JP2573859B2 - 長尺物の姿勢・位置検出装置 - 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ための長尺物の姿勢・位置検
出装置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、敷設作業述率が悪
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
尺物の姿勢や位置を迅速かつ正確に検知して、高精度に
能率よく据付けることのできる長尺物の姿勢・位置検出
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の長尺状の姿勢・位置検出装置は、姿勢や位置
制御を行う長尺物の設置位置に沿って基準レーザービー
ムを照射する照射手段と、該基準レーザービームを所定
周波数のパルス光に変えるチョッパーと、上記長尺物の
長手方向に取付けられて、上記基準レーザービームに沿
ってセットされるセンサーユニットと、該センサーユニ
ットの一側端部に配設され上記基準レーザービームに対
して45゜の角度に配向されたハーフミラーと、該ハーフ
ミラーにより反射された基準レーザービームを検知する
第１センサーユニットと、上記ハーフミラーを通過する
基準レーザービームを検知する第２センサーユニットか
ら成る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に対して上部旋回体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13b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ー部であって、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16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***
20a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***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18b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前であっても
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６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、バンドバスフィルター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1b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17
b₁内のフォトダイオード17dからの非受光信号（例えば
−10V）により上記サーボバルブ30が働いてシリンダー1
0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］ （１）基準レーザービームを照射する照射手段の前方
に、照射されるレーザービームを所定周波数のパルス光
に変えるチョッパーを設けたので、該パルスレーザー光
を太陽光などの外乱光と明確かつ容易に区別することが
でき、特に、土木工事など屋外で長尺物を据え付ける作
業等に、威力を発揮することができる。

（２）ハーフミラーを採用したのでプリズムに比べて計
測範囲が広く、特に、上下水道等の配管に使用する大口
径のヒューム管等の据え付け作業に、受光範囲の広いセ
ンサーユニットを使用することができる。

【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と半断面図、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……ビーム、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……***、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−164904（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−86736（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−109906（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−84840（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】姿勢や位置制御を行う長尺物の設置位置に
   沿って基準レーザービームを照射する照射手段と、該基
   準レーザービームを所定周波数のパルス光に変えるチョ
   ッパーと、上記長尺物の長手方向に取付けられて、上記
   基準レーザービームに沿ってセットされるセンサーユニ
   ットと、該センサーユニットの一側端部に配設されて、
   上記基準レーザービームに対して45゜の角度に配向され
   たハーフミラーと、該ハーフミラーにより反射された基
   準レーザービームを検知する第１センサーユニット、上
   記ハーフミラーを通過する基準レーザービームを検知す
   る第２センサーユニットから成ることを特徴とする長尺
   物の姿勢・位置検出装置。