JP6651823B2 - マニピュレータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、床に開口された孔から床下の作業空間に挿入されるマニピュレータ装置に係り、特に、遠隔作業に好適なマニピュレータ装置に関する。

例えば、特許文献１には、原子炉圧力容器（Reacter Pressure Vessel：以下、「ＲＰＶ」と称する。）内の底部に設置された部品を点検補修するマニピュレータ装置として、ＲＰＶの上部に台車を配設し、台車からマニピュレータ装置を吊り降ろし、ＲＰＶの底部に吊り降ろされたマニピュレータ装置に設けられた伸縮アームを水平方向に伸長させ、伸縮アームの先端に設けられた点検補修用ヘッドによって、ＲＰＶの底部に設置された各種部品（ＣＲＤハウジング、ＣＲＤスタブチューブ、ＩＣＭハウジング等）を補修・点検するようにした構成が開示されている。

特開２００５−２２７０２０号公報

特許文献１に記載されたマニピュレータ装置においては、伸縮アームが、ＲＰＶ底部に平面視格子状に複数設けられたＣＲＤハウジング同士の狭隘な隙間を通すように伸縮される。このため、ＲＰＶ底部に高い密度で複数格子状に設置されたＣＲＤハウジング等を補修・点検する専用装置としては優れているが、補修・点検エリアが伸縮アームの伸縮方向に沿った領域に限られてしまうという問題があった。

本発明は、上述した問題点を鑑みて創案されたものであり、作業範囲を拡張することができ、作業効率の向上を図ることができる、マニピュレータ装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、床に開口された孔から床下の作業空間に挿入可能に構成されたマニピュレータ装置において、前記床を走行可能な台車と、該台車に昇降可能に配置された昇降体と、該昇降体の昇降方向に沿って配設された支持柱と、該支持柱に配置され前記昇降体から出没可能に構成された伸縮アームと、昇降方向を軸として前記昇降体を旋回させる昇降体旋回機構と、前記支持柱を軸として前記伸縮アームを旋回させるアーム旋回機構と、を備え、前記昇降体旋回機構によって前記伸縮アームを備えた前記昇降体の全体を旋回させるとともに、前記アーム旋回機構によって前記伸縮アームを個別に旋回させるようにした、ことを特徴とするマニピュレータ装置が提供される。

前記アーム旋回機構は、昇降方向に沿って前記台車に配置されアーム旋回用モーターによって回転される旋回用第一ロッドと、昇降方向に沿って前記昇降体に配置された旋回用第二ロッドと、前記旋回用第一ロッドの回転を前記旋回用第二ロッドに伝達する旋回用第一ギヤ機構と、前記旋回用第二ロッドの回転を前記支持柱に伝達する旋回用第二ギヤ機構と、を有していてもよい。

前記伸縮アームは、複数の平行リンクによって構成されたパンタグラフ式の伸縮アームであって、前記支持柱に支持された二つの支持部材を有し、一方の支持部材を前記支持柱に沿って昇降させることによって略水平方向に伸縮するように構成されていてもよい。

前記マニピュレータ装置は、前記伸縮アームの先端に昇降可能に配置された先端ツールを備えていてもよい。

本発明に係るマニピュレータ装置によれば、床下の作業空間に挿入された伸縮アームを旋回可能に構成したことにより、旋回角度に応じて作業位置を変更することができ、作業範囲を拡張することができるとともに、作業効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータ装置の使用状態を示す側面図である。 図１に示した伸縮アームの伸縮機構を示す部分拡大図である。 図１に示したアーム旋回機構を示す部分拡大図である。 図１に示した伸縮アームを収縮させた状態を示す側面図である。 図４に示した第二昇降体を第一昇降体に引き上げた状態を示す側面図である。 図５に示した第一昇降体及び第二昇降体を台車に引き上げた状態を示す側面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付すことにより重複した説明を省略し、また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１を用いて、本発明の一実施形態に係るマニピュレータ装置１の概要を説明する。本実施形態に係るマニピュレータ装置１は、床２に開口された孔３から床下の作業空間４に少なくとも一部（例えば、伸縮アーム８）が挿入可能に構成され、床２を走行可能な台車５と、台車５に昇降可能に配置された昇降体６と、昇降体６の昇降方向に沿って配設された支持柱７と、支持柱７に配置され昇降体６から出没可能に構成された伸縮アーム８と、伸縮アーム８の先端に昇降可能に配置された先端ツール９と、支持柱７を軸として伸縮アーム８を旋回させるアーム旋回機構１０と、を備えている。

マニピュレータ装置１は、例えば、高放射性廃液が貯留されたタンクの内部を監視・計測等するために用いられ、タンクの上部に設けられた床２に開口された孔３からタンク内にアクセスするように構成されている。また、マニピュレータ装置１は、高放射線領域で使用する場合には、遠隔操作可能に構成されていることが好ましい。なお、マニピュレータ装置１は、上述した作業環境下での使用に限定されるものではない。

先端ツール９は、例えば、カメラ等の撮影機器や放射線計測器等のセンサである。かかる先端ツール９をマニピュレータ装置１によってタンク内に挿入することによって、タンク内の状況を撮影・監視したり、タンク内の放射線量を測定したりすることができる。

図１に示したように、台車５は、例えば、床２を走行する車輪１１を備えた下部フレーム５ａと、下部フレーム５ａに昇降方向の軸として回動可能に載置された上部フレーム５ｂと、を有している。下部フレーム５ａは、例えば、基板１２と、基板１２に設けられた車輪１１と、を備えている。上部フレーム５ｂは、例えば、基板１２の上方に配置された上板１３と、基板１２の下方に配置された下板１４と、これらを連結する柱１５と、を備えている。柱１５は、基板１２に形成された開口を通して上板１３と下板１４とを連結する。台車５は、例えば、作業員によって押されて床２上を走行し、孔３の位置に合わせて停車される。

台車５の上部フレーム５ｂには、床２の孔３に挿入される昇降体６が昇降可能に支持されている。昇降体６は、例えば、上部フレーム５ｂに対して昇降可能な第一昇降体６ａと、第一昇降体６ａに対して昇降可能な第二昇降体６ｂと、を有している。第一昇降体６ａは、例えば、第一上板１６と第一下板１７とを柱１８で連結した構成を有しており、台車５の基板１２に形成された開口に挿通される。第二昇降体６ｂも、第一昇降体６ａと同様に、第二上板１９と第二下板２０とを柱２１で連結した構成を有しており、第一昇降体６ａの第一下板１７に形成された開口に挿通される。

また、第二昇降体６ｂには、二本の支持柱７が昇降方向（例えば、鉛直方向）に沿って並設され、これら支持柱７の下部に伸縮アーム８がそれぞれ装着されている。すなわち、支持柱７及び伸縮アーム８は、昇降体６に複数配設されている。なお、本実施形態では、二組の支持柱７及び伸縮アーム８を左右対称となるように配置した場合について説明しているが、かかる構成に限定されるものではなく、支持柱７及び伸縮アーム８は、一組であってもよいし、三組以上であってもよい。

第二昇降体６ｂの第二上板１９には、台車５の上部フレーム５ｂに設けられたウィンチ２２から繰り出されたワイヤ２３が、プーリー２４で転向されて接続されている。ウィンチ２２でワイヤ２３を巻き取ることによって、第二昇降体６ｂが引き上げられ、第一昇降体６ａに格納され（図５参照）、ウィンチ２２からワイヤ２３を繰り出すことによって、第二昇降体６ｂが第一昇降体６ａから下降する。この第二昇降体６ｂの昇降時には、伸縮アーム８は、予め折り畳んで収縮した状態としておく。

第二昇降体６ｂを第一昇降体６ａに格納した状態で、更にウィンチ２２でワイヤ２３を巻き取ると、第二昇降体６ｂの第二上板１９が第一昇降体６ａの第一上板１６を押し上げ、第一昇降体６ａが第二昇降体６ｂと一体となって引き上げられ、第一昇降体６ａ及び第二昇降体６ｂが台車５の上部フレーム５ｂに格納される（図６参照）。

図４に示したように、台車５の上部フレーム５ｂは昇降体旋回機構２５によって、下部フレーム５ａに対して昇降方向を軸として回動可能に構成されている。昇降体旋回機構２５は、例えば、上部フレーム５ｂに設けられた大径ギヤ２６と、大径ギヤ２６に噛合するピニオン２７と、ピニオン２７を回転駆動させる旋回用モーター２８と、を備えている。旋回用モーター２８を正逆回転させることで、ピニオン２７及び大径ギヤ２６を介して上部フレーム５ｂが下部フレーム５ａに対して正逆回転し、上部フレーム５ｂに支持された昇降体６及び二本の伸縮アーム８が、一体となって略鉛直軸回りに正逆回転する。

すなわち、昇降体６は、昇降方向を軸として旋回可能に構成されている。このように昇降体６を旋回可能に構成することによって、伸縮アーム８を個別に旋回させることなく、昇降体６の全体を旋回させることができる。したがって、例えば、伸縮アーム８の旋回角度に制限がある場合には、伸縮アーム８の旋回のみでは届かない場所であっても、昇降体６を旋回させることによって伸縮アーム８を移動させることができる。

図１に示したように、伸縮アーム８は、複数の平行リンクによって構成された、いわゆるパンタグラフ式の伸縮アームである。伸縮アーム８は、支持柱７に支持された二つの支持部材２９を有し、一方の支持部材２９を他方に対して支持柱７に沿って昇降させることで伸縮アーム８が略水平方向に伸縮するように構成されている（図４参照）。また、伸縮アーム８の先端には、プーリー３０が設けられており、プーリー３０に巻き掛けられたワイヤ３１の先端に先端ツール９が接続されている。

また、図示しないが、ワイヤ３１の後端は、昇降体６や台車５に配置されたプーリーを介して作業空間４の外部に引き出されており、台車５又は床２に配置された巻き取り装置に接続されている。かかるワイヤ３１を巻き取り又は繰り出すことによって、先端ツール９を作業空間４内で昇降させることができる。なお、先端ツール９の昇降手段は、かかる構成に限定されるものではない。例えば、プーリー３０に電動モーターを配置してプーリー３０をワイヤ３１の巻き取り装置としてもよいし、ワイヤ３１を使用せずにリニアアクチュエータに先端ツール９を接続するようにしてもよい。

伸縮アーム８は、アーム伸縮機構３２により、例えば、略水平方向に伸縮される。アーム伸縮機構３２は、例えば、支持部材２９を支持柱７に沿って昇降させるように構成されている。図１に示したように、アーム伸縮機構３２は、上部フレーム５ｂに昇降方向に沿って配置されアーム伸縮用モーター３３によって回転される伸縮用第一ロッド３４と、第一昇降体６ａに昇降方向に沿って配置された伸縮用第二ロッド３５と、第二昇降体６ｂに昇降方向に沿って配置されたネジロッド３６と、ネジロッド３６に装着されたナット部材３７と、ナット部材３７を支持部材２９に連結する連結部材３８と、を有している。また、図２に示したように、アーム伸縮機構３２は、伸縮用第一ロッド３４の回転を伸縮用第二ロッド３５に伝達する伸縮用第一ギヤ機構３９と、伸縮用第二ロッド３５の回転をネジロッド３６に伝達する伸縮用第二ギヤ機構４０と、を有している。

図２に示したように、伸縮用第一ロッド３４の下端は上部フレーム５ｂの下板１４に軸支され、伸縮用第二ロッド３５の上端は第一昇降体６ａの第一上板１６に軸支され、伸縮用第二ロッド３５の下端は第一昇降体６ａの第一下板１７に軸支されている。伸縮用第一ギヤ機構３９は、伸縮用第一ロッド３４に装着され第一昇降体６ａの第一上板１６に軸支されたギヤ４１と、第一上板１６に軸支されたギヤ４２と、伸縮用第二ロッド３５に固設されたギヤ４３と、を有し、これらギヤ４１，４２，４３が直列に噛合されている。ギヤ４１は、伸縮用第一ロッド３４にスプライン噛合されており、伸縮用第一ロッド３４に対して軸方向に移動可能かつ周方向に一体となって回転するように構成されている。

また、伸縮用第二ギヤ機構４０は、伸縮用第二ロッド３５に装着され第一昇降体６ａの第一下板１７に軸支されたギヤ４４と、第一下板１７に軸支されたギヤ４５と、ネジロッド３６に固設されたギヤ４６と、を有し、これらギヤ４４，４５，４６が直列に噛合されている。ギヤ４４は、伸縮用第二ロッド３５にスプライン噛合されており、伸縮用第二ロッド３５に対して軸方向に移動可能かつ周方向に一体となって回転するように構成されている。

ネジロッド３６にはナット部材３７が装着されており、ナット部材３７には連結部材３８が固設されている。連結部材３８は、支持部材２９を上下から挟んで保持する一対のブラケット３８ａによって構成され、各ブラケット３８ａには、支持柱７が回転可能に挿通される孔が形成されている。かかる構成によれば、ナット部材３７のネジロッド３６に対する供回りを抑制することができ、ネジロッド３６の回転によってナット部材３７を昇降させることができる。

支持柱７には、支持部材２９が軸方向に移動可能に装着されている。したがって、伸縮用第一ロッド３４が回転されると、伸縮用第一ギヤ機構３９を介して伸縮用第二ロッド３５が回転し、伸縮用第二ギヤ機構４０を介してネジロッド３６が回転し、ナット部材３７が昇降し、支持部材２９が支持柱７に沿って昇降し、伸縮アーム８が略水平方向に伸縮することとなる（図１、図４参照）。なお、上述したアーム伸縮機構３２の構成は単なる一例であり、かかる構成に限定されるものではない。また、伸縮アーム８の伸縮方向は、水平方向に限定されるものではなく、斜め下方や斜め上方に向かって伸縮させるようにしてもよい。

また、伸縮アーム８は、図１に示したアーム旋回機構１０によって支持柱７回りに旋回可能に構成されている。アーム旋回機構１０は、図１に示したように、例えば、上部フレーム５ｂに昇降方向に沿って配置されアーム旋回用モーター４７によって回転される旋回用第一ロッド４８と、第一昇降体６ａに昇降方向に沿って配置された旋回用第二ロッド４９と、図３に示したように、旋回用第一ロッド４８の回転を旋回用第二ロッド４９に伝達する旋回用第一ギヤ機構５０と、旋回用第二ロッド４９の回転を支持柱７に伝達する旋回用第二ギヤ機構５１と、を有している。

図３に示したように、旋回用第一ロッド４８の下端は上部フレーム５ｂの下板１４に軸支され、旋回用第二ロッド４９の上端は第一昇降体６ａの第一上板１６に軸支され、旋回用第二ロッド４９の下端は第一昇降体６ａの第一下板１７に軸支されている。旋回用第一ギヤ機構５０は、旋回用第一ロッド４８に装着され第一昇降体６ａの第一上板１６に軸支されたギヤ５２と、第一上板１６に軸支されたギヤ５３と、旋回用第二ロッド４９に固設されたギヤ５４と、を有し、これらギヤ５２，５３，５４が直列に噛合されている。ギヤ５２は、旋回用第一ロッド４８にスプライン噛合されており、旋回用第一ロッド４８に対して軸方向に移動可能かつ周方向に一体となって回転するように構成されている。

旋回用第二ギヤ機構５１は、旋回用第二ロッド４９に装着され第一昇降体６ａの第一下板１７に軸支されたギヤ５５と、第一下板１７に軸支されたギヤ５６と、支持柱７に固設されたギヤ５７と、を有し、これらギヤ５５，５６，５７が直列に噛合されている。ギヤ５５は、旋回用第二ロッド４９にスプライン噛合されており、旋回用第二ロッド４９に対して軸方向に移動可能かつ周方向に一体となって回転するように構成されている。

支持柱７には、スプラインが形成されており、支持柱７に装着される支持部材２９には、スプラインに噛合するスプライン孔が形成されている。かかる構成によれば、支持部材２９は、支持柱７に沿って昇降し、支持柱７と一体的に回転する。したがって、旋回用第一ロッド４８が回転されると、旋回用第一ギヤ機構５０を介して旋回用第二ロッド４９が回転し、旋回用第二ギヤ機構５１を介して支持柱７が回転し、支持柱７にスプライン噛合された支持部材２９が回転し、支持部材２９に装着された伸縮アーム８が支持柱７を軸として旋回することとなる（図１参照）。

ここで、上述したマニピュレータ装置の使用方法について説明する。先ず、図６に示したように、ウィンチ２２でワイヤ２３を巻き取って、昇降体６を床２よりも上方に引き上げて台車５に格納した状態としておき、この状態で作業者が台車５を押すことで、台車５を床２の孔３の位置に移動する。

次に、ウィンチ２２からワイヤ２３を繰り出し、図５に示したように、第一昇降体６ａを自重により第二昇降体６ｂと一体に下降させて孔３に挿入する。更にウィンチ２２からワイヤ２３を繰り出し、図４に示したように、第一昇降体６ａから第二昇降体６ｂを自重により下降させる。このとき、第二昇降体６ｂの第二上板１９が第一昇降体６ａの第一下板１７に載置され、第一昇降体６ａの第一上板１６が台車５の下部フレーム５ａの下板１４に載置され、それぞれ重量が支持される。

その後、アーム伸縮用モーター３３を駆動させ、図１に示したように、各伸縮アーム８を個別に略水平方向に所定の位置まで伸長する。各伸縮アーム８の伸長長さは、アーム伸縮用モーター３３の回転を制御することによって調節することができる。

次に、アーム旋回用モーター４７を駆動させ、各伸縮アーム８を個別に支持柱７回りに旋回させ、先端ツール９を所定の位置に移動させる。各伸縮アーム８の旋回角度は、アーム旋回用モーター４７の回転を制御することによって調節することができる。

そして、ワイヤ３１を繰り出して先端ツール９を所定の高さ位置まで移動させ、撮影や計測等の作業を行う。先端ツール９の高さ位置は、図示しない巻き取り装置を制御することによって調節することができる。

作業終了後は、上述した説明と逆の手順によって、伸縮アーム８を台車５に回収する。具体的には、ワイヤ３１を巻き取って先端ツール９を初期位置まで移動させて図１の状態になった後、伸縮アーム８を収縮させて図４の状態とし、昇降体６を引き上げて図５の状態を経由して図６の状態とすることによって、伸縮アーム８を台車５に回収する。

上述した本実施形態に係るマニピュレータ装置１によれば、床下の作業空間４に挿入された伸縮アーム８を旋回可能に構成したことにより、旋回角度に応じて作業位置を変更することができ、作業範囲を拡張することができるとともに、作業効率の向上を図ることができる。また、伸縮アーム８の旋回に加えて、昇降体６を旋回可能に構成することによって、旋回可動域を拡大することができ、作業範囲をより拡張することができる。

また、昇降体６を第一昇降体６ａ及び第二昇降体６ｂによってテレスコピック状に構成することで、図６に示したように、台車５に格納したときの高さ寸法を抑えつつ、図４に示したように、下降させたときの下降長さを十分に稼ぐことができる。したがって、本実施形態に係るマニピュレータ装置１によれば、床２の上方の天井が低い現場にも容易に対応することができる。なお、本実施形態では、昇降体６を第一昇降体６ａ及び第二昇降体６ｂによって構成しているが、三つ以上の昇降体に分割してテレスコピック状に構成するようにしてもよい。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

１ マニピュレータ装置
２ 床
３ 孔
４ 作業空間
５ 台車
５ａ 下部フレーム
５ｂ 上部フレーム
６ 昇降体
６ａ 第一昇降体
６ｂ 第二昇降体
７ 支持柱
８ 伸縮アーム
９ 先端ツール
１０ アーム旋回機構
１１ 車輪
１２ 基板
１３ 上板
１４ 下板
１５，１８，２１ 柱
１６ 第一上板
１７ 第一下板
１９ 第二上板
２０ 第二下板
２２ ウィンチ
２３ ワイヤ
２４ プーリー
２５ 昇降体旋回機構
２６ 大径ギヤ
２７ ピニオン
２８ 旋回用モーター
２９ 支持部材
３０ プーリー
３１ ワイヤ
３２ アーム伸縮機構
３３ アーム伸縮用モーター
３４ 伸縮用第一ロッド
３５ 伸縮用第二ロッド
３６ ネジロッド
３７ ナット部材
３８ 連結部材
３８ａ ブラケット
３９ 伸縮用第一ギヤ機構
４０ 伸縮用第二ギヤ機構
４１，４２，４３，４４，４５，４６ ギヤ
４７ アーム旋回用モーター
４８ 旋回用第一ロッド
４９ 旋回用第二ロッド
５０ 旋回用第一ギヤ機構
５１ 旋回用第二ギヤ機構
５２，５３，５４，５５，５６，５７ ギヤ

Claims (4)

1. 床に開口された孔から床下の作業空間に挿入可能に構成されたマニピュレータ装置において、
   前記床を走行可能な台車と、
   該台車に昇降可能に配置された昇降体と、
   該昇降体の昇降方向に沿って配設された支持柱と、
   該支持柱に配置され前記昇降体から出没可能に構成された伸縮アームと、
   昇降方向を軸として前記昇降体を旋回させる昇降体旋回機構と、
   前記支持柱を軸として前記伸縮アームを旋回させるアーム旋回機構と、を備え、
   前記昇降体旋回機構によって前記伸縮アームを備えた前記昇降体の全体を旋回させるとともに、前記アーム旋回機構によって前記伸縮アームを個別に旋回させるようにした、
   ことを特徴とするマニピュレータ装置。
2. 前記アーム旋回機構は、昇降方向に沿って前記台車に配置されアーム旋回用モーターによって回転される旋回用第一ロッドと、昇降方向に沿って前記昇降体に配置された旋回用第二ロッドと、前記旋回用第一ロッドの回転を前記旋回用第二ロッドに伝達する旋回用第一ギヤ機構と、前記旋回用第二ロッドの回転を前記支持柱に伝達する旋回用第二ギヤ機構と、を有していることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ装置。
3. 前記伸縮アームは、複数の平行リンクによって構成されたパンタグラフ式の伸縮アームであって、前記支持柱に支持された二つの支持部材を有し、一方の支持部材を前記支持柱に沿って昇降させることによって略水平方向に伸縮するように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ装置。
4. 前記伸縮アームの先端に昇降可能に配置された先端ツールを備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ装置。