JP2561743B2 - 活線作業用マニピュレータシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、活線作業用マニピュレータシステムに係
り、特にスレーブマニピュレータの電気絶縁性を確保し
た状態で制御性を向上させることができるようにした活
線作業用マニピュレータシステムに関する。

（従来の技術） 一般に、架空配電線路の保守作業、たとえば碍子交
換、絶廻線の切断や接続、高圧開閉器の取換え等の作業
は、需要家への無停電サービスの意味から活線状態で行
われる場合が多い。活線状態での作業は危険が伴うばか
りか、作業者の労力が多大となり、しかも作業能率が著
しく低い。

そこで、このような問題を解消するために最近では、
遠隔操作式のマニピュレータシステムを使って作業を行
うことが提案されている。このいわゆる、活線作業用マ
ニピュレータシステムには種々の方式が提案されてい
る。いずれのものも操作者の完全を確保し、また作業用
マニピュレータによって起こり易い相間短絡事故や地絡
事故を回避するために、作業用マニピュレータの手首部
と肩部との間を電気的に絶縁する構造を採用している。

ところで、マニピュレータを使って活線作業を行う場
合、作業性を向上させるには、マスタスレーブマニピュ
レータ構成とし、作業をスレーブマニピュレータで行わ
せ、このスレーブマニピュレータをバイラテラルサーボ
系を介してマスタマニピュレータで制御するように構成
することが望ましい。

このようにバイラテラルサーボ系を構成するには、ス
レーブマニピュレータの各部に加わる力および各関節の
角度を検出器で検出する必要がある。これら検出器とし
ては、一般的には電気的な信号を出力するものが用いら
れる。しかし、前述の如く、活線作業用マニピュレータ
システムでは、作業を直接行うスレーブマニピュレータ
の手首部と肩部との間を電気的に絶縁する必要がある。
このため、手首部より先の力情報や角度情報を電気的な
検出器で検出することが困難である。

そこで、マスタスレーブマニピュレータ構成で、かつ
バイラテラルサーボ系を組み込んだ従来の活線作業用マ
ニピュレータシステムでは、動力伝達系統の電気絶縁お
よび手首部より先の情報収集を次のようにしている。す
なわち、スレーブマニピュレータの各関節をモータで駆
動するようにしたものを例にとると、スレーブマニピュ
レータの肩部に駆動用の各モータを集中配置するととも
に、これらモータの回転出力を減速機で減速し、この減
速出力を絶縁ローブあるいは絶縁軸を用いて形成された
絶縁性動力伝達機構を介して各関節に伝達するようにし
ている。そして、減速機と絶縁性動力伝達機構との間に
力検出器を介在させ、また減速器の出力端に角度検出器
を連結させるようにしている。

上記のように構成されたスレーブマニピュレータは、
絶縁性動力伝達機構の使用によって動力伝達系における
電気絶縁性を確保し、また絶縁性動力伝達機構の入力側
に力検出器や角度検出器を設けることによって、これら
検出器の絶縁上の問題を解消している。

しかしながら、上記のように構成された従来の活線作
業用マニピュレータシステムにあっては次のような問題
があった。すなわち、力検出器の絶縁を確保するには、
この力検出器を絶縁性動力伝達機構の入力端側に位置さ
せなければならない。また、減速機における摩擦トルク
が力検出器で検出されないようにするには減速機の出力
側に力検出器を位置させなければならない。従来のシス
テムでは、必然的にモータの回転力を減速機→力検出器
→絶縁性動力伝達機構の経路で関節に伝達する構成とな
る。このため、絶縁性動力伝達機構は、高トルク領域に
位置していることになる。絶縁性動力伝達機構にあって
は、アームの屈曲に対応させるために、絶縁ロープを用
いるものでは複数個のプーリを、また絶縁軸を用いるも
のでは複数個の歯車を介在させる必要がある。従来のシ
ステムでは、高トルク領域に位置している絶縁性動力伝
達機構に複数個のプーリや複数個の歯車が介在している
ので、これらのガタやバックラッシュで関節剛性が小さ
くなり、これが原因して制御性能が著しく劣化する問題
があった。また、絶縁性動力伝達機構の入力端側に力検
出器を位置させているので、この力検出器によって真に
必要な力を検出させるには、絶縁性動力伝達機構を含め
て力検出器より先端側に位置している機械要素の摩擦力
を極力小さくする必要があり、必然的に設計および組立
て調整が困難になる問題もあった。さらに、従来の構成
では、高トルク領域に位置している要素の割合が必然的
に多くなる。このため、全体の軽量化、コンパクト化を
実現することが困難であった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、マスタースレーブマニピュレータ構成
で、かつバイラテラルサーボ系を組み込んだ従来の活線
作業用マニピュレータシステムにあっては、スレーブマ
ニピュレータの関節剛性を高めることが困難で、この結
果、制御性能に劣るばかりか、設計ならびに組立て調整
が困難となり、しかも全体の軽量化およびコンパク化を
実現することが困難であった。

そこで本発明は、上記欠点のない活線作業用マニピュ
レータシステムを提供することを目的としている。

［発明の構成］ （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は、作業を行うスレ
ーブマニピュレータと上記スレーブマニピュレータをバ
イラテラルサーボ系を介して制御するマスタマニピュレ
ータとを備え、上記スレーブマニピュレータの手首部と
肩部との間を電気的に絶縁してなる活線作業よマニピュ
レータシステムにおいて、前記スレーブマニピュレータ
の手首部に取り付けられて前記バイラテラルサーボ系を
構成する要素の一部となる電気信号出力式の少なくとも
一種類の検出器と、この検出器の電源および自身の電源
となる独立した電源装置を持ち、前記スレーブマニピュ
レータの手首部に搭載されて上記検出器の出力信号を周
波数信号に変換した後に上記周波数信号に対応した周期
の光信号に変換して出力する信号変換系を有した信号中
継手段と、この信号中継手段から出力された光信号を前
記手首部とは離れた位置に設けられている前記バイラテ
ラルサーボ系のコントローラへ導く光ファイバーケーブ
ルとを具備してなることを特徴としている。

（作 用） スレーブマニピュレータの手首部に取り付けられた検
出器は、信号中継手段に設けられた電源を用いて出力信
号を送出する。この出力信号は信号中継手段によって光
信号に変換された後、光ファイバケーブルを介して手首
部とは位置的に離れているバイラテラルサーボ系のコン
トローラに送られる。光ファイバケーブルは、絶縁材で
構成されているので絶縁上の問題は生じない。したがっ
て、検出器を手首部に設けても絶縁上の問題は全く生じ
ない。このように、検出器を手首部に設けることができ
るので、減速機も手首部の近傍に設けることが可能とな
る。つまり、絶縁性動力伝達機構の出力端側に減速機を
位置させることができる。この結果、スレーブマニピュ
レータの関節剛性を高めることができ、スレーブマニピ
ュレータの手首部と肩部との間の電気絶縁性を確保した
状態で制御性能を向上させることが可能となる。また、
高トルク領域に位置する要素の割合を少なくできるの
で、設計ならびに組立て調整の容易化を実現できるとと
もに全体の軽量化およびコンパクト化も可能となる。

さらに、本発明に係るマニピュレータシステムでは、
信号中継手段において検出器の出力信号を周波数信号に
変換した後、この周波数信号に対応した周期の光信号に
変換し、この光信号を光ファイバケーブルを介してバイ
ラテラルサーボ系のコントローラへ導くようにしてい
る。つまり、検出器の出力信号を周波数信号の形に変換
してコントローラへ導くようにしている。したがって、
夏や冬のように厳しい外気温下で使用しても検出器の出
力を正確にコントローラへ伝えることでき、制御性能を
十分に高めることができる。すなわち、検出器の出力信
号を光の強度信号に変換し、この光強度信号を光ファイ
バケーブルを介してコントローラへ導くこともできる
が、一般に、電圧・光変換器や光・電圧変換器や光ファ
イバーケーブルは温度特性が悪いため、温度変化の大き
い屋外で用いた場合には、検出器の出力信号に正確に比
例した光強度信号を伝送することが困難となる。また、
マニピュレータに光ファイバーケーブルを添設した場
合、マニピュレータの作業に伴って光ファイバーケーブ
ルの曲げ部における曲率半径もたえず変化する。光ファ
イバーケーブルでは、曲げ部における曲率半径の変化に
よって光の減衰率が変化するので、この点からも検出器
の出力信号に正確に比例した光強度信号を伝送すること
が困難となる。しかし、本発明のように、検出器の出力
信号を周波数信号の形に変換してコントローラへ導く構
成であると、この周波数信号には上述した温度特性や曲
率半径の影響が入り込むことがないので、検出器の出力
信号を正確に伝送することができ、この結果として制御
性能が十分高めることができる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る活線作業用マニピ
ュレータシステム１の全構成が模式的に示されている。

このシステム１は、大きく別けて、実際に活線作業を
行うスレーブマニピュレータ10と、このスレーブマニピ
ュレータ10を制御するために操作者によって操作される
マスタマニピュレータ20と、スレーブマニピュレータ10
に加わる力をマスタマニピュレータ20へフィードバック
する力帰還形のバイラテラルサーボ制御を行うバイラテ
ラルサーボコントロールユニット30とで構成されてい
る。

スレーブマニピュレータ10は、第２図に示すように、
支持部材40に肩部が支持された腕機構41と、この腕機構
41の手首部先端に取付けられた手機構42とで構成されて
いる。

腕機構41は、支持部材40に支持されるとともに第２図
中実線矢印43で示す方向に回動自在な軸を持つ肩関節機
構44と、この肩関節機構44の軸に支持されるとともに図
中実線矢印45で示す方向に回動自在な軸を持つ肘関節機
構46と、この肘関節機構46の軸に支持されるとともに図
中実線矢印47で示す方向に伸縮自在に設けられた前腕機
構48と、この前腕機構48の先端部に図中実線矢印49,50,
51で示す方向に回動自在に取り付けられた手首関節機構
52とで構成されている。そして、手首関節機構52に後述
する力検出器53を介して前述した手機構42が着脱自在に
取付けられている。なお、手機構42は、この例では図中
実線矢印54で示す方向に接離自在な指55a,55bを備えて
いる。

ここで、スレーブマニピュレータ10における腕機構41
の構成を第１図および第３図を用いてさらに詳しく説明
する。なお、これらの図には各関節機構44,46,52を回転
させる機構および前腕機構48を伸縮させる機構のみが示
されており、指55a,55bを駆動する機構は省略されてい
る。

第１図において、支持部材40にモータ60が固定されて
おり、このモータ60の回転軸は減速機構61を介して回転
軸62に連結されている。この回転軸62にはモータ63が固
定されている。モータ63の回転軸は減速歯車64を介して
回転軸65に連結されており、この回転軸65には前腕機構
48の一端側が支持されている。

前腕機構48は有底筒状に形成された外筒66を備えてい
る。この外筒66の底部側が回転軸65に連結されている。
外筒66内には、一部が外筒66外へ突出し、残りの部分が
外筒66内に位置するとともに、図中実線矢印47で示す方
向に移動自在で、図中実線矢印49で示す方向に回転自在
な絶縁材製の内筒67が配置されている。この内筒67はガ
ラス繊維強化プラスチック等で形成されている。内筒67
の外筒66内に位置する端部は、モータ支持材68に支持さ
れている。モータ支持材68は軸受69に回転自在に支持さ
れている。軸受69はプレート70に支持されており、この
プレート70はボールネジ送り機構71および図示しないス
プライン機構によって図中実線矢印47で示す方向に移動
自在に支持されている。ボールネジ送り機構71の送りネ
ジ72の一端側は、減速歯車73を介してモータ74の回転軸
に連結されている。モータ74は外筒66の底部に固定され
ている。また、プレート70にはモータ75が固定されてお
り、このモータ75の回転軸は減速歯車76を介して軸受69
に支持された回転軸に連結されている。

モータ支持部材68にはモータ77、78が支持されてい
る。これらモータ77、78の回転軸は、内筒67内に軸心線
に沿って平行に配設された絶縁材製の伝達軸79、80の一
端側にそれぞれ連結されている。これら伝達軸79、80は
ガラス繊維強化プラスチック等で形成されている。ま
た、モータ77、78の回転軸は、それぞれ歯車機構81、8
2、減速機構83,84を介して絶対角度を検出可能な角度検
出器85,86に連結されている。

伝達軸79,80の他端側は、それぞれ対称的に設けられ
た傘歯車機構87,88、減速機89,90を介して傘歯車91,92
に連結されている。傘歯車91,92には傘歯車93が共通に
噛合しており、この傘歯車93の軸94は力検出器53を介し
て手機構42に連結されている。また、傘歯車91,92の軸
にはフレーム95が支持されており、このフレーム95には
軸94を支持する軸受96が装着されている。

なお、第１図および第３図中、97,98,99,100は絶対角
度を検出可能な角度検出器を示し、101は絶縁材で形成
された防塵用のジャバラを示している。また、第２図お
よび第３図中、102はバランサを示している。

上記構成のスレーブマニピュレータ10では、モータ60
によって角度θ_１が制御され、モータ63によって角度θ
_２が制御され、モータ74によって伸縮量θ_３が制御さ
れ、モータ75,77,78によって角度θ₄,θ₅,θ_６が制御さ
れる。そして、これらの制御量は角度検出器85,86,97,9
8,99,100によって検出される。また、手首関節機構52と
肩関節機構44との間の電気的な絶縁は、絶縁材でそれぞ
れ形成された内筒67、伝達軸79,80およびジャバラ101に
よって確保されている。

マスタマニピュレータ20は、操作者によって操作され
るマスタマニピュレータ本体110と、この本体110の各関
節軸にフィードバック力を与えるモータ群111と、各関
節の角度を検出する検出器群112とで構成されている。
そして、検出器群112の出力はバイラテラルサーボコン
トロールユニット30に入力され、またモータ群111はバ
イラテラルサーボコントロールユニット30の出力で制御
される。

バイラテラルサーボコントロールユニット30は、マイ
クロコンピュータを主体にして構成されている。このバ
イラテラルサーボコントロールユニット30には、情報と
してマスタマニピュレータ20に設けられた検出器群112
の出力、スレーブマニピュレータ10に設けられた角度検
出器97,98,99,100,85,86の出力S₁,S₂,S₃,S₄,S₅,S₆、手
機構42の指55a,55bを駆動する図示しない絶縁駆動系の
回転角を検出する角度検出器の出力S₇、力検出器53の出
力T_X,T_Y,T_Z,F_X,F_Y,F_Z、手機構42の基端部に設けられた
工具番号検出器113（第５図参照）の出力Ａ、角度θ₅,
θ_６を一定範囲に制限するために手首関節機構52に取付
けられたリミットスイッチ114,115,116,117（第５図参
照）の出力P_L,P_R,V_L,V_Rが導入される。これらの情報に
基いてバイラテラルサーボコントロールユニット30は、
マスタマニピュレータ本体110の動きに追従させてスレ
ーブマニピュレータ10を動作させるべくスレーブマニピ
ュレータ10の各モータ60,63,74,75,77,78へ駆動指令F₁,
F₂,F₃,F₄,F₅,F₆を与えるとともに手機構42の指55a,55b
を駆動する絶縁駆動系へ駆動指令F₇を与え、さらにスレ
ーブマニピュレータ10の各関節軸に加わる力がマスタマ
ニピュレータ20の各関節軸にフィードバックされるよう
にモータ群111に駆動指令を与える。このような制御手
法は公知であり、ここでは詳しい説明を省略する。

力検出器53は、この例では６軸のものが組込まれてい
る。すなわち、この力検出器53は、直角座標の各軸X,Y,
Zの方向に加わっている力および各軸回りに加わってい
る力に対応した力信号T_X,T_Y,T_Z,F_X,F_Y,F_Zを出力する。
力検出器53は、具体的には、第４図に示すように、手首
機構52と手機構42との間に介挿され高透磁率材製の連結
材121の外周面に固着された６個の検出器122a,112b,…1
22fによって構成されている。各検出器122a,112b,…122
fは、連結材121の外周面に方向を異ならせて描かれる４
角形の各辺に沿って固着された４個の抵抗式の歪センサ
123a,123b,123c,123dによって構成されている。各歪セ
ンサ123a,123b,123c,123dは、それぞれ基板の表面に抵
抗線を、たとえば蛇行状態に固着するとともに、その表
面に絶縁性接着剤を介して銅箔を装着した構成となって
いる。連結材121の材質と銅箔との存在によって磁界の
影響を防止している。検出器を構成する各歪センサ123
a,123b,123c,123dの両端には、それぞれマグネットワイ
ヤ等で形成されたリード線124a,124bの一端側が接続さ
れている。これらリード線124a,124bの他端側は磁界の
影響を受けないようにするために、互いにツイストされ
ながら端子板125まで導かれ、この端子板125に設けられ
た端子126a,126b,126c,126dに接続されている。そし
て、端子板125上において、各歪センサ123a,123b,123c,
123dを一辺とするブリッジ回路が形成されるように結線
されている。ブリッジ回路の電源入力端となる端子126
a,126dには、マグネットワイヤ等で形成されたリード線
127a,127bの一端側が接続されている。これらリード線1
27a,127bの他端側は磁界の影響を受けないようにするた
めに互いにツイストされながら後述する中継装置131
（第１図、第５図参照）へ導かれ、この中継装置131に
搭載された電源132に接続されている。また、ブリッジ
回路の出力端となる端子126b,126cには、マグネットワ
イヤ等で形成されたリード線128a,128bの一端側が接続
されている。そして、これらリード線128a,128bの他端
側は、磁界の影響を受けないようにするためにツイスト
されながら次に述べる中継装置131に接続されている。

前述した端子板125および中継装置131は、第３図に示
すように手首関節機構52に導電板で覆われた状態で搭載
されている。中継装置131は、第５図に示すように電源1
32と、中継器133とで構成されている。電源132は、この
例では第６図に示すようにパワー密度の大きいリチウム
電池134が用いられている。そして、リチウム電池134の
出力が安定化回路135を介して中継器133の各要素および
検出器に122a,122b,…122fに供給されている。

中継器133は、第５図に示すように構成されている。
すなわち、前述した力検出器53の各検出器122a,122b,…
122fで検出された力信号T_X,T_Y,T_Z,F_X,F_Y,F_Zをそれぞれ
増幅器136で増幅し、この増幅信号を電圧・周波数変換
器137で周波数信号に変換し、この周波数信号を電気・
光変換器138で光信号に変換し、この光信号を光ファイ
バケーブル群139を介して後述する中継器150に向けて伝
送している。一方、前述した工具番号信号Ａを増幅器14
0で増幅し、この増幅信号を電圧・周波数変換器141で周
波数信号に変換し、この周波数信号を電気・光変換器14
2で光信号に変換し、この光信号を光ファイバケーブル1
43を介して中継器150に向けて伝送している。さらに、
前述したリミットスイッチ114,115,116,117で得られた
信号P_L,P_R,V_L,V_Rを、バッファメモリ144に記憶させ、こ
のバッファメモリ144に記憶されている信号をマルチプ
レクサ145で順次読出し、この読み出された信号を電気
・光変換器146で光信号に変換し、この光信号を光ファ
イバケーブル147を介して中継器150に向けて伝送してい
る。なお、図中148は、光・電気変換器である。この光
・電気変換器148は中継器150側から光ファイバケーブル
149を介して送られたゼロバランス信号Ｂを電気信号に
変換して各増幅器136に与えている。

光ファイバケーブル群139および光ファイバケーブル1
43,147,149は、第３図に示すように、手首関節機構52に
搭載された中継装置131を始点にし、前腕機構48の伸縮
動作の影響を受けないようにジャバラ101内および外筒6
6内を導かれて第１図に示すように、バイラテラルサー
ボコントロールユニット30の近くに配置された中継器15
0に接続されている。

中継器150は、第５図に示すように構成されている。
すなわち、中継器133から光ファイバケーブル群139を介
して周波数信号の形で伝送された力信号T_X,T_Y,T_Z,F_X,
F_Y,F_Zを光・電気変換器151で電気信号に変換し、この電
気信号を周波数・電気変換器152で元の信号形態に戻
し、この戻された力信号T_X,T_Y,T_Z,F_X,F_Y,F_Zを増幅器153
を介してバイラテラルサーボコントロールユニット30へ
与えている。また、中継器133から光ファイバケーブル1
43を介して周波数信号の形で伝送された工具番号信号Ａ
を光・電気変換器154で電気信号に変換し、この電気信
号を周波数・電圧変換器155で元の信号形態に戻し、こ
の戻された信号を増幅器156を介してバイラテラルサー
ボコントロールユニット30へ与えている。さらに、中継
器133から光ファイバケーブル147を介して光信号の形で
伝送されたリミットスイッチ信号P_L,P_R,V_L,V_Rを光・電
気変換器157で電気信号に変換し、この信号をディマル
チプレクサ158で並列信号に変換してバッファメモリ159
に記憶させ、このバッファメモリ159からパラレルに読
み出された信号P_L,P_R,V_L,V_Rをバイラテラルサーボコン
トロールユニット30へ与えている。また、バイラテラル
サーボコントロールユニット30から与えられたゼロバラ
ンス信号Ｂは電気・光変換器160で光信号に変換され、
この光信号が光ファイバケーブル149を介して中継器133
に伝送される。

このような構成であると、活線作業を直接行うスレー
ブマニピュレータ10の手首関節機構52と肩関節機構44と
の間は、前腕機構48の区間において、絶縁材で形成され
た内筒67、絶縁材で形成された伝達軸79,80、絶縁材で
形成された指駆動用の伝達軸および絶縁材で形成された
ジャバラ101によって完全に電気的に絶縁されている。
また、上記構成では、スレーブマニピュレータ10とマス
タマニピュレータ20とを力帰還形のバイラテラルサーボ
制御で運転するために必要な情報の全てがバイラテラル
サーボコントロールユニット30に与えられる。特に、こ
の実施例では、スレーブマニピュレータ10の手首関節機
構52に力検出器53や他の検出器を設けるとともに手首関
節機構52に独立した電源132を持つ中継装置131を搭載
し、各検出器で検出された信号を中継装置131でそれぞ
れ光信号に変換し、これら光信号を光ファイバケーブル
群139および光ファイバケーブル143,147を介してバイラ
テラルサーボコントロールユニット30側へ伝送するよう
にしている。光ファイバケーブルは、絶縁材で構成され
ているので絶縁上の問題は生じない。したがって、各検
出器を手首部関節機構52に設けても絶縁上の問題は全く
生じない。このように、各検出器を手首関節機構52に設
けることができるので、減速機89,90も手首関節機構52
の近傍に設けることが可能となる。つまり、伝達軸79,8
0の出力端側に減速機89,90を位置させることができる。
この結果、スレーブマニピュレータ10の関節剛性を高め
ることができ、スレーブマニピュレータ10の手首関節機
構52と肩関節機構44との間の電気絶縁を確保した状態で
制御性能を向上させることが可能となる。また、高トル
ク領域に位置する要素の割合を少なくできるので、設計
ならびに組立て調整の容易化を実現できるとともに全体
の軽量化およびコンパクト化も可能となる。さらにま
た、本システムでは、中継装置131において各検出器の
出力信号を周波数信号に変換した後、この周波数信号に
対応した周期の光信号に変換し、この光信号を光ファイ
バケーブル郡139を介してバイラテラルサーボコントロ
ールユニット30へ導くようにしているので、各検出器の
出力信号を光の強度信号に変換し、この光強度信号を光
ファイバケーブルを介して伝送するものに比べて、電圧
・光変換器や光・電圧変換器や光ファイバーケーブルの
温度特性および光ファイバーケーブルの曲げ部における
曲率半径の変化の影響を受けることがなく、検出器の出
力信号を正確に伝送することができる。したがって、制
御性能を十分に高めることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。上述した実施例では、中継装置131に電源132とし
てのリチウム電池134を搭載しているが、これに限られ
るものではない。たとえば、第７図に示すように、絶縁
性ホース170によって導かれた絶縁性流体171によって駆
動される流体圧モータ172を設け、この流体圧モータ172
で直流発電機173を駆動し、この発電機173の出力で二次
電池174を充電し、この二次電池174の出力を安定化回路
175を介して取出すようにした電源176を手首関節機構52
に搭載するようにしてもよい。なお、第７図中、177は
絶縁性流体171の圧力が一定以上のときオン作動するス
イッチを示し、178は充電抵抗を示している。勿論、直
流発電機の代わりに太陽電池などの使用も可能である。

上述した実施例は、動力源としてモータを用い、この
モータの回転力を歯車や絶縁性の伝達軸を介して関節機
構に伝達する構成のスレーブマニピュレータを備えた活
線作業用マニピュレータシステムに本発明を適用した例
である。しかし、本発明はこれに限られるものではな
く、動力源としてモータを用い、このモータの回転力を
プーリと絶縁性ロープを介して関節機構に伝達する構成
のスレーブマニピュレータを備えた活線作業用マニピュ
レータシステムや、動力源として油圧を用いる構成のス
レーブマニピュレータを備えた活線作業用マニピュレー
タシステムにも適用できる。

第８図には動力源としてモータを用い、このモータの
回転力をプーリと絶縁性ロープを介して関節機構に伝達
する構成のスレーブマニピュレータを備え、かつ本発明
を適用した活線作業用マニピュレータシステム1aが示さ
れている。

このシステム1aも、大きく分けると、実際に活線作業
を行うスレーブマニピュレータ180と、このスレーブマ
ニピュレータ180を制御するために操作者によって操作
されるマスタマニピュレータ190と、スレーブマニピュ
レータ180に加わる力をマスタマニピュレータ190へフィ
ードバックする力帰還形のバイラテラルサーボ制御を行
うバイラテラルサーボコントロールユニット200とで構
成されている。

スレーブマニピュレータ180は、支持部材211に支持さ
れるとともに図中実線矢印212で示す方向に回動自在な
軸213を持つ肘関節機構214と、この肘関節機構214の軸2
13に一端側が支持されるとともに絶縁材で筒状に形成さ
れた前腕機構215と、この前腕機構215の他端側に図中実
線矢印216,217で示す方向に回動自在に取り付けられた
手首関節機構218と、この手首関節機構218に力検出器21
9を介して着脱自在に取付けられた手機構220とを備えて
いる。

支持部材211にはモータ221が固定されており、このモ
ータ221の回転軸は減速機構222を介して軸213に連結さ
れている。また、支持部材211には別のモータ223,224が
固定されており、各モータ223,224の回転軸は減速歯車2
25,226を介して軸213の外周に回転自在に装着されたプ
ーリ227,228に連結されている。なお、プーリ227,228は
前腕機構215内に位置している。

一方、手首関節機構218には、軸229が回転自在に装着
されており、この軸229の外周にはプーリ230,231が回転
自在に装着されている。そして、プーリ227とプーリ230
との間には、中間プーリ232を介して絶縁材製のロープ2
33が無端状態に張設されている。同様に、プーリ228と
プーリ231との間にも、中間プーリ234を介して絶縁材製
のロープ235が無端状態に張設されている。プーリ230,2
31はそれぞれ減速機236,237を介して傘歯車238,239に連
結されている。傘歯車238,239には傘歯車240が共通に噛
合しており、この傘歯車240の軸241が力検出器219に連
結されている。軸229にはフレーム242が支持されてお
り、このフレーム242には軸241を支持する軸受243が装
着されている。なお、図中244,245は減速機を示し、24
6,247,248はそれぞれ絶対角度を検出する角度検出器を
示している。

上記構成のスレーブマニピュレータ180では、モータ2
21によって角度θ_７が制御され、モータ223,224によっ
て角度θ_８およびθ_９が制御される。そして、これらの
制御量は角度検出器246,247,248によって検出される。
また、手首関節機構218と肘関節機構214との間の電気的
な絶縁は、絶縁材で形成された前腕機構215およびロー
プ233,235によって確保される。

マスタマニピュレータ190は、操作者によって操作さ
れるマスタマニピュレータ本体250と、この本体250の各
関節軸にフィードバック力を与えるモータ群251と、各
関節の角度を検出する検出器群252とで構成されてい
る。そして、検出器群252の出力はバイラテラルサーボ
コントロールユニット200に入力され、またモータ群251
はバイラテラルサーボコントロールユニット200の出力
で制御される。

バイラテラルサーボコントロールユニット200は、マ
イクロコンピュータを主体にして構成されている。この
バイラテラルサーボコントロールユニット200には、情
報としてマスタマニュピレータ190に設けられた検出器
群252の出力、スレーブマニピュレータ180に設けられた
角度検出器246,247,248の出力S₁₁,S₁₂,S₁₃、手機構220
の指を駆動する図示しない絶縁駆動系の回転角を検出す
る角度検出器の出力、力検出器219の出力T_X,T_Y,T_Zが導
入される。これらの情報に基いてバイラテラルサーボコ
ントロールユニット200は、マスタマニピュレータ本体2
50の動きに追従させてスレーブマニピュレータ180を動
作させるべくスレーブマニピュレータ180の各モータ22
1,223,224へ駆動指令F₁₁,F₁₂,F₁₃を与えるとともに手機
構220の指を駆動する図示しない絶縁駆動系へ駆動指令
を与え、さらにスレーブマニピュレータ180の各関節軸
に加わる力がマスタマニピュレータ190の各関節軸にフ
ィードバックされるようにモータ群251に駆動指令を与
える。

力検出器219は、この例では３軸のものが用いられて
おり、基本的には前記実施例に組み込まれたものと同様
に構成されている。そして、力検出器219は、手首関節
機構218に搭載された中継装置260が持つ電源261を使っ
て直角座標の各軸X,Y,Zの方向に加わって入る力に対応
した力信号T_X,T_Y,T_Zを出力する。これら力信号T_X,T_Y,T_Z
は中継装置260に導かれる。中継装置260は、電源261で
動作する中継器262で力信号T_X,T_Y,T_Zを光信号に変換
し、これら光信号を光ファイバーケーブル群263を介し
てバイラテラルサーボコントロールユニット200の近く
に配置された中継器264へ伝送する。中継器264は、光信
号の形で受信された力信号T_X,T_Y,T_Zを元の電気信号に変
換し、それをバイラテラルサーボコントロールユニット
200に導入するように構成されている。

したがって、上記のように構成された活線作業用マニ
ピュレータシステム1aにおいても、電気的な絶縁性の問
題を解決し、さらに手首関節機構218の近くで力検出を
行うことができ、結局、前記実施例と同様の効果を得る
ことができる。

第９図には油圧で各関節機構を駆動するように構成さ
れたスレーブマニピュレータを備え、かつ本発明を適用
した活線作業用マニピュレータシステム1bが示されてい
る。

このシステム1bも、大きく分けると、実際に活線作業
を行うスレーブマニピュレータ270と、このスレーブマ
ニピュレータ270を制御するために操作者によって操作
されるマスタマニピュレータ280と、スレーブマニピュ
レータ270に加わる力をマスタマニピュレータ280へフィ
ードバックする力帰還形のバイラテラルサーボ制御を行
うバイラテラルサーボコントロールユニット290とで構
成されている。

スレーブマニピュレータ270は、肩関節機構300と、肘
関節機構301と、手首関節機構302とを備えている。手首
関節機構302に力検出器303を介して手機構304が装着さ
れている。各関節機構および手機構304は、サーボ弁群3
05および内部に配設された絶縁材製のホース306を介し
て供給される油圧で角度θ₁₀,θ₁₁,θ₁₂,θ₁₃,θ₁₄,θ
₁₅が制御される。手機構304の指の開閉も油圧で制御さ
れる。そして、この例では、肘関節機構301と手首関節
機構302との間の前腕部307が絶縁材で形成されている。
手首関節機構302には、角度検出器308,309,310が装着さ
れている。

マスタマニピュレータ280は、操作者によって操作さ
れるマスタマニピュレータ本体320と、この本体320の各
関節軸にフィードバック力を油圧で与えるサーボ弁群32
1と、各関節の角度を検出する検出器群322とで構成され
ている。そして、検出器群322の出力はバイラテラルサ
ーボコントロールユニット290に入力され、また、サー
ボ弁群321はバイラテラルサーボコントロールユニット2
90の出力で制御される。

バイラテラルサーボコントロールユニット290は、マ
イクロコンピュータを主体にして構成されている。この
バイラテラルサーボコントロールユニット290には、情
報としてマスタマニュピレータ280に設けられた検出器
群322の出力、スレーブマニピュレータ270の肩関節機構
300および肘関節機構301に設けられた図示しない角度検
出器の出力、角度検出器308,309,310の出力S₁₄,S₁₅,
S₁₆、手機構304の指の開き角を検出する図示しない角度
検出器の出力、力検出器303の出力T_X,T_Y,T_Zが導入され
る。これらの情報に基いてバイラテラルサーボコントロ
ールユニット290は、マスタマニピュレータ本体280の動
きに追従させてスレーブマニピュレータ270を動作させ
るべくサーボ弁群305に制御指令を与えるとともに、ス
レーブマニピュレータ270の各関節軸に加わる力がマス
タマニピュレータ本体280の各関節軸にフィードバック
されるようにサーボ弁群321に制御指令を与える。

力検出器303は、この例では３軸のものが用いられて
いる。力検出器303は、手首関節機構302に搭載された中
継装置330が持つ電源331を使って直角座標の各軸X,Y,Z
の方向に加わっている力に対応した力信号T_X,T_Y,T_Zを出
力する。角度検出器308、309、310も中継装置330が持つ
電源331を使って角度信号S₁₄,S₁₅,S₁₆を送出する。そし
て、力信号T_X,T_Y,T_Zおよび角度信号S₁₄,S₁₅,S₁₆は中継
装置330に導かれる。中継装置330は、電源331で動作す
る中継器332で力信号T_X,T_Y,T_Zおよび角度信号S₁₄,S₁₅,S
₁₆を光信号に変換し、これら光信号を光ファイバーケー
ブル群336を介してバイラテラルサーボコントロールユ
ニット290の近くに配置された中継器334へ伝送する。中
継器334は、光信号の形で受信された力信号T_X,T_Y,T_Zお
よび角度信号S₁₄,S₁₅,S₁₆を元の電気信号に変換し、そ
れをバイラテラルサーボコントロールユニット290に導
入するように構成されている。したがって、上記のよう
に構成された活線作業用マニピュレータシステム1bにお
いても、電気的な絶縁性の問題を解決した状態で、手首
関節機構302の近くで力検出や角度検出を行うことがで
きる。前記各実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、この実施例の場合、スレーブマニピュレータ27
0の肩部側において制御油圧を圧力検出器で検出し、こ
の検出出力から力信号を得ることもできる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、電気絶縁性に支障を
与えることなく各種検出器をスレーブマニピュレータの
手首関節機構に配置することができるので、これによっ
て安全性を確保した状態で関節剛性を高くでき、制御性
の向上を図ることができる。また、中継装置において検
出器の出力信号を周波数信号に変換した後、この周波数
信号に対応した周期の光信号に変換し、この光信号を光
ファイバーケーブルを介して伝送するようにしているの
で、電圧・光変換器や光・電圧変換器や光ファイバーケ
ーブルの温度特性および光ファイバーケーブルの曲げ部
における曲率半径の変化の影響を受けずに検出器の出力
信号を正確に伝送することができ、制御性能を一層向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る活線作業用マニピュレ
ータシステムの模式的構成図、第２図は同システムにお
けるスレーブマニピュレータだけを取出して示す斜視
図、第３図は同スレーブマニピュレータを一部切欠して
示す側面図、第４図は同スレーブマニピュレータの手首
関節機構に組込まれた力検出器の回路構成図、第５図は
同スレーブマニピュレータの手首関節機構に搭載された
中継装置の構成および上記中継装置から光ファイバーケ
ーブルを介して伝送された信号を受信する中継装置の構
成図、第６図は上記中継装置に搭載された電源構成を説
明するための図、第７図は電源構成の変形例を説明する
ための図、第８図は本発明の別の実施例に係る活線作業
用マニピュレータシステムの模式的構成図、第９図は本
発明のさらに別の実施例に係る活線作業用マニピュレー
タシステムの模式的構成図である。 1,1a,1b……活線作業用マニピュレータシステム、10,18
0,270……スレーブマニピュレータ、20,190,280……マ
スタマニピュレータ、30,200,290……バイラテラルサー
ボコントロールユニット、53,219,303……力検出器、13
1,260,330……中継装置,132,261,331……電源、133,26
2,332……中継器、139,263,333……光ファイバーケーブ
ル群、150,263,334……中継器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向田 昌幸 東京都調布市西つつじケ丘２丁目４番１ 号 東京電力株式会社技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−136909（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作業を行うスレーブマニピュレータと上記
   スレーブマニピュレータをバイラテラルサーボ系を介し
   て制御するマスタマニピュレータとを備え、上記スレー
   ブマニピュレータの手首部と肩部との間を電気的に絶縁
   してなる活線作業用マニピュレータシステムにおいて、
   前記スレーブマニピュレータの手首部に取り付けられて
   前記バイラテラルサーボ系を構成する要素の一部となる
   電気信号出力式の少なくとも一種類の検出器と、この検
   出器の電源および自身の電源となる独立した電源装置を
   持ち、前記スレーブマニピュレータの手首部に搭載され
   て上記検出器の出力信号を周波数信号に変換した後に上
   記周波数信号に対応した周期の光信号に変換して出力す
   る信号変換系を有した信号中継手段と、この信号中継手
   段から出力された光信号を前記手首部とは離れた位置に
   設けられている前記バイラテラルサーボ系のコントロー
   ラへ導く光ファイバーケーブルとを具備してなることを
   特徴とする活線作業用マニピュレータシステム。
2. 【請求項２】前記検出器は、前記手首部に加わる力を検
   出する多軸力検出器および上記手首部の関節角を検出す
   る角度検出器の少なくとも一方を含んでいることを特徴
   とする請求項１に記載の活線作業用マニピュレータシス
   テム。
3. 【請求項３】前記検出器および前記信号中継手段は、そ
   れぞれ磁気シールドされていることを特徴とする請求項
   １に記載の活線作業用マニピュレータシステム。