JPH08300277A - 遠隔操作形マニピュレータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スレーブマニピュレータが障害物に接触する以
前に予め認識して接触を未然に防止することにある。 【構成】車両より延びる絶縁ブームの上端に搭載された
スレーブマニピュレータ11に作用する外力を反力として
車両側に搭載されたマスタマニピュレータ10にフィード
バック制御する遠隔操作形マニピュレータの制御装置に
おいて、作業ポイントに至る経路上の障害物を検出して
該障害物から所定の距離を設定し、且つ画像処理装置21
によりスレーブマニピュレータ11と障害物までの距離を
判定する距離判定装置50と、スレーブマニピュレータ11
が距離判定装置50により設定された所定の距離を越える
と障害物に接近した距離に応じてマスタマニピュレータ
10の拘束力を関数発生器により発生させ、この拘束力を
前記反力に重畳してマスタマニピュレータにフィードバ
ックする反力発生装置51とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高圧配電線の碍子、変
圧器等の交換作業を行う活線工事設備に用いられる遠隔
操作形マニピュレータの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般市街地での架空配電系統の保守、例
えば碍子交換や変圧器交換、あるいは引き込み線の接続
等の工事は、需要家への無停電サービスを実施するため
に活線状態のまま行うことが多くなっている。

【０００３】この種の作業は、装柱（電柱）の上１０ｍ
を越える高所で行う必要があるため、従来では作業員が
装柱に登りホットスティック（電気絶縁棒）工法により
作業を行っていた。

【０００４】しかし、このような工法では高い装柱上で
作業を行うため、感電、墜落等の危険が潜んでいると共
に、作業工程毎にホットスティックの工具を交換する必
要があるため、多大の労力を必要とする割には作業効率
が低くなり易いという問題があった。

【０００５】これらの問題を解決する手段として、最近
では遠隔操作形マニピュレータを用いたロボット工法の
活線工事設備が開発されている。図７はかかる活線工事
設備の構成例を示すものである。図７に示すように、作
業車両１に据付られた伸縮移動可能なブーム２の先端に
作業ステージとなるワーキングベース３を設置し、その
上にスレーブマニュピュレータ１１とＩＴＶカメラ２０
を搭載している。

【０００６】また、車両１の運転席あるいは荷台部を改
造してマスタマニピュレータ１０を搭載し、装柱４に設
置された配電線５、碍子６、変圧器７等の保守作業を実
施するものである。

【０００７】以下の説明ではマスタマニピュレータをマ
スタ、スレーブマニュピュレータをスレーブと称する。
図８は上記活線工事設備における遠隔操作形マニピュレ
ータの制御ブロックのうち、極めて基本的な制御ループ
のみを示したものである。図８に示すように従来技術に
係るこの種のマスタ・スレーブマニピュレータはマスタ
１０の関節角Ｐｍとスレーブ１１の関節角Ｐｓとの差が
ゼロとなるようにスレーブ１１を駆動し、スレーブ１１
に印加される外力Ｔｏを反力Ｔｍに加算してマスタ１０
を駆動するようになっている。

【０００８】更に具体的な構成要素にて示せば、スレー
ブ１１及びマスタ１０を駆動する駆動モータ１２ａ，１
２ｂ、角度を測る角度検出器１３ａ，１３ｂ、駆動モー
タ１２ａ，１２ｂを制御する駆動アンプ１５ａ，１５ｂ
及びスレーブの手首部に設置しマニピュレータへの外力
を測る力検出器１４から構成されている。

【０００９】また、スレーブ１１の作業範囲３０はワー
キングベース３に設置した複数台のＩＴＶカメラ２０に
より撮影し、画像処理装置２１にて立体画像として立体
モニタ２２に映し出すことにより遠隔操作を可能として
いる。

【００１０】これらにより、立体モニタ２２を観測しな
がらマスタを操作するとその動きに応じてスレーブが動
作し、スレーブにかかる外力をマスタの操作者が感じる
ことができ、臨場感のある操作が可能となる。従って、
かかるマスタにおいて、スレーブが障害物に接触して停
止したことは外力の増加、即ちマスタへの反力の増加と
して操作者が感じることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、このような
バイラテラル制御を有するロボット工法にて保守作業を
行う場合、オペレータ３１は作業中に障害物接触したこ
とを確認することができるが、配電作業は活線障害物に
接触すること自体が問題となることが多く、その改善が
必要となっている。

【００１２】本発明は上記の要望を満たすべくなされた
もので、障害物に接触する以前に予め認識して接触を未
然に防止することができる遠隔操作形マニピュレータの
制御装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により遠隔操作形マニピュ
レータの制御装置を構成するものである。請求項１に対
応する発明は、車両より延びる絶縁ブームの上端に搭載
されたスレーブマニピュレータに作用する外力を反力と
して車両側に搭載されたマスタマニピュレータにフィー
ドバック制御しながら活線作業を行う遠隔操作形マニピ
ュレータの制御装置において、作業ポイントに至る経路
上の障害物を検出して該障害物から所定の距離を設定
し、且つ視覚装置により前記スレーブマニピュレータと
障害物までの距離を判定する距離判定手段と、前記スレ
ーブマニピュレータが前記距離判定手段により設定され
た所定の距離を越えると前記障害物に接近した距離に応
じて前記マスタマニピュレータの拘束力を関数発生器に
て発生させ、その拘束力を前記反力に重畳して前記マス
タマニピュレータにフィードバックする反力発生手段と
を備えたものである。

【００１４】請求項２に対応する発明は、反力発生手段
の関数発生器として、障害物までの距離を入力して線形
又は非線形にて拘束力を発生させるようにしたものであ
る。請求項３に対応する発明は、反力発生手段の関数発
生器として、所定の拘束力値を障害物までの距離に応じ
て周期を変えた一定拘束力をパルス状に発生させるよう
にしたものである。

【００１５】請求項４に対応する発明は、前記距離判定
手段の出力を前記マスタマニピュレータに拘束力として
入力すると共に、前記視覚装置の表示画面上に前記障害
物までの距離を警報表示するようにしたものである。

【００１６】請求項５に対応する発明は、車両より延び
る絶縁ブームの上端に搭載されたスレーブマニピュレー
タに作用する外力を反力として車両側に搭載されたマス
タマニピュレータにフィードバック制御しながら活線作
業を行う遠隔操作形マニピュレータの制御装置におい
て、作業ポイントに至る経路上の障害物を検出して該障
害物から所定の距離を設定し、且つ前記スレーブマニピ
ュレータの手先部に取付けられた近接距離センサにより
前記スレーブマニピュレータと障害物までの距離を判定
する距離判定手段と、前記スレーブマニピュレータが前
記距離判定手段により設定された所定の距離を越えると
前記障害物に接近した距離に応じて前記マスタマニピュ
レータの拘束力を関数発生器にて発生させ、その拘束力
を前記反力に重畳して前記マスタマニピュレータにフィ
ードバックする反力発生手段とを備えたものである。

【００１７】

【作用】上記請求項１乃至５に対応する遠隔操作形マニ
ピュレータの制御装置にあっては、スレーブマニピュレ
ータが障害物まで十分離れているときは従来と同様に動
作するが、所定の距離より障害物との接触位置近傍に接
近した場合には近接するほど反力が大きくなるので、マ
スタマニピュレータを駆動させにくくなり、これに伴っ
てスレーブマニピュレータの動作も鈍くなり、その分障
害物に接触しにくくなると共に、接触時の衝撃も緩和さ
れる。

【００１８】また、請求項４に対応する発明の遠隔操作
形マニピュレータの制御装置にあっては、視覚装置の表
示画面上に障害物までの距離が警報表示されるので、オ
ペレータは反力と共に、距離を視覚により確認すること
ができ、確実に障害物を回避することができる。

【００１９】さらに、請求項５に対応する発明の遠隔操
作形マニピュレータの制御装置にあっては、視覚装置に
代えてスレーブマニピュレータの手先部に取付けられた
近接距離センサによりスレーブマニピュレータと障害物
までの距離を計測するようにしているので、距離測定を
簡便に行うことができる。

【００２０】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明による遠隔操作形マニピュレータの制
御装置の構成例を示すブロック図で、図８と同一部分に
は同一符号を付して説明する。

【００２１】図１に示すように、マスタマニピュレータ
１０側に駆動モータ１２ａと角度を測る角度検出器１３
ａを備え、スレーブマニピュレータ１１側に駆動モータ
１２ｂと角度を測る角度検出器１３ｂ及びスレーブマニ
ピュレータ１１の手首部に設置されマニピュレータへの
外力を測る力検出器１４を備えている。

【００２２】また、スレーブマニピュレータ１１の作業
範囲３０はワーキングベースに設置した複数台のＩＴＶ
カメラ２０により撮影し、画像処理装置２１にて立体画
像として立体モニタ２２に映し出すことにより遠隔操作
を可能としている。

【００２３】一方、５０はスレーブマニピュレータ１１
側の角度検出器１３ｂで検出された検出信号と画像処理
装置２１の出力信号とが入力される距離判定装置で、こ
の距離判定装置５０は予め設定した作業中にスレーブ１
１が回避すべくポイントデータ群の内特定のポイントと
スレーブ１１の先端の位置との差を算出する機能を有し
ている。また、５１は距離判定装置５０の出力信号が入
力される反力発生装置で、この反力発生装置５１は距離
に応じてマスタマニピュレータ１０への拘束力を発生す
る機能を有している。

【００２４】そして、角度検出器１３ａ及び１３ｂによ
り検出された角度検出信号を比較し、その偏差によりス
レーブマニピュレータ１１側の駆動モータ１２ｂを制御
する駆動アンプ１５ａとスレーブマニピュレータ１１側
の外力を測る力検出器１により検出された信号と反力発
生装置５１より出力される拘束力Ｔｃとの加算出力によ
りマスタマニピュレータ１０側の駆動モータ１２を制御
する駆動アンプ１５ａを備えている。

【００２５】なお、距離判定装置５０が複数台のＩＴＶ
カメラ２０にて撮影した映像から回避ポイントまでの距
離を測定する方法としては、例えば従来良く知られてい
る三角測量の原理が用いられる。また、回避ポイントの
設定はオペレータ３１が予めそのポイントをトラッキン
グボール等のポインティング装置を用いるか、あるいは
回避ポイントの映像的特徴点を予め設定されたパターン
と比較するパターンマッチングが用いられる。

【００２６】次に上記のように構成された遠隔操作形マ
ニピュレータの制御装置の作用について述べる。いま、
配線工事作業を図２の環境で行うことを想定して説明す
る。図２において、オペレータ３１が装柱４に取付けた
碍子６の取替え作業を行う場合、スレーブマニピュレー
タ１１をポイントＰｗと設定した碍子の位置に近付ける
ためには障害となる他の碍子や変圧器７があるとする。
今回は障害物としてポイントＰａにて示す碍子がアプロ
ーチ経路に存在しているとする。

【００２７】ここで、ポイントＰａを回避するアルゴリ
ズムを図３に示すフローチャートを用いて説明する。図
３において、スレーブマニピュレータ１１の動作が開始
すると、ステップＳ１にてオペレータにより回避モード
を選択するか否かを判定し、選択しない場合はステップ
Ｓ６にて一般的な外力期間のみ、即ち障害物への接触後
にその状態が操作者に伝送される従来の操作法が選択さ
れる。また、ステップＳ１にて回避動作を選択した場合
にはステップＳ２にてスレーブマニピュレータ１１の手
先位置を各関節角データより算出する。

【００２８】次にステップＳ３で前記ステップＳ２で求
めたスレーブマニピュレータ１１の先端位置と予め設定
された回避ポイントＰａとの離隔距離を算出する。ここ
で、図２に示す回避ポイントＰａからｒの距離を危険領
域４０と称するとき、ステップＳ４で危険領域に達して
いるか否かを判定し、危険領域に達していない場合はス
テップＳ６にて通常のバイラテラル制御に分岐し、危険
領域内であればステップＳ５にて作業者に危険領域内で
の作業を続行するかを問合せ、作業を強制続行するとき
にはステップＳ６にて作業を続行する。

【００２９】また、作業を強制続行を行わないときはス
テップＳ７にてステップＳ３で求めた離隔距離に応じて
マスタマニピュレータ１０への拘束力を演算する。その
後、ステップＳ８で演算させた拘束力Ｔｃとスレーブマ
ニピュレータ１１の外力Ｔｏをマスタマニピュレータ１
０への反力としてオペレータ３１へ伝達する。

【００３０】次に図４にて回避ポイントＰａとスレーブ
マニピュレータ１１との離隔距離に応じて発生させる拘
束力Ｔｃの算出方法を説明する。図４（ａ）において、
離隔距離が危険領域Ｐemg より大きいときは拘束力Ｔｃ
をゼロとし、Ｐemg より接近するに従って漸増する拘束
力Ｔｃを決定する。この関数を用いると、スレーブ１１
が危険領域から遠い時、即ち回避ポイントＰａに接触の
恐れがないときは一般のバイラテラルマニピュレータと
して動作し、スレーブマニピュレータ１１がＰemg を越
えると次第に拘束力Ｔｃが大きくなり、マスタマニピュ
レータ１０が操作しにくくなり、回避ポイントに近付き
にくくなると共に、回避ポイントに接触した場合の衝撃
も緩和される。

【００３１】また、図４（ａ）に示した破線は危険領域
ｒに入った後、拘束力Ｔｃを２乗に比例して決定するよ
うにしている。この関数を用いるとＰemg 以降での反力
変化が滑らかになると共に接触限界での拘束力の変化率
を大きくでき、確実に接触から回避することが可能とな
る。

【００３２】また、他の関数として危険領域に入ったの
ち拘束力Ｔｃをパルス状に発生させることで図４（ｂ）
に示したように連続的に拘束力Ｔｃが変化するときにオ
ペレータ３１が反力の変化を捉えにくい点を改善して確
実に危険領域に入ったことを知らせることが可能とな
る。

【００３３】このように上記実施例では、スレーブマニ
ピュレータを作業ポイントに遠隔操作で誘導する場合に
生じる障害物への接触を、視覚装置として設けられた画
像処理装置２１による画像処理を用いて危険領域を設定
し、その領域へスレーブマニピュレータが侵入した場合
にマスタマニピュレータへ反力として帰還することで、
障害物への接触を未然に防止することができる。

【００３４】図５は本発明の他の実施例における立体モ
ニタ２２に表示画面を示すものである。本実施例では図
１にて説明した距離判定装置５０の出力を拘束力として
マスタマニピュレータ１０に入力して反力を発生させる
ると共に、画像処理装置２１に入力して図５に示す立体
モニタ２２の表示画面に設けられた警報表示部６０に障
害物までの距離を表示するようにしたものである。

【００３５】このようにすれば、警報表示部６０により
オペレータ３１は反力と共に、距離を視覚により確認す
ることが可能となるので、確実に障害物を回避すること
ができる。

【００３６】図６は本発明の他の実施例における障害物
までの距離測定方式を説明するための図である。本実施
例では、図１に示す実施例で説明した視覚装置として用
いられた画像処理装置２１の出力により障害物までの距
離を求めるようにしたが、図６に示すようにスレーブマ
ニピュレータ１１の先端部に通常取付ける工具嵌合部８
０の近傍に手先前方の距離を測定する近接センサ８１を
取付け、この近接センサ８１により作業ポイントＰｗに
スレーブマニピュレータ１１を誘導する経路上にある回
避ポイントＰａまでの距離を測定し、その測定データを
図１に示す反力発生装置５１に入力するようにするもの
である。

【００３７】なお、上記近接距離センサとしては、超音
波、レーザ光あるいは静電容量の変化を用いて当該対象
までの距離を測定するデバイスが使用できる。このよう
な構成としても上記実施例と同様に危険領域へスレーブ
マニピュレータ１１が侵入した場合にマスタマニピュレ
ータへ反力として帰還することで、障害物への接触を未
然に防止することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明による遠隔操作
形マニピュレータの制御装置よれば、配電作業をロボッ
ト工法にて実施する上で、障害物を避けるために設けた
回避点に一定距離近付いたときにスレーブマニピュレー
タとの距離に応じて拘束力をマスタマニピュレータに帰
還するようにしたので、次のような効果を得ることがで
きる。 （１）スレーブマニピュレータが回避点より十分離れて
いるときは、通常のバイラテラル制御を行うことができ
る。 （２）スレーブマニピュレータが回避点近傍の所定の位
置を越えると、次第にその反力が増加し、マスタマニピ
ュレータを拘束しだし、回避点への接触を未然に防止
し、もって地絡事故を未然に防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による遠隔操作形マニピュレータの制御
装置の一実施例を示すブロック図。

【図２】同実施例において、障害物までの距離を計測す
るための原理図。

【図３】同実施例において、反力を漸増させるアルゴリ
ズムを示すフローチャート。

【図４】同実施例において、障害物までの距離と発生反
力の関係を示すグラフ。

【図５】本発明の他の実施例における立体モニタの表示
画面を示す図。

【図６】本発明の他の実施例における障害物までの距離
を測定する方式を説明するための構成図。

【図７】遠隔操作形マニピュレータを用いた活線工事設
備の構成説明図。

【図８】従来の遠隔操作形マニピュレータの制御装置を
示すブロック図。

【符号の説明】

１０……マスタマニピュレータ、１１……スレーブマニ
ピュレータ、１２ａ，１２ｂ……駆動モータ、１３ａ，
１３ｂ……角度検出器、１４……力検出器、１５ａ，１
５ｂ……駆動アンプ、２０……ＩＴＶカメラ、２１……
画像処理装置、２２……モニタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横山 哲志 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両より延びる絶縁ブームの上端に搭載
   されたスレーブマニピュレータに作用する外力を反力と
   して車両側に搭載されたマスタマニピュレータにフィー
   ドバック制御しながら活線作業を行う遠隔操作形マニピ
   ュレータの制御装置において、作業ポイントに至る経路
   上の障害物を検出して該障害物から所定の距離を設定
   し、且つ視覚装置により前記スレーブマニピュレータと
   障害物までの距離を判定する距離判定手段と、前記スレ
   ーブマニピュレータが前記距離判定手段により設定され
   た所定の距離を越えると前記障害物に接近した距離に応
   じて前記マスタマニピュレータの拘束力を関数発生器に
   て発生させ、この拘束力を前記反力に重畳して前記マス
   タマニピュレータにフィードバックする反力発生手段と
   を備えたことを特徴とする遠隔操作形マニピュレータの
   制御装置。
2. 【請求項２】 反力発生手段の関数発生器は、障害物ま
   での距離を入力して線形又は非線形にて拘束力を発生さ
   せるようにしたことを特徴とする請求項１記載の遠隔操
   作形マニピュレータの制御装置。
3. 【請求項３】 反力発生手段の関数発生器は、所定の拘
   束力値を障害物までの距離に応じて周期を変えた一定拘
   束力をパルス状に発生させるようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載の遠隔操作形マニピュレータの制御装
   置。
4. 【請求項４】 前記距離判定手段は判定出力を前記マス
   タマニピュレータに拘束力として入力すると共に、前記
   視覚装置の表示画面上に前記障害物までの距離を表示す
   ることを特徴とする請求項１記載の遠隔操作形マニピュ
   レータの制御装置。
5. 【請求項５】 車両より延びる絶縁ブームの上端に搭載
   されたスレーブマニピュレータに作用する外力を反力と
   して車両側に搭載されたマスタマニピュレータにフィー
   ドバック制御しながら活線作業を行う遠隔操作形マニピ
   ュレータの制御装置において、作業ポイントに至る経路
   上の障害物を検出して該障害物から所定の距離を設定
   し、且つ前記スレーブマニピュレータの手先部に取付け
   られた近接距離センサにより前記スレーブマニピュレー
   タと障害物までの距離を判定する距離判定手段と、前記
   スレーブマニピュレータが前記距離判定手段により設定
   された所定の距離を越えると前記障害物に接近した距離
   に応じて前記マスタマニピュレータの拘束力を関数発生
   器にて発生させ、その拘束力を前記反力に重畳して前記
   マスタマニピュレータにフィードバックする反力発生手
   段とを備えたことを特徴とする遠隔操作形マニピュレー
   タの制御装置。