JP5259171B2 - 遠隔作業室内位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、隔離した遠隔作業室内で遠隔操作により作業するために使用する位置決め装置と距離測定装置に関する。

例えば原子炉の解体あるいは放射能汚染物や劇薬の処理など作業者が直接作業すると被災する可能性がある作業を行うために、放射線遮蔽壁で囲ったセルや気密のセルに取扱対象物を搬入して、作業者が室外から遠隔操作で処理する必要がある。
従来、放射性物質や有害物質などを取り扱う隔離した遠隔作業室においてマニピュレータなどを用いて遠隔で機器操作するときには、運転窓を介して運転員が目視で位置決めを行っていた。特に放射性物質を扱う遠隔作業室では厚い鉛ガラスの窓が用いられるため光路が大きく屈折し、しかも視線の方向により屈折量が異なるので、遠隔作業室内の物品の正確な位置を推定するには相当の熟練と技量が要求されていた。

ノックピンや専用ボルトなどの補助具を利用して遠隔操作機器を正確な位置に誘導することにより自動化する方法なども開発されているが、遠隔操作の完全自動化には機械装置や運転ソフトが複雑化して多大なコストが掛かる。
また、遠隔操作により作業する遠隔作業室内では、ノギスや巻尺などの計量器を扱うことが難しいので、距離や寸法を測定する場合に困難がある。特に数百ｍｍ以上の測定が困難である。

特許文献１には、レーザ光を鉛直方向あるいは水平方向に投射するレーザ投射装置を備えたレーザ位置決め装置が開示されている。
開示装置は、従来手動で行ってきた設計基準位置とレーザ光の位置合わせを自動的に行って墨出し線を生成する装置において、自動制御により、基準位置におかれるレーザ光受光面の中心位置とレーザ光の位置が一致するようにレーザ投射装置を回転させて装置の向きを調整するレーザ位置決め装置である。
開示装置を用いても、遠隔作業室内に任意に配置された対象物に関する位置決めや寸法測定を行うことはできない。

また、引用文献2には、構造物の鉛直方向及び水平方向の変位をレーザ距離計で測定する方法が開示されている。
開示方法は、たとえば天井にターゲット面を設置して固定されたレーザ距離計とターゲット面との距離を測定することにより、天井の垂直方向変位を算出する簡易式の測定方法である。
開示方法では、測定したい部位にターゲット面を設置する必要があるので、任意の部位について変位を測定することはできない。また、測定対象物におけるある部位と別の部位の間の距離や部品などの寸法を測定することもできない。
特開２００３−０３５５３９号公報 特開２００２−２５７５４５号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、遠隔操作により取扱対象物を処理するときに作業用機器の位置と対象物の部位を適合させるために利用できる位置決め装置を提供することである。
特に放射能汚染物を隔離した遠隔作業室内で処理する場合に、運転窓を介した目視により取扱対象物の目的部位と作業用機器の位置を正確に認識する上で補助となる位置決め装置を提供することである。
また、取扱対象物の寸法や部位間の距離を測定する距離測定装置としても利用できる位置決め装置を提供することである。

隔離した遠隔作業室内で取扱対象物に作業用機器を適用するときに使用する本発明の位置決め装置は、遠隔作業室内に水平に設置された直交２軸を形成する２本のガイドレールと、ガイドレールごとにガイドレールに沿って移動する少なくとも１台の可動テーブルと、可動テーブルをガイドレールに沿って移動させる駆動装置と、それぞれの可動テーブルに１基ずつ搭載したそれぞれ鉛直方向にスリット状可視光を放射するスリット光源装置と、遠隔作業室外からの遠隔操作で移動させることができる治工具とを備えたもので、スリット光源装置はそれぞれ鉛直方向にスリット状可視光を放射することを特徴とする。本発明の位置決め装置では、直交２軸のおのおのについて、スリット状可視光が取扱対象物の対象部位を通る位置までスリット光源装置を移動させることにより、スリット状可視光が取扱対象物の対象部位における鉛直面切断線を形成する。
スリット光源装置は、可視レーザ光をスクリーン状に走査するレーザ放射装置であってもよい。

本発明の位置決め装置は、さらに可動テーブルの移動距離を測定する距離測定装置を備えてもよい。また、撮像装置を可動テーブルに設けてスリット状可視光の投影が直線として表示されるように配置することが好ましい。たとえば、撮像装置の主点を可視光のスリット面内に配置すれば、スリット状可視光が照射した跡が直線として撮影される。画像は、作業者が遠隔作業室内のマニピュレータや治工具を操作する操作室内に設けた表示装置に表示する。
なお、さらに、鉛直方向にガイドするガイドレールと、このガイドレールに沿って移動する可動テーブルと、スリット状可視光を放射するスリット光源装置を備えることにより、３次元的な位置決めを行うことができる。

本発明の位置決め装置を利用してマニピュレータや治工具などの操作用機器を操作対象部位に対して位置合わせするときは、スリット状可視光を照射するスリット光源装置を移動させて、スリット光で形成される取扱対象物の鉛直面切断線を操作対象部位を通る位置に合わせる。このスリット状可視光は取扱対象物から外れると目に見えなくなるが、マニピュレータや治工具を照射領域に持ち込めばこれら治工具表面に鉛直線として現れる。そこで、治工具等の操作部をスリット光の位置まで移動して、操作部にスリット光が照射するようにする。これにより、操作対象部位と操作部の水平方向の位置合わせができた。
同じ作業を水平２軸について行い、水平２軸のスリット状可視光それぞれが操作対象物と治工具などの操作部を通るように位置調整すると、操作部が操作対象部位の直上に位置するようになる。

取扱対象物や治工具類の表面に現れる光線は、分厚い運転窓を通しても誤りなく観察できるので、本発明の位置決め装置を用いることにより、治工具類の位置決めを簡単にかつ正確に行うことができる。
なお、スリット状可視光が可視レーザ光の走査で形成される場合は、遠隔作業室が大きく取扱対象物が大きい場合にも、光の拡散が少なく、対象物の位置にかかわらず正確な位置決めができる。
なお、可動テーブルに設けた撮像装置でスリット状可視光を投射した跡を撮影すると、直線状の光線が観察されるので、画像表示装置を介して観察することにより、操作対象物の部位がその光線上に位置するように可動テーブルの位置を調整することは極めて容易である。

また、取扱対象物の部位の寸法を測定する場合は、測定したい物の端点をスリット状可視光が照射する位置に可動テーブルを合わせて、その位置を測定し、次にもう一方の端点を照射する位置に可動テーブルを合わせて位置を測定して、両者の差を取れば水平方向の変位が正確に求められる。
また、水平２軸について各軸方向の距離を求めれば、２軸方向の各距離から水平面内の直線距離を求めることができる。

この位置測定には、可動テーブルの駆動装置に適用されたエンコーダを利用する方法や、可動テーブルから固定されたターゲットまでの距離をレーザ測距計などよく知られた計器で測定する方法など、色々な方法が利用できる。測定精度は利用する測定方法により決まるが、数ｍｍから数１０ｍまで高い精度で測定することができる。
各軸のガイドレールに２基以上の可動テーブルを備えて、各可動テーブルの位置を測定し、可動テーブル同士の変位を算出することにより、スリット光照射位置間の寸法あるいは距離を測定することことも可能である。

なお、任意の方向の寸法を測定するためには、鉛直方向の位置決め装置が必要である。鉛直方向の位置決めは、鉛直方向に付設されたガイドレールと、これに適合して鉛直方向に駆動されるスリット光源装置と、距離測定装置により実施することができる。鉛直方向の距離差が与えられれば、水平方向の２軸の距離差と合わせて、任意の方向の距離差を求めることができる。

本発明の位置決め装置は、運転員の熟練や技量が無くても正確に位置決めを行うための補助を行うことができる。また、位置決めを行うために、対象物に対して特別な装置の付加や加工を必要としないため、任意の対象物に適用することが可能である。

以下、実施例を用いて本発明の位置決め装置について詳細に説明する。
本実施例は、遠隔作業室内にある取扱対象物の操作対象物であるフックに作業用機器であるクレーンから降ろされた吊具を適用するときに使用する場合に係る例である。
図１は本実施例の位置決め装置が適用された遠隔作業室内の状態を壁を切り欠いて示した斜視図、図２は作業用機器である治工具の位置決め手順の例について説明するフロー図、図３は本発明の位置決め装置の寸法測定機能を使用する場合の手順例について説明するフロー図である。

図１に示されるように、遠隔作業室１内側の壁際にはＸ方向のガイドレール３−１とＹ方向のガイドレール３−２がそれぞれ壁に沿って水平に敷設されている。
ガイドレール３にはそれぞれ２台の可動テーブル５−１，５−２；７−１，７−２がレールに沿って移動可能に組み込まれている。可動テーブル５，７は、駆動装置９−１，９−２によりそれぞれ独立に移動できるようになっている。

駆動装置９には、たとえば、可動テーブル５，７をガイドレール３により軸方向に動きを規制すると共に、可動テーブル５，７にガイドレール３に平行な軸を有するボールネジを仕込んで、ボールネジの雄ネジを駆動する駆動軸１１−１，１１−２を回転させることにより可動テーブル５，７を軸方向に移動させる装置が利用できる。なお、ボールネジの雄ネジと駆動軸１１の連動を制御するチャックを用いて、１本の駆動軸１１で２台の可動テーブル５，７を独立に駆動することもできるが、それぞれ別々の駆動軸１１で独立に駆動してもよい。
また、駆動装置９は、可動テーブル５，７にワイヤを繋ぎ、ワイヤの巻取り量を調整することで移動させる装置などであってもよい。

駆動装置９は、可動テーブル５，７の移動量を測定する距離計測装置を備える。距離計測装置には、駆動軸１１のボールネジの雄ネジにエンコーダを付設して、雄ネジの回転角度を測定することにより可動テーブル５，７の移動量を測定するものなどが利用できる。また、可動テーブル５，７に反射面を設置して、反射面とガイドレール端部の間をレーザが往復する間に生じる位相差から距離を算出するレーザ測距計を利用してもよい。

可動テーブル５，７には、それぞれ発光装置１３と撮像装置１５が搭載されている。
発光装置１３は、鉛直方向にスリット状可視光１７を放射するスリット光源装置である。スリット状可視光１７は物体に照射されて可視光鉛直線１９を提示する。スリット光源装置は、可視レーザ光をスクリーン状に走査するレーザ放射装置であってもよい。
撮像装置１５は主点をスリット状可視光１７のスリット面内に配置して、物体表面にスリット状可視光が投射されてできる可視光鉛直線１９が直線として撮影されるようにする。撮像装置１５の取得した画像は、作業者が遠隔作業室内のマニピュレータや治工具を操作する遠隔操作室内に設けた表示装置に表示する。

遠隔作業室１は、たとえば、放射能汚染物を処理する隔離室で、厚い壁で囲み、放射能汚染物が収納されている間は人の立入りを禁じて、処理作業も遠隔作業室１に隣接した操作室に設けた遠隔操作装置を用いて行うようになっている。遠隔操作機器の操作は作業者が手動で行うが、作業者は壁に設けられた運転窓を介して視認しながら操作する。運転窓は厚い鉛ガラスで形成されたもので、光線は大きく屈折する上、方向により屈折量が異なるので、顔の位置によっても距離感が異なり、正確な位置関係を把握するためには高度な熟練が要求される。

たとえば、遠隔作業室１の室内に搬入された取扱対象物２１を処理するため、吊具２３をフック２５に掛けて吊り上げるとする。このとき、本実施例の位置決め装置を利用することにより、操作対象物であるフック２５と吊具２３の水平方向の位置合わせを簡単に行うことができる。

フック２５と吊具２３の位置合わせ手順では、図２に示すように、初めにＸ軸のガイドレール３−１に載っている可動テーブル５−１に搭載された発光装置１３の電源を入れてスリット状可視光１７を照射し、取扱対象物２１にＸ軸の可視光鉛直線１９が投射されるようにする（Ｓ１１）。
Ｘ軸可視光鉛直線１９の位置を観察しながら、可動テーブル５−１を移動させ、Ｘ軸可視光鉛直線１９が操作対象物であるフック２５表面の目的とする位置に投影されるようにする（Ｓ１２）。
次に、作業用機器である吊具２３を移動して、Ｘ軸可視光鉛直線１９が吊具２３の操作部に重なるようにする（Ｓ１３）。

可視光鉛直線１９は、物体表面に直接形成されるものであるから、分厚い運転窓を通して観察したときにも観察者の顔の位置によってずれることはなく、吊具２３とフック２５の相互位置関係は誰でも正確に認識することができる。
さらに、発光装置１３に併置された撮像装置１５で可視光鉛直線１９を撮影して画像表示装置に表示すると光線が直線として観察されるので、画像表示装置を見ながら、取扱対象物２１の目的とする部位２５がその光線上に位置するように可動テーブル５の位置を調整することは極めて容易である。

Ｙ軸方向の位置合わせについても、同様に、Ｙ軸側の可動テーブル５−２に搭載された発光装置１３のスリット状可視光１７の可視光鉛直線１９を取扱対象物２１に照射して（Ｓ１４）、Ｙ軸可視光鉛直線１９が操作対象物２５に一致するようにする（Ｓ１５）。
そして、吊具２３を移動させて、Ｙ軸可視光鉛直線１９が吊具２３の操作部に重なるようにすれば（Ｓ１６）、吊具２３と操作対象物であるフック２５がＸＹ平面上の同じ座標にあって、同一鉛直線上に位置することになる。

こうして、治工具の水平方向の正確な位置決めが完了する。
また、スリット状可視光が可視レーザ光の走査で形成される場合は光の拡散が少なくスリット幅が狭いので、より正確に位置の特定ができ、また遠隔作業室が大きく取扱対象物と発光装置１３の距離が大きい場合にも位置決めの精度が劣化しない。

なお、初めにＸ軸とＹ軸の２台の可動テーブルの位置を調整して、Ｘ軸可視光鉛直線１９とＹ軸可視光鉛直線１９の両方が操作対象物であるフック２５の位置で交わるようにしておいて、その後で、吊具２３の操作部の上にＸ軸とＹ軸両方の可視光鉛直線１９が現れるように吊具２３の位置を調整するようにして、吊具２３とフック２５が鉛直線上に位置させるようにしてもよいことはいうまでもない。

可動テーブル５の移動量は、距離計測装置により正確に測定することができる。したがって、取扱対象物２１の任意の部位について正確な寸法を求めることができる。
寸法あるいは距離の測定方法では、図３に表した手順に従って、初めに、発光装置１３を点灯してＸ軸可視光鉛直線１９を発生させ（Ｓ２１）、寸法を求める部分の端点が可視光鉛直線１９と一致するように可動テーブル５の位置を調整して（Ｓ２２）、距離計測装置の測定値を得る（Ｓ２３）。次に可視光鉛直線１９を移動させて、寸法を求めたい部分のもう一方の端点が可視光鉛直線１９と一致するときの距離計測装置の測定値を得て（Ｓ２４）、両測定値の差を算出すると、この値がＸ方向の寸法となる（Ｓ２５）。

Ｙ軸の距離計測装置を使って同様の測定をすれば（S２６，Ｓ２７，Ｓ２８，Ｓ２９，Ｓ３０）、Ｘ軸とＹ軸の測定値を使って水平面内の任意方向について寸法を求めることができる（Ｓ３１）。
また、さらに鉛直方向の距離計測装置を備えて、鉛直方向の寸法も測定することができるようにすれば、３次元の寸法を求めることができる。

なお、１軸に２台以上の可動テーブル５を備えた装置では、発光装置１３を使って２台の稼働テーブル５をそれぞれ測定したい両端位置に配置し、両者の測定値差から寸法を求めるようにしてもよい。
任意の位置間の距離についても同じ方法で測定することができることは言うまでもない。

さらに、取扱対象物２１と可動テーブル５の位置測定値が相対的に確定させることにより、操作対象物２５のＸＹ座標化した位置に可動テーブル５を移動して可視光鉛直線１９を操作対象物２５の上に生成し、この可視光鉛直線１９を指標としてマニピュレータなど操作部２３を移動するように利用することができる。

以上説明した通り、本発明の位置決め装置を利用することにより、遠隔作業室内の取扱対象物に対して遠隔操作で治工具を適用する場合に、従来と比較して極めて容易にかつ正確に位置決めすることができる。特に、放射能汚染物を扱う遠隔作業室に適用する場合に、分厚い運転窓を介しても正確に位置決めすることができるので、作業の能率を著しく向上させることができる。

本発明の位置決め装置の１実施例における構成を説明する切り欠き斜視図である。 本実施例における治工具の位置決め手順の例について説明するフロー図である。 本実施例における寸法測定手順の例について説明するフロー図である。

符号の説明

１ 遠隔作業室
３ ガイドレール
５，７ 可動テーブル
９ 駆動装置
１１ 駆動軸
１３ 発光装置
１５ 撮像装置
１７ スリット状可視光
１９ 可視光鉛直線
２１ 取扱対象物
２３ 吊具；操作部
２５ フック；操作対象物

Claims (4)

1. 遠隔作業室内に水平に設置された直交２軸を形成する２本のガイドレールと，ガイドレールごとに該ガイドレールに沿って移動する少なくとも１台の可動テーブルと、該可動テーブルを該ガイドレールに沿って移動させる駆動装置と、該可動テーブルのそれぞれに１基ずつ搭載したそれぞれ鉛直方向にスリット状可視光を放射するスリット光源装置と、該遠隔作業室外からの遠隔操作で移動させることができる治工具とを備え、直交２軸のおのおのについて、前記スリット状可視光が取扱対象物の対象部位を通る位置まで前記スリット光源装置を移動させることにより、前記スリット状可視光が前記取扱対象物の対象部位における鉛直面切断線を形成し、前記治工具の操作部を該スリット状可視光が照射する位置に移動させることで操作対象部位と操作部の位置合わせをすることを特徴とする遠隔作業室内位置決め装置。
2. さらに、鉛直方向にガイドする第３のガイドレールを備えて、該第３のガイドレールに第３の可動テーブルと、水平方向にスリット状可視光を放射する第３のスリット光源装置とを備えて、前記水平方向のスリット状可視光が取扱対象物の対象部位を通る位置まで前記第３のスリット光源装置を移動させることにより水平面切断線を形成することを特徴とする請求項１記載の遠隔作業室内位置決め装置。
3. 前記可動テーブルの移動距離を測定する距離測定装置をさらに備えて、前記スリット状可視光が取扱対象物の測定対象部位を通る位置まで前記スリット光源装置を移動させ、前記距離測定装置により求めた移動距離により前記測定対象部位の位置を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の遠隔作業室内位置決め装置。
4. 前記可動テーブルにさらに撮像装置を設けて前記スリット状可視光の投影が直線として表示されるように配置することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠隔作業室内位置決め装置。

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