ω_zとが比例するように関
連づければ、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、上下振り機
構２０、左右振り機構２１および回転機構２２の
６自由度をもつ複雑な系統も１本の操作レバー２
５のみで自由に制御することができ、把持具２３
に所望の位置および姿勢をとらせることができ
る。しかも、把持具２３は、操作レバー２５に加
えられた力の方向にその力に比例した速度で移動
し、又、操作レバー２５に加えられた回転力の回
転中心と平行な回転中心内においてその回転力に
比例した回転速度で姿勢を変更するのであるか
ら、操作レバー２５に対する力、回転力の加え具
合と一致して把持具２３の位置および姿勢を制御
することができ、操作者は、恰かも、自身が直接
把持具２３又は物体２４を持つて動かしているか
の如く、自由に操作を行なうことができる。

次に、力の成分F_x，F_y，F_zと移動速度成分V_x，
V_y，V_zおよび回転力成分M_x，M_y，M_zと回転角
速度成分ω_x，ω_y，ω_zとを比例して関連づける手
段について説明する。

第６図は本発明の第１の実施例に係るマニピユ
レータ用制御装置の系統図である。図で、２５は
油圧シヨベルの動きとは無関係の位置（例えば地
上）に設けられた第４図に示す操作レバー、２９
は第４図および第５図に示す操作レバーの検出部
である。又、F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_zは操作
レバー２５に加えられた力および回転力の成分を
示す。３０は演算機構であり、検出部２９で検出
された力、回転力を演算処理して得られた各成分
F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_zに応じた信号S_x，
S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nzを入力してブーム回動
駆動部１８の駆動信号S_b、アーム回動駆動部１９
の駆動信号S_a、旋回体回転駆動部S_s、回転機構２
２の駆動信号S_rp、左右振り機構２１の駆動信号
S_yaおよび上下振り機構２０の駆動信号S_piを演算
して出力する。３１はサーボ系を示し、信号S_b応
じて図示しない油圧源からブーム回動駆動部１８
に流量Q_bを出力するブームサーボ装置３１−１
８、信号S_aに応じてアーム回動駆動部１９に流量
Q_aを出力するアームサーボ装置３１−１９、信
号S_sに応じて旋回体回転駆動部１７に流量Q_sを
出力する旋回体サーボ装置３１−１７、信号S_rp
に応じて回転機構２２に流量Q_rpを出力する回転
サーボ装置３１−２２、信号S_yaに応じて左右振
り機構２１に流量Q_yaを出力する左右サーボ装置
３１−２１および信号S_piに応じて上下振り機構
２０に流量Q_piを出力する上下サーボ装置３１−
２０の６つのサーボ装置より成る。３２は上記旋
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、上下振り機構２０、左右振
り機構２１、回転機構２２の各アクチユエータを
含むマニピユレータ装置を示す。

操作レバー２５に加えられた力、回転力の各成
分に応じた信号S_x〜S_nzは演算機構３０に入力さ
れ、演算機構３０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、把持具２３
に把持された物体２４を所望の位置に移動させ、
所望の姿勢とするために、そのような位置、姿勢
に応じて操作レバー２５に加えられた力、回転力
に対応して把持具２３を動かすためには、各アク
チユエータ１７，１８，１９，２０，２１，２２
をどのように駆動すればよいかを決定するための
演算である。例えば、把持具２３の位置に関与す
るのは上部旋回体２、ブーム５およびアーム７で
あるが、操作レバー２５に加えられた力に対応す
る方向およびその力の大きさに応じた速度で把持
具２３を移動させるには、上記３者をどのように
動かせばよいか、換言すればアクチユエータ１
７，１８，１９をどのように駆動すればよいかを
決定しなければならず、このような決定を行なう
には所定の演算が不可欠となる。勿論、この演算
には、作業機構１５に想定された基準軸と操作レ
バー２５に定められた基準軸とのずれによる力、
回転力のずれを補正する演算をも含まれる。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つても通常
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
るものではないので、演算機構３０における演算
の説明は下記の非線形方程式群を解くものである
ことを述べるにとどめる。

S_b＝F_b（S_x，S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nz） S_a＝F_a（S_x，S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nz） S_s＝F_s（S_x，S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nz） S_rp＝F_rp（S_x，S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nz） S_ya＝F_ya（S_x，S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nz） S_pi＝F_pi（S_x，S_y，S_z，S_nx，S_ny，S_nz）演算機構３０から出力された信号S_b，S_a，S_s，
S_rp，S_ya，S_piはサーボ系３１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ユ
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。各アクチユエータの駆動により
マニピユレータ装置が作動し、その把持具２３は
移動速度成分V_x，V_y，V_zを合成した速度（力の
成分F_x，F_y，F_zを合成した操作レバー２５に作
用する力に比例する速度）でその位置を変化し、
かつ、回転角速度成分ω_x，ω_y，ω_zを合成した速
度（回転力成分Ｍｘ，M_y，M_zを合成した操作レ
バー２５に作用する回転力に比例する速度）でそ
の姿勢を変化する。

なお、操作レバー２５の設置個所を油圧シヨベ
ル本体の適宜個所（例えば運転台）に選定すれ
ば、作業機構１５に想定された基準軸と操作レバ
ー２５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３０の演算は大巾に簡素化され
る。又、さきに述べたように、第２の検出部は軸
２７に設けることもできる。

このように、本実施例では、操作レバーの握り
部および支持部に力、回転力の検出部を設け、検
出された力、回転力の成分に基づいて演算機構に
より各アクチユ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ユエータに
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位置、姿勢に制御す
ることができる。又、操作レバーに加える力、回
転力の方向および大きさと把持具の移動、回転の
方向および速度とが比例するので、操作者の感覚
と一致した操作を行なうことができ、初心者であ
つてもその操作を容易に行なうことができる。さ
らに、水平方向の力、回転力成分の検出を操作レ
バーの握り部に設けた第１の検出部で行なうの
で、当該成分の検出を何等の干渉もなく正確に行
なうことができる。

第７図は本発明の第２の実施例に係るマニピユ
レータ用制御装置の系統図である。図で、第６図
に示す部分と同一部分には同一符号が付してあ
る。２５′は油圧シヨベル本体に設置された操作
レバーであり、その構成は第６図に示す操作レバ
ー２５と同一であり、ただ、その設置個所が異な
るのみである。３３は信号S_x，S_y，S_zに基づ
いて所定の演算を行なう演算機構であり、演算の
結果を信号S_b，S_a，S_sとして出力する。３４は油
圧駆動系を示し、３４−２２は回転機構２２を駆
動する油圧駆動装置、３４−２１は左右振り機構
２１を駆動する油圧駆動装置、３４−２０は上下
振り機構２０を駆動する油圧駆動装置であり、そ
れぞれ、検出部２９で検出された回転力に基づく
信号S_nx，S_ny，S_nzを入力して、各アクチユエー
タ２２，２１，２０にその信号に応じた流量Q_rp，
Q_ya，Q_pi，を供給する。本実施例がさきの第１の
実施例と異なるのは、信号S_nx，S_ny，S_nzを演算
機構を経ずに直接アクチユエータ２２，２１，２
０の駆動信号として用いた点およびアクチユエー
タ２２，２１，２０をサーボ装置を使用せず油圧
駆動装置を用いて駆動するようにした点にある。

通常、第３図ａ，ｂに示すような把持具２３の
基準姿勢を中心に考えたとき、角速度ω_xと回転
機構２２、角速度ω_yと上下振り機構２０、角速
度ω_zと左右振り機構２１とはほぼ対応する。即
ち、角速度ω_xはその大部分が回転機構２２の駆
動により生じ、角速度ω_yはその大部分が上下振
り機構２０により生じ、又、角速度ω_xはその大
部分が左右振り機構２１により生じる。そこで、
第１の実施例に示す演算により得られた信号S_rp，
S_ya，S_piの代りに直接、信号S_nx，S_ny，S_nzを用い
ても信号S_rp，S_ya，S_piを用いた場合と比較して大
きく変わるところはなく、実際の操作上もほとん
ど異和感がない。即ち、第１の実施例において
は、アクチユエータ２２，２１，２０に対する信
号は演算機構３０により正確に演算された信号
S_rp，S_ya，S_piを用いるので、把持具２３の動きは
操作レバー２５に加えた力、回転力と一致したも
のとなるが、本実施例では信号S_nx，S_ny，S_nzを
演算過程を経ずにそのまま用いるので、操作レバ
ー２５に加えた力、回転力と把持具２３の動きに
多少一致性を欠く場合が生じる。しかしながら、
その差異は操作者の操作感覚に格別顕著な影響を
与える程のものではなく、したがつて、操作者も
ほとんど異和感を覚えることなく操作を行なうこ
とができる。

一方、演算機構３３は次式で示す非線形方程式
群を解く演算を行なうことになる。

S_b＝g_b（S_x，S_y，S_z） S_a＝g_a（S_x，S_y，S_z) S_s＝g_s（S_x，S_y，S_z) の式から明らかなように、演算機構３３は３
系統の信号S_x，S_y，S_zを処理すればよく、６
系統の信号を処理する第１の実施例の演算機構３
０に比べ構成が簡素化され、演算時間も短縮さ
れ、併せてコストも低下する。さらに、サーボア
ンプ、サーボ弁等の高価な要素で構成されるサー
ボ装置を３系統に減少したので、そのコストを大
幅に低下させることができる。

このように、本実施例では、検出部で検出され
た回転力に基づく信号を、演算機構を経ることな
く、回転機構、左右振り機構、上下振り機構の駆
動信号として直接使用し、又、これら各機構の駆
動にサーボ装置を使用せずに油圧駆動装置を使用
したので、さきの実施例と同じ効果を奏するばか
りでなく、演算機構が簡素化され、マニピユレー
タ用制御装置全体のコストの低下を達成すること
ができる。

第８図は本発明の第３の実施例に係るマニピユ
レータ用制御装置の系統図である。図で、第７図
に示す部分と同一部分には同一符号が付してあ
る。３５は信号S_x，S_zに基づいて所定の演算を
行なう演算機構であり、演算の結果を信号S_a，S_b
として出力する。３４−１７は旋回体回転駆動部
１７を駆動する油圧駆動装置であり、信号S_yを
入力して旋回体回転駆動部１７に、信号S_yに応
じた油量Q_sを供給する。本実施例が第２の実施
例と異なるのは、信号S_yをも演算機構を経ずに
直接アクチユエータ１７の駆動信号として用いた
点およびアクチユエータ１７をサーボ装置を用い
ずに油圧駆動装置を用いて駆動するようにした点
にある。

ここで、把持具２３のｙ軸方向の移動は旋回体
回転駆動部１７の動きによつて生じる把持具２３
の円軌跡の接線方向にほぼ一致しているので、特
に、操作レバー２５が油圧シヨベル本体４又は作
業用アタツチメント１６の一部に設けられている
場合には、操作レバー２５に加えられた力F_yに
対応する信号S_yによりアクチユエータ１７を駆
動しても操作上の異和感は生じない。

一方、演算機構３５は次式で示す非線形方程式
群を解く演算を行なうことになる。

S_b＝h_b（S_x，S_z） S_a＝h_a（S_x，S_z）この式から明らかなように、演算機構３５は第２
の実施例の演算機構３３よりもさらに簡素化され
るのは明らかで、演算時間は短縮され、コストは
低下する。又、サーボ装置も１系統減少されるの
で、コストを低下させることができる。

このように、本実施例では、検出部で検出され
た回転力に基づく信号およびｙ軸方向の力の成分
の信号を演算機構を経ることなく、回転機構、左
右振り機構、上下振り機構、旋回体回転駆動部の
駆動信号として直接使用し、又、これら各アクチ
ユエータの駆動にサーボ装置を使用せずに油圧駆
動装置を使用したので、第１の実施例と同じ効果
を奏するばかりでなく、演算機構の簡素化、コス
トの低下は第２の実施例のものよりさらに著るし
くなる。

なお、以上の実施例の説明においては、油圧シ
ヨベルにおける制御装置を例示したが、油圧シヨ
ベルに限ることはなく、どのような種類のマニピ
ユ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、全体の自由度は６つに
限ることなく５つ以下でも適用でき、その場合、
演算機構は簡素化し得る。又、上記実施例の説明
では、作業具が、操作レバーに加えた力、回転力
に比例した移動速度、回転角速度で操作される例
について説明したが、当該力、回転力に比例した
移動変位、回転角変位で操作されるようにしても
よい。その場合、操作レバーから当該力、回転力
が除去されてもそのときの変位が保持されるよう
な手段を設けておけば、移動速度、回転角速度で
の制御と同様の制御を何等の支障なくなし得る。
又、操作レバーのマニピユレータにおける設置個
所はマニピユレータの運転席に限ることはなく、
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、作業具上のある個所に設置した場合
には、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、操作レバーの部の形状は、
四面体、六面体、手で握つたときその手の内部形
状と類似する形状等、力、回転力が正確に検出部
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。

以上述べたように、本発明では、三次元空間を
規定する３つの基準軸に関する力成分と回転力成
分のうちの少なくとも１つを操作装置に作用さ
せ、この作用した成分を２つの検出部で検出し、
この検出信号に基づいてマニピユレータのアクチ
ユエータを駆動制御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つの操作装置のみで
操作することができ、又、操作者の操作感覚と作
業具の動きとを一致させることができ、初心者に
も容易に操作することができる。

【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て表わした油圧シヨベル
の側面図、第３図ａ，ｂは作業機構を取付けた油
圧シヨベルの側面図および平面図、第４図は本発
明の第１の実施例に係るマニピユレータ用制御装
置の操作レバーの斜視図、第５図は第４図に示す
検出部の斜視図、第６図、第７図および第８図は
それぞれ本発明の第１、第２、第３の実施例に係
るマニピユ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……作業用アタツチメント本体、１５…
…作業機構、１６……作業用アタツチメント、１
７……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……
操作レバー、２６……握り部、２７……軸部、２
８……支持部、２９₁，２９₂……検出部、３０，
３３，３５……演算機構、３１……サーボ系、３
２……マニピユレータ装置、３４……油圧駆動
系。

Claims

【特許請求の範囲】１三次元空間内を移動可能な作業用アタツチメ
ント本体と、この作業用アタツチメント本体の所
定部分に取付けられた１以上の自由度をもつ作業
機構とを備えたマニピユレータにおいて、握り
部、この握り部を支持するほぼ直線状の支持部
分、前記握り部に装着され前記支持部分の置かれ
た基準軸と直角な平面内の直交する２つの軸につ
いて当該握り部に加えられた前記作業機構の直線
方向変位に対応する力成分および前記作業機構の
回転変位に対応する回転力成分の少なくとも１つ
を検出する第１の検出手段、ならびに前記支持部
分に装着され前記基準軸について当該支持部分に
加えられた前記作業機構の前記基準軸方向の変位
に対応する力成分および前記作業機構の前記基準
軸と直交する平面内の回転変位に対応する回転力
成分の少なくとも一方を検出する第２の検出手段
で構成された操作装置と、前記第１の検出手段お
よび前記第２の検出手段の信号に基づいて前記作
業用アタツチメント本体を駆動するアクチユエー
タおよび前記作業機構を駆動するアクチユエータ
のうちの対応するアクチユ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
ピユレータ用制御装置。２特許請求の範囲第１項において、前記駆動制
御機構は、前記各検出手段の信号に基づいて前記
各アクチユエータの移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
記各アクチユ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
ユレータ用制御装置。３特許請求の範囲第１項において、前記駆動制
御機構は、前記各検出手段の信号に基づいて前記
作業用アタツチメント本体の各アクチユエータの
移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作業用アタツチメ
ント本体の各アクチユエータの駆動出力を発生す
るサーボ装置と、前記各検出手段の信号に基づい
て前記作業機構の各アクチユエータの駆動出力を
発生する駆動出力発生手段とで構成されているこ
とを特徴とするマニピユレータ用制御装置。４特許請求の範囲第２項又は第３項において、
前記アクチユエータの移動に関与する値は、当該
アクチユエータの移動速度であることを特徴とす
るマニピユレータ用制御装置。５特許請求の範囲第２項又は第３項において、
前記アクチユエータの移動に関与する値は、当該
アクチユエータの変位量であることを特徴とする
マニピユレータ用制御装置。