JPH09239681A - マニピュレータの操作装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価でありながら操作者の複数の操作位置に
応じて的確に操作指示方向を検出し操作作業効率を向上
可能なマニピュレータの操作装置を実現する。 【解決手段】 操作者の動作方向入力手段10の操作によ
るデータはコントローラ19の座標変換手段12に送られ視
覚センサ8による動作方向入力手段10の位置情報は操作
位置決定手段11に送られ動作方向の座標系を座標演算手
段13に送る。演算手段13には座標演算用データ入力手段
16から座標演算用データも供給され入力手段10の操作方
向の変換行列を演算し座標変換手段12は操作方向を実際
の動作方向に変換し関節動作変換手段14はアタッチメン
ト4の各関節目標回転速度を演算する。関節サーボ制御
手段15はバルブ駆動装置17に制御信号を供給し、駆動手
段17のアタッチメント4の駆動結果は関節角度データ18
として関節サーボ制御手段15に供給され、サーボ制御手
段15はサーボ制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マニピュレータの
操作装置に係わり、特に土木、建築作業で扱うような大
型資機材の移動、組み付け、設置等を行う、重量物ハン
ドリング用マニピュレータの操作装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大型資機材のハンドリングを行うマニピ
ュレータには、重量物を扱うため、出力に余裕のある、
油圧ショベルをベースとした油圧式のマニピュレータが
主に使用されている。このベースとなる油圧ショベルの
基本構成を、図２に従って説明する。油圧ショベルは、
車体の移動に用いる下部走行体１の上に旋回可能に設置
された上部旋回体２がある。この上部旋回体２には、運
転台３とフロントアタッチメント４がある。

【０００３】フロントアタッチメント４は、その先端
に、目的とする作業に必要な作業具７と、この作業具７
に必要な姿勢自由度を与えるための手首機構６と、作業
具７を主に任意の位置に移動させる位置自由度を与える
ための作業腕５とからなっている。図示の油圧ショベル
においては、作業腕５は、スイング５ａと、ブーム５ｂ
と、アーム５ｃとからなっており、手首機構６は作業具
７であるバケットを回動させる機構となっている。

【０００４】これらアーム５ｃ等の動作指令を行うため
の操作装置は、運転台３に固定されており、各動作軸の
アクチュエータに１対１に対応した、レバーにより操作
を行っている。また、これ以外に、操作装置がリモコン
となって運転台３以外から操作できるタイプのものも存
在する。

【０００５】現状のマニピュレータは、この油圧ショベ
ルの手首機構６の動作自由度を増やし、作業具７をハン
ドにしたものと考えられる。現在のマニピュレータは、
動作自由度が油圧ショベルに比べて多いため、操作をよ
り難しいものとしている。このようなマニピュレータの
操作装置として求められる機能は、操作対象物を思いど
うりに、移動、組み付け、設置を行うことである。

【０００６】これには、できるだけ少ない労力で、操作
者が、脳裏に描いている方向に作業具７が動作するこ
と、動作の結果が容易に把握できることが必要である。
特に、大型資機材を対象とするマニピュレータでは、操
作者の操作位置によって、作業対象物の見え方が変わる
ため、作業者がどこで操作するかということも操作の容
易化を図るための重要なパラメータである。

【０００７】従来の操作装置は、たとえば、特開昭６０
−１９９１２５号公報には、操作レバーに力センサを用
いて、作業具７の移動方向と姿勢回転方向を操作方向に
一致させる方法が開示されている。また、実開平６−３
１９８２号公報には、ロボットの手持ちの教示装置と考
えられる操作装置にジャイロを搭載し、これにより操作
者が操作装置をもちながら作業に応じて任意の方向を向
いても、ジャイロで操作者が向いている方向を検知する
ことにより、操作方向と作業具７の動作方向を一致させ
るということが記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術は、操作装置で指示する操作方向を絶対的な動作方向
として、一義に決めている点に問題がある。これについ
て、図３を用いて説明する。図３は、物体Ｂの上に、マ
ニピュレータで把持した物体Ａを重ねて置く作業を簡略
化して示している。説明の都合上、物体Ａと物体Ｂとは
同じ大きさのものとする。

【０００９】操作者は、物体の特徴点をとらえ、たとえ
ば辺Ａ１−Ａ２を辺Ｂ１−Ｂ２に、辺Ａ２−Ａ３を辺Ｂ
２−Ｂ３の辺に、それぞれ重ねるように操作していくこ
とが考えられる。また、辺Ａ１−Ａ２を操作するとき
は、この辺が見やすい位置、たとえば図の手前に立ち、
物体のある方向に向き、辺Ａ２−Ａ３を操作するとき
は、この辺が見やすい位置、たとえば図の右に立ち物体
のある方向に向いて操作すると考えられる。

【００１０】このとき、上述のような従来の操作方法で
は、向いた方向によって操作レバーの方向に対する定義
が変わるので、前に行った操作に対する方向づけを忘れ
て、新たに現状における動作方向を操作方向と考え直さ
なければならない。これは、作業能率に支障を来す。な
ぜならば、操作を円滑に進めるには、操作者は、現在の
操作中に次にどうするかを考えながら作業を行うもので
あり、考えの基礎となる操作の方向は、物体の状況とい
うより、レバーの向きで考えるからである。

【００１１】また、操作者が動きながら、操作を行うと
きは操作装置の方向が定まらず、操作性をさらに悪化さ
せることになる。さらに、ジャイロは回転速度を検出す
るセンサであるため、方向を検出するには、速度の積分
が必要となり、長時間の操作では、誤差の蓄積が問題と
なり、精度的に問題がある。また、高精度のジャイロは
高価であり、価格の面でも問題があった。

【００１２】本発明の目的は、安価でありながら、操作
者の複数の操作位置のそれぞれに応じて的確に操作指示
方向を検出し、操作作業効率を向上可能なマニピュレー
タの操作装置を実現することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、次のように構成される。２自由度以上の自
由度を持つフロントアタッチメントを有する、操作型マ
ニピュレータの操作装置において、予め定められた複数
の設置位置に設置され、マニピュレータの動作を指令す
るための操作手段と、操作手段が設置された位置を認識
する操作手段設置位置認識手段と、操作手段の複数の設
置位置に応じた操作用データを記憶する操作データ記憶
手段と、操作手段設置位置認識手段によって認識された
操作手段の設置位置に対応する操作用データを操作デー
タ記憶手段から取り出し、取り出した操作用データに基
づいて、操作手段からの動作指令を判断し、判断した動
作指令に従ってマニピュレータの動作を制御する動作制
御手段とを備える。

【００１４】好ましくは、上記マニピュレータの操作装
置において、操作手段は、マニピュレータの動作方向を
指令する操作レバーを有し、操作データ記憶手段は、操
作手段の設置位置毎に、操作レバーが指令する動作方向
がマニピュレータの、どの動作方向を示すかを表す情報
を操作用データとして記憶する。

【００１５】また、好ましくは、上記マニピュレータの
操作装置において、操作装置には、設置位置認識用形状
パターンが表示され、操作手段設置位置認識手段は、記
形状パターンを認識することにより、操作手段の設置位
置を認識する。

【００１６】また、好ましくは、上記マニピュレータの
操作装置において、上記予め定められた複数の設置位置
は、フロントアタッチメント上及びフロントアタッチメ
ントの付随する部材上の位置であり、操作手段設置位置
認識手段は、操作手段に表示された形状パターンと、フ
ロントアタッチメント及びフロントアタッチメントに付
随する部材との位置関係により操作手段の設置位置を認
識する。

【００１７】上記構成において、操作手段設置位置認識
手段は、その視野範囲内にマニピュレータのフロントア
タッチメント、把持しているワーク等及び操作手段を認
識する。そして、操作手段が上記フロントアタッチメン
ト、把持しているワーク等のどの近傍に設置されている
かを認識する。この後、操作データ記憶手段に記憶され
た、操作用データと、操作手段からの動作指令とに基づ
いて、指令されたマニピュレータの動作方向を判断し、
マニピュレータを動作させる。

【００１８】操作手段に設置位置認識用形状パターンが
表示される場合には、操作手段設置位置認識手段は、こ
の形状パターンとマニピュレータのフロントアタチメン
ト等との位置関係により操作手段設置位置を認識する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態で
あるマニピュレータの操作装置の機能ブロック図であ
る。この図１に示すマニピュレータは、機構的には図２
に示した油圧ショベルをベースにしたもので、同じ構成
の部分には同一番号を付している。

【００２０】図１と図２の例との構成上の相違点は、シ
ョベルが１自由度だけであるのに対し手首機構６の機構
自由度が３自由度あり、フロントアタッチメント４とし
て全部で６自由度あることと、作業具７としてバケット
ではなくハンドが装着されている点、さらに、運転台３
の上に視覚センサ（操作手段設置位置認識手段）８とし
てカメラが設置された点である。

【００２１】図１において、動作方向入力手段（操作手
段）１０は、操作者が作業具７に対して動作方向の指示
を行うための操作装置である。動作方向入力手段１０で
得られたデータは、コントローラ１９内の座標変換手段
１２に送られる。

【００２２】視覚センサ８は、動作方向入力手段１０の
位置を特定するためのセンサである。この視覚センサ８
によりセンシングされた視覚情報は、操作位置決定手段
１１に送られる。操作位置決定手段１１では、画像処理
の手法により予め決められた数種のパターンの中から動
作方向入力手段１０の位置を特定し、その操作位置に対
して予め定められた動作方向を決定するための動作座標
系をコントローラ１９内の座標演算手段１３に通知す
る。

【００２３】次に、コントローラ１９内部の処理につい
て説明する。座標演算手段１３には、操作位置決定手段
１１から動作座標系に関する情報が供給される。また、
座標演算手段１３には、座標演算用データ入力手段（操
作データ記憶手段）１６から動作方向入力手段１０の所
定の複数の設置位置に関する座標演算用データ（操作デ
ータ）も供給される。つまり、座標演算用データ入力手
段１６には、動作入力手段１０の設置位置毎に、操作レ
バーが指令する動作方向がマニピュレータの、どの動作
方向を示すかを表す情報等を操作用データとして記憶す
る。

【００２４】そして、座標演算手段１３は、操作位置決
定手段１１からの動作座標系に関する情報と、座標演算
用データ入力手段１６からの座標演算用データとに基づ
いて、動作方向入力手段１０の並進方向レバー１０１
（図４に示す）と回転方向レバー１０２（図４に示す）
との操作方向を、作業具７の動作方向に変換するための
変換行列を演算する。

【００２５】座標変換手段１２は、座標演算手段１３で
得られた変換行列に基づき、操作方向を実際の動作方向
に変換する。関節動作変換手段１４は、座標変換手段１
２により変換された動作方向と関節角度データ１８とか
ら、フロントアタッチメント４の各関節の目標回転速度
を演算する。

【００２６】関節サーボ制御手段１５は、関節動作変換
手段１４により得られた各関節の目標回転速度と、関節
角度データを微分して得られる速度データとに基づきサ
ーボ制御を行う。関節サーボ制御手段１５により得られ
た結果は、Ｄ／Ａ変換等を行い、コントローラ１９から
バルブ駆動装置１７に出力する。バルブ駆動装置１７
は、各関節に設置したアクチュエータを駆動するための
油圧バルブであり、電磁比例弁やサーボ弁で構成する。

【００２７】次に、動作方向入力手段１０について詳細
に述べる。図４は、動作方向入力手段１０の外観図であ
る。図４において、動作方向入力手段１０は、フロント
アタッチメント４の動作を入力する装置であり、操作方
向を指示するジョイスティックや押しボタン、視覚セン
サ８によるセンシング状態を操作者に知らせるためのＬ
ＥＤ及び視覚センサ８で位置を認識する為の形状パター
ンで構成する。

【００２８】並進方向指令レバー１０１は、直交３軸方
向の移動速度を指示するためのものである。ここに示し
たものは、レバーの頭部を前後、左右、上下に操作する
ことにより作業具７の移動方向と、そのときの移動速度
の大きさとを指示する。

【００２９】また、回転方向指令レバー１０２は、作業
具７の回転速度を指示するもので、レバー１０２の頭部
をα、β、γの各方向にひねることにより作業具７の回
転方向と回転速度を指示する。

【００３０】このようなレバー１０１及び１０２には、
力センサを用いて構成することが考えられるが、これに
限らず、並進方向のベクトルと回転方向のベクトルを与
えられるものであれば何でもよい。

【００３１】視覚センシングスイッチ１０３は、動作方
向入力手段１０の操作位置を視覚センサ８を使用してセ
ンシング用形状パターン１０５を認識することにより決
定するための動作開始を指示するための押しボタンであ
る。本発明では、視覚センサ８で決定する動作方向入力
手段１０の操作位置は、操作方向と作業具７の動作方向
を結び付けるための動作座標系を決定するための手段で
ある。動作座標系については後述する。

【００３２】センシング状態ＬＥＤ１０４は、視覚セン
サ８によるセンシングの状態を操作者に知らせるための
ものであり、操作位置の決定がうまくできたかどうかを
示す。例えば、ＬＥＤ１０４ａが点灯することにより、
視覚センサ８のセンシングが開始されたことを示し、次
に、ＬＥＤ１０４ｂが点灯することにより、センシング
が終了したことを示す。

【００３３】これにより、操作者は、動作方向入力手段
１０による動作方向の指令開始タイミングを認識するこ
とができる。また、ＬＥＤ１０４ａが点灯してから長時
間が経過しても、ＬＥＤ１０４ｂが点灯しない場合に
は、視覚センサ８等が正常に動作していないことを、操
作者が認識することができる。

【００３４】センシング用形状パターン１０５は、動作
入力手段１０の多数箇所に表示されており、このセンシ
ング用形状パターン１０５を視覚センサ８により認識す
ることにより動作入力手段１０の現時点における位置を
検出する。図４に示した例の場合には、センシング用形
状パターン１０５は、丸印に十字のパターンとしたが、
視覚センサ８で認識できる形状であればよく、図示の形
状には、特に限らない。また、センシング用形状パター
ン１０５を表示する位置についても、動作方向入力手段
１０上であれば、位置、個数ともに適当でよい。

【００３５】ここで、図５を参照して、動作入力手段１
０の設置例について、説明する。この図５には、マニピ
ュレータで扱う座標系の一例を示す。ベース座標系２０
は、マニピュレータの設置位置に固定する座標系であ
り、ここで述べる他の座標系を表現するための基本の座
標系である。

【００３６】ハンド座標系２１は、作業具７であるハン
ドに設定した座標系であり、ハンドの位置、姿勢の変化
に伴い、座標系の位置と向きが変化する。ハンド座標系
２１の座標原点は、ツールセンタポイント（ＴＣＰ）２
３に設定し、ハンドの姿勢変化はこのＴＣＰ２３を中心
として行う。

【００３７】以上が、動作座標系である。また、レバー
座標系２２は、動作方向入力手段１０に固有の座標系で
ある。図では、アーム５ｃに動作入力手段１０を設定し
た場合の座標系２２ａと、ハンドの背面部に動作入力手
段１０を設置した場合の座標系２２ｂとを示す。

【００３８】動作方向入力手段１０を設置する場所は、
あらかじめ数カ所決定しておき、コントローラ１９の座
標演算用データ入力手段１６には、これら複数の設置場
所に関する座標演算に必要なデータを入力しておく。従
って、本発明での視覚センサ８を使用した動作方向入力
手段１０の設置位置の決定は、基本的には、視覚センサ
８からの映像情報から、あらかじめ定められた設置位置
の内の一つを選択することで行う。このため、操作位置
決定手段１３の処理は、単純であり視覚センサ８の精度
も低くて良いため、低価格な撮像手段を視覚センサ８と
して採用することができる。

【００３９】次に、図６により操作位置決定手段１１の
処理について説明する。図６において、外枠２４が視覚
センサ８の視野を示している。操作位置決定手段１１
は、視覚センサ８で撮像されたアナログの画像データを
２値化、微分処理等、一般的に知られている画像処理に
より、撮像画像をアーム５ｃと、センシング用形状パタ
ーン１０５と、作業具７と、ワーク９とに分離する。

【００４０】次に、操作位置決定手段１１は、センシン
グ用形状パターン１０５が、作業具７の近傍に位置する
か、アーム５ｃの近傍に位置するか、ワーク９の近傍に
位置するかを判定する。これは、センシング用形状パタ
ーン１０５から、所定の各部位に下ろした垂線の足の長
さ、又は最短距離で判定できる。

【００４１】つまり、動作方向入力手段１０の設置場所
が、この図６に示すように、アーム５ｃ上であれば、セ
ンシング用形状パターン１０５から、アーム５ｃへの垂
線は、作業具７及びワーク９への垂線よりも短いので、
動作方向入力手段１０はアーム５ｃに設置されていると
判定される。

【００４２】また、図７に示すように、動作方向入力手
段１０の設置場所が、ワーク９上であれば、センシング
用形状パターン１０５から、ワーク９への垂線は、作業
具７及びアーム５ｃへの垂線よりも短いので、動作方向
入力手段１０がワーク９に設置されていることが判定さ
れる。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ため、次のような効果がある。操作手段設置位置認識手
段によって認識された操作手段の設置位置に対応する操
作用データを操作データ記憶手段から取り出し、取り出
した操作用データに基づいて、操作手段からの動作指令
を判断し、判断した動作指令に従ってマニピュレータの
動作を制御するようにしたので、安価でありながら、操
作者の複数の操作位置に応じて的確に操作指示方向を検
出し、操作作業効率を向上可能なマニピュレータの操作
装置を実現することができる。

【００４４】これにより、操作者は、作業に必要な座標
の設定を行う煩わしさがなく、また思い違いによる操作
ミスを減少することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるマニピュレータの操
作装置の機能ブロック図である。

【図２】本発明のベースとなる油圧ショベルの概略構成
図である。

【図３】物体Ｂの上にマニピュレータで把持した物体Ａ
を重ねて置く作業を簡略化して示す図である。

【図４】動作方向入力手段の外観図である。

【図５】動作方向入力手段の設置例を示す図である。

【図６】動作方向入力手段がアームに設置されている場
合における視覚センサの処理を説明する図である。

【図７】動作方向入力手段がワークに設置されている場
合における視覚センサの処理を説明する図である。

【符号の説明】

１ 下部走行体 ２ 上部旋回体 ３ 運転台 ４ フロントアタッチメント ５ 作業腕 ５ａ スイング ５ｂ ブーム ５ｃ アーム ６ 手首機構 ７ 作業具 ８ 視覚センサ ９ ワーク １０ 動作方向入力手段 １１ 操作位置決定手段 １２ 座標変換手段 １３ 座標演算手段 １４ 関節動作変換手段 １５ 関節サーボ制御手段 １６ 座標演算用データ入力手段 １７ バルブ駆動装置 １９ コントローラ １０１、１０２ 操作レバー １０３ 視覚センシングスイッチ １０４ センシング状態ＬＥＤ １０５ センシング用形状パターン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２自由度以上の自由度を持つフロントア
   タッチメントを有する、操作型マニピュレータの操作装
   置において、 予め定められた複数の設置位置に設置され、マニピュレ
   ータの動作を指令するための操作手段と、 上記操作手段が設置された位置を認識する操作手段設置
   位置認識手段と、 上記操作手段の複数の設置位置に応じた操作用データを
   記憶する操作データ記憶手段と、 上記操作手段設置位置認識手段によって認識された操作
   手段の設置位置に対応する操作用データを上記操作デー
   タ記憶手段から取り出し、取り出した操作用データに基
   づいて、操作手段からの動作指令を判断し、判断した動
   作指令に従って上記マニピュレータの動作を制御する動
   作制御手段と、 を備えることを特徴するマニピュレータの操作装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のマニピュレータの操作装
   置において、上記操作手段は、マニピュレータの動作方
   向を指令する操作レバーを有し、上記操作データ記憶手
   段は、操作手段の設置位置毎に、上記操作レバーが指令
   する動作方向がマニピュレータの、どの動作方向を示す
   かを表す情報を操作用データとして記憶することを特徴
   とするマニピュレータの操作装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のマニピュレータの操作装
   置において、上記操作装置には、設置位置認識用形状パ
   ターンが表示され、上記操作手段設置位置認識手段は、
   上記形状パターンを認識することにより、上記操作手段
   の設置位置を認識することを特徴とするマニピュレータ
   の操作装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のマニピュレータの操作装
   置において、上記予め定められた複数の設置位置は、フ
   ロントアタッチメント上及びフロントアタッチメントの
   付随する部材上の位置であり、上記操作手段設置位置認
   識手段は、操作手段に表示された上記形状パターンと、
   フロントアタッチメント及びフロントアタッチメントに
   付随する部材との位置関係により上記操作手段の設置位
   置を認識することを特徴とするマニピュレータの操作装
   置。