JPH0271988A - マニプレータ用直交形操作器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、オペレータが操作する指令信号に応じて、
マニプレータに任意の作業をおこなわせるだめの操作器
に関する。

【従来の技術】

従来、この種の操作形マニプレータとして、ジョイステ
ィック方式とマスク・スレーブ方式とが知られている。 一方のジョイスティック方式は、一般にレバー構造をと
り、前後、左右の傾きとしバー（ジョイスティック）の
回転角に応じて３自由度のマニプレータの先端の速度を
指令し、この時間積分の形でマニプレータの位置決めを
おこなう。したがって、マニプレータの姿勢も同時に制
御しようとすると、さらに別の３自由度のジョイスティ
ックを必要とする。しかし、オペレータは、ジョイステ
ィックを傾けるだけで余り手を動かさないでも、マニプ
レータの到達可能な空間内でマニプレータの位置、姿勢
を操作することができ、しかもこの時、操作に要する力
も小さく、したがって疲労度も小さい。 一方、ジョイスティックの与える信号は速度であり、実
際に制御したいマニプレータの動きは位置であるため、
直感性に欠ける。また、このことはマニプレータ先端を
円弧上に動かすことがむずかしいことになる。同時に、
力をジョイスティックにフィードバックしても位置と力
の関係が間接的になり、操作性の向上は余り期待できな
い。 他方のマスク・スレーブ方式は、−ａには同形の構造を
したマスクの動きを検出し、その通りにスレーブを動か
すものであり、この場合は位置対応になるため、空間的
な直感性やカフィードバックによる操作性を向上させ得
るなどのメリットがある。しかし、カフィードバックを
おこなうとスレーブ・マニプレータの重力がオペレータ
に作用するため、これを機構的にバランスさせる方法と
か、計算機上でこの分を補償する方法とかが知られてい
る。これらの方法は複雑となり高価なものとなる。また
、必要に応じて空間に手を伸ばさなければならず、それ
だけオペレータの負担となり、疲労は避けられない。 このような状況から、発明者は、特許出願、特願昭６１
−２９４３２９号において、直交形３軸操作器とマニプ
レータとを組合わせ、空間における大まかな位置決めに
ついては、ジョイスティックによって速度指令を与え、
限られた空間での作業については、異形マスク・スレー
ブを構成し、位置指令を与える、という操作形マニプレ
ータを提案した。 この直交形３軸操作器は、高精度の位置決めロボフトに
適用されている例からみても、剛性を出し、精度を高く
する目的には合致している。 この直交形３軸操作器について、第５図を参照しながら
説明する。第５図（ａ）の斜視図において、Ｘ軸、Ｙ軸
、Ｚ軸各スライド機構１，２．３がそれぞれ組上げられ
ている。すなわち、Ｘ軸のスライダ８にＹ軸スライド機
構２が、Ｙ軸のスライダ１２にＺ軸スライド機構３が、
Ｚ軸のスライダ７Ｓにグリップ７がそれぞれ取り付けら
れている。各軸の構成はいずれも同様で、同図（Ｃ）の
Ｘ軸に関する縦断面図を参照して説明すると、アルミニ
ウム引抜き材などで成形されたＸ軸フレーム１６内にロ
ーラ１８．１７があり、これによりスライダ８がＸ軸方
向に移動可能である。通常、ローラ１８は４個、ローラ
１７は３個が、フレーム１６の両壁間を突張るような形
で設けられ、遊隙の少ない案内を可能にする。 次に同図（１））の裏面図で、このスライダ８は、ベル
ト車１０．１１間に張設されたタイミングベルト９を介
してサーボモータ部４につながる。サーボモータ部４は
サーボモータおよび角度検出用エンコーダから構成され
る。同様にＹ軸スライド機構２は、サーボモータ部５、
ベルト車１３，１５　、タイミングベルト１４、スライ
ダ１２から構成され、Ｙ軸フレームがＸ軸スライダ８と
接続される。また、第５図（ａ）のようにＺ軸フレーム
は、スライダ１２に取付けられている。同図（ａ）にお
いて、グリップ７を握って操作すると、それぞれＸ軸、
Ｙ軸、Ｚ軸の各スライド機構１，２．３が動き、その移
動量はサーボモータ部４，５．６の各エンコーダにより
検出され、これが図示してないスレーブ・マニプレータ
の先端部の位置信号となる。 すなわち、スレーブの各関節のサーボモータは、その回
転角が計算により求められ、その値に応じた回転をし、
この回転によってスレーブ・マニプレータを位置決めす
る。このときスレーブ先端が何かに接触すると、この力
は、例えばスレーブ・マニプレータ先端部に設けられた
３軸力センサで検出され、その値に応じた一定角度だけ
、各サーボモータ部４，５．６が回転して、グリップ７
を把持しているオペレータに力感覚を付与することにな
る。なお、グリップ部に３軸力センサを設ければ、スレ
ーブの３軸力センサの値に応して一定比率の力をフィー
ドバックするエンコーダによる角度制御のみよりも一層
、正確な力制御が可能と従来の直交形３軸操作器では、
その動作において、オペレータは場合によっては例えば
Ｙ軸、Ｚ軸各スライド機構１．２全体を移動させる必要
があり、その場合それだけ慣性が大きく、またそれぞれ
の重量に基づく摩擦力などのために、Ｚ軸スライダ部な
どは重量バランスをとったとしても大きな操作力を必要
とし、そのためカフィードバックの悪疫が鈍（なり、微
妙な操作がむずかしくなる欠点を有している。 この発明の目的は、いわゆる直交形３軸スライド機構の
有していた大きな操作力を必要とする欠点を除き、出来
るだけ単純な機構で操作力の小さな操作器とすることに
より、微妙な作業にも適用可能な操作器を提供すること
にある。 前記の目的を達成するために、本発明に係るマニプレー
タ用直交形操作器は、 直交しで張られた第１．第２の各ワイヤの交点部にグリ
ップを設け、 このグリップに前記第１．第２の各ワイヤに合成張力の
方向が直交する第３のワイヤまたは軸線方向が直交する
ロンドを設け、 かつ前記第１．第２の各ワイヤの両側の各端部と、前記
第３ワイヤの両側の各端部または前記ロンドの一方の端
部とには、マニプレータの操作指令用エンコーダおよび
前記マニプレータの受ける外力に応じてグリップに力を
付加するためのサーボモータを設ける。 なお、第３のワイヤは、グリップへの接近側のワイヤ部
分が他方の側の直線状ワイヤ部分の延長線に関して対称
的に二また状に張られるようにしてもよい。

【作　用］ グリップと、エンコーダおよびサーボモータとを連結す
る、第１．第２の各ワイヤと、第３のワイヤまたはロン
ドとは、いずれも慣性が小さく、かつ遊隙がないから、
グリップ操作に要する力は小さく、グリップ操作の変位
量はこれに対応した変位量としてエンコーダに伝達され
、かつマニプレータの受ける外力はグリップ側へ応答性
良くフィードバックされる。 【実施例】 この発明の第１の実施例を示す直交形操作器について、
まず第１図を参照しながら説明する。第１図（ａ）の斜
視図において、ベース１９上にそれぞれボール２０（３
個）、２１（１個）を立て、３本のワイヤ２４ｘ、２４
ｙ、　２４ｚをＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に張り、その交差部に
グリップ２７をとりつける。各ワイヤ２４ｘ、２４ｙ、
　２４ｚは、ボール２０．２１に設けられた符号を付け
てないガイドを介して張られ、その各両端にサーボモー
タ部４，５．６がとりつけられる。すなわち、２個のサ
ーボモータで１本のワイヤを動作させている。これは、
１個のサーボモータで１本のワイヤを動作させることは
原理的には可能であるが、ワイヤが傾いた形で使われる
ため、常に一定力で両端をひっばっておくことが実際に
は極めてむずかしいからである。 第１図Φ）のサーボモータ部の側面図において、ワイヤ
２４　（２４ｘ、２４ｙ、　２４ｚを代表）はワイヤ巻
取りドラム２５により巻取られる。サーボモータ部４゜
５．６はそれぞれエンコーダ２２．サーボモータ２３で
構成される。モータ出力軸にトルク・センサをとりつけ
てもよく、必要に応じて減速機を設けてもよい。 再び第１図（ａ）において、Ｘ軸方向にグリップ２７を
移動すると、その移動量はサーボモータ部４のエンコー
ダ２２により回転角の形で検出される。このとき両端の
各エンコーダ２２の出力を合計して平均した値を用いる
とよい。例えば、このとき、Ｙ軸、Ｚ軸も移動するが、
回転方向が相殺するためＹ軸、Ｚ軸の各エンコーダ２２
の出力の平均値はＯになるようにすることができる。こ
のようにしてＸ軸方向の移動量が与えられると、この値
に応じてスレーブの先端がＸ軸方向に移動するように、
スレーブの各関節のサーボモータを制御すればよい。 そして、スレーブがＸ軸方向に移動したとき、何かに接
触あるいは衝突したとき、その力の大きさを３軸力セン
サが検出してＹ軸のサーボモータ２３を駆動してやれば
、オペレータにその力を伝達することができる。力セン
サの出力に比例してエンコーダの出力角を制御してもよ
いし、モータ出力軸にトルクセンサをつけて力制御をし
てもよいし、あるいはグリップ部に３軸力センサを設け
、この値を制御してもよい。 また、スレーブの姿勢まで制御する必要があれば、グリ
ップ部にスレーブの手首とほぼ同構造の手首機構を設け
、６軸力センサを介してグリップ２７を設けても°良い
。もちろんこの場合、スレーブ側も６軸力センサを必要
とする。あるいは手首機構にトルクセンサを組込んで、
３軸センサを使う方法もある。 ところで、第１図（ａ）において、Ｙ軸の、グリップ２
７へ接近する側のワイヤが邪魔で、操作がやり親図のよ
うに、Ｙ軸ワイヤを１本のワイヤ３４ｙ（Ｙ軸方向）と
、２本のワイヤ４４ｙとで構成し、グリップ２７へ接近
する側のワイヤ４４ｙを水平面上でＹ軸に対し等角に２
分割した形に二また状に張る。 したがって、ワイヤ４４ｙに対応してボールおよびサー
ボモータ部もそれぞれ２個を設ける。この場合のエンコ
ーダの出力もそれぞれ平均化してやれば特に問題ない。 なお第２図において、第１図と同じ部品には同符号を付
けである。 次に、第３図に示した第３実施例につき説明する。同図
（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は要部の正面図である。こ
れは第１、第２実施例のＹ軸ワイヤ２４ｙ、３４ｙ、４
４ｙをロッド２９にしたものであり、この場合は、ロッ
ド２９の一方の端部にグリップ２７を他方の端部にサー
ボモータ部２６を設けである。サーボモータ部２６のと
りつけ方の説明を同図（ｂ）を参照しながら説明する。 ボール２１は、その上、下各部が連結部２７により連結
され、ここにボールジヨイント２８が回動自在に保持さ
れる。３０は、ロッド２９と係合　されたラックとビニ
オンとの組合せによる回転−直線変換部であり、この左
側にサーボモータ２３、エンコーダ２２が、同じ（右側
にボールジヨイント２８がとりつけられる。同図（ａ）
において、グリップ２７をＹ軸方向に押すと、ラック・
ピニオン機構３０により、エンコーダ２２が回転して、
移動量が回転角度として検出される。その状態でロッド
２９をＸ方向あるいはＸ方向に振ると、その移動量はそ
れぞれワイヤ２４ｘ、　２４ｚを介してサーボモータ部
４．６で検出される。 別のサーボモータ部３６を備える操作器を、第４実施例
として第４図を参照しながら説明する。同図（ａ）はそ
のサーボモータ部３６の側面図、同図（ｂ）はその正面
図である。なお、第４実施例は、サーボモータ部３６以
外は第３実施例と同じである。第４実施例では、ロッド
２９のＸ、Ｘ軸方向の動きは（第３図（ａ）参照）、周
知のＸ、Ｚ方向揺動部３Ｌ３２によって自由であり、そ
の移動量はサーボモータ部４，６で検出される。そして
、Ｘ方向の動きはサーボモータ部３６に属するラック・
ピニオン機構３０を介して回転に変換されてエンコーダ
２２により検出される。

【発明の効果】

この発明によれば、直交して張られた２本のワイヤに、
さらにこれらと直交してワイヤあるいはロッドを設け、
それぞれにサーボモータ、エンコーダを設けて直交形操
作器を構成する。そして、グリップ操作したときに移動
するのは、ワイヤあるいはロッドだけであり、従って慣
性が小さく、また関連部の構造も簡単で軽量になる。し
たがって操作力の小さ（、力感覚にすぐれ、同時にワイ
ヤの傾きにより基準位置が推定しやすいため空間的感覚
にもすぐれ、しかも安価な操作器が得られる。また、グ
リップへの接近側のワイヤを等分角に二また状に張るこ
とによりオペレータの操作も容易となり、さらにグリッ
プを３軸力センサを介してとりつけることにより、力制
御性のすぐれた操作器となる。あるいは、これに手首機
構を設けることにより、スレーブの手首姿勢の制御およ
びカフィードバックも可能となり一層操作性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１の実施例で、同図（ａ）はそ
の斜視図、同図（ｂ）はその要部の側面図、第２図は第
２の実施例の斜視図、 第３図は第３の実施例で、同図（ａ）はその斜視図、同
図（ｂ）はその要部の正面図、 第４図は第４の実施例の要部で、同図（ａ）はその側面
図、同図（ｂ）はその正面図、 第５図は従来例を示し、同図（ａ）はその斜視図、同図
（ｂ）はその裏面図、同図（Ｃ）はその要部の縦断面図
である。 符号説明 ４．５．６，２６．３６　：サーボモータ部、２２；エ
ンコーダ、２３；サーボモータ、２４ｘ、　２４ｙ、　
２４ｚ、　３４ｙ、　４４ｙ　：ワイヤ、２７ニグリ・
ンブ、２９：ロッド。 ３４ｙ、４４ｙ：つイヤ 第２図 トＺ耽 第５ト ドＺ軸 ｉ−Ｚ釉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直交して張られた第１、第２の各ワイヤの交点部に
   グリップを設け、このグリップに、前記第１、第２の各
   ワイヤに合成張力の方向が直交する第３のワイヤまたは
   軸線方向が直交するロッドを設け、かつ前記第１、第２
   の各ワイヤの両側の各端部と、前記第３ワイヤの両側の
   各端部または前記ロッドの一方の端部とに、マニプレー
   タの操作指令用エンコーダおよび前記マニプレータの受
   ける外力に応じてグリップに力を付加するためのサーボ
   モータを設けたことを特徴とするマニプレータ用直交形
   操作器。 ２）特許請求の範囲第１項記載の操作器において、第３
   のワイヤは、グリップへの接近側のワイヤ部分が他方の
   側の直線状ワイヤ部分の延長線に関して対称的に二また
   状に張られたことを特徴とするマニプレータ用直交形操
   作器。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の操作器に
   おいて、グリップは、３軸力センサを介して第１、第２
   の各ワイヤと、第３のワイヤまたはロッドとの交点部に
   設けられたことを特徴とするマニプレータ用直交形操作
   器。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項
   に記載の操作器において、グリップは、３軸力センサと
   、マニプレータ側と同構造の手首機構とを介して第１、
   第２の各ワイヤと、第３のワイヤまたはロッドとの交点
   部に設けられたことを特徴とするマニプレータ用直交形
   操作器。