JP4646970B2 - ２つの部分から構成される遠隔操作アーム - Google Patents

Description

本発明の主題は、主アーム及び従アームを別個の２つの部分として備える遠隔操作アームである。
主アーム及び従アームから構成されるこの遠隔操作アームは、現在、敵対的メディアでの作業に使用されており、主アームのセグメントのジョイントを従アームのセグメントのジョイントに結合することにより、オペレータによって行われる主アームの運動を従アームに再現させる機械的な伝達装置を備えている。主アームの端部はオペレータによって保持され、従アームの端部は通常、作業を実行する操作ツールを備えている。

遠隔操作アームは通常単一部品であり、主アームが従アームに直接接続されていることにより、機械的な伝達が連続する。しかしながら、仏国特許第２６６７５３２号明細書に記載の構成によれば、従アームは、主アーム無しで、ボタンを備えた装置又は類似の装置によって制御することができ、この場合従アームによって再現される制御運動は生成されない。制御は電気信号に変換されて制御システムに供給され、制御システムはこの信号に従って従アームの伝達装置を制御するモータを駆動する。従アームを制御するために、場合によっては更に正確であるか、又はより効果的な異なる法則が利用可能である。別の特徴は、重力又は実行される作業によってアームに生じた力がオペレータに伝達されないことである。オペレータの疲労が小さい場合は逆に、制御の質を向上させるため、ツールが受ける作用力をオペレータに感じさせることが求められる場合が多いことに留意されたい。いわゆる力フィードバック装置を追加することにより、主アームに所望の反応を生成する。このような反応は、上記特許第２６６７５３２号明細書により発生することができない。
遠隔操作アームの運動は通常制限されている。即ち、保護壁を貫通し、転がり軸受けに取り付けられた管状セグメント、いわゆるクロッシングセグメントの枢動運動は、主アームを上方へ枢動させることにより生成され、それが小さな角度でしか実施され得ないことにより実際には小さい。これは、主アームを過度に上昇させてしまうと、オペレータが主アームを適切に保持することができず、主アームの枢動に伴って従アームも同様に枢動運動してしまい、従アームの重量によって、オペレータによる上昇操作を妨げる拮抗モーメントが発生するためである。釣合いおもりは枢動モーメントを低減させるが、その作用は実際には不完全なものにとどまる。よって、それらの実現性に関わらず、従アームには小さな作業スペース、特に高さが小さいことが付随する。前記特許文献は、このような不十分さに対する処置を見出してない。前記特許文献は、小さな運動角度を可能にする水平方向に配置された円筒状部材によって従アームを枢動させるという指摘を含んでいるに過ぎない。

よって、本発明の最も重要な目的は、遠隔操作アームの運動可能性を増大することであり、特に従アームを位置させる高さを上げることによって、且つオペレータに何ら困難をもたらすことなく増大させることである。
新規の遠隔操作アームの配置は、主アーム及び従アームを分離することにより、可能であればオペレータへの力フィードバックに連動させた、手動の運動を発生させることによる制御の利点を維持しながら、従アームを大きく回転させるように駆動することができる。

概略的には、本発明は、主アーム及び従アームを供えた遠隔操作アームに関し、本遠隔操作アームは、前記２つのアームを連結する直接的な機械的伝達装置を備えておらず、代わりに電気的及びコンピュータに基づく制御部分と、主アームにおいて実行される運動の指標に応じて制御部分が伝達する信号の制御下で、従アームに含まれる機械的な伝達装置を駆動するパワー部分とを備えたインターフェースシステムを有している。このパワー部分は、固定ケーシング、このケーシング内に回転可能に取り付けられ、且つ従アームに装着されたドラム、及び固定モータ、並びにドラムをモータに接続してドラムの完全な一回転を可能にする伝達装置を備えている。
主アームを保持することは、従アームにおける力をインターフェースシステムによって電気信号に変換した後、オペレータに掛かる力フィードバックが保持されることを意味する。

本発明の上記目的及び他の目的を、添付図面を参照して以下に説明する。
図１について説明する。従アーム１は、保護壁２を貫通する第１の管状セグメント３と、互いに及び第１のセグメント３と結合し、且つ保護壁２の反対側で敵対的作業媒体中に配置された他のセグメントからなるリンク構造４とを備えており、主アーム５は従アームから所定の距離を置いて配置されており、インターフェースシステム６は、制御部分７と、保護壁２に装着されて従アームに連結されるパワー部分８とから構成される。電気線９及び１０は、制御部分７を主アーム５及びパワー部分８にそれぞれ接続し、よって主アームの運動に応じてパワー部分８が制御される。最後に、窓１１により、主アーム５を保持するオペレータは、従アーム１及びツール１２（大抵はグリップ）に対して自身の動作が及ぼす作用を観察することができる。

図２に、本発明の最も重要な部分、つまり、パワー部分８を示す。この図は、固定ケーシング１３、このケーシング１３内で回転するドラム１４、このドラム１４を駆動させるための固定モータ１５、及びこの駆動を提供する歯車伝達装置１６を備えており、この歯車伝達装置１６は、モータ１５の出力シャフトに設けられたピニオンとドラム１４に設けられた平歯車とを備えている。ピニオンは、平歯車と噛み合うか又は同期ベルト又は別の手段によって平歯車に接続することができる。ケーシング１３は、固定装置１７によって保護壁２に取り付けられている。ドラム１４は、ドラム１４の回転を可能にする軸受け１８を用いてケーシング１３によって支持されており、ケーシング１３の円筒部分１９内の少なくとも一部を占めている。モータ１５は、ケーシング１３の別の部分２０内に位置し、そこに固定されている。伝達装置１６は、モータ１５の出力シャフトに装着されたピニオン２１、このピニオン２１と噛み合う平歯車２２を備え、ドラム１４の一部を取り囲んでいる。このシステムにより、ドラム１４を完全に一回転させることができ、更にこの回転は、ドラム１４の端部に隣接し、ドラム１４の延長部である第１セグメント３と一致する軸を中心とするものとすることができる。２つの部分の両方に属する結合ブラケット２３をねじで止めることにより、完全に連結させることができる。従って、ドラム１４の回転により、第１セグメント３、並びに従アーム１全体を回転させることができる。

ドラム１４は特定数の制御モータを含み、そのうち中心的なモータ２４を１つ決定し、他（６個のうち１つのみを図示する）をサイドモータ２５とすることができる。これら制御モータ２４及び２５の各々は、従アーム１に連続する伝達装置に接続してリンク構造４のセグメントを制御し、また通常、管状セグメント３内に伝達バーを備えている。中心的な制御モータ２４に接続するバーは基準軸２６を、他の制御モータ２５に接続するバーは基準軸２７（１つのみを図示する）を有する。バー２６は、モータ１の出力シャフト２８を介してドラム１４内へ伸び、バー２７は、同期ベルト伝達装置３０を介してサイドモータ２５により駆動されるシャフト２９を通って伸びている。同期ベルトは、対応するサイドモータ２５が、ドラム１４の周辺部の近くまで運動することを可能にしており、それらの遊びは非常に小さい。バー２６及び２７は、ボルト継手３１又は他の継手によりシャフト２８及び２９に結合している。バー２６は、管状セグメント３に結合されたセグメント、並びにリンク構造４の残りの部分を垂直方向に傾斜運動させ、これにより、重力による大きな反力モーメントが生じ、制御モータ２４に適切な力が、また機械的伝達装置に適切な抵抗が、それぞれ掛かる。一方、バー２７、シャフト２９及びサイドモータ２５に掛かる力はそれよりもはるかに小さく、よって使用する伝達装置３０は脆弱であってよい。また、管状セグメント３の枢動は大きな力に耐えることが必要で、それにより抵抗歯車伝達装置１６を問題なく使用することが可能となる。
更に、線１０のワイヤを受容し、ケーシング１３上に配置される電気コネクタ３１と、制御モータ２４及び２５に適切に電力供給するためのケーブルの巻取り装置３２と、行程終端装置３３が図示されている。ケーブル巻取り装置３２及び行程終端装置３３について、後続の図面を用いて説明する。

図３に、ケーブル巻取り装置３２を示す。この装置は、ドラム１４を収容する円筒部分１９とドラム１４自体との間の環状の空間に配置されており、この空間内に自由に取り付けられた円弧状部分３４から主に構成され、この円弧状部分３４の少なくとも端部にはローラ３５が設けられている。更に、ドラム１４に接続するためのケーブル３６は、ドラム１４への装着のための点３７と、ケーシング１３への装着のための点３８とを有している。ケーブルの延長部は、ドラム１４の周囲よりもわずかに大きい。この装置の操作の特徴は、次のように要約される。従アーム１及び特に管状セグメント３は、全ての角度位置に配置されるように回転する。ツール１２を可能な全ての位置に配置させるには一周の移動で十分であるが、アームの制動を吸収するため及び行程終端装置を始動させるために、更にわずかな角度行程が必要とされる。円弧状部分３４は、ローラ３５のうちの１つの両側で、ケーブル３６の長さを、円筒部分１９に近接する外部ストランドと、ドラム１４に近接する内部ストランドとに分配している。この円弧状部分３４は、ドラム１４の端部位置に配置されている。ドラム１４を時計回りに動かすことによって、ケーブル３６の内部ストランドは引っ張られ、一方円弧状部分３４を回転させることによって外部ストランドの長さは短くなる。この回転は、外部ストランドが見えなくなるまで可能である。ケーブル３６の適切な位置は、任意の位置でスペーサとして使用される円弧状部分３４によって引き続き保証されている。ドラム１４は、不都合なく、また摩擦をほとんど起こさずに一周以上回転させることができる。実際には、その曲率半径に近い半径を有する保護鎖内にケーブルを配置することにより、ケーブル同士の摩擦を最小にする。

図４に、行程終端装置３３を示す。螺旋部材３９が、ドラム１４の周囲に配置されている。２つの行程終端コンタクトがケーシング１３に取り付けられている。送り台４１もケーシング１３に取り付けられており、その上でスライドするキャリッジ４２を保持している。キャリッジ４２は、行程終端コンタクト４０に接触する位置まで移動できるカム４３と、螺旋部材３９を取り囲み、且つ螺旋部材３９がその中に嵌合するキャリッジの溝を形成する一対のローラ４４とを備えている。ドラム１４の回転によって、螺旋部材３９はローラ４４の間を通って移動し、同時にローラ４４及びキャリッジ４２の他の部分を移動させる。送り台はドラム１４の回転軸及び螺旋部材３９の軸に対して平行である。カム４３が行程終端コンタクト４０に接触すると、ドラム１４の運動は停止する。行程終端コンタクト４０は、図示されていない電気線によって制御ユニット７に接続されており、その状態が信号により伝達される。このような方法により、巻取り装置がその角度回転行程を超えて運動することが防止される。

図５に、特定の変形形態を示す。これは、リンク構造４の最後のセグメントが回転セグメントではなくスライドセグメントであることにより、従アーム１の長さが可変となることを特徴とする特定の公知の従アームに適用される。この特徴は、３つの端部セグメント４５、４６及び４７に関連している。前方セグメント４５に対する中央セグメント４６の前進を調節するのに用いられる伝達装置は、中央セグメント４６に装着されたねじが切られたブシュ４９を介して配置されるウォームスクリュー４８を備えており、このウォームスクリュー４８は、フランジ５０によって前方セグメント４５の内の固定位置に保持されている。ウォームスクリュー４８は角度伝達を行う歯車手段によって回転駆動され、この歯車手段は、前方セグメントを貫通し、伝達バーの１つ及び制御モータ２５の１つで終端する伝達バー等を備えている。このアームの構造は公知であるので、その構造及び伝達装置は部分的にのみ図示する。端部セグメント４７の運動を制御するための伝達装置についても同様である。ここでは、この装置が、二重のストランドケーブル要素５０を備えており、この二重のストランドが、同じ制御バー２７によって駆動される一対のプーリ５２のそれぞれで終端していることを指摘するに留める。これらのストランドの反対側の端部は、端部セグメント４７上の共通の装着点５３で終端しており、ストランドの一方は更に、中央セグメント４６の底部に装着された偏位プーリ５４を通過する。ストランドが互いに逆方向にプーリ５２に巻き付けられるので、バー２７が回転すると、ストランドの一方の巻きが緩まり、もう一方が巻き取られることになり、よって両ストランドが協働することにより、端部セグメント４７が中央セグメント４６内で前後運動する。ケーブル５１のストランドはまた、前方セグメント４５に取り付けられているキャリッジ５６と一体式の別の偏位プーリ５５を通り、キャリッジ５６は別のケーブル５７を介して中央セグメント４６に接続されているので、ウォームスクリュー４８の回転によって、中央セグメント４６だけでなく端部セグメント４７も移動することに留意されたい。中央セグメント４６の下方向への移動によって、例えばケーブル５７が緩み、これにより、キャリッジ５６が、前方セグメント４５に沿って半分の移動距離だけ上昇し、ケーブル５１の各ストランドは、偏位プーリ５５の両側で半分の移動距離だけ緩み、端部セグメント４７は、中央セグメント４６と同じ距離だけ下方向に移動する。

ウォームスクリュー４８は堅固であるが、ケーブル５１はそうではない。リンク構造４のセグメントは、しばしば著しく大きな力、例えば大きな荷重に耐えなければならない。その場合、ケーブル５１の運動をブロックし、ウォームスクリュー４８によって可能となる運動のみを使用することが考慮される。これは、ケーブル伝達装置５１と連動するシャフト２９の回転をブロックする機械的なブレーキによって達成され、この機械的ブレーキは摩擦円盤又は可動のジョークラッチから構成することができる。連動モータ２５及び伝達装置３０は、制御バー２７が受ける力から解放される。

適切な主アーム５は、ＨａｐｔｉｏｎによりＶｉｒｔｕｏｓｅ ６Ｄ ４０４０の名称で開発されたものとすることができる。その力の耐荷重は４キログラムに制限されている。（耐荷重に対する）その摩擦は、従アーム１の摩擦、及び従来の遠隔操作装置の摩擦に匹敵する。制御ユニット７はまた、力フィードバックを用いて操作することができる。すなわち、制御モータが供給すべき力によって、或いはモータ又は伝達装置に配置された適切なセンサによって、従アーム１が受けた力を記録し、主アームのモータにおいて力を生成することによって、オペレータにそれを感じさせることができる。しかし、主アーム５及び従アーム１を分離することによって主アーム５の制御が容易になり、力が低減されることによってオペレータが２つのアームを一緒に、つまり一方の手で１つずつ使用することが可能になる。これにより、一般に使用に骨が折れる既知のアームよりもはるかに大きな作業の可能性がオペレータに提供される。別の制御モードでは、単一の主アーム及びオペレータ自身が、作業ステーションの２つの従アームを制御することができ、よって特に力の耐荷重が２倍になり、１つの部品の離間した２点で反対方向に作用させることによって大きなトルクを生成することができる。最後に、従アーム１のバランシングは、有利には、重力によるトルク及び力を計算できるソフトウェア制御によって正確に実施することができる。必要であれば、釣合いおもりによるバランシングは、釣合いおもりに機械的に結合している主アームがない場合にはるかに容易に達成できる。

本発明の概略図である。 従アームを駆動させるシステムを示す。 本発明の一部の詳細図である。 本発明の別の一部の詳細図である。 本発明のまた別の一部の詳細図である。

Claims (5)

1. オペレータが操作する主アーム（５）、並びに、壁（２）を貫通する第１の管状セグメント（３）と、リンク構造（４）を形成し且つ操作部材（１２）で終端する他のセグメントとを備える従アーム（１）を備える遠隔操作アームであって、
   前記主アーム（５）及び前記従アーム（１）には、両アームを連結する直接的な機械的伝達装置は設けられておらず、
   前記主アーム（５）から前記従アーム（１）へ運動の伝達をするための制御部分（７）及びパワー部分（８）を備えたインターフェースシステム（６）が設けられており、
   前記従アーム（１）は、前記リンク構造（４）を形成する前記セグメントを制御する機械的伝達装置（２６、２７）を備えており、
   前記パワー部分（８）は、
   前記壁（２）に取り付けられており、円筒部分を有した固定ケーシング（１３）と、
   前記従アーム（１）の前記管状セグメント（３）に装着されており、前記固定ケーシング（１３）の前記円筒部分内で回転するドラムであって、前記機械的伝達装置（２６、２７）を制御する制御モータ（２４、２５）を備えたドラム（１４）と、
   前記ドラム（１４）を駆動させる固定モータ（１５）と、
   前記ドラム（１４）の周りに設けられた平歯車（２２）と前記固定モータ（１５）の出力シャフトに設けられた部材で前記平歯車（２２）と係合するための部材を備えており、前記ドラム（１４）を前記固定モータ（１５）に結合して完全に一回転させることが可能になっている歯車伝達装置（１６）と、
   前記制御モータ（２４、２５）に接続される電気ケーブル（３６）の巻取り装置（３２）とを含んでおり、
   前記制御部分（７）は、前記主アーム（５）において実行される運動の指標に応じて前記制御モータ（２４、２５）及び前記固定モータ（１５）を制御する
   ことを特徴とする、遠隔操作アーム。
2. 前記巻取り装置（３２）が、前記ドラム（１４）と前記固定ケーシング（１３）の前記円筒部分との間で中心軸周りに回転することができる自由な円弧状部分（３４）を備えており、前記電気ケーブル（３６）が、前記ドラム（１４）の一点及び前記円筒部分の一点に装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の遠隔操作アーム。
3. 前記ドラム（１４）の行程終端スイッチ（３３）を備え、前記行程終端スイッチ（３３）が、固定部分と、スライドするキャリッジ（４２）に取り付けられた可動の部分と、前記ドラム（１４）に装着されて前記キャリッジの溝内に嵌合する螺旋部材（３９）とを有することを特徴とする、請求項１ないし２のいずれか１項に記載の遠隔操作アーム。
4. 前記従アーム（１）に含まれて、前記第１の管状セグメント（３）に隣接する前記リンク構造（４）を構成するセグメントの１つを回転させる前記機械的伝達装置の１つ（２６）と、前記機械的伝達装置（２６）を駆動する前記制御モータ（２４）とが、前記第１の管状セグメント（３）の回転軸に沿って配置されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の遠隔操作アーム。
5. 前記リンク構造（４）のセグメントのうち２つが、一方がケーブルを、他方がウォームスクリューを備える前記機械的伝達装置のうち２つによってスライドすること、並びに、前記ケーブルを備える前記機械的伝達装置の機械的ブロック装置（５８）が、前記インターフェースシステム（６）の前記パワー部分（８）に設けられていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の遠隔操作アーム。

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