JP3697024B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学プラント等において、酸やアルカリ雰囲気が充満した環境下で清掃、検査及び補修などの作業に用いられるマニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
核燃料の再処理工場などに代表される化学プラントなどにおいて、酸やアルカリ雰囲気が充満した施設内では、アルミ合金や鉄からなる機械が腐食してしまうため、ステンレスなどの耐腐食性材料からなる機械が用いられている。
【０００３】
こうした環境下の施設において、前述した機械の清掃、検査及び補修には、人間にかわって外部から操作できるマニピュレータが用いられている。このマニピュレータは、その内部をすべて耐腐食性材料によって構成することは不可能であるため、全体または部分的に弾性を有するカバーなどで覆って、前述した酸やアルカリなどの腐食性を有する雰囲気に直接さらされないようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したマニピュレータの一部または全体を覆うカバーは、マニピュレータの可動範囲を制限するとともに、動作に対して妨げとなる。このため、マニピュレータは、その性能を十分に発揮していない。
【０００５】
また、マニピュレータの一部だけが故障した場合には、酸やアルカリなどの腐食性を有する雰囲気が人体に対し厳しい環境であるため、その場での修理は行わずに、マニピュレータ全体を交換していた。
【０００６】
このマニピュレータ全体を交換する作業は、非常に大きな手間と長い時間が必要であるため、マニピュレータで実施していた作業の進捗状況に大きな影響をおよぼしてしまう。
【０００７】
従って本発明の目的は、腐食性を有する雰囲気のなかにおいてもカバーが不必要で、かつ部分的な故障時に全体を交換することなく修理できるとともに、修理に必要とされる手間と時間とを抑制することができるマニピュレータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載の本発明のマニピュレータは、複数のモジュールを直列に連結してなるマニピュレータにおいて、前記モジュールの外殻を形成するフレームの外表面が耐腐食性材料で構成され、前記モジュール相互の連結部分には、各モジュールに必要な前記モジュールの互いに相対する端面に設けられたコネクタによる電気配線の連結とともに各モジュールのフレーム間を気密状態に保つ連結機構を備え、前記連結機構は、一方のモジュールの端面の中央に設けられ伸縮自在なシリンダユニットと、他方のモジュールの端面の中央に設けられた結合孔と、前記モジュールの端面のうち一方に設けられ前記コネクタ及び前記シリンダユニットを包囲するシール部材としてのＯリングと、前記シリンダユニットの伸縮によってマニピュレータの外周方向に突出し前記結合孔に密接する係合子としての鋼球とから構成されたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の本発明のマニピュレータは、請求項１に記載のマニピュレータにおいて、前記マニピュレータの内部に気体を送込むことによりマニピュレータの内部を外部より高い圧力に保つ気体圧送手段を備えたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１に示すように、例えばプラント内の清掃、検査及び補修などに用いられるマニピュレータ１は、その軸方向に５つのモジュール２，３，４，５，６に分割でき、かつこれらのモジュール２，３，４，５，６が相互に直列に連結して構成されるとともに、図示しない操作部などによって、自在に遠隔操作されるようになっている。
【００１１】
前記モジュール２，３，４，５，６はそれぞれ重量が略５ｋｇであるとともに、図示中の矢印Ｊ方向からみたときの、つまり軸方向の投影面がほぼ直径２００ｍｍの円におさまっている。このため、前記マニピュレータ１はプラントの比較的小さな気密ハッチから作業対象施設内に出し入れ自在となっている。
【００１２】
また、前記モジュール２，３，４，５，６相互の連結部分ａ，ｂ，ｃ，ｄには、図２及び図３に示す連結機構７を設けて、前記モジュール２，３，４，５，６を相互に連結・分離するようになっている。
【００１３】
前記連結機構７は、一方のモジュール８に設けられ伸縮自在なシリンダユニット９と、他方のモジュール１０に設けられた結合孔１１と、シール部材としてのＯリング１２と、シリンダユニット９の伸縮によってマニピュレータ１の外周方向に突出する係合子としての鋼球２０とから構成されている。
【００１４】
シリンダユニット９は、中空状部材１４と、この中空状部材１４内に遊挿されたピストン１５などを備えている。中空状部材１４は、前記一方のモジュール８の外殻を構成するフレーム１３において、前記他方のモジュール１０に相対する端面１３ａのほぼ中央に一体に形成されている。フレーム１３は、少なくとも外表面がステンレスなどの耐腐食性材料からなる。
【００１５】
前記中空状部材１４は、前記モジュール１０側に開口する有底筒状に形成されているとともに、モジュール８の軸方向のほぼ中央に仕切壁１６を設けている。この仕切壁１６は、中空状部材１４内の空間を、図２において右側（マニピュレータ１の基端側）に位置する第１の空間１７と、左側（マニピュレータ１の先端側）に位置する第２の空間１８とに分割している。
【００１６】
また、仕切壁１６は、ほぼ中央に、前記ピストン１５の後述する連結軸２４を摺動自在とする摺動孔１９を設けている。この摺動孔１９と連結軸２４との間にはパッキン３９が設けられており、前記第１の空間１７と第２の空間１８との間の気密を確保している。
【００１７】
前記中空状部材１４の前記モジュール１０側に位置する端部には、前記鋼球２０を遊挿した孔２１を周方向に略等間隔に設けている。この孔２１は、それぞれ、中空状部材１４の外周側に位置する開口径が前記鋼球２０の径に比べて若干小さく形成されている。
【００１８】
前記ピストン１５は、前記鋼球２０に当接するヘッド部２２と、前記第１の空間１７に挿入される基部２３と、前記ヘッド部２２と基部２３とを互いに連結する連結軸２４とを一体に備えている。
【００１９】
ヘッド部２２は、前記モジュール１０に向かって次第に先細となるようにテーパを有し、かつこのテーパを形成するテーパ面２５において、前記鋼球２０と接している。
【００２０】
このテーパ面２５は、図３に示すように、前記ピストン１５が前記モジュール１０に向かって押出された際に、鋼球２０をマニピュレータ１の外周方向に突出するようになっている。この際、前記孔２１の外周側に位置する開口径が前記鋼球２０の径より若干小さく形成されているので、前記鋼球２０は中空状部材１４から外れることがない。
【００２１】
前記基部２３は、その外周面２３ａにパッキン２６を設けて、前記中空状部材１４の壁面１４ａとの間の気密を確保している。基部２３は、前記第１の空間１７を、図示中の右側（マニピュレータ１の基端側）に位置する後部エアー室２７と、図示中の左側（マニピュレータ１の先端側）に位置する前部エアー室４０とに分割している。
【００２２】
また、前記中空状部材１４の壁面１４ａには、前記前部エアー室４０と前記後部エアー室２７とに、それぞれ気体を供給するガス供給管２８，２９が接続している。このガス供給管２８，２９は、互いに連結するモジュール２，３，４，５，６内を通って前述した操作部のガス供給源３０に接続している。このガス供給源３０は、前記ガス供給管２８，２９に清浄な気体を供給するようになっている。
【００２３】
このように構成されることによって、前記ピストン１５は、前記ガス供給源３０からガス供給管２８，２９を通って、前記前部エアー室４０及び後部エアー室２７に清浄な気体が供給されることによって、図示中の矢印Ｓに沿って伸縮自在となっている。
【００２４】
前記結合孔１１は、前記モジュール１０の外殻を構成するフレーム３１において、前記モジュール８の端面１３ａに相対する端面３１ａのほぼ中央に設けられている。フレーム３１は、少なくとも外表面がステンレスなどの耐腐食性材料からなる。
【００２５】
結合孔１１は、前記中空状部材１４を挿入できるように、この中空状部材１４の外径より大きい孔に形成されているとともに、前記端面３１ａから離れるにしたがって開口径が拡大する傾斜面３２を有している。この傾斜面３２は、図３に示すように、ピストン１５によって鋼球２０が突出された場合に、鋼球２０と密接するようになっている。
【００２６】
また、前記モジュール８，１０の互いに相対する端面１３ａ，３１ａには、コネクタ３３，３４と連通孔３５，３６とがそれぞれ設けられている。
前記コネクタ３３，３４は、それぞれ配線３７，３８を接続しており、図３に示すようにモジュール８，１０が互いに連結した場合に、互いに係合するとともに、前記操作部から前記モジュール２，３，４，５，６のそれぞれに必要な信号を伝達するようになっている。
【００２７】
前記連通孔３５，３６は、図３に示すようにモジュール８，１０が互いに連結した場合に、フレーム１３，３１内を互いに連通するとともに、モジュール８より先端側に位置するモジュール１０などのガス供給管（図示せず）などを通すようになっている。
【００２８】
前記モジュール８，１０の端面１３ａ，３１ａのうち一方には、前記Ｏリング１２が設けられている。このＯリング１２は、前記コネクタ３３，３４、シリンダユニット９及び連通孔３５，３６を包囲するように設けられている。
【００２９】
前記Ｏリング１２は、図３に示すようにモジュール８，１０が互いに連結した際に、端面１３ａ，３１ａに密着することによって前記フレーム１３，３１の内部を外部から気密を有して遮断するようになっている。なお、図示例において、Ｏリング１２は、結合孔１１を有するモジュール１０のフレーム３１に設けられているが、前記シリンダユニット９を有するモジュール８のフレーム１３に設けられても良い。
【００３０】
また、図１に示すように、前記モジュール２，３，４，５，６のうち最も基端側に位置するモジュール６は前記ガス供給源３０とは別のガス供給源４１に接続している。このガス供給源４１は、前記モジュール６内に清浄な気体を供給するようになっている。供給された清浄な気体は前記連通孔３５，３６などを通って、マニピュレータ１内に充満することとなる。なお、ガス供給源４１と連通孔３５，３６とで本明細書中に記した気体圧送手段を構成している。
【００３１】
また、前記ガス供給源３０，４１はスイッチ操作などによって、前記ガス供給管２８，２９及びモジュール６内に気体を供給するか否かを容易に切り換えるようになっている。
【００３２】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、全長がほぼ１ｍでかつ関節を７つ有するとともに５つのモジュール２，３，４，５，６に分割可能なマニピュレータ１を示しているが、複数のモジュールに分割可能なものであれば全長が１ｍより長くても短くても、関節が７つより多くても少なくても良い。
【００３３】
前述した構成によれば、モジュール８，１０を互いに連結する際は、モジュール８，１０の端面１３ａ，３１ａを互いに近付けた状態において、シリンダユニット９の後部エアー室２７にガス供給源３０から気体を注入する。するとピストン１５がモジュール１０に向かって押出されテーパ面２５が鋼球２０をマニピュレータ１の外周方向に突出することとなる。
【００３４】
そして、この鋼球２０が前記結合孔１１の傾斜面３２に当接することとなる。前記傾斜面３２は、結合孔１１の開口径が端面３１ａから離れるのにしたがって拡大するように形成されているので、前記モジュール１０をモジュール８に向かって付勢しながら、前記鋼球２０は結合孔１１に係合することとなる。
【００３５】
この後、略同時に、Ｏリング１２が端面１３ａ，３１ａによって押され、モジュール８，１０のフレーム１３，３１間の気密を確保して、このフレーム１３，３１が互いに気密状態に保たれるとともに、連通孔３５，３６がフレーム１３，３１の内部を連通することとなる。
【００３６】
そして、前記ガス供給源４１からマニピュレータ１の内部に清浄な気体を供給して、このマニピュレータ１の内部の圧力を、外部の圧力より例えば０．０１ＭＰａなどの比較的低い圧力だけ、高い状態に維持する。
【００３７】
また、前述したモジュール８，１０同士の連結とともに、前記コネクタ３３，３４は互いに係合し、モジュール８，１０が互いに電気的に連結することとなる。
【００３８】
モジュール８，１０を互いに分離する際には、前記ガス供給源３０から前記前部エアー室４０に気体を供給する。すると、供給された気体はピストン１５をモジュール８に向かって押し戻すこととなる。ピストン１５のテーパ面２５が鋼球２０を突出しなくなり、モジュール８，１０間の連結が解除されることとなる。
【００３９】
前述したように、モジュール８，１０は、鋼球２０及び結合孔１１などによって互いに機械的に連結されるとともに、コネクタ３３，３４が互いに係合することによって電気的にも連結される。モジュール８，１０が互いに連結された時には、Ｏリング１２によってフレーム１３，３１の内部は、外部から遮断される。
【００４０】
ここで、フレーム１３，３１は、少なくとも外表面がステンレスなどの耐腐食性材料からなるため、酸やアルカリなどの腐食性を有する雰囲気中においても、腐食されないとともに、フレーム１３，３１の内部がＯリング１２によって外部から遮断されかつガス供給源４１から清浄な気体を送込まれて外部より高い圧力に保たれているので、腐食性を有する雰囲気がマニピュレータ１の内部に浸入することがない。
【００４１】
このため、マニピュレータ１の内部の機器を構成する材質が何であっても、腐食性を有する雰囲気中において、一部または全体を覆うカバーを用いる必要がない。
【００４２】
したがって、マニピュレータ１の可動範囲に制限が加わったり、動作が妨げられなくなって、マニピュレータ１が本来有する機能を十分に発揮できるようになるため、マニピュレータ１を用いた作業の効率が向上することとなる。
【００４３】
また、マニピュレータ１が直列に連結されるモジュール２，３，４，５，６によって構成され、前記モジュール２，３，４，５，６を連結する連結機構７は、ガス供給源３０から操作されるシリンダユニット９によって連結・分離が動作される。
【００４４】
前記ガス供給源３０のスイッチ操作などによって、シリンダユニット９を動作するための気体の供給先（前部エアー室４０、後部エアー室２７）を容易に切り換えることができるので、モジュール２，３，４，５，６同士の連結・分離を容易に切り換えることができる。
【００４５】
このため、遠隔操作の別の手動マニピュレータや分厚いグローブをつけた人間の手によって、容易にモジュール２，３，４，５，６の交換が行えることとなる。
【００４６】
したがって、一部のモジュールが故障した場合では、故障したモジュールと交換するモジュールを腐食性を有する雰囲気中に持ち込んで、遠隔操作の別の手動マニピュレータなどを用いて交換して、マニピュレータ１の修理を行うことができる。
【００４７】
このため、マニピュレータ１全体を交換することなく容易に修理できるので、修理に必要とされる手間と時間を抑制することとなって、作業の進捗状況に対する影響を抑制することができる。
【００４８】
また、人間がモジュールを交換する場合にも、作業に必要とされる手間と時間を抑制するので、人体に対する影響を抑制することができる。
前述した実施形態によれば、次の構成が得られる。
（付記１）複数のモジュールを直列に連結してなるマニピュレータにおいて、前記モジュールの外殻を形成するフレームの外表面が耐腐食性材料で構成され、前記モジュール相互の連結部分には、各モジュールに必要な電気配線などの連結とともに各モジュールのフレーム間を気密状態に保つ連結機構を備えたことを特徴とするマニピュレータ。
（付記２）前記マニピュレータの内部に気体を送込むことにより、マニピュレータの内部を外部より高い圧力に保つ気体圧送手段を備えたことを特徴とする付記１記載のマニピュレータ。
（付記３）前記連結機構が、相互に連結されるモジュールのうち一方のモジュールに設けられ伸縮自在なシリンダユニットと、前記シリンダユニットの伸縮によってマニピュレータの外周方向に突出する係合子と、他方のモジュールに設けられ前記係合子と係合する結合孔と、前記モジュールのうち片方のモジュールに設けられかつ前記係合子と結合孔とが互いに係合した際に前記フレーム間を気密状態に保つシール部材とからなることを特徴とする付記１記載のマニピュレータ。
【００４９】
付記に記載されたマニピュレータは、モジュールのフレームの外表面が耐腐食性材料によって構成され、かつ前記フレーム間を互いに気密状態に保つので、カバーを用いなくても腐食性を有する雰囲気が内部に浸入することがない。したがって、マニピュレータが本来有する機能を十分に発揮できるようになるので、作業の効率が向上することとなる。
【００５０】
また、マニピュレータを複数のモジュールによって構成したので、故障したモジュールのみを交換することによって容易に修理でき、修理に必要とされる手間と時間とを抑制することができる。
【００５１】
さらに、マニピュレータの内部の圧力を外部より高い圧力に保つので、腐食性を有する雰囲気中において、カバーを用いなくてもより確実に腐食性を有する雰囲気が内部に浸入することがない。
【００５２】
また、シリンダユニットの伸縮によって係合子と結合孔とが互いに係合し、かつシール部材がフレーム間を気密状態に保つので、腐食性を有する雰囲気中において、カバーを用いなくてもこの腐食性を有する雰囲気が内部により確実に浸入することがない。
【００５３】
したがって、マニピュレータの可動範囲の制限や動作に対する妨げがなくなり、マニピュレータが本来有する機能を十分に発揮できるようになって、マニピュレータを使用した作業の効率が向上することとなる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の作業用マニピュレータは、マニピュレータを構成するモジュールのフレームの外表面が耐腐食性材料によって構成され、このモジュール相互の連結部分が前記フレーム間を気密状態に保つ連結機構を備えているので、腐食性を有する雰囲気中において、カバーを用いなくても、腐食性を有する雰囲気が内部に浸入することがない。
【００５５】
したがって、マニピュレータの可動範囲の制限や動作に対する妨げがなくなり、マニピュレータが本来有する機能を十分に発揮できるようになるので、マニピュレータを使用した作業の効率が向上することとなる。
【００５６】
また、マニピュレータを複数のモジュールによって構成しかつ連結機構の連結とともに電気配線も連結されるので、一部のモジュールが故障した際に、マニピュレータ全体を交換せずに、故障したモジュールのみを腐食性を有する雰囲気中で交換でき、容易にマニピュレータを修理できる。したがって、修理に必要とされる手間と時間とを抑制することとなって、マニピュレータで実施していた作業の進捗状況に与える影響を抑制することができる。
【００５７】
さらに、前述した効果に加え、モジュール相互が互いに連結した際に、気体圧送手段がマニピュレータの内部の圧力を外部より高い圧力に保つので、腐食性を有する雰囲気中において、カバーを用いなくても、腐食性を有する雰囲気がマニピュレータの内部により確実に浸入しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すマニピュレータの側面図。
【図２】図１に示されたマニピュレータの連結機構を示す側断面図。
【図３】図２示された連結機構が連結した状態を示す側断面図。
【符号の説明】
１…マニピュレータ
２…モジュール
３…モジュール
４…モジュール
５…モジュール
６…モジュール
７…連結機構
８…モジュール
９…シリンダユニット
１０…モジュール
１１…結合孔
１２…Ｏリング（シール部材）
１３…フレーム
２０…鋼球（係合子）
３１…フレーム
３５…連通孔（気体圧送手段）
３６…連通孔（気体圧送手段）
４１…ガス供給源（気体圧送手段）
ａ…連結部分
ｂ…連結部分
ｃ…連結部分
ｄ…連結部分

Claims (2)

1. 複数のモジュールを直列に連結してなるマニピュレータにおいて、
   前記モジュールの外殻を形成するフレームの外表面が耐腐食性材料で構成され、
   前記モジュール相互の連結部分には、各モジュールに必要な前記モジュールの互いに相対する端面に設けられたコネクタによる電気配線の連結とともに各モジュールのフレーム間を気密状態に保つ連結機構を備え、
   前記連結機構は、
   一方のモジュールの端面の中央に設けられ伸縮自在なシリンダユニットと、
   他方のモジュールの端面の中央に設けられた結合孔と、
   前記モジュールの端面のうち一方に設けられ前記コネクタ及び前記シリンダユニットを包囲するシール部材としてのＯリングと、
   前記シリンダユニットの伸縮によってマニピュレータの外周方向に突出し前記結合孔に密接する係合子としての鋼球とから構成されたことを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記マニピュレータの内部に気体を送込むことによりマニピュレータの内部を外部より高い圧力に保つ気体圧送手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。

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