JPH0790476B2 - 建設作業ロボットによる長尺物据付け方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はヒューム管等の長尺据付物を所定の据付け位置
に自動的にセットする建設作業ロボットによる長尺物据
付け方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、上下水道等の配管に使用されるヒューム管の敷設
は、建設用のパワーシャベルを用いて２〜３人の作業員
により行なわれていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来方法では、敷設作業能率が悪
く、危険な作業であるばかりでなく、ヒューム管を所定
の敷設位置に正確に据付けることが困難である等の問題
点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、その目的とするところは、ヒューム管等の長尺
据付物を能率良く、しかも高精度に且つ自動的に据付け
ることのできる建設作業ロボットによる長尺物据付け方
法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の建設作業ロボットによる長尺物据付け方法は、
バックホー等の移動式建設作業装置のアーム先端部に、
ヒューム管等の長尺据付物を把持しながら姿勢および位
置制御を行なうマニピュレータを取付けると共に、上記
長尺据付物にセットしたセンサーにより、据付け位置に
発射した基準レーザビームを検知して上記マニピュレー
タに制御信号を発信するようにしたことを特徴とするも
のである。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図に於て、１はバックホー等の移動式建設作業装置
であって、下部走行体1aに対して上部旋回1bが左右に旋
回できるようになっている。

上記建設作業装置１の上部旋回体1bにはブーム1cおよび
アーム1dが俯仰（上下方向に回動）自在に順次連結して
設けられている。

上記アーム1dにはスライドアーム1eが長手方向に摺動自
在に取付けられていて、その先端部にはベース板２が枢
着されており、枢着軸2aを中心に油圧シリンダ３により
傾動できるようになっている。

上記ベース板２の下側には固定基板４が一体的に固着さ
れている。尚、ベース板２と固定基板４は一体に形成さ
れた部材であってもよい。

上記固定基板４の前後端部の下側には、案内ブロック4a
が一体的に取付けられていて、水平移動部材５の上側に
設けられたレール5aをＺ方向に摺動案内している。

上記案内ブロック4aとレール5aとの間には、第２図に示
すように、鋼球６が介挿されていて、上記水平移動部材
５を円滑かつ高精度に移動案内できるようになってい
る。

上記前後の水平移動部材５は、各々の両端部が連結部材
７により相互に連結され、全体として矩形状の枠体を構
成している。

従って、上記水平移動部材５および連結部材７は一体と
なって、油圧シリンダ８によりＺ方向に往復移動される
ようになっている。

９は横移動アームであって、上記連結部材７の長手方向
（水平移動部材５に対して直角方向）に沿って案内さ
れ、油圧シリンダ10によりＸ方向に往復移動されるよう
になっている。

尚、一方の横移動アーム９の上端部は、第３図に示すよ
うに、移動ブロック9a枢着軸9bに枢着されていて、該移
動ブロック9aは上記連結部材７のレール7aに案内される
ようになっており、上記横移動アーム９はγ方向に回動
できるようになっている。

上記横移動アーム９の側方に設けられたブロック9aには
縦移動アーム11のレール11aが上下方向に案内されてい
て、油圧シリンダ12によりＹ方向に往復移動されるよう
になっている。尚、上記ブロック9aとレール11aの間に
も鋼球が介挿されている。

第４図からも明らかなように、上記縦移動アーム11の下
端部にはボールジョイント11aが設けられていて、これ
にグリッパ13の上端部が全方向に傾動可能に連結されて
いる。

上記グリッパ13は逆Ｔ字状のグリッパ本体13aと把持爪1
3bから構成されている。該把持爪13bは枢着軸13cを中心
に回動自在に取付けられており、ヒューム管Ｐを両側か
ら把持するようになっている。左右の把持爪13bの基部
は上記グリッパ本体13aの中央部に向けて相互に向い合
うように延設されており、その先端部には溝穴13dが向
い合うように形成されている。該溝穴13dには油圧シリ
ンダ14のロッド先端部に取付けられているピン14aが係
合しており、油圧シリンダ14を作動させることにより両
把持爪13b,13bを開閉作動させるようになっている。

以上説明した機構は把持したヒューム管Ｐの姿勢・位置
を制御するマニピュレータ部であって、ヒューム管Ｐを
前後（Ｘ方向）、上下（Ｙ方向）、左右（Ｚ方向）に移
動させる制御の他に、垂直面上での回転（β方向傾斜）
および水平面上での回転（α方向傾斜）制御を行なう、
いわゆる５自由度でヒューム管Ｐを制御操作することが
できるものである。

上記ヒューム管Ｐ内には、第５図からも明らかなよう
に、センサー筒15が抜差し自在に挿設されていて、その
軸方向にヒューム管Ｐの姿勢・位置の基準となるレーザ
ービームＢが通過するようになっている。

上記センサー筒15にはハーフミラー16と２個のセンサー
ユニット17,18がセットされている。上記ハーフミラー1
6はレーザービームＢの発射方向に近い前方部に45°傾
斜角で配置されている。一方のセンサーユニット17は、
上記ハーフミラー16の反射方向のセンサー筒15から外れ
た位置に配置されていて、上記ハーフミラー16により分
光されて反射されるレーザービームＢ′を受光するよう
になっている。他方のセンサーユニット18は、センサー
筒15の中心線上の後方部に配置されていて、ハーフミラ
ー16を透過した分光レーザービームＢ″を受光するよう
になっている。上記反射ビーム受光用のセンサーユニッ
ト17と透過ビーム受光用のセンサーユニット18とは、ハ
ーフミラー16からの距離が各々異なって（本実施例では
センサーユニット17の方がハーフミラー16に近い）い
て、第５図に仮想線で示すようにハーフミラー16とセン
サーユニット18との間にセンサーユニット17の虚像が位
置するようになっている。従って、センサーユニット17
はセンサー筒15の中心線上の虚像位置に配設されている
ものとして機能する。

19はレーザービーム発信器、20は円周上に多数の小穴20
aを一定間隔であけて配列した回転円板のチョッパ、お
よび21はセンサー回路である。上記チョッパ20は、例え
ば20個の小穴20aをあけて、50Hzで回転させると、レー
ザービームＢを1KHzのパルス光に変えることができる。

上記センサーユニット17は、第6A図および第6B図に示す
ように、円筒内を十字隔壁17aにより断面扇状の４個の
受光室17bに分割され、各受光室17bの表面にはすりガラ
ス状塩ビシート等から成る拡散スクリーン17cが張装さ
れていて、レーザービームＢを拡散して受光室17b内に
導入するようになっている。

各受光室17bの底部には各室３個ずつのフォトダイオー
ド17dが配置されていて、上記センサー回路21に電気的
に接続されている。17eは干渉フィルターである。

尚、センサーユニット18も上記センサーユニット17と同
様の構造となっている。

次に、上記実施例装置による作用について説明する。

まず、建設作業装置１をヒューム管Ｐの現場ストックヤ
ードまで走行させて、第７図に示すような、電磁弁22を
オペレーターが手で操作して、グリッパ13の油圧シリン
ダ14を作動せしめ、ヒューム管Ｐの両端部をグリッパ13
の把持爪13bにより把持せしめる。

ヒューム管Ｐを把持した状態で上記建設作業装置１を管
敷設個所まで移動させると共に、上記ヒューム管Ｐ内に
センサー筒15をセットする。尚、センサー筒15のセット
時期はヒューム管Ｐの移動中または移動管であってもよ
い。

続いて、上記建設作業装置１の上部旋回体1bの旋回運
動、ブーム1cやアーム1dの俯仰運動、或いはベース板２
の傾動運動等の各制御機構により手動で、第８図に示す
ように、既に敷設されているヒューム管Ｐ′の接続側の
基準レーザービームＢ位置に近い所まで近づける。

ヒューム管Ｐの接続敷設位置の中心には、上述のように
予め基準レーザービームＢのパルス光がレーザービーム
発信器19から発射されているので、上記ヒューム管Ｐが
所定の接続敷設位置に近づくと、第５図に示すように、
レーザービームＢの一部はハーフミラー16により反射さ
れてセンサーユニット17方向に分光され、他部はハーフ
ミラー16を透過してセンサーユニット18方向に直進す
る。

センサーユニット17に到達したレーザービームＢは、第
6A図および第6B図に示すように、十字隔壁17aにより仕
切られた受光室17bのいずれか１室に入光する。この
際、レーザービームＢは拡散スクリーン17cにより拡散
されて底部のフォトダイオード17dに受光される。この
時干渉フィルター17eにより、レーザービームＢ以外の
太陽光等の不要な光線は透過せず、フォトダイオード17
dに受光されないようになっている。

受光されたレーザービームＢのパルス光はフォトダイオ
ード17dにより電流に変換され、第９図に示すように、
電流電圧変換回路23、バンドパスフィルター24、反転増
幅回路25、検波回路26を経てコンパレータ27に入り、こ
こで基準電圧と比較され、基準電圧を越えた場合には、
例えば＋10Vが出力され、越えない場合には−10Vが出力
される。

ところで、例えば第10図（Ａ）に示すように、レーザー
ビームＢのビームスポットｂが第１受光室17b₁に入光し
て、フォトダイオード17dに受光されると、ビームスポ
ットｂが矢印方向に移動するように制御がなされる。

従って、上記コンパレータ27から出力された受光信号
は、第11図に示すように、比較回路28に入り、サーボア
ンプ29を経てサーボ弁30を作動させる。

例えば第10図（Ａ）の矢印方向をＸ方向の制御とすれ
ば、上記サーボ弁30によりＸ方向のシリンダ10が作動す
る（第７図参照）。シリンダ10の位置はポテンシヨメー
タ31により検知され、その検知信号は上記比較回路28に
フィードバックされる。

シリンダ10の作用によりヒューム管Ｐのセンサーユニッ
ト17側がＸ方向に移動されて、ビームスポットｂが第10
図（Ｂ）に示すように受光室17b₂に移ると、受光室17b₁
内のフォトダイオード17dからの非受光信号（例えば−1
0V）により上記サーボバルブ30が働いてシリンダー10の
作動は停止し、次に第10図（Ｂ）の実線矢印のようにＹ
方向の制御が行なわれる。

Ｙ方向の制御では、サーボ弁32が働いてシリンダ12を作
動させると、ビームスポットｂは再び受光室17b₁に入る
ので、上述と同様にシリンダ10によるＸ方向制御が行な
われ、以下、第10図（Ｃ）（Ｄ）に示すように順次制御
が行なわれてビームスポットｂはセンサーユニット17の
中心に近づいて、ヒューム管Ｐのセンサーユニット17側
の位置制御が行なわれる。

尚、ヒューム管Ｐのセンサーユニット18側でも同様の制
御が行なわれ、その結果、ヒューム管Ｐの中心軸は基準
レーザービームＢに一致して正しい接続敷設姿勢に制御
される（第８図参照）。

尚、上記Ｙ方向の制御に際して、左右のシリンダ12は通
常独立して作動するので、第12図に示すように、ヒュー
ム管Ｐは垂直面上で傾斜する。この場合、上記ジョイン
ト9bおよびジョイント11bの働きにより上記傾斜姿勢の
制御は無理な力がかかることなく、円滑に行なわれる。

また、Ｘ方向の制御に際して、左右のシリンダ10も通常
独立して作動するので、第13図に示すように、ヒューム
管Ｐは水平面上で傾斜する。この場合にも、ジョイント
11bにより上記傾斜姿勢の制御は円滑に行なわれる。

以上のようにして、基準レーザービームＢとヒューム管
Ｐの中心位置のずれが修正されると、シリンダ８を作動
せしめて基準レーザービームＢ方向（Ｚ方向）にヒュー
ム管Ｐを移動して、上記既設のヒューム管Ｐ′に自動的
に接続する。

尚、油圧回路の油圧源としては建設作業装置１の油圧源
を利用するとよい。

上記センサーユニット17に於けるレーザービームＢの位
置決め方式の別の実施例としては、第14図に示すよう
に、上記チョッパ20からのパルス状のレーザービームＢ
を回転体33の回転中心に設けたミラー33aと、所定半径
位置に設けたミラー33bにより順次反射させてセンサー
ユニット17に投射し、上記回転体33を一定のスピードで
回転させると、第15図に示すように、センサーユニット
17にはレーザースポットｂの軌跡が所定半径をもって一
定スピードで回転するように描かれる。この場合、受光
室17b₁と17b₃、受光室17b₂と17b₄を対とし、レーザービ
ームＢが受光室17b₁と17b₃を通過するに要する時間（パ
ルス数でもよい）の差を電圧に変えてＸ方向移動指令出
力とすると共に、受光室17b₂と17b₄を通過するに要する
時間（パルス数でもよい）の差を電圧に変えてＹ方向移
動指令出力としてもよい。

各通過時間差（又は、パルス数の差）が等しくなった
時、基準レーザービームＢがセンサーユニット17の中心
に位置することになり、位置および姿勢制御が効果的に
なされる。

尚、センサーユニット18に於いても全く同様の制御が可
能である。

［発明の効果］ バックホー等の移動式建設作業装置のアーム先端部に、
ヒューム管等の長尺据付物を把持しながら姿勢および位
置制御を行なうマニピュレータを取付けると共に、上記
長尺据付物にセットしたセンサーにより、据付け位置に
発射した基準レーザビームを検知して上記マニピュレー
タに制御信号を発信するようにしたので、長尺物の据付
け作業を容易に自動化することができ、その結果、高精
度で能率良くヒューム管等の長尺物を所定の据付け位置
にセットすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の建設作業ロボットの一実施例を示す全
体斜視図、第２図および第３図は第１図の要部の拡大説
明図、第４図はグリッパの側面図、第５図はセンサー部
の構成図、第6A図はセンサーユニットの平面図、第6B図
はセンサーユニットの半断面図、第７図はシリンダ作動
用の油圧回路図、第８図はヒューム管敷設概念図、第９
図はセンサーユニット電気回路図、第10図（Ａ）〜
（Ｄ）はセンサーユニットによる位置決め原理図、第11
図は電気・油圧サーボ機構のブロック図、第12図は垂直
面でのヒューム管の回転制御説明図、第13図は水平面で
のヒューム管の回転制御説明図、第14図および第15図は
センサーユニットによる他の位置決め原理図である。 １…移動式建設作業装置、1a…下部走行体、1b…上部旋
回体、1c…ブーム、1d…アーム、1e…スライドアーム、
２…ベース板、2a…枢着軸、３…油圧シリンダ、４…固
定基板、4a…案内ブロック、５…水平移動部材、5a…レ
ール、６…鋼球、７…連結部材、7a…レール、８…油圧
シリンダ、９…横移動アーム、9a…移動ブロック、9b…
枢着軸、10…油圧シリンダ、11…縦移動アーム、11a…
レール、11b…ボールジョイント、12…油圧シリンダ、1
3…グリッパ、13a…グリッパ本体、13b…把持爪、13c…
枢着軸、13d…溝穴、14…油圧シリンダ、14a…ピン、15
…センサー筒、16…ハーフミラー、17,18…センサーユ
ニット、17a…十字隔壁、17b,17b₁，17b₂，17b₃，17b₄
…受光室、17c…拡散スクリーン、17d…フォトダイオー
ド、17e…干渉フィルター、19…レーザービーム発信
器、20…チョッパ、20a…小穴、21…センサー回路、22
…電磁弁、23…電流電圧変換回路、24……バンドパスフ
ィルター、25……反転増幅回路、26…検波回路、27…コ
ンパレータ、28…比較回路、29…サーボアンプ、30…サ
ーボ弁、31…ポテンシヨメータ、33…回転体、33a,33b
…ミラー、B,B′,B″…レーザービーム、ｂ…ビームス
ポット、P,P′…ヒューム管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バックホー等の移動式建設作業装置のアー
   ム先端部に、ヒューム管等の長尺据付物を把持しながら
   姿勢および位置制御を行なうマニピュレータを取付ける
   と共に、上記長尺据付物にセットしたセンサーにより、
   据付け位置に発射した基準レーザービームを検知して上
   記マニピュレータに制御信号を発信するようにしたこと
   を特徴とする建設作業ロボットによる長尺物据付け方
   法。