JP2002144266A - 作業システム - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
業を行うことができる作業システムを提供する。 【解決手段】 作業環境外に設けられた駆動機構12を
制御するコントローラ34に、作業装置10に設けられ
た状態検出器4により取り込まれた情報に基づいて、駆
動機構12の状態を表すデータおよび駆動機構12とそ
の周囲にある物との位置関係を表すデータのうちの少な
くともいずれか一方を含む駆動状態データを求める状態
検出処理ユニット38と、所定の駆動計画に基づいて駆
動機構12が正常に動作している場合に状態検出処理ユ
ニット38により検出されるべき駆動状態データの時間
的変化をシミュレーションにより求めるシミュレーショ
ンユニット39と、駆動計画に基づいて駆動機構12を
動作させた場合に状態検出処理ユニット38により求め
られた駆動状態データを、シミュレーションユニット3
9により求められた駆動状態データとを比較する状態比
較処理ユニット40とを設ける。
Description
造物の補修・点検等の作業を行う作業システムにに関す
る。
部において補修・点検等の作業を正確に行うことは非常
に困難である。特に、原子炉圧力容器の補修・点検作業
は、作業場所に人間が入ることができず、また作業が水
中環境下で行われることもあり、運転員が直接、装置の
状態を監視すること、テレビカメラなどを用いた装置周
辺からの監視を行うことが困難である。
の状態の監視および作業装置の制御を行うために、駆動
装置自身や駆動装置周囲に状態検出器を設けている。し
かし、多くの状態検出器を備えることは、作業装置の大
型化および複雑化につながり、狭隘部の作業に適さない
ものとなってしまう。また、信頼性の低下にもつなが
る。
としては、作業装置にテレビカメラを搭載してその映像
を監視する方法や、超音波センサ、磁気式または光電式
の近接センサ、タッチセンサ等を用いて周囲構造物まで
の距離を検出する方法が主流である。
量が多くて非常に有効であるが、映像を監視しながら、
駆動装置を運転することは、運転員の技量が必要であ
り、また運転員が疲労して集中力が衰えた際に人的ミス
が発生しやすいという問題がある。画像処理技術により
運転員の負担を軽減する試みが長年に渡って進められて
いるが、複雑かつ狭隘な環境下では、画像処理が容易と
なる照明条件や視点位置からの撮影がままならないこと
から、処理速度、信頼性に問題がある。
サ、タッチセンサを用いて周囲構造物までの距離を検出
する方法は、検出範囲が狭く、ビームが広がるため、任
意箇所を正しくピンポイントで距離計測することが難し
く、十分な測定精度を得ることは困難である。よって複
雑かつ狭隘な環境下において、これらの距離センサから
の距離データを機械的に駆動機構の制御に用いるには問
題がある。検出範囲を広くするには検出範囲の異なる距
離センサを複数用いることも考えられるが、装置の小型
化のニーズに反してしまう。
検出は、従来、モータに直結したロータリーエンコー
ダ、レゾルバ、もしくはポテンショ・メータなどの内界
センサのデータを基に位置・速度データを算出する方法
を用いている。
令された位置・姿勢データをもとに、現在の位置・姿勢
から到達する位置・姿勢までの時刻(または位置)を分
割し、分割した各時間(または位置)ごとに目標の位置
・速度データ(指令データ)を生成し、指令データと内
界センサによる位置・速度データが常に一致させる制御
方法を用いている。
化を図っていることから、駆動機構の構造物、伝送機構
部、センサが丈夫で高精度なもの(大きくなる)を採用
できない場合が発生する。よって、機構のタワミや、伝
達機構部にバックラッシュやガタが生じたり、内界セン
サに不具合(接触不良や外部電界によるノイズ、信号線
ケーブルの断線または短絡、コネクタの接触不良)が発
生する恐れがある。万一、これらの不具合が発生する
と、駆動機構の位置・姿勢の制御は正常にしても、指令
された位置・姿勢と実際の駆動機構の位置・姿勢とに、
ズレが生じて、作業対象物および装置を破損させる事態
が発生してしまう。
や、伝達機構部のバックラッシュやガタを無くなる構成
・機構にするには、装置が大型化するため、実現性が薄
い。また、内界センサを冗長化することも、ケーブル本
数が倍増し、制御系が複雑化を招くこととなる。
による駆動機構の位置・姿勢の制御および検出方法で
は、駆動機構部に不具合がある場合、駆動機構先端部で
は大きい位置ズレを起こし、作業対象物と駆動装置が干
渉する恐れがあり、問題である。また、CADを用いて
内界センサによる位置・姿勢データで構造物との干渉チ
ェックを行う方法が開発されてきているが、内界センサ
や伝達機構に不具合があれば、結局は役にたたない。
物)の変化や制御装置の不具合が生じた場合に、作業対
象物および装置を破損させることのなく未然に防ぐイン
ターロック機能が、装置の小型化や費用等の要因で乏し
いのが実状である。特に、駆動制御に係わるセンサの異
常、伝達機構の異常、コントローラの異常(計算機の暴
走やプログラムのムシ)、運転員の操作ミスに、確実か
つ簡素に対応できるものは皆無に近い状況である。
みてなされたものであり、作業ツールや作業ツール周囲
の状態を正確に広範囲にかつ高速に検出できること、作
業対象物の変化や装置の不具合が生じても、異常を検出
し、補正を行う機能や作業対象物および装置を破損させ
ることのなく未然に防ぐことができる作業システムを提
供することを目的としている。
め、本発明は、作業環境内に配置され、作業対象物に対
して点検または補修等の作業を行う作業ツールと、前記
作業ツールを支持するとともに前記作業ツールの位置お
よび姿勢を変化させる駆動機構と、を有するとともに、
状態検出器が設けられた作業装置と、前記作業環境外に
設置され、前記駆動機構を制御するコントローラと、を
備え、前記コントローラが、予め決定された駆動計画に
基づいて、前記駆動機構を駆動するドライバユニット
と、前記作業装置に設けられた前記状態検出器により取
り込まれた情報に基づいて、前記駆動機構の状態を表す
データおよび前記駆動機構とその周囲にある物との位置
関係を表すデータのうちの少なくともいずれか一方を含
む駆動状態データを求める状態検出処理ユニットと、前
記駆動計画に基づいて前記駆動機構が正常に動作してい
る場合に前記状態検出処理ユニットにより検出されるべ
き前記駆動状態データの時間的変化をシミュレーション
により求めるシミュレーションユニットと、前記駆動計
画に基づいて前記駆動機構を動作させた場合に前記状態
検出処理ユニットにより求められた前記駆動状態データ
を、前記シミュレーションユニットにより求められた前
記駆動状態データとを比較する状態比較処理ユニット
と、を有していることを特徴とする作業システムを提供
する。
させた場合に前記状態検出処理ユニットにより求められ
た前記駆動状態データが、前記シミュレーションユニッ
トにより求められた前記駆動状態データに対して許容限
度以上の差がある場合に、前記ドライバユニットを介し
て前記駆動機構を停止または減速させるインターロック
処理ユニットを更に有して構成することができる。
操作する手段を更に備えて構成するとともに、前記シミ
ュレーションユニットが、前記作業対象物のCADデー
タを生成または修正する機能を有しており、前記駆動機
構を手動で動作させた際に前記状態検出処理ユニットに
より求められた前記駆動状態データに基づいて前記作業
対象物のCADデータを作成、または作業対象物の設計
時若しくは製造時に用いられたCADデータを修正する
機能を有して構成することもできる。
けられたレーザマーカおよび撮像素子と、前記作業装置
の前記駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けられた
リフレクタと、を有して構成することが可能であり、こ
の場合、前記状態検出処理ユニットは、前記レーザマー
カから出射されて前記リフレクタにより反射され、前記
撮像素子により受光されたレーザ光に基づいて前記駆動
状態データのうちの前記駆動機構の状態を表すデータを
求めるように構成することが可能である。なお、この場
合、前記状態検出処理ユニットは、前記撮像素子により
取得された前記駆動機構の周辺の物体の映像とに基づい
て、前記駆動状態データのうちの前記駆動機構とその周
囲にある物との位置関係を表すデータを更に求めるよう
に構成してもよい。
アレイ状に取り付けられた複数の受光素子と、前記作業
装置の前記駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けら
れた発光素子と、を有して構成することができ、この場
合、前記状態検出処理ユニットは、前記発光素子からの
出射光が前記複数の受光素子のうちのいずれに入射した
かに基づいて、前記駆動状態データのうちの前記駆動機
構の状態を表すデータを求めるように構成することがで
きる。
駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けられ、前記状
態検出器として作用する先端と、前記作業環境外に配置
された基端とを有し、前記基端および前記先端に集光レ
ンズがそれぞれ設けられた光ファイバと、変調したレー
ザ光を発光するレーザ装置と、前記レーザ装置と前記光
ファイバの基端との間に設けられたハーフミラーと、前
記レーザ装置から出射され、前記ハーフミラーおよび前
記光ファイバを経て前記光ファイバの先端の集光レンズ
により平行光として前記駆動機構の周囲の物体に向けて
出射され、更に前記物体から反射して再度前記光ファイ
バに取り込まれて戻ってきて前記ハーフミラーにより反
射されたレーザ光を受光する受光素子と、前記受光素子
に入射するレーザ光を位相検波し、位相差から前記光フ
ァイバ先端から前記物体までの距離を求めるレーザ距離
計と、を更に備えて構成することができ、この場合、前
記状態検出処理ユニットは、前記レーザ距離計の測定結
果に基づいて、前記駆動状態データのうちの前記駆動機
構とその周囲にある物との位置関係を表すデータを求め
るように構成される。
前記駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けられた一
方向のみに変位可能な接触プローブと、前記接触プロー
ブの根元側に設けられ、前記接触プローブを変位なしの
状態に戻すように付勢するバネと、前記接触プローブの
変位量を測定するセンサと、を有して構成することがで
き、前記センサにより測定された前記接触プローブの変
位量に基づいて、前記状態検出処理ユニットは、前記駆
動状態データのうちの前記駆動機構とその周囲にある物
との位置関係を表すデータを求めるように構成すること
ができる。この場合、前記状態検出器は、前記接触プロ
ーブの根元部に設けられ、前記接触プローブが所定の変
位量をこえて変位した場合に状態が変化する電気接点を
有して構成することができ、この場合、インターロック
処理ユニットは、電気接点の状態が変化した場合に作用
するように構成される。更にこの場合、前記作業装置の
前記駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けられ、前
記状態検出器を移動可能に支持する取付けベースと、前
記取付ベースを、流体圧力によりまたは電気的に駆動し
て、前記接触プローブをその長手方向に移動させる移動
機構とを更に備えて構成することが好適である。
記ガイドバーにそって移動可能な可動子とを有し、前記
可動子を移動させることにより前記作業ツールの位置ま
たは姿勢を変化させるように構成することができ、この
場合、前記状態検出器は、前記ガイドバーと平行に設け
られ、磁石のN極とS極とを交互に積み重ねた筒状体
と、前記筒状体の外周に設けられるととともに励磁コイ
ルと検出コイルとを有し、前記可動子と連動して移動す
る磁気式位置検出センサと、を有して構成することがで
きる。この場合、前記コントローラは、磁気式位置検出
センサの励磁コイルに励磁信号を供給するとともに、検
出コイルからの誘導起電力を収集して前記磁気式位置検
出センサの前記筒状体に対する相対位置を連続的に検出
する信号処理回路と、前記磁気式位置検出センサの位置
検出データをシミュレーションにより求め、駆動可能エ
リアとなる位置検出データを算出し、そのシミュレーシ
ョンデータと前記磁気式位置検出センサの実側位置検出
データの大小を判定する比較回路と、前記駆動機構が駆
動可能エリアを越えた場合に、停止または、減速・停止
させるインターロック処理ユニットと、を有して構成す
ることができる。
基づいて説明する。図1は、本発明による作業システム
の全体構成を示す図である。
炉圧力容器内等の作業環境A内に配置されて所定の作業
(点検、補修等)を行う作業装置10と、作業環境A外
の環境Bに設置されて作業装置10を遠隔制御する制御
盤30とを有している。
検または補修等の作業を行う作業ツール3と、作業ツー
ル3を支持して作業ツール3の位置および姿勢を変化さ
せることが可能な駆動機構12を有している。
ビカメラ、超音波探触子等が、補修用の作業ツール3と
しては電解研磨装置、ピーニング装置等がある。
り、このケーシング11内には駆動機構12が格納され
る。図1および図2は駆動機構12を展開してケーシン
グ11外に出した状態が示されている。
れ鉛直方向に延びるガイドバー13を有する。ガイドバ
ー13には、図示しない駆動機構によりガイドバー13
に沿って互いに独立して移動可能な一対の可動子14が
取り付けられている。各可動子14には関節15を介し
てアーム16が取り付けられている。各アーム16は関
節の回転軸を中心として揺動することができる。両アー
ム16の先端は、両アーム16が任意の角度をなすこと
ができるように、関節17に固定されている。関節17
には、モータ等の回転駆動機構(図示せず)を介してア
ーム19が取り付けられている。前記回転駆動機構によ
りアーム19を揺動させることができる。アーム19先
端には、作業ツール3が固定されている。
動させることにより作業ツール3を上下方向に移動させ
ることができ(図2矢印C参照)、可動子14同士の間
隔を変化させるように可動子14を移動させることによ
り作業ツール3を水平方向に移動させることができ(図
2矢印D参照)、また、関節17に取り付けられた回転
駆動機構を動作させることにより作業ツール3の向きを
変化させることができる(図2矢印E参照)。
回転駆動する機構(詳細は図示せず)も備えており、ケ
ーシング11を鉛直方向軸線を中心として回動させるこ
とができ(図2の矢印F参照)、これにより作業ツール
3を水平面内で旋回させることもできる。
では符号100で示す)が取り付けられている。この状
態検出器4の具体例は後で詳述する。
境B)に配置された制御盤30には、駆動機構コントロ
ーラ34と、操作盤36と、作業ツールコントローラ3
5が設けられている。操作盤36には、状態表示器45
と、運転員からの駆動指令を入力するための操作器46
とが設けられている。
6に入力された運転員からの作業指令に基づいて、作業
ツール3を動作させる(例えば作業ツールがピーニング
装置の場合は、ピーニングの開始・終了および処理条件
等の指令を行う)ものである。
に入力された運転員からの駆動指令が入力され、駆動機
構コントローラ34はこの駆動指令に基づいて駆動機構
12の状態(位置・姿勢等)を制御する。駆動機構コン
トローラ34は、駆動計画生成ユニット37、状態検出
処理ユニット38、シミュレーションユニット39、状
態比較処理ユニット40、異常検出処理ユニット41、
異常補正処理ユニット42、インターロック処理ユニッ
ト43、および駆動機構ドライバユニット44を有す
る。
3、状態検出処理ユニット38と状態検出器4、並びに
駆動機構ドライバユニット44と駆動機構は、複合ケー
ブル47を介して接続されている。
は以下の通りである。まず、運転員からの駆動指令が操
作盤36の操作器46を介して入力されると、駆動計画
生成ユニット37は、前記駆動指令に基づいた駆動制御
データを生成する。この駆動制御データは、駆動機構ド
ライバユニット44に送られる。
機構12から複合ケーブル47を介して位置・姿勢デー
タを取り込み、駆動計画生成ユニット37で生成した駆
動制御データに基づいて位置・姿勢を制御する信号、電
力、動力を生成し、複合ケーブル47を介して駆動機構
12に送信することで駆動機構12の位置・姿勢制御を
行う。
2に設けられた状態検出器4から複合ケーブル47を介
して、状態検出データを収集し、駆動機構12の位置・
姿勢、駆動機構12と駆動機構12の周囲の構造物との
相対的な位置関係を求める。
計画生成ユニット37で生成した駆動制御データが入力
される。シミュレーションユニット39は、入力された
データに基づいて、駆動機構12の各軸の時間的な変
移、駆動速度、プラントCADデータ(ここでは原子炉
圧力容器内の構造物の配置、形状等を示すデータを意味
する)を用いて、駆動機構12とその周囲の構造物との
位置関係を求め、運転員の指令、駆動計画生成ユニット
37で生成した駆動制御データが正しいかのチェック、
例えば駆動機構12および作業ツール3がその駆動過程
において周囲の構造物との間で干渉が生じないかチェッ
クを行う。
状態検出器4および状態検出処理ユニット38による検
出データが、駆動計画生成ユニット37で生成した駆動
制御データに基づいてどう時間的に変移するかシミュレ
ーションを行い求める。シミュレーションユニット39
で得られた結果は、操作盤36の状態表示器45に送信
されるとともに、生成した駆動制御データが正常な場合
は、駆動機構の時間的な変移データを状態比較処理ユニ
ット40へ送信し、異常であれば、駆動計画生成ユニッ
ト37、インターロック処理ユニット43に異常信号を
送信する。
ドライバユニット44からの駆動機構の位置・姿勢デー
タ、駆動速度データ、トルクデータと、状態検出処理ユ
ニット38からの駆動機構の位置・姿勢データおよび周
囲との相対的位置関係データと、シミュレーションユニ
ット39で生成した駆動機構の時間的な駆動変移データ
(シミュレーションデータ)とが入力される。状態比較
処理ユニット40は、駆動中の状態検出処理ユニット3
8で求めた状態データとシミュレーションデータとの比
較データ(ズレ)を求め、異常検出処理ユニット41に
送信する。
処理ユニット40で生成した比較データが入力される。
異常検出処理ユニット41は、入力された比較データ
と、予め設定された判定基準に基づいて、この判定基準
から外れている場合には、その結果を異常補正処理ユニ
ット42、インターロック処理ユニット43に送信す
る。
理ユニット38により得られた状態データとシミュレー
ションユニット39により得られたシミュレーションデ
ータのズレから、駆動機構12の各軸の回転ズレを求め
る。異常補正処理ユニット42は、運転員が操作器46
を介して補正指令を入力した場合に、駆動機構ドライバ
ユニット44に対しで角度補正データを送信する。駆動
機構ドライバユニット44はそれに基づいて駆動機構1
2の状態を修正する。
ュレーションユニット39及び異常検出処理ユニット4
1で異常を検出した場合に、駆動機構ドライバユニット
44が駆動機構12の駆動を一時停止するように、イン
ターロック信号を駆動機構ドライバユニット44に向け
て出力する。
46の駆動指令入力データや、駆動計画生成ユニット3
7、状態検出処理ユニット38、シミュレーションユニ
ット39、状態比較処理ユニット40、異常検出処理ユ
ニット41などで処理した結果を表示する機能を有する
ものであり、例えばCRT等のディスプレイにより構成
することができる。
な効果を得ることができる。
に動作内容を状態表示画像等のかたちで確認できるた
め、実際の駆動の際に、駆動装置が正常に動作している
ことを容易に確認することができ、運転の信頼性向上が
図れる。また、運転異常を早期に発見できるため、作業
対象物や装置の破損を削減できる。 (2)シミュレーションユニット39により、シミュレ
ーションで状態データの時間的な変移を求めておき、実
際の駆動の際の状態データとのズレがリアルタイムにか
つ自動的に得ることが可能となることから、駆動機構1
2が正常に動作していることが確認でき、運転の信頼性
向上が図れる。また、運転異常を早期に発見できるた
め、作業対象物や装置の破損を削減できる。特に駆動機
構12を構成する伝達機構(図示せず)に不具合(ギア
の破損、タイミングベルトのスリップ、止めネジ(軸)
のゆるみ等)が発生し、駆動機構ドライバユニット44
が正常に動作しているにも関わらず駆動機構12の各軸
が正常に動作していない場合、従来の駆動機構コントロ
ーラでは、異常検出が非常に困難となるが、本実施形態
の駆動機構コントローラ34によれば、シンプルな構成
で正確にかつ高速に異常を発見し、駆動を停止させて、
作業対象物や装置の破損を防ぐことが可能となる。
りシミュレーションを行う際に、駆動可能エリアを設定
してもよい。駆動可能エリアは、作業ツール3および駆
動機構12の周辺構造物との衝突の危険を防止する観点
から定められ、例えば周辺構造物と作業ツール3および
駆動機構12との間の距離が所定値以上となっている領
域である。
ユニット38により求められる作業ツールおよび駆動機
構12の位置が、駆動可能エリア内にあるか否かが自動
的かつリアルタイムに判定される。シミュレーションユ
ニット39により設定された駆動可能エリアのデータ
は、異常検出ユニット41に記憶され、実際の駆動時に
状態検出処理ユニット38が検出するデータは、異常検
出ユニット41により駆動可能エリア内に作業ツール3
および駆動機構12がある場合に得られるものであるか
否かが判断される。作業ツール3および駆動機構12が
駆動可能エリアを外れていると判断された場合は、イン
ターロック処理ユニット43が駆動機構ドライバユニッ
ト44により駆動機構12の駆動を一時的に停止させ
る。
2が正常に動作しているか否かをより容易かつ確実に確
認することができ、運転の信頼性向上が図れる。また、
このようなインターロック機能により、駆動機構ドライ
バユニット44に用いるコントローラやサーボドライバ
の不具合に対応でき、作業システムの信頼性をより向上
させることができる。
を行うに先立ち、操作器46により駆動機構を手動操作
で駆動し、その時に状態検出器4および状態検出処理ユ
ニット38を用いて、駆動装置とその周囲と相対的な位
置関係を検出し、新たにプラントCADデータを作成、
または設計時または製作時に用いられたプラントCAD
データの修正を行うようにしてもよい。この機能は、例
えばシミュレーションユニット39に持たせればよい。
このようにすることにより、製作時の製造誤差若しくは
作業対象物の経年変化等の理由により、設計時または製
作時に用いられたプラントCADデータと実際の作業対
象物の形状、寸法および位置等にずれがあったとして
も、そのずれを修正してより安全、確実な作業を行うこ
とができる。なお、CADデータの新規作成または修正
が終了した後は、先に説明したのと同様の手順により、
作業システムを動作させればよい。
て図2乃至図13を参照して説明する。
照して第1の構成例について説明する。
構12を収容するケーシング11の上部(下部でもよ
い)に、撮像素子101とライン状のレーザ光を照射す
るレーザマーカ102とを具備した状態検出器100
(図1における状態検出器4に相当)が設けられてい
る。駆動機構12のアーム19の先端部(アーム19の
先端部にある作業ツール3でも可)、関節17、関節1
5にはコーナーリフレクタ103が取り付けられてい
る。各コーナーリフレクタ103は、状態検出器100
に付設されたレーザマーカ102から照射されるライン
状のレーザ光と、同じライン上に常に位置するように設
置されている。
101により得られる映像において、3つのコーナーリ
フレクタ103からの反射光は、駆動機構12の駆動状
態に関わらず、常に同一直線上に位置する。
38に映像信号が送られ、状態検出処理ユニット38は
その信号に基づいて、各コーナーリフレクタ103の位
置を検出し、これに基づいて駆動機構12の駆動状態、
すなわち各アームの傾き、関節の回転角等を算出する。
各コーナーリフレクタ103の取付け位置は既知である
ため、簡単な画像処理(コーナリフテクタ103からの
反射光の抽出および中心座標検出)により上記の演算を
行うことができ、従って、ほぼリアリタイム(ビデオレ
イト)に駆動機構12の状態検出が可能となる。
傍の構造物も撮像するため、駆動機構12および作業ツ
ール3と周辺構造物との相対的位置関係も把握すること
も可能である。
により、駆動機構12の関節やアーム19の先端部にセ
ンサやケーブルを備える必要がなくなるため、駆動機構
の構成を簡素化することができ、信頼性も向上させるこ
とができる。また、拡張性も高い。
2の構成例について説明する。
CADや図面で既知で有る場合に適用可能ものである。
ム19の先端部にある作業ツール3でも可)にアーム1
9の軸方向に向けて発光する発光素子106が取り付け
られている。駆動機構の12の関節17には振り下げ1
09を介して発光素子107がおよび超音波距離計11
0が取り付けられている。振り下げ109の作用により
発光素子107および超音波距離計110の向きは常時
一定に保たれ、発光素子107は常に水平方向に向けて
発光し、超音波距離計110は超音波を常に水平方向に
向けて発射するようになっている。
る部材(上部の部材でも下部の部材でもよい)には、発
光素子106により投射された光の周辺構造物上への投
射位置を検出する撮像素子101Aが設けられている。
徴箇所にビームを当て、駆動機構の回転軸から対象物ま
での距離(Lm)を超音波距離計110で求めること
で、容易に、駆動機構先端部(アーム19)の角度が確
認できる。周囲構造物の寸法・形状がCAD化されてい
れば、シミュレーションで予め駆動機構の位置・姿勢を
確認して駆動計画を生成することができ、自動的に駆動
機構の位置・姿勢の確認を行うことも可能となる。
3の構成例について説明する。
子108がアレイ状に配置されている。駆動機構12の
アーム19の先端部には、アーム19の軸方向と直交す
る方向にレーザ光を照射する発光素子106Aが設けら
れている。また、駆動機構の12の関節17には振り下
げ109を介して発光素子107Aが取り付けられてい
る。振り下げ109の作用により発光素子107Aの向
きは常時一定に保たれ、発光素子107Aは常に水平方
向に受光素子108のアレイに向けてレーザ光を発光す
るようになっている。
からのレーザ光をアレイ状に配置された複数の受光素子
のうちのいずれの受光素子108が検出したかにより、
アーム19の傾きや各関節の位置を検出することが可能
となる。
照して第4の構成例について説明する。
計120が設けられる。レーザ距離計120から駆動機
構12のアーム19の先端部までシングルモード光ファ
イバ121が敷設されている。
と、ハーフミラー123と、光ファイバ121の基端側
に設けられた集光レンズ124と、レーザ装置122で
レーザ光を変調させる信号を供給する変調用発振器12
6と、ハーフミラー123により反射されたレーザ光1
30を受光する受光器127と、受光器127で受光し
た信号を位相検波する位相検波回路128と、位相検波
回路128で検出した位相差時間から光ファイバ先端か
ら反射体(駆動機構12の周辺構造物)までの距離を算
出する時間・距離変換器129とを備えて構成される。
光ファイバ121の先端には、レーザ光を平行光として
出射させる集光レンズ125が設けられている。
のアーム19の先端部に固定されている。駆動機構12
を動作させることによりその周囲の構造物表面を走査す
る。そのときに光ファイバ121を通って戻る周辺構造
物からの反射光に基づいて、光ファイバ先端から反射物
までの距離を算出することで、駆動機構とその周囲との
相対的な位置関係を求めることが可能となる。
バを用いた構成とすることにより、測定対象箇所が平面
でれば、駆動機構12を走査させなくても、駆動機構1
2と対象箇所との相対的な位置関係(位置・姿勢)を、
容易にかつ簡素な演算により求めることが可能となる。
なお、図7では、駆動機構12のアーム19の先端部側
面に、アーム19の軸線を中心とした円周を3等分した
位置に3つの光ファイバ121A,121B,121C
の先端をそれぞれ配置した構成を示している。
計などに比べて分解能が高くかつ測距レンジが広いこ
と、更に、レーザ距離計を用いた場合には、駆動機構1
2に、光ファイバ121と集光レンズ125のみを備え
るのみでよいため、複雑かつ狭隘なプラント内での最適
な検出器となる。
距離計を用いているが、レーザ装置よりパルス波を放射
し、反射波の到達時間を計測することで距離を求める時
間計測式のレーザ距離計を用いてもよい。
いて説明するが、それに先立ちこの第5の構成例の前提
となる従来技術について図8を参照して説明する。
検・補修)対象部である原子炉圧力容器内のシュラウド
に対して作業、ここではレーザ処理を行う際に、ノズル
の位置合わせを行っている状態を示している。
に対して作業を行うために、作業装置は、展開動作を行
うリンク機構203の結合部に施工用ノズル204が取
付けられており、リンク機構203を駆動して施工部と
ノズル204との距離を調整する。ここに図示されたリ
ンク機構203は、例えば、図1における駆動機構12
からアーム19を取り除いた構成とすることができ、こ
の場合には、関節17に回転駆動機構を介してノズル2
04を取り付けた構成とすることができる。また、リン
ク機構203は平行四辺形リンクであってもよい。
間の距離は、ノズル204に設置された距離センサ20
5等により計測され、その結果に基づいてノズル204
と作業対象物との位置合わせが行われる。そして、ノズ
ル204からレーザ光を照射することにより作業対象物
に対して施工を行う。
ウド側面部201と下面部202との結合部に対して作
業を行う場合には、ノズル204が回転してしまうの
で、施工対象面に対して距離センサ205が傾いて信号
が戻らなくなり位置測定ができなくなる。このため図8
の下部に示すように、一旦ノズル204を施工対象面と
平行にして位置計測を行ない、その位置から施工装置の
各軸を動かして本来の施工位置に移動することが必要で
ある。よって、位置計測と位置合わせに余計な時間を要
する。また、周辺には複雑な形状の構造物があるのでテ
レビカメラなどを用いた装置周辺の監視がままならな箇
所があったり、カメラ監視が可能であってもそのアング
ルにより正確な距離がつかめず、位置決めが困難であっ
たり、さらには操作ミスにより作業対象物および作業装
置を破損させる可能性がある。
の状態検出器について図9を参照して説明する。図9に
示すように、本構成例では、接触プローブを用いた状態
検出器を用いることとした。
棒状の接触プローブ206を有している。接触プローブ
206の根元にはU字型の可動バネ207が設けられて
おり、このバネ207は接触プローブ206の上下方向
の首振り運動のみ許容する。バネ207は、絶縁部材2
14を介して、ベースプレート208に固定される。接
触プローブ206の途中には反射プレート209が設置
されており、その反対側には、ベースプレート208に
取り付けられた位置検出センサ210(磁気、超音波、
レーザ式のいずれの形式でもよい)が配置されている。
が設置されており、その反対側に設けられたもう一つの
接点212と接触するようになっている。接点212は
板状のバネ213に結合され、その付け根は可動バネ2
07の付け根共々絶縁部材214を介してベースプレー
ト208に結合されている。
にはそれぞれ絶縁部材214を貫通する電極215が取
付けらている。また、接触プローブ206付け根の開閉
接点211,212の近傍には、弾性材料(ゴム等)を
用いたシール部材216が設置されており、接触プロー
ブ206の上下首振りを可能としながら開閉接点部21
1,212を気密かつ水密に保つことが可能となってい
る。
ム同士を結合する関節部に取り付けられた回転ベース2
17に取り付けられている。回転ベース217の後側
(ノズル204の反対側)には、ピストン218とシリ
ンダー219と軸220により構成されたエアーシリン
ダ221が設置されており、軸220は接続治具222
を介してベースプレート208に結合されている。ま
た、接続治具222の途中には、エアーシリンダ221
の駆動量を検出するための位置検出センサ223が設置
される。
221を駆動することにより、ベースプレート208が
図中の矢印に示す方向に移動し、ベースプレート208
に取付けられる接触プローブ209も同様に同じ方向に
移動するようになっている。
する。図10は、シュラウド側面部201と下面部20
2との間のコーナー部に対する位置決め手順を示す図で
ある。
を動作させてノズル204を作業対象位置近くに移動す
る。ノズル204の回転角度を決める場合、下面部20
2を基準としてノズル204中心位置を合わせることに
なるが、このとき図10(b)に示すようにノズル20
4を回転させてゆくと、接触プローブ206が下面部2
02に触れて、接触プローブ206はその根元を中心に
ノズル206側に傾くことになる。この時、接触プロー
ブ206に設けられた反射プレート209の位置(反射
プレート209とセンサ210との距離)を位置検出セ
ンサ210で検出することができる。位置検出センサ2
10による検出値に基づいて、作業対象物に対するノズ
ル204の位置がわかるため、その位置情報に基づいて
ノズル204を施工位置に移動することができる。
れた開閉接点211,212の信号は、状態検出処理ユ
ニットに送られている。接触プローブ206の変位量が
通常の範囲内である場合には、接点211,212が接
している状態であるが、図10(c)に示すようにノズ
ル204を必要以上に回転させた場合は接点211,2
12が離れて、ノズル204が作業対象物に衝突する前
に、インターロック処理ユニットにより駆動機構を停止
させることにより、作業装置の破損を防止することがで
きる。
201に対して作業を行う場合の位置決め手順について
説明する。
構を動作させてノズル204を作業対象位置の近くに移
動させる。ノズル204が側面部201に対して正対す
るようにして(ノズル軸線を側面部201に対して垂直
とする)、ノズル先端と側面部201の距離を施工条件
に合わせる。エアーシリンダー221にガスを供給し
て、ノズル204先端部より接触プローブ206を出し
た状態にして、ノズル204を側面部201に向けて前
進させる。
ーブ206が側面部201に接触するが、このときエア
ーシリンダー221に供給するガス圧力を調整すること
により、接触プローブ206を曲げないように、接触プ
ローブ206と側面部201との接触を維持したまま、
接触プローブ206を後退させる。
位置検出センサ223により、センサ223と回転ベー
ス217との距離を測定することにより、側面部201
とノズル204との間の距離を求めることができ、この
測定を行いながらノズル204を位置合わせすることが
可能となる。
は邪魔にならないようにエアーシリンダ221を反対方
向に駆動することにより、接触プローブ206を収納す
ることができる。
を参照して第6の構成例について説明する。本例では、
駆動機構12側に磁気式の位置検出センサ300を取り
付け、駆動機構1を駆動制御する駆動機構コントローラ
34に磁気式位置検出センサ300の信号処理を行う磁
気式位置検出センサ用状態検出処理ユニット303を設
けている。
極とS極とを交互に積み重ねた筒状磁石アレイ301
と、筒状磁石アレイ301の外周に設けられた励磁コイ
ル306と検出コイル307からなる磁気式位置検出セ
ンサ300と、磁気式位置検出センサ300を可動子1
4とともに移動させるための取り付け治具302を具備
している。磁石アレイ301は、駆動機構12用のケー
シング11に、ガイドバー13と平行に取り付けられて
いる。
ット303は、磁気式位置検出センサ300の励磁コイ
ル306に励磁信号を供給して検出コイル307からの
誘導起電力を収集して駆動軸の位置を連続的に検出する
信号処理回路304と、駆動機構コントローラ34にお
いて磁気式位置検出センサ300の位置検出データをシ
ミュレーションし、駆動可能エリアとなる位置検出デー
タを算出し、そのシミュレーションデータと上記磁気式
位置検出センサ300の実側位置検出データの大小を判
定する状態比較回路305を具備している。
し、駆動機構コントローラ34において駆動計画生成ユ
ニット37で駆動計画データを生成し、生成した駆動計
画データから、シミュレーションユニット39で磁気式
位置検出センサ300の位置検出データをシミュレーシ
ョンし、駆動可能エリアを求め、求めた駆動可能エリア
のシミュレーションデータを磁気式位置検出センサ用状
態検出処理ユニット303の状態比較回路305に送
る。状態比較回路305は、実測データと上記シミュレ
ーションデータとを比較し、その結果、実測データが上
記シミュレーションデータを超えていたら異常とみな
し、インターロック処理ユニットに、異常検出信号を送
り、駆動機構12を停止させる。
合で、駆動指令通り駆動しない場合に、周囲構造物等に
衝突する前に、異常を検出し、事故の防止を図ることが
可能となる。特に駆動機構コントローラ34の本体部分
(図1に示す部分)の不具合の場合に、駆動機構コント
ローラ34と独立に磁気式位置検出センサ用状態検出処
理ユニット303を機能させる構成にすることで、駆動
機構コントローラ34の不具合による事故の防止を図れ
る。
動の位置検出センサや磁気式位置センサに限定されるも
のではなく、ロータリー式の角度センサや、超音波距離
計を用いてもよい。
ば、大型で複雑かつ狭隘なプラント等において、遠隔制
御で、駆動機構を確実かつ効率的に運用できることが可
能となる。特に、作業装置側にに小型で簡素な状態検出
器を備え、駆動指令に基づいて駆動機構が変移する場合
の状態検出器が得るべきデータをシミュレーションで算
出し、実際の状態データを比較する方法を用いること
で、装置の小型化が保たれ、しかも、装置の周囲(作業
対象物)の変化や装置の不具合が生じても、作業対象物
および装置を破損させることのない作業システムを提供
できる。
で、プラントCADの修正および確認が可能となる。
テムを構築することができる。
図。
図、図3(b)は撮像素子により得られる映像の一例を
示す図。
中右側の破線で囲まれている図は、関節周辺部の平面図
および側面図を示している。
Claims (11)
- 【請求項1】作業環境内に配置され、作業対象物に対し
て点検または補修等の作業を行う作業ツールと、前記作
業ツールを支持するとともに前記作業ツールの位置およ
び姿勢を変化させる駆動機構と、を有するとともに、状
態検出器が設けられた作業装置と、 前記作業環境外に設置され、前記駆動機構を制御するコ
ントローラと、を備え、 前記コントローラは、 予め決定された駆動計画に基づいて、前記駆動機構を駆
動するドライバユニットと、 前記作業装置に設けられた前記状態検出器により取り込
まれた情報に基づいて、前記駆動機構の状態を表すデー
タおよび前記駆動機構とその周囲にある物との位置関係
を表すデータのうちの少なくともいずれか一方を含む駆
動状態データを求める状態検出処理ユニットと、 前記駆動計画に基づいて前記駆動機構が正常に動作して
いる場合に前記状態検出処理ユニットにより検出される
べき前記駆動状態データの時間的変化をシミュレーショ
ンにより求めるシミュレーションユニットと、 前記駆動計画に基づいて前記駆動機構を動作させた場合
に前記状態検出処理ユニットにより求められた前記駆動
状態データを、前記シミュレーションユニットにより求
められた前記駆動状態データとを比較する状態比較処理
ユニットと、を有していることを特徴とする、作業シス
テム。 - 【請求項2】前記コントローラは、 前記駆動機構を動作させた場合に前記状態検出処理ユニ
ットにより求められた前記駆動状態データが、前記シミ
ュレーションユニットにより求められた前記駆動状態デ
ータに対して許容限度以上の差がある場合に、前記ドラ
イバユニットを介して前記駆動機構を停止または減速さ
せるインターロック処理ユニットを更に有していること
を特徴とする、請求項1に記載の作業システム。 - 【請求項3】前記駆動機構を手動操作する手段を更に備
え、 前記シミュレーションユニットは、前記作業対象物のC
ADデータを生成または修正する機能を有しており、前
記駆動機構を手動で動作させた際に前記状態検出処理ユ
ニットにより求められた前記駆動状態データに基づいて
前記作業対象物のCADデータを作成、または作業対象
物の設計時若しくは製造時に用いられたCADデータを
修正する機能を有していることを特徴とする、請求項1
に記載の作業システム。 - 【請求項4】前記状態検出器は、前記作業装置に取り付
けられたレーザマーカおよび撮像素子と、前記作業装置
の前記駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けられた
リフレクタと、を有しており、 前記状態検出処理ユニットは、前記レーザマーカから出
射されて前記リフレクタにより反射され、前記撮像素子
により受光されたレーザ光に基づいて前記駆動状態デー
タのうちの前記駆動機構の状態を表すデータを求めるこ
とを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載
の作業システム。 - 【請求項5】前記状態検出処理ユニットは、前記撮像素
子により取得された前記駆動機構の周辺の物体の映像と
に基づいて、前記駆動状態データのうちの前記駆動機構
とその周囲にある物との位置関係を表すデータを更に求
めることを特徴とする、請求項4に記載の作業システ
ム。 - 【請求項6】前記状態検出器は、前記作業装置にアレイ
状に取り付けられた複数の受光素子と、前記作業装置の
前記駆動機構の少なくとも可動部分に取り付けられた発
光素子と、を有しており、 前記状態検出処理ユニットは、前記発光素子からの出射
光が前記複数の受光素子のうちのいずれに入射したかに
基づいて、前記駆動状態データのうちの前記駆動機構の
状態を表すデータを求めることを特徴とする、請求項1
乃至3のいずれか一項に記載の作業システム。 - 【請求項7】前記作業装置の前記駆動機構の少なくとも
可動部分に取り付けられ、前記状態検出器として作用す
る先端と、前記作業環境外に配置された基端とを有し、
前記基端および前記先端に集光レンズがそれぞれ設けら
れた光ファイバと、 変調したレーザ光を発光するレーザ装置と、 前記レーザ装置と前記光ファイバの基端との間に設けら
れたハーフミラーと、 前記レーザ装置から出射され、前記ハーフミラーおよび
前記光ファイバを経て前記光ファイバの先端の集光レン
ズにより平行光として前記駆動機構の周囲の物体に向け
て出射され、更に前記物体から反射して再度前記光ファ
イバに取り込まれて戻ってきて前記ハーフミラーにより
反射されたレーザ光を受光する受光素子と、 前記受光素子に入射するレーザ光を位相検波し、位相差
から前記光ファイバ先端から前記物体までの距離を求め
るレーザ距離計と、を更に備え、 前記状態検出処理ユニットは、前記レーザ距離計の測定
結果に基づいて、前記駆動状態データのうちの前記駆動
機構とその周囲にある物との位置関係を表すデータを求
めることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項
に記載の作業システム。 - 【請求項8】前記状態検出器は、前記作業装置の前記駆
動機構の少なくとも可動部分に取り付けられた一方向の
みに変位可能な接触プローブと、前記接触プローブの根
元側に設けられ、前記接触プローブを変位なしの状態に
戻すように付勢するバネと、前記接触プローブの変位量
を測定するセンサと、を有しており、 前記センサにより測定された前記接触プローブの変位量
に基づいて、前記状態検出処理ユニットは、前記駆動状
態データのうちの前記駆動機構とその周囲にある物との
位置関係を表すデータを求めることを特徴とする、請求
項1乃至3のいずれか一項に記載の作業システム。 - 【請求項9】前記状態検出器は、前記接触プローブの根
元部に設けられ、前記接触プローブが所定の変位量をこ
えて変位した場合に状態が変化する電気接点を有してお
り、前記インターロック処理ユニットは、電気接点の状
態が変化した場合に作用することを特徴とする、請求項
2に記載の作業システム。 - 【請求項10】前記作業装置の前記駆動機構の少なくと
も可動部分に取り付けられ、前記状態検出器を移動可能
に支持する取付けベースと、 前記取付ベースを、流体圧力によりまたは電気的に駆動
して、前記接触プローブをその長手方向に移動させる移
動機構と、を更に備えたことを特徴とする、請求項8ま
たは9に記載の作業システム。 - 【請求項11】前記駆動機構は、ガイドバーと、前記ガ
イドバーにそって移動可能な可動子とを有し、前記可動
子を移動させることにより前記作業ツールの位置または
姿勢を変化させるように構成されたものであり、 前記状態検出器は、前記ガイドバーと平行に設けられ、
磁石のN極とS極とを交互に積み重ねた筒状体と、前記
筒状体の外周に設けられるととともに励磁コイルと検出
コイルとを有し、前記可動子と連動して移動する磁気式
位置検出センサと、を有しており、 前記コントローラは、 磁気式位置検出センサの励磁コイルに励磁信号を供給す
るとともに、検出コイルからの誘導起電力を収集して前
記磁気式位置検出センサの前記筒状体に対する相対位置
を連続的に検出する信号処理回路と、 前記磁気式位置検出センサの位置検出データをシミュレ
ーションにより求め、駆動可能エリアとなる位置検出デ
ータを算出し、そのシミュレーションデータと前記磁気
式位置検出センサの実側位置検出データの大小を判定す
る比較回路と、 前記駆動機構が駆動可能エリアを越えた場合に、停止ま
たは、減速・停止させるインターロック処理ユニット
と、を有していることを特徴とする、請求項1に記載の
作業システム。
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---|---|---|---|
JP2000337921A JP2002144266A (ja) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | 作業システム |
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