JP2002234700A - マニピュレータの姿勢角度制御装置 - Google Patents
マニピュレータの姿勢角度制御装置Info
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Abstract
るようにして、操作性の向上、つまり制御精度の向上
を、低コストで実現することを目的とする。 【構成】操縦レバー14の所望の操作範囲αmin〜αmax
の中から異なる複数の操作角度α1、α2、α3が抽出さ
れ、操縦レバー14が所望の操作範囲αmin〜αmaxで操
作された場合に作業機21が所望の動作範囲βmin〜βm
axで動作するように、抽出された複数の操作角度α1、
α2、α3と作業機21の姿勢角度β1、β2、β3との対
応づけが行なわれ、この対応づけられた複数の角度間が
補間されて対応関係L1あるいはL2が求められる。そし
て、この所望操作範囲αmin〜αmaxの操縦レバー操作角
度と所望動作範囲βmin〜βmaxの作業機姿勢角度との対
応関係L1あるいはL2が記憶手段24に記憶される。そ
して操縦レバー14の現在の操作角度αに対応する作業
機の姿勢角度βdが、上記記憶手段24に記憶された対
応関係L1あるいはL2に基づいて求められ、該求められ
た姿勢角度βdが得られるように作業機21の姿勢角度
が制御される。
Description
じて作業機の動作させるマニピュレータに関し、特に作
業機の姿勢角度を制御する装置に関する。
ピュレータには、作業機と相似形の操縦レバーをマス
タ、作業機をスレーブとするマスタ・スレーブ方式のも
のがある。
ムよりなり、多数の自由度を持つ作業機を操作する場合
には、作業機(スレーブ)と相似な形状を有した操縦レ
バー(マスタ)を用意して、作業機の作動範囲と相似な
操作範囲で操縦レバーを操作することが、操作性を向上
させる上で有効である。
ず無理なく操作できる操縦レバーの操作範囲と、作業機
に要求される作動範囲とは必ずしも相似にはならなく、
あえてレバー操作範囲を非相似化した方が、オペレータ
にかかる負荷が減り操作性が向上し、制御の精度が向上
することがある。
ム8(8´)からなる平面2自由度の操縦レバー14お
よび作業機21を対象とした、従来の「非相似化」の具
体例を図7に示す。
αと第2アーム8´の姿勢角(操作量)γが検出され、
これら検出値α、γが角度/座標変換部25に加えら
れ、該角度/座標変換部25においてマスタ14先端の
座標位置xm、ymに変換する演算が行なわれる。
はマスタ/スレーブ座標変換部26に加えられ、該マス
タ/スレーブ座標変換部26においてスレーブ21先端
の目標座標位置xs、ysに変換する演算が行なわれる。
s、ysは座標/角度変換部27に加えられ、該座標/角
度変換部27においてスレーブ21の目標姿勢角βd、
δdに変換する演算が行なわれる。
角βと第2アーム8の姿勢角δが検出され、これら検出
された現在のスレーブ姿勢角β、δと目標姿勢角βd、
δdとがそれぞれ比較され、それぞれの偏差が求めら
れ、各偏差に応じた駆動指令値がスレーブ21の駆動系
へ出力される。
α、γを所望の操作範囲内に設定し、この設定操作範囲
の中で、スレーブ21が所望の動作をするように、各変
換部25、26、27にて変換演算が行なわれる。
題を、また上記3)の処理では、逆運動学問題を解く必
要があるため、複雑な演算が必要とされ、計算機にかか
る負担が大きく演算に多大な時間を要することになる。
このため、いきおい演算能力の高いCPUを使用せざる
を得なくなり、高コストを招来することが必至である。
ものであり、「非相似化」を複雑な計算を要しないで実
現するようにして、操作性の向上、つまり制御精度の向
上を、低コストで実現することを目的とするものであ
る。
る発明では、マスタ側に設けられた操縦レバーの操作角
度に応じてスレーブ側に設けられた作業機の姿勢角度を
変化させる制御を行うマスタ・スレーブ方式マニピュレ
ータの姿勢角度制御装置において、前記操縦レバーの所
望の操作範囲の中から異なる複数の操作角度を抽出し
て、前記操縦レバーが前記所望の操作範囲で操作された
場合に前記作業機が所望の動作範囲で動作するように、
前記抽出された複数の操作角度と前記作業機の姿勢角度
との対応づけを行ない、この対応づけられた複数の角度
間を補間する補間手段と、前記補間手段による補間によ
って求められた前記所望操作範囲の操縦レバー操作角度
と前記所望動作範囲の作業機姿勢角度との対応関係を記
憶する記憶手段と、前記操縦レバーの現在の操作角度に
対応する作業機の姿勢角度を、前記記憶手段に記憶され
た対応関係に基づいて求め、該求められた姿勢角度が得
られるように前記作業機の姿勢角度を制御する制御手段
とを具えている。
に示すように、操縦レバー14の所望の操作範囲αmin
〜αmaxの中から異なる複数の操作角度α1、α2、α3が
抽出され、操縦レバー14が所望の操作範囲αmin〜αm
axで操作された場合に作業機21が所望の動作範囲βmi
n〜βmaxで動作するように、抽出された複数の操作角度
α1、α2、α3と作業機21の姿勢角度β1、β2、β3と
の対応づけが行なわれ、この対応づけられた複数の角度
間が補間されて対応関係L1あるいはL2が求められる。
そして、この所望操作範囲αmin〜αmaxの操縦レバー操
作角度と所望動作範囲βmin〜βmaxの作業機姿勢角度と
の対応関係L1あるいはL2が記憶手段24に記憶され
る。
に対応する作業機の姿勢角度βdが、上記記憶手段24
に記憶された対応関係L1あるいはL2に基づいて求めら
れ、該求められた姿勢角度βdが得られるように作業機
21の姿勢角度が制御される。
係L1、L2を求め記憶しておき、それを読み出すだけで
よく、複雑な演算を要しない。
レータの姿勢角度制御装置の実施例について説明する。
ニピュレータの構成を示す図であり、同図(a)は正面
図を、同図(b)は同図(a)を上面からみた図を示し
ている。さて、同図1に示すように、このマニピュレー
タは、大きくは、移動台車1と、マスタである操縦レバ
ー14が配設されている上部旋回体2と、スレーブであ
る作業機21とから構成されている。
は、旋回自在に上部旋回体2が搭載されており、この旋
回体2と一体構成の支持部材2aには、ブーム、つまり
第1アーム3の一端7cとこの第1アーム3を回転駆動
する第1アーム駆動シリンダ4の一端4aとが、それぞ
れ第1アーム3、駆動シリンダ4を回動自在とするよう
に取り付けられている。第1アーム3の先端7aは、中
間ブラケット5に、第1アーム3を回動自在とするよう
に連結されている。
に第1リンク6が、第1アーム3と同様にして支持部材
2a、ブラケット5に装着されている。すなわち、第1
リンク6の一端7dは、支持部材2aに、また第1リン
ク6の他端7bは、ブラケット5に、それぞれ第1リン
ク6を回動自在とするように装着されている。
6、支持部材2a、ブラケット5によって、四節点7a
〜7dの平行リンク機構である垂直リンク7が構成され
ている。
ーム8の一端12aとこの第2アーム8を回転駆動する
第2アーム駆動シリンダ9の一端9aとが、第2アーム
8および駆動シリンダ9をそれぞれ回動自在とするよう
に取り付けられている。第2アーム8の先端12cは先
端ブラケット10に、アーム8を回動自在とするように
連結されている。
に第2リンク11が、第2アーム8と同様にして中間ブ
ラケット5、先端ブラケット10に装着されている。す
なわち、第2リンク11の一端12bは、中間ブラケッ
ト5に、また第2リンク11の他端12dは、先端ブラ
ケット10に、それぞれ第2リンク11を回動自在とす
るように装着されている。
11、中間ブラケット5、先端ブラケット10によって
も、上記垂直リンク7と同様に、四節点12a〜12d
の平行リンク機構である水平リンク12が構成されてい
る。
10には、ハンド13が回動自在に装着されており、こ
のハンド13によりワークを把持する等して所定の作業
を行う。
4、操縦室15、エンジン16、油圧ポンプ17等走行
および作業機操縦に必要な機器が搭載されている。な
お、図2では、移動台車1がクローラ式の場合を想定し
ているが、もちろんタイヤ式であってもよい。
バー14をマスタとし、作業機21をスレーブとする、
公知のマスタ・スレーブ方式により行われる。そして、
マスタ・スレーブ方式による作業機21の姿勢角、つま
り第1アーム3、第2アーム8の回転角度の制御は、こ
れら各回転角度をフィードバックして行うことが一般的
である。
中間ブラケット5の外側面5aの第1アーム3取付部
(回動支点)7aには、第1アーム3の回転角度βを検
出するポテンショメータ22が配設されるとともに、同
じく外側面5aの第2アーム8取付部(回動支点)12
aには、第2アーム8の回転角度δを検出するポテンシ
ョメータ23が配設されている。
作されると、図2に示すように、垂直リンク7は平行リ
ンク機構であるために、第1アーム3の姿勢が変化した
としても、中間ブラケット5の姿勢は変化しない。この
ため、第2アーム8は、平行状態を保って上下動される
ことになる。
いで第1アーム3の姿勢のみが変化するので、上記ブラ
ケット5に配設されたポテンショメータ22によって、
ブラケット5に対する第1アーム3の相対的な回転角度
βを検出することができる。一方、ブラケット5に配設
されたポテンショメータ23によっても、ブラケット5
に対する第2アーム3の相対的な回転角度δが検出され
る。
ポテンショメータを垂直リンク7の根元に配設しなくて
も済むので、整備性が向上して、調整を容易に行うこと
ができるとともに、他部品との干渉防止のために専用の
レボフレームを用意しなくてもよく汎用のフレームをそ
のまま使用することができるので、コストを低く抑える
ことができる。
3で検出された各回転角度β、δと操縦レバー14の操
作角度に応じた目標姿勢角との偏差に基づいて、後述す
るようにして作業機21の姿勢角度が制御される。
2アーム8の重心W2の軌跡は図2の一点鎖線で示すよ
うになっており、このとき第1アーム駆動シリンダ4に
作用する慣性モーメントJは、 J=(W1/g)・r*2+(W2/g)・R*2 …(1) となる。なお、「*2」とあるのは「2乗」を意味するも
のと定義する(以下同じである。) 一方、従来の構造の作業機のブーム(第1アーム)aの
重心W1´とアーム(第2アーム)cの重心W2´の軌跡
は、図7の一点鎖線で示すようになっており、このとき
ブームシリンダ(第1アーム駆動シリンダ)bに作用す
る慣性モーメントJ´は、 J´=(W1´/g)・r*2+(W2´/g)・(r1)*2 …(2) となる。
常R<r1なので、R*2<<(r1)*2となり、したがっ
てJ<<J´となり、第1アーム3の回動時に第1アー
ム駆動シリンダ4に作用する慣性モーメントは、従来の
構造の作業機のものよりも極めて小さくなる。したがっ
て、慣性負荷が低減されて、制御の精度が向上する。以
上のように、この実施例によれば、コスト低減が図れる
とともに、姿勢角の制御を精度よく行うことができると
いう効果を奏する。
り、作業機21´の構成部分のみを示している。なお、
図1と同一符号のものは同一機能のものである。すなわ
ち、図3のものでは、第1アーム3に対応する部分のみ
を四節点の平行リンク7で構成し、第2アーム8に対応
する部分はリンク構成とせずに一般的な構成としてお
り、先端ブラケット10を回動するための先端ブラケッ
ト駆動シリンダ20が第2アーム8に連結されている。
ョメータ22、23を中間ブラケット5の片側同一面5
a上に取り付けるようにしているが、取り付ける面を異
ならせてもよい。
1の操縦は、操縦レバー14をマスタとし、作業機21
をスレーブとする、公知のマスタ・スレーブ方式により
行われることを想定しているが、マニピュレータ一般、
つまり「空間内において有形の運動および方向の変更が
でき、そのような運動および変更はヘッドから離れた手
段によって随意に制御されるような、把持部またはワー
クヘッドを有するハンドリング器具、装置または機械」
への適用が可能であり、必ずしも「制御ユニットと制御
されるユニットの両者が対応する空間的運動をする」マ
スタ・スレーブ方式のマニピュレータに適用が限定され
るわけではない。
たマニピュレータの姿勢角の制御について図4〜図6を
参照して説明する。
図4に示すように、作業機21の第1アーム3、第2ア
ーム8と相似な形状の第1アーム3´、第2アーム8´
を有している。よって、操縦レバー14の第1アーム3
´が操作量(姿勢角)αだけ回動操作されることによっ
て、作業機21の第1アーム3が上記操作角度αに応じ
た角度βだけ回動し、その姿勢角が変化される。同様
に、操縦レバー14の第2アーム8´が操作量(姿勢
角)γだけ回動操作されることによって、作業機21の
第2アーム8が上記操作角度γに応じた角度δだけ回動
し、その姿勢角が変化される。なお、第1アーム3、第
2アーム8の制御内容は同様であるので、以下第1アー
ム3のみを代表させて説明する。
して行われる。
ーム3´について所望の操作範囲αmin〜αmaxが決定さ
れる。この決定の基準は、オペレータに負担がかからず
無理なく操作できるということである。また、図6
(a)、(b)と各別に示すように、作業機21が行う
作業の種類に応じてその操作範囲を異ならせることがで
きる。
の中から異なる複数の操作角度α1、α2、α3が抽出さ
れる(図5参照)。一方、作業機21の第1アーム3に
ついてその所望の動作範囲βmin〜βmaxが決定される。
この場合も、図6(a)、(b)と各別に示すように、
作業機21が行う作業の種類に応じてその操作範囲を異
ならせることができる。
が上記所望の操作範囲αmin〜αmaxで操作された場合に
作業機21の第1アーム3が所望の動作範囲βmin〜βm
axで動作するように、上記抽出された各操作角度α1、
α2、α3と作業機21の姿勢角度β1、β2、β3との対
応づけが、図5ないしは図6の破線に示すごとく行なわ
れる。
間を補間する演算がなされ、図6(a)あるいは(b)
に示すように所定の対応関係L1あるいはL2が求められ
る。ここで、補間の仕方としては、作業種類に応じて異
ならせることができる。
がα1となっている付近での微操作性を重視した補間の
仕方であり、一方図6(b)は操作角度α1、α3付近で
の作業機速度を低下させる補間の仕方であり、作業内容
に応じて異なる特性の対応関係L1、L2が求められる。
αmaxの操縦レバー操作角度と所望動作範囲βmin〜βma
xの作業機姿勢角度との対応関係L1あるいはL2が求め
られると、これら対応関係L1、L2が、作業種類、たと
えば作業モード1、作業モード2にそれぞれ対応づけら
れて、テーブル24に記憶される。
て、上記前処理終了後の姿勢角の制御内容を説明する。
合する作業モードを、図示せぬ選択スイッチを操作して
選択する。いま、作業モードとして、上記対応関係L1
に対応する作業モード1が選択されたものとする。
ぬポテンショメータにより第1アーム3´の現在の操作
角度αが検出されており、この現在の操作角度αに対応
する作業機21の第1アーム3の目標姿勢角度βdが、
上記テーブル24に記憶された対応関係に基づいて求め
られる。この場合、作業モード1が現在選択されている
ので、この選択されている作業モード1に対応する対応
関係L1がテーブル24から読み出され、この対応関係
L1に基づいて上記目標姿勢角度βdが求められる。
が得られるように、作業機21の第1アーム3の姿勢角
度が制御される。すなわち、ポテンショメータ22によ
って、第1アーム3の現在の回転角度βが検出されてお
り、この検出値βがフィードバック量とされ、上記目標
値βdとフィードバック量βとの偏差が求められて、こ
れが、ゲイン乗算部25に加えられる。ゲイン乗算部2
5で偏差βd−βが所定のゲインK倍され、この所定の
ゲインK倍された偏差βd−βに応じた駆動指令値が、
図示せぬ駆動制御部に加えられる。この駆動制御部で
は、作業機21の駆動シリンダ4を、上記偏差βd−β
が零となるように駆動する。
応関係L1、L2を求め、これらをテーブル24に記憶し
ておき、それを読み出すだけでよく、複雑な演算を要し
ないで制御がなされる。したがって、計算機にかかる負
荷が軽減されるので、計算能力の高いCPUを用意しな
くてもよく、コストが飛躍的に低減される。
することができる。
ペレータが無理なく操作できる範囲に設定されるので、
操作性が向上し、姿勢角の制御の精度を向上させること
ができる。
て操作がなされるので、操作性が向上し、姿勢角の制御
の精度が向上する。
いての制御を代表させて説明したが、第2アーム8につ
いての制御も以上の説明と同様にして行うことができ
る。
の格納の仕方としては、関数等の数式の形式で格納して
もよく、数表として格納するようにしてもよい。ただ、
数表として格納し、入力された値αからβdを直接接読
み出す方式の方が、関数等の数式の形式で格納し、入力
された値α(変数)から演算よりβd(関数値)を求め
る方式よりも、より演算時間を短縮できるという効果が
得られる。
作業機21を有したマニピュレータを前提として、図4
に示す姿勢角の制御がなされる場合について説明した
が、図4の姿勢角の制御を行う場合の作業機の構成は任
意であり、たとえば図3に示す構成のものであってもよ
い。
縦レバーの操作範囲を所望の範囲に設定できるととも
に、制御の際の演算が不要となる。この結果、操作性向
上により制御精度が向上するとともに、演算能力の高い
計算機が不要となるのでコストが飛躍的に低減される。
また、演算処理能力も飛躍的に向上する。
ピュレータの姿勢角制御装置の実施例である自立式マニ
ピュレータの構成を示す正面図および上面図である。
成を示す図で、その動きを説明する図である。
である。
ニピュレータの姿勢角制御装置の実施例である制御装置
の構成を示す制御ブロック図である。
説明する図で、マスタの操作角度とスレーブの姿勢角度
との対応をアームの姿勢で示す図である。
ブルに記憶される内容を説明する図で、マスタの操作角
度とスレーブの姿勢角度との対応をグラフにて示す図で
ある。
ク図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 マスタ側に設けられた操縦レバーの
操作角度に応じてスレーブ側に設けられた作業機の姿勢
角度を変化させる制御を行うマスタ・スレーブ方式マニ
ピュレータの姿勢角度制御装置において、 前記操縦レバーの所望の操作範囲の中から異なる複数の
操作角度を抽出し、前記操縦レバーが前記所望の操作範
囲で操作された場合に前記作業機が所望の動作範囲で動
作するように、前記抽出された複数の操作角度と前記作
業機の姿勢角度との対応づけを行ない、この対応づけら
れた複数の角度間を補間する補間手段と、 前記補間手段による補間によって求められた前記所望操
作範囲の操縦レバー操作角度と前記所望動作範囲の作業
機姿勢角度との対応関係を記憶する記憶手段と、 前記操縦レバーの現在の操作角度に対応する作業機の姿
勢角度を、前記記憶手段に記憶された対応関係に基づい
て求め、該求められた姿勢角度が得られるように前記作
業機の姿勢角度を制御する制御手段とを具えたマスタ・
スレーブ方式マニピュレータの姿勢角度制御装置。 - 【請求項2】 前記補間手段は、前記作業機が行う
作業の種類に応じた補間を行うものであり、 前記記憶手段は、前記対応関係を、前記作業種類に対応
させて記憶するものであり、 前記制御手段は、前記作業種類が選択された場合に、該
選択された作業種類に対応する前記対応関係を前記記憶
手段の記憶内容から読み出して、該読み出された対応関
係に基づいて作業機の姿勢角度を制御するものである、 請求項1記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの
姿勢角度制御装置。 - 【請求項3】 前記作業機は、それぞれ異なる自由
度を有する複数のアームによって構成されているととも
に、前記操縦レバーは、前記複数のアームを各別に操作
するものであり、 前記対応関係は、各アームごとに求められ、各アームに
対応させて前記記憶手段に記憶される請求項1記載のマ
スタ・スレーブ方式マニピュレータの姿勢角度制御装
置。 - 【請求項4】 前記作業機は、第1アームと第2ア
ームとを有し、前記第1アームを四節点リンク機構と
し、この第1アームの一端の2節点を基台上に回動自在
に配設するとともに、前記第1アームの他端の2節点を
ブラケットに回動自在に配設し、さらに前記第2アーム
の一端および該第2アームを駆動するアクチュエータの
一端を前記ブラケットに回動自在に配設するように構成
されている請求項3記載のマスタ・スレーブ方式マニピ
ュレータの姿勢角度制御装置。
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JP2001359971A JP3415611B2 (ja) | 2001-11-26 | 2001-11-26 | マニピュレータの姿勢角度制御装置 |
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