JPH054177A

JPH054177A - マニピユレータの制御装置

Info

Publication number: JPH054177A
Application number: JP3158633A
Authority: JP
Inventors: Haruo Hoshino; 春夫星野; Eiji Muro; 英治室; Takashi Miyazaki; 貴志宮崎; Toshio Fukuda; 敏男福田; Kazuhiko Otsubo; 和彦大坪; Kazuo Uehara; 和雄上原
Original assignee: Komatsu Ltd; Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd; Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1993-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】マニピュレータの転倒を防止することがで
き、かつマニピュレータを小型軽量化できるマニピュレ
ータの制御装置を提供する。【構成】車両にマニピュレータアームが搭載されたマ
ニピュレータの制御において、マニピュレータアームの
移動指示が入力され、選択スイッチがオンされて重心保
持機能を使用する指定がされていた場合は、アーム移動
後のマニピュレータ全体の重心位置を演算し（ステップ
１１０）、該重心位置が現在設定されている重心保持領
域外であるか否か判定する（ステップ１１２乃至１１
６）。重心保持領域内である場合には、入力された移動
指示に応じてアームを移動させる（ステップ１０６）。
重心保持領域外である場合には、アームを移動させるこ
となく車両を移動させてエンドエフェクタを目標位置へ
移動させる（ステップ１１８及び１２０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマニピュレータの制御装
置に係り、特にアーム先端部にマニピュレータを操作す
る操作レバーを備えたマニピュレータの制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、マスターアームとの間に間隔
を隔ててマスターアームと類似した機構のスレーブアー
ムを設置し、マスターアームとスレーブアームとを伝達
手段で連結したマニピュレータが知られている。このマ
ニピュレータによれば、マスターアームの操作が伝達手
段を介してスレーブアームに忠実に伝達されると共に、
これに力感知機能を付加することによりマスターアーム
の操作に応じてスレーブアームによってワークに加えら
れた力が、マスターアームにフィードバックされること
により操作者が手で行うと同様な作業感覚を得ることが
できる。

【０００３】また、本願の発明者等は、マニピュレータ
アーム先端部にマニピュレータを操作する操作レバーを
設けたマニピュレータを既に提案している（特願昭３−
１３００３２号公報参照）。このマニピュレータでは、
釘打、ボルト締め等のように操作者がワークに対して直
接作業を行う必要がある場合に、操作者がワークの位置
する場所まで移動したり、マニピュレータを操作する操
作者とは別に他の作業員を必要とすることがなく、効率
よく作業を行うことができる。

【０００４】ところで、移動手段によって任意の方向に
移動可能とされた車両にマニピュレータアームを搭載し
たマニピュレータでは、マニピュレータアームの姿勢、
マニピュレータアームが把持しているワークの重量によ
って、マニピュレータ全体の重心位置が前記車両を支持
している複数の支持点（車輪の接地部分）に囲まれた領
域から大きく逸脱し、マニピュレータが転倒することが
ある。このため従来は、車両に支持点としてのアウトリ
ガーを取付け、作業時にはアウトリガーを広げて前記支
持点に囲まれた領域の面積を大きくして転倒を防止する
ようにしていた。また、車両単体の重量を大きくしてマ
ニピュレータ全体の重心位置を前記領域内に収めようと
することも行われていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ように車両にアウトリガーを取付けたり車両単体の重量
を大きくした場合、マニピュレータが大型化すると共に
重量が大きくなるので、建築現場等のように作業スペー
スが狭く、かつ床の耐荷重の小さい作業現場で前記マニ
ピュレータを使用することができないという問題があっ
た。また、アウトリガーを取付けたマニピュレータにつ
いては、作業現場間を移動する毎にアウトリガーを操作
する必要があり、作業が煩雑であった。

【０００６】本発明は上記事実を考慮して成されたもの
で、マニピュレータの転倒を防止することができ、かつ
マニピュレータを小型軽量化できるマニピュレータの制
御装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るマニピュレータの制御装置は、マニピュ
レータアームと、前記マニピュレータアームが取付けら
れた車両と、から成るマニピュレータの作動を制御する
マニピュレータの制御装置であって、前記車両を移動さ
せる移動手段と、前記マニピュレータアームの各関節を
駆動する駆動手段と、マニピュレータアームの先端部に
取付けられると共に操作者の操作に応じたマニピュレー
タアームの動作指令を出力する動作指令出力手段と、マ
ニピュレータアームの各関節の角度、マニピュレータア
ームの重量、前記車両の重量及びワークの重量に基づい
てマニピュレータの重心位置を演算する演算手段と、マ
ニピュレータアームの先端が前記動作指令に応じた位置
へ移動し、かつ前記マニピュレータの重心位置が車両を
中心とする所定領域内に位置するように前記駆動手段及
び前記移動手段を制御する制御手段と、を含んで構成し
ている。

【０００８】

【作用】本発明では、マニピュレータアームの各関節の
角度、マニピュレータアームの重量、車両の重量及びワ
ークの重量に基づいてマニピュレータの重心位置を演算
し、マニピュレータアームの先端が動作指令に応じた位
置へ移動し、かつマニピュレータの重心位置が車両を中
心とする所定領域内に位置するように駆動手段及び移動
手段を制御するようにしている。これにより、例えば前
記所定領域を車両を支持している複数の支持点に囲まれ
た領域とすれば、マニピュレータ全体の重心位置が前記
囲まれた領域から逸脱することはなく、マニピュレータ
の転倒を防止することができる。また、マニピュレータ
の転倒を防止するために車両にアウトリガーを取付けた
り車両単体の重量を大きくする必要がないのでマニピュ
レータを小型軽量化することができ、本発明が適用され
たマニピュレータを、建築現場等のように作業スペース
が狭く、かつ床の耐荷重の小さい作業現場での作業に使
用することができる。

【０００９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。図１に示すように本実施例のマニピュレータ
は、第１アーム１０及び第２アーム１２を備えたアーム
と、アーム先端に取付けられたエンドエフェクタ２５と
を備えている。第１アーム１０の一端は基台１４に回転
可能に取付けられ、第１アーム１０の他端は第２アーム
１２の一端と回転可能に連結されている。第１アーム１
０と基台１４との連結部、即ち関節には、第１アーム１
０をこの関節を中心に回動させるモーター等で構成され
た第１アーム用アクチュエータ１６が取付けられてい
る。また、第１アーム１０と第２アーム１２との連結
部、即ち関節には、この関節を中心に第２アーム１２を
回動させるための第２アーム用アクチュエータ１８が取
付けられている。

【００１０】基台１４は４本の車輪１５Ａを備えた車両
１５上に配置されている。基台１４には旋回用アクチュ
エータ３２が取付けられており、基台１４及びアームは
旋回用アクチュエータ３２によって車両１５に対して旋
回される。また、車両１５は車両全方向駆動部３４（図
３参照）を搭載している。車両全方向駆動部３４は車輪
１５Ａを駆動することにより車両１５を床面３６に沿っ
て任意の方向へ移動させることができる。車両全方向駆
動部３４には車両１５の移動方向及び移動量を指示する
ための車両移動指示部３８（図３参照）が接続されてお
り、車両全方向駆動部３４は車両移動指示部３８の指示
に応じて車両１５を移動させる。なお、車両移動指示部
３８はマニピュレータを作業現場間を移動させる等の場
合に操作される。

【００１１】また、基台１４には姿勢一定制御用リンク
２０の一端が回転可能に取付けられており、姿勢一定制
御用リンク２０の他端は、第１アーム１０と平行となる
ように連結部材２１に回転可能に取付けられている。ま
た、連結部材２１には姿勢一定制御用リンク２０の一端
が回転可能に取付けられており、該姿勢一定制御用リン
ク２０の他端は、第２アーム１２と平行となるように配
置されている。第２アーム１２と姿勢一定制御用リンク
２０との先端部にはセンサ取付箱２２が取付けられてい
る。前述のように、第２アーム１２と姿勢一定制御用リ
ンク２０、第１アーム１０と姿勢一定制御用リンク２０
は各々平行リンクを構成しているため、センサ取付箱２
２は姿勢をかえることなくＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する
ことができる。

【００１２】センサ取付箱２２の前面には、重量センサ
４２を介してエンドエフェクタ２５が取付けられてい
る。重量センサ４２はエンドエフェクタ２５が把持する
ワークの重量を検出することができる。また、センサ取
付箱２２の側面には図２にも示すように操作レバー２８
が取付けられており、操作レバー２８に作用する操作力
をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力に分解して検出する操作用
力センサ２６が設けられている。

【００１３】また図２に示すように、センサ取付箱２２
の底面には選択スイッチ４４と設定ボリューム４８とを
備えた設定装置３０が取付けられている。本実施例のマ
ニピュレータは、後述するようにマニピュレータ全体の
重心位置を演算し、該重心位置が、設定された重心保持
領域内に位置するように車両の位置を制御する重心保持
機能を有している。前記選択スイッチ４４を操作するこ
とによって重心保持機能を使用するか否かを選択するこ
とができ、「ＯＮ」を選択すると重心保持機能が作動す
るようになっている。また、前記設定ボリューム４８を
操作することによって前記重心保持領域の大きさを変更
することができ、設定ボリューム４８を「１００％」に
合わせると、図４（Ａ）に示すように重心保持領域Ａは
車両１５の４つの車輪１５Ａの接地部分を結んだ範囲よ
り若干内側の範囲に設定される。これはマニピュレータ
アーム又は車両移動の動的な作動遅れがあるため、許さ
れる重心保持領域を転倒限界より少し手前に設定してお
きたいためである。なお、重心保持領域Ａは、設定ボリ
ューム４８を反時計回りに回していくに従ってその範囲
が小さくされるようになっている（図４（Ｂ）及び
（Ｃ）参照）。

【００１４】一方、図３に示すように操作用力センサ２
６は操作用コントローラ４０に接続されている。操作用
コントローラ４０は、操作用力センサ２６で検出された
Ｘ軸方向分力Ｆ_hxをゲインＫ_hxで増幅してＸ軸方向の位
置指令Ｘを出力する増幅器５０、Ｙ軸方向分力Ｆ_hyにゲ
インＫ_hyを乗算してＹ軸方向の位置指令Ｙを出力する増
幅器５２、及びＺ軸方向分力Ｆ_hzにゲインＫ_hzを乗算し
てＺ軸方向の位置指令Ｚを出力する増幅器５４を備えて
いる。ゲインＫ_hx、Ｋ_hy、Ｋ_hzはゲインＫ_hをＸ、Ｙ、
Ｚ軸方向に分解したときの成分である。増幅器５０、増
幅器５２、増幅器５４は変換回路５６に接続されてい
る。この変換回路５６は、位置指令Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて
ヤコビ行列を利用した周知の変換方法によって第１アー
ム用アクチュエータ１６、第２アーム用アクチュエータ
１８及び旋回用アクチュエータ３２の各関節での指令
値、すなわち、目標角度θ１、θ２及びθ３を演算して
出力する。

【００１５】変換回路５６の出力端は制御回路６０の入
力ポート６８に接続されている。制御回路６０はＣＰＵ
６２、ＲＯＭ６４、ＲＡＭ６６、入力ポート６８、出力
ポート７０を備え、これらがバスを介して互いに接続さ
れて構成されている。ＲＯＭ６４にはマニピュレータア
ームを構成する各部品の重量、車両１５の重量が予め記
憶されている。入力ポート６８には前述の重量センサ４
２、選択スイッチ４４及び設定ボリューム４８が接続さ
れており、エンドエフェクタ２５が把持しているワーク
の重量、重心保持機能の使用の有無、設定された重心保
持領域の大きさが入力される。出力ポート７０にはサー
ボアンプ４６を介して第１アーム用アクチュエータ１
６、第２アーム用アクチュエータ１８及び旋回用アクチ
ュエータ３２が接続されており、各々へ前記各関節での
目標角度を出力する。また、出力ポート７０には車両全
方向駆動部３４も接続されており、車両１５の移動方向
及び移動量を出力する。

【００１６】次に図５のフローチャートを参照して本実
施例の作用を説明する。なお、図５のフローチャートは
マニピュレータの電源が投入されると実行される。

【００１７】ステップ１００ではメモリ上に設けられた
Ｘ₀、Ｙ₀のエリアに、現在のマニピュレータ全体の重
心位置の座標を初期設定する。本実施例では図６（Ａ）
に示すように、車両の任意の点を基準とした基準座標
（Ｘ_V，Ｙ_V，Ｚ_V）が予め設定されており、上記では
Ｘ_V軸及びＹ_V軸に沿った座標を設定する。図６（Ｂ）
には上記基準座標と変換回路５６から出力される目標角
度θ１、θ２、θ３との関係を示す。なお、マニピュレ
ータの電源投入時のアーム等の姿勢を一定としておけば
前記重心位置の座標は一定値となり、重心位置を演算す
る必要はない。

【００１８】次のステップ１０２ではアームを移動させ
る指示が有ったか否か判定し、前記判定が肯定されるま
ではステップ１０２を繰り返す。マニピュレータを用い
て作業を行う場合、操作者はエンドエフェクタ２５が目
標とする位置へ移動するように操作レバー２８を操作す
る。この操作レバー２８の操作は操作用力センサ２６に
よってＸ、Ｙ、Ｚの各座標軸方向の分力として検出さ
れ、増幅器５０、増幅器５２、増幅器５４、変換回路５
６を介して各関節での目標角度θ１、θ２、θ３が入力
ポート６８に入力される。これによりステップ１０２の
判定が肯定され、ステップ１０４へ移行する。

【００１９】ステップ１０４では重心保持機能の使用を
選択するための選択スイッチ４４がオンか否か判定す
る。ステップ１０４の判定が肯定された場合には、ステ
ップ１０６で通常のマニピュレータアームの移動を行
う。すなわち、入力された各関節での目標角度θ１、θ
２、θ３を、サーボアンプ４６を介して第１アーム用ア
クチュエータ１６、第２アーム用アクチュエータ１８及
び旋回用アクチュエータ３２へ出力する。これにより、
操作レバー２８の操作に応じて各関節が回動され、エン
ドエフェクタ２５が操作者の目標位置へ向けて移動され
る。ステップ１０６実行後はステップ１０８で、Ｘ₀、
Ｙ₀のエリアにアームの移動に伴って変更されたアクチ
ュエータ全体の重心位置を設定し、ステップ１０２へ戻
る。ステップ１０２乃至ステップ１０８の処理を繰り返
すことによってエンドエフェクタ２５が目標位置に到達
すると操作レバー２８の操作が停止され、各関節の回動
及びエンドエフェクタ２５の移動が停止されて作業が行
われる。

【００２０】一方、ステップ１０４の判定が肯定された
場合にはステップ１１０へ移行し、入力された目標角度
θ１、θ２、θ３と、ＲＯＭ６４に記憶しているマニピ
ュレータアームを構成する各部品の重量、車両１５の重
量と、エンドエフェクタ２５がワークを把持している場
合には重量センサ４２によって検出されるワークの重量
と、に基づいて、目標角度θ１、θ２、θ３に応じて各
関節を回動させたときの座標軸Ｘ_V、Ｙ_Vに沿ったマニ
ピュレータ全体の重心位置（Ｘ_{N ,}Ｙ_N）を演算する。

【００２１】ステップ１１２では設定ボリューム４８に
よって設定された重心保持領域の境界部分の座標軸
Ｘ_V、Ｙ_Vに沿った座標値（Ｘ_{S ,}Ｙ_S）を取り込む。
ステップ１１４では重心位置Ｘ_NがＸ_Sよりも大きいか
否か、すなわち、マニピュレータ全体の座標軸Ｘ_V上の
重心位置が重心保持領域外か否か判定する。ステップ１
１４の判定が否定された場合にはステップ１１６へ移行
し、マニピュレータ全体の座標軸Ｙ_V上の重心位置が重
心保持領域外か否か判定する。ステップ１１６の判定も
否定された場合には、図７（Ａ）にも示すように、入力
された目標角度θ１、θ２、θ３に応じて各関節を回動
させてもマニピュレータ全体の重心位置が重心保持領域
を外れないので、マニピュレータの転倒の危険はないと
判断し、ステップ１０６へ移行して前記と同様に目標角
度θ１、θ２、θ３に応じて各関節を回動させる通常の
マニピュレータアームの移動を行う。

【００２２】一方、ステップ１１４またはステップ１１
６の判定が肯定された場合には、入力された目標角度θ
１、θ２、θ３に応じて各関節を回動させるとマニピュ
レータ全体の重心位置が重心保持領域を外れ（図７
（Ｂ）参照）、マニピュレータが転倒する危険がある。
このため、ステップ１１８では車両１５の座標軸Ｘ_V、
Ｙ _Vに沿った移動量ΔＸ、ΔＹを以下の式に従って演算
する。

【００２３】 ΔＸ＝Ｘ_N − Ｘ₀ …（１） ΔＹ＝Ｙ_N − Ｙ₀ …（２）ステップ１２０では前記移動量ΔＸ、ΔＹだけ車両１５
が移動するように、車両全方向駆動部３４へ指示する。
移動量ΔＸ、ΔＹだけ車両１５を移動させることによ
り、エンドエフェクタ２５が目標位置へ向けて移動し、
かつ基準座標、すなわち車両１５に対するマニピュレー
タ全体の重心位置は現在の位置から変更されないので、
マニピュレータが転倒することはない。ステップ１２０
を実行した後はステップ１０２へ戻る。上記処理を繰り
返すことにより、操作レバー２８の操作に応じて各関節
が回動されてエンドエフェクト２５が目標位置へ向けて
移動し、マニピュレータ全体の重心位置が重心保持領域
から外れて転倒する危険があると判断した後は、転倒を
防止するように車両１５を移動させてエンドエフェクト
２５を目標位置へ移動させるので、マニピュレータが転
倒することはない。

【００２４】このように本実施例では、入力された目標
角度θ１、θ２、θ３に応じて各関節を回動させるとマ
ニピュレータ全体の重心位置が重心保持領域を外れてマ
ニピュレータが転倒する危険があると判断した場合に、
マニピュレータ全体の重心位置が重心保持領域を外れな
いように車両１５を移動させるようにしたので、マニピ
ュレータが転倒することはなく、作業の安全性が確保さ
れる。

【００２５】また、本実施例のマニピュレータは重心保
持機能を有しているので、マニピュレータの転倒を防止
するためにアウトリガーを取付けたり、車両１５単体の
重量を大きくする必要がない。このため、車両１５を小
型軽量に設計することができ、本実施例のマニピュレー
タを建築現場等のように作業スペースが狭く、かつ床の
耐荷重の小さい作業現場での作業に使用することができ
る。また、車両１５が操作者の意図する方向へ自動的に
移動するので、マニピュレータの操作性が向上する。

【００２６】なお、マニピュレータが特定のワークに対
してのみ処理を行うものであれば、該ワークの重量をＲ
ＯＭ６４等に記憶しておくことによりワークの重量を検
出する重量センサ４２を省略することもできる。

【００２７】また、本実施例ではマニピュレータ全体の
重心位置が重心保持領域から外れると判断した場合に車
両１５を移動させるようにしていたが、本発明はこれに
限定されるものではなく、例えば車両１５を移動させる
と共にマニピュレータ全体の重心位置が重心保持領域の
中心へ向けて移動するように各関節を縮めるようにして
もよい。これにより、作業中のマニピュレータの重心位
置が重心保持領域の境界近傍で維持されることがなく、
より安定性に優れたマニピュレータとなる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、マニピ
ュレータの重心位置を演算し、マニピュレータアームの
先端が動作指令に応じた位置へ移動し、かつマニピュレ
ータの重心位置が車両を中心とする所定領域内に位置す
るようにマニピュレータアームの各関節の駆動及び車両
の移動を制御するようにしたので、マニピュレータの転
倒を防止することができ、かつマニピュレータを小型軽
量化できる、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るマニピュレータの概略側面図で
ある。

【図２】第２アームの先端部近傍の斜視図である。

【図３】操作用コントローラ、制御回路周辺の概略ブロ
ック図である。

【図４】（Ａ）乃至（Ｃ）は重心保持領域を説明するた
めの概念図である。

【図５】本実施例の作用を説明するフローチャートであ
る。

【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は基準座標を説明するための
概念図である。

【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は関節回動後の重心位置に応
じて車両を移動させない場合と車両を移動させる場合と
を説明するための概念図である。

【符号の説明】

１０第１アーム１２第２アーム１４基台１５車両１６第１アーム用アクチュエータ１８第２アーム用アクチュエータ２５エンドエフェクタ２６操作用力センサ２８操作レバー３２旋回用アクチュエータ３４車両全方向駆動部４０操作用コントローラ６０制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮崎貴志東京都江東区南砂二丁目５番14号株式会社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者福田敏男東京都新宿区原町１−16牛込ハイマンシヨン303 (72)発明者大坪和彦神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所メカトロニクス研究所内 (72)発明者上原和雄神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所メカトロニクス研究所内

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】マニピュレータアームと、前記マニピュ
レータアームが取付けられた車両と、から成るマニピュ
レータの作動を制御するマニピュレータの制御装置であ
って、前記車両を移動させる移動手段と、前記マニピュ
レータアームの各関節を駆動する駆動手段と、マニピュ
レータアームの先端部に取付けられると共に操作者の操
作に応じたマニピュレータアームの動作指令を出力する
動作指令出力手段と、マニピュレータアームの各関節の
角度、マニピュレータアームの重量、前記車両の重量及
びワークの重量に基づいてマニピュレータの重心位置を
演算する演算手段と、マニピュレータアームの先端が前
記動作指令に応じた位置へ移動し、かつ前記マニピュレ
ータの重心位置が車両を中心とする所定領域内に位置す
るように前記駆動手段及び前記移動手段を制御する制御
手段と、を含むマニピュレータの制御装置。