JP3757558B2 - マスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法に関し、スレーブアームの旋回半径が大きくなっても、微小量の旋回を精度よく行うことができるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力施設や宇宙空間や高所などで不定型な作業を行うロボットとして、マスタ・スレーブ形マニプレータが使用されている。このマスタ・スレーブ形マニプレータは、概念図である図１に示すように、マスタアーム１と、スレーブアーム２と、制御部３を主要部材として構成されている。そしてマスタアーム１の各関節の回動角がマスタ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、スレーブアーム２の各関節の回動角がスレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、検出された各回動角は制御部３に送られるようになっている。操作者４がマスタアーム１を操作すると、スレーブ側の各関節角がマスタ側の対応する各関節角に等しくなるように、制御部３によりスレーブアーム２が制御され、スレーブアーム２はマスタアーム１に追従して移動する。
【０００３】
図２は、上記スレーブアーム２のアーム構造を示す概略図である。同図に示すように、基台２０は床面に固定されており、旋回台２１は第１回動軸（旋回回動軸）Ｊ１を介して基台２０に対して水平面内で旋回できる。垂直アーム２２は第２回動軸Ｊ２を介して旋回台２１に対して揺動でき、水平アーム２３は第３回動軸Ｊ３を介して垂直アーム２２に対して揺動できる。また、水平アーム２３の先端には第４回動軸Ｊ４を介してハンド部２４が取り付けられている。ハンド部２４には、第５回動軸Ｊ５およびハンドＨが組み込まれている。
【０００４】
マスターアーム１のアーム構造も、スレーブアーム２のアーム構造と略同様な構造となっている。
【０００５】
制御部３には、スレーブアーム２の旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回するときの角加速度を、パラメータとして設定している。一般に、従来では、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の回りで旋回するときの角加速度のパラメータを、一定値（固定値）としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来では、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回するときの角加速度のパラメータを一定値（固定値）としていたため、旋回動作をした場合には、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度（角加速度ではない）は、スレーブアーム２の姿勢によって大きく異なる。
【０００７】
即ち、スレーブアーム２のアーム構造を平面的に示す概略図である図４に示すように、角加速度ｄ2 θ／ｄｔ2 が同一であっても、旋回半径ｒが小さいときには旋回方向の加速度ａは小さく（図４（ａ）参照）、旋回半径ｒが大きくなると旋回方向の加速度ａは大きくなる（図４（ｂ）参照）。なお、旋回半径ｒとは、水平面内において第１回動軸（旋回回動軸）Ｊ１からスレーブアーム２の先端までの距離（半径）のことである。
【０００８】
このように、旋回半径ｒが大きくなると旋回方向の加速度ａは大きくなるので、旋回半径ｒが大きい場合には、精度の良い微小量の旋回が困難となっていた。
【０００９】
なお、角加速度ｄ2 θ／ｄｔ2 と、旋回方向の加速度ａと、旋回半径ｒとの間には、次式（１）のような関係がある。
ａ＝ｒ×（ｄ2 θ／ｄｔ2 ） ・・・（１）
【００１０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、旋回半径ｒが大きくなっても、微小量の旋回を精度よく行うことのできるマスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、マスタアームに追従してスレーブアームが移動し、しかもスレーブアームの旋回台が基台に対して旋回動作するタイプのマスタ・スレーブ形マニプレータにおいて、
前記旋回台を旋回させるときの基準角加速度αo と基準旋回半径ｒo を予め設定しておき、前記旋回台を実際に旋回させるときには、そのときのスレーブアームの実際の旋回半径ｒ’を求め、
この旋回半径ｒ’を下式に適用して求めた角加速度α’でもって、前記旋回台を旋回動作させることを特徴とする。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo
【００１２】
また本発明は、マスタアームに追従してスレーブアームが移動し、しかもスレーブアームの旋回台が基台に対して旋回動作するタイプのマスタ・スレーブ形マニプレータにおいて、
前記旋回台を旋回させるときの基準角加速度αo と基準旋回半径ｒo を予め設定しておき、前記旋回台を実際に旋回させるときには、そのときのマスタアームの実際の旋回半径ｒ’を求め、
この旋回半径ｒ’を下式に適用して求めた角加速度α’でもって、前記旋回台を旋回動作させることを特徴とする。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態にかかるマスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法を図面に基づき詳細に説明する。本発明を適用したマスタ・スレーブ形マニプレータのハードウェア構成は、従来と同様である。即ち、マスタ・スレーブ形マニプレータは、概念図である図１に示すように、マスタアーム１と、スレーブアーム２と、制御部３を主要部材として構成されている。そしてマスタアーム１の各関節の回動角がマスタ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、スレーブアーム２の各関節の回動角がスレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、検出された各回動角は制御部３に送られるようになっている。操作者４がマスタアーム１を操作すると、スレーブ側の各関節角がマスタ側の対応する各関節角に等しくなるように、制御部３によりスレーブアーム２が制御され、スレーブアーム２はマスタアーム１に追従して移動する。
【００１４】
上記スレーブアーム２のアーム構造は、概略図である図２に示すように、その基台２０は床面に固定されており、旋回台２１は第１回動軸（旋回回動軸）Ｊ１を介して基台２０に対して水平面内で旋回できる。垂直アーム２２は第２回動軸Ｊ２を介して旋回台２１に対して揺動でき、水平アーム２３は第３回動軸Ｊ３を介して垂直アーム２２に対して揺動できる。また、水平アーム２３の先端には第４回動軸Ｊ４を介してハンド部２４が取り付けられている。ハンド部２４には、第５回動軸Ｊ５およびハンドＨが組み込まれている。
【００１５】
マスターアーム１のアーム構造も、スレーブアーム２のアーム構造と略同様な構造となっている。ここまでの構成は従来と同様である。
【００１６】
一方、制御部３は、マスタ側の回動角センサ（図示省略）により検出されたマスタアーム１の各関節の回動角を基に、マスタアーム１の姿勢を検出し、更に、マスタアーム１の旋回半径ｒを検出する。また、制御部３は、スレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出されたスレーブアーム２の各関節の回動角を基に、スレーブアーム２の姿勢を検出し、更に、スレーブアーム２の旋回半径ｒを検出する。
【００１７】
また、制御部３には、スレーブアーム２の旋回台２１を第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回させるときの基準角加速度αo が予め設定されている（図３（ａ）参照）。この基準角加速度αo は、スレーブアーム２の操作において多用する旋回領域において、最も理想的な角加速度を選択している。また、スレーブアーム２の操作において多用する旋回領域において、最も使用頻度の多い旋回半径を基準旋回半径ｒo として、この基準旋回半径ｒo が制御部３に予め設定されている（図３（ａ）参照）。更に、基準角加速度αo 及び基準旋回半径ｒo のときの旋回方向の加速度を、旋回方向の基準加速度ａo として、この基準加速度ａo が制御部３に予め設定されている（図３（ａ）参照）。
【００１８】
実際にスレーブアーム２が作動して、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回動作する場合においては、制御部３は、スレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出されたスレーブアーム２の各関節の回動角を基に、このときのスレーブアーム２の実際の旋回半径ｒ’を検出する。そして、このときの旋回半径ｒ’を次式（２）に適用して、このときの角加速度α’を演算する。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo ・・・（２）
【００１９】
そして、制御部３は、旋回半径がｒ’となっているスレーブアーム２を、上式（２）により求めた角加速度α’でもって旋回動作させるように制御をする。このとき、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度ａ’は次式（３）に示すように、基準加速度ａo と等しくなる。
【００２０】
このように、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回動作する場合において、スレーブアーム２の旋回半径が変化しても、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度ａ’は、常に、基準加速度ａo と等しくなる（図３（ｂ）参照）。したがって、スレーブアーム２の旋回半径が大きくなっても、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度を一定（ａo ）にすることができ、微小量の旋回を精度よく行うことのできる。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、制御部３によりスレーブアーム２の実際の旋回半径ｒ’を検出して、この旋回半径ｒ’を式（２）に適用して角加速度α’を求めているが、制御部３によりマスタアーム１の実際の旋回半径ｒ’を検出して、この旋回半径ｒ’を式（２）に適用して角加速度α’を求めて、この角加速度α’でもってスレーブアーム２を旋回動作させるよう制御してもよい。このようにした場合であっても、スレーブアーム２の旋回半径が変化しても、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度ａ’は、常に、一定（ａo ）となる。
【００２２】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように、本発明によれば、スレーブアームの先端の旋回方向の加速度が一定となるように、スレーブアームの角加速度を変更している。このため、本発明では、旋回半径が変化してもスレーブアーム先端の旋回方向の加速度を常に一定にすることができる。したがって、旋回半径が大きいときであっても、スレーブアームの微小な旋回を精度よく容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マスタ・スレーブ形マニプレータを示す概念図。
【図２】スレーブアームのアーム構造を示す概略図。
【図３】本発明における旋回半径と旋回方向の加速度との関係を示す説明図。
【図４】従来技術における旋回半径と旋回方向の加速度との関係を示す説明図。
【符号の説明】
１ マスタアーム
２ スレーブアーム
３ 制御部
４ 操作者
２０ 基台
２１ 旋回台
２２ 垂直アーム
２３ 水平アーム
２４ ハンド部
Ｊ１ 第１回動軸（旋回回動軸）
Ｊ２〜Ｊ５ 第１〜第５の回動軸
Ｈ ハンド
αo 基準角加速度
α’ 角加速度
ａo 旋回方向の基準加速度
ａ 旋回方向の加速度
ｒo 基準旋回半径
ｒ，ｒ’旋回半径
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法に関し、スレーブアームの旋回半径が大きくなっても、微小量の旋回を精度よく行うことができるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力施設や宇宙空間や高所などで不定型な作業を行うロボットとして、マスタ・スレーブ形マニプレータが使用されている。このマスタ・スレーブ形マニプレータは、概念図である図１に示すように、マスタアーム１と、スレーブアーム２と、制御部３を主要部材として構成されている。そしてマスタアーム１の各関節の回動角がマスタ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、スレーブアーム２の各関節の回動角がスレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、検出された各回動角は制御部３に送られるようになっている。操作者４がマスタアーム１を操作すると、スレーブ側の各関節角がマスタ側の対応する各関節角に等しくなるように、制御部３によりスレーブアーム２が制御され、スレーブアーム２はマスタアーム１に追従して移動する。
【０００３】
図２は、上記スレーブアーム２のアーム構造を示す概略図である。同図に示すように、基台２０は床面に固定されており、旋回台２１は第１回動軸（旋回回動軸）Ｊ１を介して基台２０に対して水平面内で旋回できる。垂直アーム２２は第２回動軸Ｊ２を介して旋回台２１に対して揺動でき、水平アーム２３は第３回動軸Ｊ３を介して垂直アーム２２に対して揺動できる。また、水平アーム２３の先端には第４回動軸Ｊ４を介してハンド部２４が取り付けられている。ハンド部２４には、第５回動軸Ｊ５およびハンドＨが組み込まれている。
【０００４】
マスターアーム１のアーム構造も、スレーブアーム２のアーム構造と略同様な構造となっている。
【０００５】
制御部３には、スレーブアーム２の旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回するときの角加速度を、パラメータとして設定している。一般に、従来では、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の回りで旋回するときの角加速度のパラメータを、一定値（固定値）としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来では、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回するときの角加速度のパラメータを一定値（固定値）としていたため、旋回動作をした場合には、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度（角加速度ではない）は、スレーブアーム２の姿勢によって大きく異なる。
【０００７】
即ち、スレーブアーム２のアーム構造を平面的に示す概略図である図４に示すように、角加速度ｄ2 θ／ｄｔ2 が同一であっても、旋回半径ｒが小さいときには旋回方向の加速度ａは小さく（図４（ａ）参照）、旋回半径ｒが大きくなると旋回方向の加速度ａは大きくなる（図４（ｂ）参照）。なお、旋回半径ｒとは、水平面内において第１回動軸（旋回回動軸）Ｊ１からスレーブアーム２の先端までの距離（半径）のことである。
【０００８】
このように、旋回半径ｒが大きくなると旋回方向の加速度ａは大きくなるので、旋回半径ｒが大きい場合には、精度の良い微小量の旋回が困難となっていた。
【０００９】
なお、角加速度ｄ2 θ／ｄｔ2 と、旋回方向の加速度ａと、旋回半径ｒとの間には、次式（１）のような関係がある。
ａ＝ｒ×（ｄ2 θ／ｄｔ2 ） ・・・（１）
【００１０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、旋回半径ｒが大きくなっても、微小量の旋回を精度よく行うことのできるマスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、マスタアームに追従してスレーブアームが移動し、しかもスレーブアームの旋回台が基台に対して旋回動作するタイプのマスタ・スレーブ形マニプレータにおいて、
前記旋回台を旋回させるときの基準角加速度αo と基準旋回半径ｒo を予め設定しておき、前記旋回台を実際に旋回させるときには、そのときのスレーブアームの実際の旋回半径ｒ’を求め、
この旋回半径ｒ’を下式に適用して求めた角加速度α’でもって、前記旋回台を旋回動作させることを特徴とする。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo
【００１２】
また本発明は、マスタアームに追従してスレーブアームが移動し、しかもスレーブアームの旋回台が基台に対して旋回動作するタイプのマスタ・スレーブ形マニプレータにおいて、
前記旋回台を旋回させるときの基準角加速度αo と基準旋回半径ｒo を予め設定しておき、前記旋回台を実際に旋回させるときには、そのときのマスタアームの実際の旋回半径ｒ’を求め、
この旋回半径ｒ’を下式に適用して求めた角加速度α’でもって、前記旋回台を旋回動作させることを特徴とする。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態にかかるマスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法を図面に基づき詳細に説明する。本発明を適用したマスタ・スレーブ形マニプレータのハードウェア構成は、従来と同様である。即ち、マスタ・スレーブ形マニプレータは、概念図である図１に示すように、マスタアーム１と、スレーブアーム２と、制御部３を主要部材として構成されている。そしてマスタアーム１の各関節の回動角がマスタ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、スレーブアーム２の各関節の回動角がスレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出され、検出された各回動角は制御部３に送られるようになっている。操作者４がマスタアーム１を操作すると、スレーブ側の各関節角がマスタ側の対応する各関節角に等しくなるように、制御部３によりスレーブアーム２が制御され、スレーブアーム２はマスタアーム１に追従して移動する。
【００１４】
上記スレーブアーム２のアーム構造は、概略図である図２に示すように、その基台２０は床面に固定されており、旋回台２１は第１回動軸（旋回回動軸）Ｊ１を介して基台２０に対して水平面内で旋回できる。垂直アーム２２は第２回動軸Ｊ２を介して旋回台２１に対して揺動でき、水平アーム２３は第３回動軸Ｊ３を介して垂直アーム２２に対して揺動できる。また、水平アーム２３の先端には第４回動軸Ｊ４を介してハンド部２４が取り付けられている。ハンド部２４には、第５回動軸Ｊ５およびハンドＨが組み込まれている。
【００１５】
マスターアーム１のアーム構造も、スレーブアーム２のアーム構造と略同様な構造となっている。ここまでの構成は従来と同様である。
【００１６】
一方、制御部３は、マスタ側の回動角センサ（図示省略）により検出されたマスタアーム１の各関節の回動角を基に、マスタアーム１の姿勢を検出し、更に、マスタアーム１の旋回半径ｒを検出する。また、制御部３は、スレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出されたスレーブアーム２の各関節の回動角を基に、スレーブアーム２の姿勢を検出し、更に、スレーブアーム２の旋回半径ｒを検出する。
【００１７】
また、制御部３には、スレーブアーム２の旋回台２１を第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回させるときの基準角加速度αo が予め設定されている（図３（ａ）参照）。この基準角加速度αo は、スレーブアーム２の操作において多用する旋回領域において、最も理想的な角加速度を選択している。また、スレーブアーム２の操作において多用する旋回領域において、最も使用頻度の多い旋回半径を基準旋回半径ｒo として、この基準旋回半径ｒo が制御部３に予め設定されている（図３（ａ）参照）。更に、基準角加速度αo 及び基準旋回半径ｒo のときの旋回方向の加速度を、旋回方向の基準加速度ａo として、この基準加速度ａo が制御部３に予め設定されている（図３（ａ）参照）。
【００１８】
実際にスレーブアーム２が作動して、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回動作する場合においては、制御部３は、スレーブ側の回動角センサ（図示省略）により検出されたスレーブアーム２の各関節の回動角を基に、このときのスレーブアーム２の実際の旋回半径ｒ’を検出する。そして、このときの旋回半径ｒ’を次式（２）に適用して、このときの角加速度α’を演算する。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo ・・・（２）
【００１９】
そして、制御部３は、旋回半径がｒ’となっているスレーブアーム２を、上式（２）により求めた角加速度α’でもって旋回動作させるように制御をする。このとき、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度ａ’は次式（３）に示すように、基準加速度ａo と等しくなる。
このように、旋回台２１が第１回動軸Ｊ１の軸回りで旋回動作する場合において、スレーブアーム２の旋回半径が変化しても、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度ａ’は、常に、基準加速度ａo と等しくなる（図３（ｂ）参照）。したがって、スレーブアーム２の旋回半径が大きくなっても、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度を一定（ａo ）にすることができ、微小量の旋回を精度よく行うことのできる。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、制御部３によりスレーブアーム２の実際の旋回半径ｒ’を検出して、この旋回半径ｒ’を式（２）に適用して角加速度α’を求めているが、制御部３によりマスタアーム１の実際の旋回半径ｒ’を検出して、この旋回半径ｒ’を式（２）に適用して角加速度α’を求めて、この角加速度α’でもってスレーブアーム２を旋回動作させるよう制御してもよい。このようにした場合であっても、スレーブアーム２の旋回半径が変化しても、スレーブアーム２の先端の旋回方向の加速度ａ’は、常に、一定（ａo ）となる。
【００２２】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように、本発明によれば、スレーブアームの先端の旋回方向の加速度が一定となるように、スレーブアームの角加速度を変更している。このため、本発明では、旋回半径が変化してもスレーブアーム先端の旋回方向の加速度を常に一定にすることができる。したがって、旋回半径が大きいときであっても、スレーブアームの微小な旋回を精度よく容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マスタ・スレーブ形マニプレータを示す概念図。
【図２】スレーブアームのアーム構造を示す概略図。
【図３】本発明における旋回半径と旋回方向の加速度との関係を示す説明図。
【図４】従来技術における旋回半径と旋回方向の加速度との関係を示す説明図。
【符号の説明】
１ マスタアーム
２ スレーブアーム
３ 制御部
４ 操作者
２０ 基台
２１ 旋回台
２２ 垂直アーム
２３ 水平アーム
２４ ハンド部
Ｊ１ 第１回動軸（旋回回動軸）
Ｊ２〜Ｊ５ 第１〜第５の回動軸
Ｈ ハンド
αo 基準角加速度
α’ 角加速度
ａo 旋回方向の基準加速度
ａ 旋回方向の加速度
ｒo 基準旋回半径
ｒ，ｒ’旋回半径
Claims (2)
- マスタアームに追従してスレーブアームが移動し、しかもスレーブアームの旋回台が基台に対して旋回動作するタイプのマスタ・スレーブ形マニプレータにおいて、
前記旋回台を旋回させるときの基準角加速度αo と基準旋回半径ｒo を予め設定しておき、前記旋回台を実際に旋回させるときには、そのときのスレーブアームの実際の旋回半径ｒ’を求め、
この旋回半径ｒ’を下式に適用して求めた角加速度α’でもって、前記旋回台を旋回動作させることを特徴とするマスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo - マスタアームに追従してスレーブアームが移動し、しかもスレーブアームの旋回台が基台に対して旋回動作するタイプのマスタ・スレーブ形マニプレータにおいて、
前記旋回台を旋回させるときの基準角加速度αo と基準旋回半径ｒo を予め設定しておき、前記旋回台を実際に旋回させるときには、そのときのマスタアームの実際の旋回半径ｒ’を求め、
この旋回半径ｒ’を下式に適用して求めた角加速度α’でもって、前記旋回台を旋回動作させることを特徴とするマスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法。
α’＝（ｒo ／ｒ’）×αo
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19808597A JP3757558B2 (ja) | 1997-07-24 | 1997-07-24 | マスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP19808597A JP3757558B2 (ja) | 1997-07-24 | 1997-07-24 | マスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1133938A JPH1133938A (ja) | 1999-02-09 |
| JP3757558B2 true JP3757558B2 (ja) | 2006-03-22 |
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ID=16385264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19808597A Expired - Fee Related JP3757558B2 (ja) | 1997-07-24 | 1997-07-24 | マスタ・スレーブ形マニプレータの旋回制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3757558B2 (ja) |
-
1997
- 1997-07-24 JP JP19808597A patent/JP3757558B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH1133938A (ja) | 1999-02-09 |
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