JP6847344B2 - 多関節マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は手先出力が大きく細長いアームの超長尺超多自由度の多関節マニピュレータに関する。

たとえば過酷事故後の原子力発電所において溶融した核燃料取り出すための遠隔操作用マニピュレータとして、超長尺超多自由度の多関節マニピュレータが必要である。

図１２は第１の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である（参照：非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ））。図１２の多関節マニピュレータは垂直（ピッチ軸）型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図１２においては、多数のリンク１０１−１、１０１−２、…（３つのみ図示）は基台１０３から導かれて水平方向の関節１０２−１、１０２−２、…によってシリアルに連結されている。各関節１０２−１、１０２−２、…にはプーリ１０４−１、１０４−２、…が固定的に軸着されている。各リンク１０１−１、１０１−２、…はプーリ１０４−１、１０４−２、…に巻き架けたワイヤ１０５−１、１０５−２、…を基台１０３及び各関節１０２−１、１０２−２、…内に設けられたアクチュエータ（モータ）（図示せず）を駆動することによって駆動される。この場合、各関節１０２−１、１０２−２、…におけるトルクτ_１、τ_２、…はワイヤ１０５−１、１０５−２、…の張力とプーリ１０４−１、１０４−２、…の半径の積に対応する。

図１３は第２の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である（参照：非特許文献１のＦｉｇ．３）。図１３の多関節マニピュレータは、垂直（ピッチ軸）型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図１３においては、多数のリンク２０１−１、２０１−２、…（２つのみ図示）は基台２０３から導かれて水平方向の各関節２０２−１、２０２−２、…によってシリアルに連結されている。関節２０２−１にはプーリ２０４（１、１）、２０４（１、２）、２０４（１、３）が軸着され、関節２０２−２にはプーリ２０４（２、２）、２０４（２、３）が軸着され、関節２０２−３にはプーリ２０４（３、３）が軸着されている。この場合、プーリ２０４（１、１）、２０４（２、２）、２０４（３、３）は固定的に軸着され、プーリ２０４（１、２）、２０４（１、３）、２０４（２、３）は摺動自在に軸着されている。ワイヤ２０５−１はプーリ２０４（１、１）に互い逆向きに１回転巻き架され、ワイヤ２０５−２はプーリ２０４（１、２）、２０４（２、２）に互い逆向きに１回転巻き架され、ワイヤ２０５−３はプーリ２０４（１、３）、２０４（２、３）、２０４（３、３）に互い逆向きに１回転巻き架されている。また、多数のリンク２０１−１、２０１−２、…の重量の増加を抑制するために、ワイヤ２０５−１；２０５−２；…を介して各リンク２０１−１、２０１−２、…を駆動するためのアクチュエータ（モータ）２０６−１−１、２０６−１−２；２０６−２−１、２０６−２−２；…はマニピュレータの基台２０３内に設けている。これにより、関節機構を簡略化できる。

図１３において、たとえば、アクチュエータ２０６−３−１を巻き取り、アクチュエータ２０６−３−２を弛ませるように駆動すると、リンク２０１−１、２０１−２、２０１−３は同時に上昇する。また、さらにアクチュエータ２０６−２−２及び２０６−１−２を巻き取り、アクチュエータ２０６−１−１及び２０６−２−１を弛ませるように駆動すると、リンク２０１−１のみが上昇する。

図１４は第３の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である（参照：特許文献１）。図１４の多関節マニピュレータは、垂直（ピッチ軸）かつ水平（ヨー軸）型であって、２節目を重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図１４においては、複数の４節平行リンク構造Ｌ１、Ｌ２、…（２つのみ図示）が基台３００から導かれてシリアルに連結されている。各４節平行リンク構造Ｌ１、Ｌ２、…は、フレーム３０１、３０２、及びフレーム３０１、３０２間に設けられた平行な主リンク３０３及び副リンク３０４によって構成され、垂直方向のピッチ軸回りのα回転するようにする。さらに、基台３００側の４節平行リンク構造Ｌ１のフレーム３０２と隣接する４節平行リンク構造Ｌ２のフレーム３０１とを垂直連結し、ヨー軸回りのθ回転するようにする。これらピッチ軸回り及びヨー軸回りの各アクチュエータ（モータ）は関節つまりフレーム３０１、３０２内に設けられる。さらに、図１４においては、多数の４節平行リンク構造Ｌ１、Ｌ２、…の自重を補償するために、各フレーム３０１、３０２に自重補償用二重プーリ３０５、３０６を摺動自在に設け、自重補償用ワイヤ３０７−１、３０７−２、…を自重補償用二重プーリ３０６（３０５）の大径プーリから自重補償用二重プーリ３０５（３０６）の小径プーリに巻き架け、最後にカウンタウェイト３０８で引張る。

図１４においては、４節平行リンク構造Ｌ１、Ｌ２、…を採用しているので、モーメントが変化しても主リンク３０３、副リンク３０４の圧縮力として構造的に支えるので、先端のみの力が関節トルクとして作用し、結果的に、次の４節平行リンク機構の姿勢に依存せず、一定のトルクで自重補償が可能である。

図１５は第４の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である（参照：非特許文献２）。図１５の多関節マニピュレータは、垂直（ピッチ軸）型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図１５においては、多数のリンク４０１−１、４０１−２、…（３つのみ図示）は基台４０３から導かれて水平方向の関節４０２−１、４０２−２、…によってシリアルに連結されている。各関節４０２−１、４０２−２、…にはプーリ（図示せず）が固定的に軸着されている。各リンク４０１−１、４０１−２、…はこれらプーリに巻き架けたワイヤ（図示せず）を関節４０２−１、４０２−２、…内に設けられたアクチュエータ（モータ）（図示せず）によって駆動される。この場合、各関節４０２−１、４０２−２、…におけるトルクτ_１、τ_２、…は上述の各ワイヤの張力とプーリ半径の積に対応する。さらに、図１５においては、多数のリンク４０１−１、４０１−２、…の自重を補償するために、各関節４０２−１、４０２−２、…に自重補償用プーリ４０４−１、４０４−２、…を摺動自在に軸着し、１本の自重補償用ワイヤ４０５を先端のリンクに固定し各自重補償用プーリ４０４−１、４０４−２、…に１回転して巻き架け、その自重補償用ワイヤ４０５の端部をカウンタウェイト４０６で引っ張ることにより自重トルクを相殺している。

特開２００３−８９０９０号公報

広瀬茂男、馬 書根：ワイヤ干渉駆動型多関節マニピュレータの開発、計測自動制御学会論文集、２６−１１、１２９１／１２９８（１９９０） 石井智之、葉石敦生、広瀬茂男：ワイヤと二重プーリによる自重補償機構の説明とＦｌｏａｔ Ａｒｍ Ｖの性能評価、日本ロボット学会創立２０周年記念学術講演会、２００２

しかしながら、図１２の第１の従来の多関節マニピュレータにおいては、アクチュエータ（モータ）が各関節１０２−１、１０２−２、…内に設けられるので、関節機構が複雑となるという課題がある。また、関節１０２−ｉのトルクτ_ｉは、
τ_ｉ＝（ｎ＋１−ｉ）ＭgＬ＋（１／２）（ｎ＋１−ｉ）^２ｍgＬ （１）
但し、ｎは関節数
Ｍはアーム先端質量
ｍはリンクの質量
Ｌはリンク長
gは重力加速度
で表せる。ここで、（１）式右辺の第１項は先端荷重Ｍgを支持するトルクであり、基台１０３側になると関節数ｎに比例し、また、（１）式右辺の第２項はアームの自重を支持するトルクであり、基台１０３側になると関節数ｎの２乗に比例する。この結果、各関節トルクτ_ｉを支えるのに要するワイヤの張力は、図１６の（Ａ）に示すごとく、基台１０３側程大きくなり、従って、基台１０３内のアクチュエータ（モータ）が強力かつ高価となり、また、リンクの自重の補償できず、長尺化が困難であるという課題もある。尚、図１６の（Ａ）においては、リンク１０１−１、１０１−２、…の全長（アーム長）及び全重は１５ｍ及び９６ｋｇとし、関節１０２−１、１０２−２、…の数ｎは１２とする。

また、図１３の第２の従来の多関節マニピュレータにおいては、関節２０２−ｉのトルクτ_ｉは、
τ_ｉ＝ＭgＬ＋（ｎ＋１／２−ｉ）ｍgＬ （２）
で表せる。ここで、（２）式右辺の第１項は先端荷重Ｍgを支持するトルクであり、基台２０３側になっても一定であり、また、（１）式右辺の第２項はアームの自重を支持するトルクであり、トルクの干渉のために基台２０３側になると関節数ｎに比例する。この結果、各関節トルクτ_ｉを支えるのに要するワイヤの張力は、図１６の（Ｂ）に示すごとく、基台２０３側も小さくなり、基台２０３側のアクチュエータ（モータ）２０６−１−１、２０６−１−２；２０６−２−１、２０６−２−２；…も強力でなく安価となる。尚、図１６の（Ｂ）においては、アーム長及び全重は１５ｍ及び９６ｋｇとし、関節数ｎは１２とする。しかしながら、アクチュエータ（モータ）２０６−１−１、２０６−１−２；２０６−２−１、２０６−２−２；…は依然として強力かつ高価であり、また、リンク自身の自重を補償できず、従って、長尺化が困難であるという課題もある。

さらに、図１４、図１５の第３、第４の従来の多関節マニピュレータにおいては、第１の従来の多関節マニピュレータと同様に、アクチュエータ（モータ）はフレーム３０１、３０２、各関節４０２−１、４０２−２、…内に設けられるので、関節機構が複雑となるという課題がある。また、平行リンク構造Ｌ１、Ｌ２、リンク４０１−１、４０１−２、…の自重がカウンタウェイト３０８、４０６によって補償されているので、図１６の（Ｃ）に示すごとく、ワイヤ張力は小さくなるが、アクチュエータ（モータ）は依然として強力かつ高価であり、長尺化が困難であるという課題もある。尚、図１６の（Ｃ）においては、アーム長及び全重は１５ｍ及び９６ｋｇとし、関節数ｎは１２とする。しかも、カウンタウェイト４０６が重くなり過ぎ、この結果、多関節マニピュレータを軽量化できないという課題もある。たとえば、平行リンク構造Ｌ１、Ｌ２、…；リンク４０１−１、４０１−２、…の全長（アーム長）及び全重を１５ｍ及び９６ｋｇとすれば、カウンタウェイト４０６の重量は約５６００ｋｇにもなる。また、図１４、図１５に示すごとく、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢の場合には、自重補償トルクは最大となるが、垂直に伸展した姿勢の場合には、自重補償トルクはゼロである。しかし、このような自重補償トルクの変化には対応できないという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る多関節マニピュレータは、基台と、基台からシリアルに連結された複数のリンクと、リンクのうち少なくとも１つのリンクに設けられた少なくとも１つの自重補償用プロペラ及び自重補償用プロペラの推力を調整するための少なくとも１つの第１のアクチュエータと、リンクを連結させるｎ（≧２）個のピッチ軸の関節と、基台から第ｉ番目（ｉ＝１、２、…、ｎ）の関節に軸着された（ｎ−ｉ＋１）個のプーリと、ｎ個のワイヤであって、第ｉ番目のワイヤは第１番目の関節から第ｉ番目の関節に軸着されたプーリに少なくとも１回転して巻き架されたものと、各ワイヤの張力を調整するために各ワイヤの両端に接続され、基台内に設けられた複数の第２のアクチュエータと、ワイヤの張力の最大値が最も小さくなるように自重補償用プロペラの推力を調整するように第１、第２のアクチュエータを制御するための制御ユニットとを具備するものである。また、アクチュエータへの給電線を高圧化する。

また、本発明に係る多関節マニピュレータは、基台と、複数の直動関節と、基台から直動関節によって直動的に連結された複数のリンクと、少なくとも１つの直動関節又はリンクに設けられた少なくとも１つの自重補償用プロペラ及び自重補償用プロペラの推力を調整するための少なくとも１つのアクチュエータとを具備し、自重補償用プロペラの推力により多関節マニピュレータの位置及び姿勢をも制御するようにしたものである。また、アクチュエータへの給電線を高圧化する。

さらに、本発明に係る多関節マニピュレータは、基台と、複数の回転関節と、基台から回転関節によってシリアルに連結された複数のリンクと、少なくとも１つの回転関節又はリンクに設けられた少なくとも１つの自重補償用プロペラ及び自重補償用プロペラの推力を調整するための少なくとも１つのアクチュエータとを具備し、自重補償用プロペラの推力により多関節マニピュレータの位置及び姿勢をも制御するようにしたものである。また、アクチュエータへの給電線を高圧化する。

本発明によれば、自重補償用プロペラの推力によって自重補償されるので、長尺化できると共に、多関節マニピュレータを安価にできる。

また、給電線を高圧化することにより、給電線の断面積が小さくなるので、多関節マニピュレータを軽量化できる。

本発明に係る多関節マニピュレータの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。 図１の基台内回路ユニット及び先端リンク内回路ユニットの詳細なブロック回路図である。 図１のワイヤ張力を示すグラフである。 図１の制御ユニットの動作を説明するためのフローチャートである。 図４のフローチャートを補足説明する図である。 本発明に係る多関節マニピュレータの第２の実施の形態を示す正面図である。 本発明に係る多関節マニピュレータの第３の実施の形態を示す斜視図である。 図７の回転関節の詳細を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図７の回転関節の斜視図であり、（Ａ）、（Ｂ）は別方向から見た斜視図である。 図７の制御ユニットの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明に係る多関節マニピュレータが適用された実施例を示す図である。 第１の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である。 第２の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である。 第３の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である。 第４の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である。 図１２、図１３、図１４、図１５のワイヤ張力を示すグラフである。

図１は本発明に係る多関節マニピュレータの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。尚、図１の多関節マニピュレータは垂直（ピッチ軸）型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。

図１において、ｎ個のリンク１−１、１−２、…、１−ｎは基台３から導かれて水平方向の関節２−１、２−２、…、２−ｎによってシリアルに連結される。

関節２−１には、ｎ個のプーリ４（１、１）、４（１、２）、…、４（１、ｎ）が軸着され、関節２−２には、（ｎ−１）個のプーリ４（２、２）、４（２、３）、…、４（２、ｎ）が軸着され、同様に、関節２−ｎには、１個のプーリ４（ｎ、ｎ）が軸着されている。この場合、プーリ４（１、１）、４（２、２）、…、４（ｎ、ｎ）は各関節２−１、２−２、…、２−ｎに固定的に軸着され、他方、プーリ４（１、２）、…、４（１、ｎ）；４（２、３）、４（２、４）、…、４（２、ｎ）；…；４（ｎ、ｎ）は各関節２−１、２−２、…、２−ｎに摺動自在に軸着されている。

ワイヤ５−１は基台３から導かれてプーリ４（１、１）に１回転して巻き架けられ、ワイヤ５−１の両端は基台３内のアクチュエータ（モータ）６−１−１、６−１−２に接続されている。ワイヤ５−２は基台３から導かれてプーリ４（１、２）、４（２、２）に１回転して巻き架けられ、ワイヤ５−２の両端は基台３内のアクチュエータ（モータ）６−２−１、６−２−２に接続されている。同様に、ワイヤ５−ｎは基台３から導かれてプーリ４（１、ｎ）、４（２、ｎ）、…、４（ｎ、ｎ）に１回転して巻き架けられ、ワイヤ５−ｎの両端は基台３内のアクチュエータ（モータ）６−ｎ−１、６−ｎ−２に接続されている。

ワイヤ５−１、５−２、…、５−ｎの材料としては、比強度が高い炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化発泡ウレタン（ＦＦＵ）が適する。特に、ＦＦＵは加工性に優れ、密度も０．５〜０．７ｇ／ｃｍ^３と小さく、耐候性も高いことから農業用途に適する。また、金属材料としては、降温多軸金段造法によって製造されたマグネシウム合金を用いることもできる。

また、ワイヤ５−１、５−２、…、５−ｎとしてスーパ繊維ワイヤと呼ばれる高強度化学繊維ワイヤを用いることもできる。高強度化学繊維ワイヤは金属製ワイヤに匹敵する強度を有し、著しく軽く、かつ大きな曲率で曲げることができる。たとえば、超高分子量ポリエチレン繊維（登録商標ダイニーマ）よりなるダイニーマワイヤロープ、及び芯系がＰＢＯ繊維（登録商標ザイロン）及び側系が超高分子量ポリエチレン繊維（登録商標ダイニーマ）よりなるザイロンダイニーマワイヤロープがある。

基台３内には、基台内回路ユニット７が設けられ、アクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２を制御すると共に、給電線８にＤＣ高電圧たとえば３６０Ｖを発生する。給電線８は多関節マニピュレータ内を介して先端リンク１−ｎまで配線されている。

リンク１−ｎの先端の上部には、１つのスラスタとして自重補償用プロペラ９−１〜９−４（クアッドコプタ）及び自重補償用プロペラ９−１〜９−４の推進力を発揮するためのアクチュエータ（モータ）１０−１〜１０−４を設ける。また、アクチュエータ１０−１〜１０−４を駆動させるための先端リンク内回路ユニット１１が設けられる。他方、リンク１−ｎの先端の下端には、高画質の動画を撮影できるカメラ１２及びカメラ１２の姿勢を制御するジンバル１３が設けられる。尚、１つのスラスタ当りの自重補償用プロペラの数は所望の推力が得られれば他の数になし得る。また、推力を上げるために複数のスラスタを設け、１つの降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータによって駆動することもできる。

一般に、アクチュエータ１０−１〜１０−４は、アクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２と同様に、低電圧、大電流で駆動されるが、低電圧、大電流の電力を伝播させるための給電線は大きな断面積が要求される。たとえば９０Ａ導通可能な１７０ｇ／ｍの給電線が必要となる。最悪、給電線の自重が自重補償用プロペラ９−１〜９−４の全推力以上となってしまい、図１の多関節マニピュレータの長尺化が不可能となる。そこで、図１の多関節マニピュレータにおいては、基台３の基台内回路ユニット７においてＡＣ１００Ｖ電圧をＤＣ３６０Ｖに一旦昇圧する。これにより、給電線８の断面積を小さくして給電線８の自重を小さくする。そして、ＤＣ３６０Ｖを先端リンク内回路ユニット１１内においてＤＣ２４Ｖに降圧させてアクチュエータ１０−１〜１０−４を駆動する。このようにして、アクチュエータ１０−１〜１０−４を低電圧、大電流で駆動できると共に、給電線８を軽量化できる。たとえば給電線８は６Ａ導通可能な１４ｇ／ｍと軽量化できる。

制御ユニット１４はアクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２、アクチュエータ１０−１〜１０−４、カメラ１２及びジンバル１３を制御するものであり、たとえばマイクロコンピュータによって構成される。

図２は図１の基台内回路ユニット７及び先端リンク内回路ユニット１１の詳細なブロック回路図である。

図２に示すように、基台内回路ユニット７は、１００Ｖ交流電源７１、交流電源７１の１００ＶのＡＣ電圧をＤＣ２４Ｖに降圧させるための降圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ７２、及びアクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２を駆動するためのモータ駆動回路７３−１−１、７３−１−２；７３−２−１、７３−２−２；…；７３−ｎ−１、７３−ｎ−２を有する。すなわち、モータ駆動回路７３−１−１、７３−１−２；７３−２−１、７３−２−２；…；７３−ｎ−１、７３−ｎ−２及びアクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２は低電圧、大電流で駆動され、アクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２のトルクは制御ユニット１４によって信号線ＳＬ_１１、ＳＬ_１２、…、ＳＬ_ｎ１、ＳＬ_ｎ２を介して制御される。尚、モータ駆動回路７３−１−１、７３−１−２；７３−２−１、７３−２−２；…；７３−ｎ−１、７３−ｎ−２はパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータ、ゲート信号発生回路等によって構成される。

また、基台内回路ユニット７は交流電源７１の１００ＶのＡＣ電圧をＤＣ３６０Ｖに昇圧するための昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ７４を有する。このＤＣ３６０Ｖは断面積の小さい給電線８によって先端リンク内回路ユニット１１に供給される。

先端リンク内回路ユニット１１は、給電線８に接続され、給電線８のＤＣ３６０ＶをＤＣ２４Ｖに降圧させるための降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１１１、及びアクチュエータ１０−１〜１０−４を駆動するためのモータ駆動回路１１２を有する。すなわち、モータ駆動回路１１２及びアクチュエータ１０−１〜１０−４は低電圧、大電流で駆動され、アクチュエータ１０−１〜１０−４のトルクは制御ユニット１４によって信号線Ｌ_１１２を介して制御される。尚、モータ駆動回路１１２もＰＷＭインバータ、ゲート信号発生回路等によって構成される。

また、カメラ１２及びジンバル１３も制御ユニット１４によって信号線Ｌ_１２、Ｌ_１３を介して制御される。

信号線Ｌ_１１２、Ｌ_１２、Ｌ_１３はいずれも細く軽量なので、多関節マニピュレータ内を通過させても多関節マニピュレータの自重の増大はほとんどない。尚、信号線Ｌ_１１２、Ｌ_１２、Ｌ_１３の代わりに無線を用いてもよい。

昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ７４はたとえば縦１３０ｍｍ×横２１０ｍｍ×高さ１５０ｍｍ程度で約３．５ｋｇｆである。他方、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１１１は縦９０ｍｍ×横１３０ｍｍ×高さ６０ｍｍ程度で約１．５ｋｇｆである。尚、モータ駆動回路１１２の重量は降圧型ＤＣ-ＤＣコンバータ１１２に比較すれば非常に小さい。従って、先端リンク内回路ユニット１１の重量の大部分は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１１１の重量である。ここで、図１の自重補償用プロペラ９−１〜９−４の推力を１つのスラスタの推力とし、４台のスラスタを用いた場合には全推力は２．５ｋｇｆ×４＝１０ｋｇｆ程度であるので、先端リンク内回路ユニット１１の重量はこの推力に比較して高々３５％と軽量である。

このように、図１においては、自重補償用プロペラ９−１〜９−４のアクチュエータ１０−１〜１０−４の電力供給を高圧化された給電線８で行っているので、長時間作業が可能となる。この場合、高圧化した給電線８の断面積を小さくできるので、多関節マニピュレータの自重の増加も小さくできる。

図３は図１の関節トルクτ_ｉを支えるのに要するワイヤ５−１、５−２、…、５−ｎの張力を示すグラフである。尚、図３においても、アーム長は１５ｍ、関節数ｎは１２である。図３に示すごとく、ワイヤ５−１、５−２、…、５−ｎの張力は、図１６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す第１、第２、第３、第４の従来の多関節マニピュレータのワイヤ張力に比較して小さくなる。従って、アクチュエータ（モータ）６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２は強力である必要がないので安価にでき、従って、長尺化が容易となる。また、図１４、図１５の約５６００ｋｇカウンタウェイト３０８、４０６と同等の力を出すためには、給電線８の重量は１４ｇ／ｍ×１５ｍ＝２１０ｇ程度に過ぎない。従って、多関節マニピュレータを軽量化できる。

図４は図１の制御ユニット１４の動作を説明するためのフローチャートである。

始めに、ステップ４０１にて、図５の（Ａ）に示す関節２−１、２−２、…の姿勢角θ_１、θ_２、…を対象物に合せて決定する。

次に、ステップ４０２にて、図５の（Ｂ）に示す対象物、自重補償用プロペラ９−１〜９−４、アクチュエータ１０−１〜１０−４及び先端リンク内回路ユニット１１を含む先端荷重Ｍg及び各関節２−１、２−２、…の自重ｍ_１ｇ、ｍ_２ｇ、…を支えるために各関節２−１、２−２、…で生成すべきトルクτ_１、τ_２、…を演算する。このとき、動力学を考慮してもよい。

次に、ステップ４０３にて、上述のトルクτ_１、τ_２、…に対応するアクチュエータ（モータ）で生成するワイヤ５−１、５−２、…の張力の最大値が最も小さくなるように、自重補償用プロペラ９−１〜９−４の全推力を演算する。

最後に、ステップ４０４にて、関節トルクτ_１、τ_２、…に対するワイヤ張力を生成すべくアクチュエータ（モータ）６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２のトルク及び自重補償用プロペラ９−１〜９−４の全推力を生成すべくアクチュエータ（モータ）１０−１〜１０−４のトルクを与える。

尚、上述の第１の実施の形態においては、スラスタとしての自重補償用プロペラ及びそのアクチュエータ（モータ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びモータ駆動回路を先端リンク１−ｎに設けているが、他のリンクに設けてもよく、また、複数のスラスタを複数のリンクに設けてもよい。

また、上述の実施の形態においては、関節２−１、２−２、…、２−ｎは基台３からの距離に関係なく一定であるが、関節２−１、２−２、…、２−ｎは基台３からの距離に応じて小さくすることができる。これにより、ワイヤ５−１、５−２、…、５−ｎの張力をさらに小さくでき、従って、アクチュエータ６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２をさらに強力でなく安価にでき、また、自重補償用プロペラ９−１〜９−４の推力も小さくでき、従って、自重補償用プロペラ９−１〜９−４及びアクチュエータ１０−１〜１０−４も軽量化できる。

図６は本発明に係る多関節マニピュレータの第２の実施の形態を示す正面図である。尚、図６の多関節マニピュレータは直動型である。

図６においては、基台２１上に回転可能に支軸２２が支持され、支軸２２には回転関節２３が設けられる。また、回転関節２３には複数の筒状のリンク２４−１、２４−２、…、２４−５が直動関節２３’−１、２３’−２、２３’−３、２３’−４によって伸縮可能に設けられる。リンク２４−１、２４−２、…、２４−５の径はこの順序で小さくなっており、後段のリンクはワイヤ２５及びワイヤ２５に接続されたアクチュエータ２６によって前段のリンク内に収容することができる。つまり、リンク２４−１、２４−２、…、２４−５は釣竿式に伸縮できる。また、アクチュエータ２６は回転関節２３に関してリンク２４−１、２４−２、…、２４−５と反対側に位置するので、自重が増大しない。

リンク２４−５の先端の上部には、１つのスラスタとして自重補償用プロペラ２７−１〜２７−４（クアッドコプタ）及び自重補償用プロペラ２７−１〜２７−４の推進力を発揮するためのアクチュエータ（モータ）２８−１〜２８−４を設ける。また、アクチュエータ２８−１〜２８−４を駆動させるための図２の先端リンク内回路ユニット１１と同様の先端リンク内回路ユニット２９が設けられる。他方、リンク１−ｎの先端の下端には、高画質の動画を撮影できるカメラ３０及びカメラ３０の姿勢を制御するジンバル３１が設けられる。尚、１つのスラスタ当りの自重補償用プロペラの数は所望の推力が得られれば他の数になし得る。

基台２１の図２の基台内回路ユニット７と同様の基台内回路ユニット３２においてＡＣ１００Ｖ電圧をＤＣ３６０Ｖに一旦昇圧する。これにより、高圧化して給電線３３の断面積を小さくして給電線３３の自重を小さくする。ＤＣ３６０Ｖを先端リンク内回路ユニット２９内においてＤＣ２４Ｖに降圧させてアクチュエータ２８−１〜２８−４を駆動する。このようにして、アクチュエータ２８−１〜２８−４を低電圧、大電流で駆動できると共に、給電線３３を高圧化して軽量化できる。たとえば給電線３１はＤＣ３６０Ｖと高圧化して６Ａ導通可能な１４ｇ／ｍと軽量化できる。

制御ユニット３４はアクチュエータ２６、アクチュエータ２８−１〜２８−４、カメラ３０及びジンバル３１を制御するものであり、たとえばマイクロコンピュータによって構成される。

このように、図６においても、自重補償用プロペラ２７−１〜２７−４のアクチュエータ２８−１〜２８−４の電力供給を高圧の給電線３３で行っているので、長時間作業が可能となる。この場合、高圧の給電線３３の断面積を小さくできるので、多関節マニピュレータの自重の増加も小さくできる。

尚、図６における自重補償用プロペラ２７−１、２７−２、…は自重補償の作用と共に、多関節マニピュレータの位置及び姿勢も制御する。

また、上述の第２の実施の形態においても、スラスタとしての自重補償用プロペラ及びそのアクチュエータ（モータ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びモータ駆動回路を先端リンク２４−５に設けているが、他のリンクに設けてもよく、また、複数のスラスタを複数のリンクに設けてもよい。

図７は本発明に係る多関節マニピュレータの第３の実施の形態を示す斜視図である。図７の多関節マニピュレータは水平（ヨー軸）型の回転関節直鎖状マニピュレータである。

図７において、リンク４１−１、４１−２、…、４１−６は基台４１から導かれて回転関節４３−０、４３−１、４３−２、…、４３−６によってシリアルに連結されている。

各回転関節４３−１、４３−２、…、４３−６には、複数のスラスタとしての自重補償用プロペラ４４−１、４４−２、…、４４−６及び自重補償用プロペラ４４−１、４４−２、…、４４−６の推進力を発揮するためのアクチュエータ４５−１、４５−２、…、４５−６を設ける。このとき、特に、回転関節４３−６の自重補償用プロペラ４４−６及びアクチュエータ４５−６の数を増大させることにより推力を大きくて補償できる重量を大きくし、これにより、多関節マニピュレータの位置及び姿勢をも制御できるようにする。この場合、プロペラはマルチコプタたとえばクアッドコプタ、ヘキサコプタ、オクトコプタ等でもよい。

また、各回転関節４３−１、４３−２、…、４３−６には、図２の先端リンク内回路ユニット１１と同様の回路ユニット（図示せず）を設ける。他方、基台４２には、図２の基台内回路ユニット７と同様の回路ユニット（図示せず）を設ける。さらに、要求に応じてカメラ及びジンバルを設ける。また、図６の制御ユニット３４と同様の制御ユニット（図示せず）を設ける。

基台４２の回路ユニット内の昇圧ＡＣ−ＤＣコンバータと各回転関節４３−０、４３−１、４３−２、…、４３−６内の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとの間はリンク４１−１、４１−２、…、４１−６内の高圧化した給電線（図示せず）によって接続される。このように、高圧化した給電線により多関節マニュピュレータの軽量化が図れる。

図８は図７の回転関節の詳細を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図９は図７の回転関節の斜視図であって、（Ａ），（Ｂ）は異なる方向から見た図である。図８、図９に示すように、各回転関節４３−０、４３−１、４３−２、…、４３−６においては、基台４２又は前段のリンク４１−ｉに設けられたアクチュエータ（モータ）（図示せず）によるワイヤＷの張力と後段のリンク４１−（ｉ＋１）のプーリＰの半径との積によって決定されるトルクによって後段のリンク４１−（ｉ＋１）が回転する。また、前段のリンク４１−ｉに対して後段のリンク４１−（ｉ＋１）の可動角を限定するために、前段のリンク４１−ｉにストッパＳを設け、これにより、多関節マニピュレータの移動範囲を特定空間領域に限定するようにする。

このように、図７においても、自重補償用プロペラ４４−１〜４４−６のアクチュエータ４５−１〜４５−６の電力供給を高圧の給電線で行っているので、長時間作業が可能となる。この場合、高圧の給電線の断面積を小さくできるので、多関節マニピュレータの自重の増加も小さくできる。

尚、図７における自重補償用プロペラ４４−１、４４−２、…は自重補償の作用と共に、多関節マニピュレータの位置及び姿勢も制御する。

また、上述の第３の実施の形態においては、スラスタとしての自重補償用プロペラ及びそのアクチュエータ（モータ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びモータ駆動回路を回転関節に設けているが、リンクに設けてもよい。

図１０は図６、図７の制御ユニットの動作を説明するためのフローチャートである。ここでは、次のことを前提とする。
（Ａ）スラスタの出力が、アーム自重を支えるための関節出力に比べて十分大きいこと、
（Ｂ）手先に装備されたスラスタは平面ＸＹ２軸の力を発生できること、
（Ｃ）関節はトルク制御可能であり、少なくともゼロまたは十分大きな一定トルクτmaxに制御可能であること、
（Ｄ）アーム先端部の位置（Xm, Ym）を高精度ＧＰＳなどで計測可能であること。

関節アクチュエータはトルク制御され、受動関節のように外力により関節が受動的に回転できるように制御する。始めに、ステップ１００１にて、トルク制御で行う場合は、トルク指令ゼロを入力する。この指令に応じて関節アクチュエータは常にトルクゼロになるように制御される。この状態でステップ１００２にて外力を与えると、それにより生じたトルクを打ち消すようにモータが回転し、外力がなくなるまで回転する。その結果見た目としては受動関節のように振舞う。

次に、ステップ１００３にて、目標手先位置(Xd, Yd)を指定する。

次に、ステップ１００４にて、現在手先位置(Xm, Ym)を計測する。

次に、ステップ１００５にて、スラスタが出すべき推力(Fx, Fy)を演算する。たとえば、単純な比例微分（ＰＤ）制御で行うとすれば、
Fx= -kp(Xm-Xd)-kd dXm/dt
Fy= -kp(Ym-Yd)-kd dYm/dt
但し、kp、kdは定数、
となる。

次に、ステップ１００６にて、ステップ１００５にて演算されたスラスタ推力に基づきスラスタを駆動する。

ステップ１００７では、Xm-Xd, Ym-Ydの絶対値が十分に小さくなるまでステップ１００４〜１００６の制御を繰返す。この結果、現在手先位置が目標位置に到達したらステップ１００８、１００９の関節回転拘束制御に進み、関節を動かないように固定する。

すなわち、ステップ１００８にて関節トルク指令値を十分大きな値τmaxに設定し、ステップ１００９にてトルク制御を行う。これにより関節は動かなくなり、手先位置が保持されることになる。

図１０の制御ルーチンによれば、関節角度を観測して手先位置を制御する訳ではないので、１００ｍなどの非常に長尺なアームで構造材が撓むような場合においても，手先位置の観測機器が十分に高精度であれば，精度よく手先位置を決めることができる。また、関節を固定することで，外乱に対しても強くなる．

図１１は本発明に係る多関節マニピュレータが適用された実施例を示す図である。

図１１においては、移動台車１１０１に多関節マニピュレータ１１０２を搭載し、過酷事故後の原子炉建屋１１１１内の格納容器１１１２の圧力容器１１１３から溶融した燃料棒１１１３ａを取り出すための調査や実作業を想定する。この場合、格納容器１１１２の圧力容器１１１３下に直径約０．３ｍの穴１１１２ａを予め開口し、移動台車１１０１を穴１１１２ａの近傍に固定する。次いで、多関節マニピュレータ１１０２を穴１１１２ａを介して圧力容器１１１３内へ伸展させて調査や実作業を行う。この場合、格納容器１１１２の下部直径Ｄがたとえば１８ｍであれば、多関節マニピュレータ１１０２のアーム全長は１４ｍ程度とする。尚、１１１４は圧力抑制プールである。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

本発明は、上述の原子力発電所における溶融した核燃料取出し処理の外に、放射能汚染施設内の２０ｍ程度の規模の除染処理、農業の１００ｍ程度の規模の種苗散布処理、農薬散布処理、雪国の屋根上の３０ｍ程度の規模の融雪剤散布処理等に利用できる。

１−１、１−２、…、１−ｎ：リンク
２−１、２−２、…、２−ｎ：ピッチ軸関節
３：基台
４（１、１）、４（１、２）、…、４（１、ｎ）；４（２、２）、４（２、３）、…、４（２、ｎ）；…；４（ｎ、ｎ）：プーリ
５−１、５−２、…、５−ｎ：ワイヤ
６−１−１、６−１−２；６−２−１、６−２−２；…；６−ｎ−１、６−ｎ−２：アクチュエータ（モータ）
７：基台内回路ユニット
７１：交流電源
７２：降圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ
７３−１−１、７３−１−２；７３−２−１、７３−２−２；…；７３−ｎ−１、７３−ｎ−２：モータ駆動回路
７４：昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ
８：給電線
９−１、９−２、９−３、９−４：自重補償用プロペラ
１０−１、１０−２、１０−３、１０−４：アクチュエータ（モータ）
１１：先端リンク内回路ユニット
１１１：降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１２：モータ駆動回路
１２：カメラ
１３：ジンバル
１４：制御ユニット
２１：基台
２２：支軸
２３：回転関節
２３’−１、２３’−２、…：直動関節
２４−１、２４−２、…：リンク
２５：ワイヤ
２６：アクチュエータ
２７−１、２７−２、…：自重補償用プロペラ
２８−１、２８−２、…：アクチュエータ（モータ）
２９：先端リンク内回路ユニット
３０：カメラ
３１：ジンバル
３２：基台内回路ユニット
３３：給電線
３４：制御ユニット
４１−１、４１−２、…：リンク
４２：基台
４３−０、４３−１、…：回転関節
４４−１、４４−２、…：自重補償用プロペラ
４５−１、４５−２、…：アクチュエータ（モータ）
Ｗ：ワイヤ
Ｐ：プーリ
Ｓ：ストッパ
１０１−１、１０１−２、…：リンク
１０２−１、１０２−２、…：関節
１０３：基台
１０４−１、１０４−２、…：プーリ
１０５−１、１０５−２、…：ワイヤ
２０１−１、２０１−２、…：リンク
２０２−１、２０２−２、…：関節
２０３：基台
２０４（１、１）、２０４（１、２）、２０４（１、３）；２０４（２、２）、２０４（２、３）、２０４（３、３）：プーリ
２０５−１、２０５−２、２０５−３、…：ワイヤ
２０６−１−１、２０６−１−２；２０６−２−１、２０６−２−２；…：アクチュエータ（モータ）
Ｌ１、Ｌ２：４節平行リンク機構
３００：基台
３０１、３０２：フレーム
３０３：主リンク
３０４：副リンク
３０５、３０６：自重補償用プーリ
３０７−１、３０７−２、…：自重補償用ワイヤ
３０８：カウンタウェイト
４０１−１、４０１−２、…：リンク
４０２−１、４０２−２、…：関節
４０３：基台
４０４−１、４０４−２、…：自重補償用プーリ
４０５：自重補償用ワイヤ
４０６：カウンタウェイト
１１０１：移動台車
１１０２：多関節マニピュレータ
１１１１：原子炉建屋
１１１２：格納容器
１１１２ａ：穴
１１１３：圧力容器
１１１３ａ：燃料棒
１１１４：圧力抑制プール

Claims (10)

1. 基台と、
   前記基台からシリアルに連結された複数のリンクと、
   前記リンクのうちの少なくとも１つのリンクに設けられた少なくとも１つの自重補償用プロペラ及び該自重補償用プロペラの推力を調整するための少なくとも１つの第１のアクチュエータと、
   前記リンクを連結させるｎ（≧２）個のピッチ軸の関節と、
   前記基台から第ｉ番目（ｉ＝１、２、…、ｎ）の関節に軸着された（ｎ−ｉ＋１）個のプーリと、
   ｎ個のワイヤであって、第ｉ番目のワイヤは前記第１番目の関節から第ｉ番目の関節に軸着されたプーリに少なくとも１回転して巻き架されたものと、
   前記各ワイヤの張力を調整するために前記各ワイヤの両端に接続され、前記基台内に設けられた複数の第２のアクチュエータと、
   前記ワイヤの張力の最大値が最も小さくなるように前記自重補償用プロペラの推力を調整するように前記第１、第２のアクチュエータを制御するための制御ユニットと
   を具備する多関節マニピュレータ。
2. さらに、
   前記基台に設けられ、電源電圧を昇圧するための昇圧ユニットと、
   前記少なくとも１つのリンクに設けられ、前記第１のアクチュエータを駆動するための第１のアクチュエータ駆動回路と、
   前記少なくとも１つのリンクに設けられ、前記第１のアクチュエータ駆動回路に給電するための降圧ユニットと、
   前記昇圧ユニットと前記降圧ユニットとの間に接続された給電線と
   を具備する請求項１に記載の多関節マニピュレータ。
3. 前記関節は前記基台からの距離に応じて小さくなる請求項１に記載の多関節マニピュレータ。
4. 基台と、
   複数の直動関節と、
   前記基台から前記直動関節によってシリアルに直動的に連結された複数のリンクと、
   少なくとも１つの直動関節又はリンクに設けられた少なくとも１つの自重補償用プロペラ及び該自重補償用プロペラの推力を調整するための少なくとも１つのアクチュエータと
   を具備し、
   前記自重補償用プロペラの推力により前記多関節マニピュレータの位置及び姿勢をも制御するようにした多関節マニピュレータ。
5. さらに、
   前記基台に設けられ、電源電圧を昇圧するための昇圧ユニットと、
   前記少なくとも１つのリンクに設けられ、前記第１のアクチュエータを駆動するための第１のアクチュエータ駆動回路と、
   前記少なくとも１つのリンクに設けられ、前記第１のアクチュエータ駆動回路に給電するための降圧ユニットと、
   前記昇圧ユニットと前記降圧ユニットとの間に接続された給電線と
   を具備する請求項４に記載の多関節マニピュレータ。
6. 前記リンクは前記基台からの距離に応じて小さくなる請求項４に記載の多関節マニピュレータ。
7. 基台と、
   複数の回転関節と、
   前記基台から前記回転関節によってシリアルに連結された複数のリンクと、
   少なくとも１つの回転関節又はリンクに設けられた少なくとも１つの自重補償用プロペラ及び該自重補償用プロペラの推力を調整するための少なくとも１つの第１のアクチュエータと
   を具備し、
   前記自重補償用プロペラの推力により前記多関節マニピュレータの位置及び姿勢をも制御するようにした多関節マニピュレータ。
8. さらに、
   前記基台に設けられ、電源電圧を昇圧するための昇圧ユニットと、
   前記少なくとも１つの回転関節又はリンクに設けられ、前記第１のアクチュエータを駆動するための第１のアクチュエータ駆動回路と、
   前記少なくとも１つの回転関節又はリンクに設けられ、前記第１のアクチュエータ駆動回路に給電するための降圧ユニットと、
   前記昇圧ユニットと前記降圧ユニットとの間に接続された給電線と
   を具備する請求項７に記載の多関節マニピュレータ。
9. さらに、前記各回転関節内に設けられ、該各回転関節を回転させるための第２のアクチュエータを具備する請求項７に記載の多関節マニピュレータ。
10. さらに、前記回転関節に連結された前記リンクの可動角を限定するためのストッパを具備する請求項７に記載の多関節マニピュレータ。

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