JPH01309900A - 無重量模擬装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無重量模擬装置に係り、特に、マニピュレー
タを無重量状態で３次元的に運動させるのに好適な無重
量模擬装置に関する。

〔従来の技術〕

宇宙用マニピュレータは無重量環境で作動するように設
計され、また打上げ重量を減らす目的で、極限まで軽量
化されている。このため、地上では自分自身の重量を支
えきれないほど力が弱く、また剛性が低い。このマニピ
ュレータを宇宙に打上げる前にマニピュレータの機能や
性能が仕様を満たしているかどうか試験する必要があり
、無重量模擬装置の必要性が指摘されている。しかし、
３次元運動するマニピュレータを、その運動を拘束する
ことなく、無重量状態に支持する有効な方法はまだ知ら
れていない。

米国のスペースシャトルに装備されているマニピュレー
タは宇宙環境で使用した実績のある唯一のマニピュレー
タである。これを開発したカナダの５ＰＡＲ社では、エ
アベアリングを用いたテストリグにより、マニピュレー
タの地上試験を実施した。このテストリグについてはＡ
ＧＡＲＤ　Ｃｏｎｆ、ｒ’ｒ。

ｃ、　Ｎｏ、３２７（１９８３）ＰＰ、２−１−２−１
０において論じられている。このテストリグはプレナム
を兼ねるアルミパイプ環の梁に３個のエアベアリングを
配置し、ばねとリンクの組合せによる定荷重支持装置で
マニピュレータのブームを支え、マニピュレータアーム
の重量を支持しているので、水平面内では摩擦力による
抵抗がほとんど無く、自由に動ける。

しかし、この方式では、運動が２次元平面に制約され、
３次元運動を試験できない。また、テストリグの重量が
慣性力としてアームの運動特性に悪影響を及ぼすので、
正確な試験ができないなどの問題があった。

別の方法として、マニピュレータアームを水槽の中に没
し、浮力を利用して擬似無重量状態とする方法がある。

この方式は３次元運動を試験できるが、アーム全体、特
に回転軸や電気部品を含む関節部を防水することが難し
く、また水圧や水の粘性抵抗を受けるため、精度の高い
試験を実行できないという欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、宇宙環境での使用状況と同じ３次元
運動が不可能で、２次元の水平面内運動に限定されてし
まったり、質量が付加されるので、慣性力が大きくなっ
てマニピュレータの運動特性が変わってしまったり、粘
性抵抗が作用するため、動的挙動が変化したり、防水材
によりアームの動作範囲が限定されるなど種々の問題が
あり、無重量状態での精密な試験を行うことは不可能に
近い。

本発明の目的は、無重量状態でのマニピュレータの精密
な試験を実行できる無重量模擬装置を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、マニピュレータのアームの要所をそれぞれ
３本のワイヤで放射状に吊り下げ、アームの運動に合わ
せて３本のワイヤの長さまたは張力を調整することによ
り達成される。

すなわち１本発明は、上記目的を達成するために、マニ
ピュレータまたは作業対象物体の少なくとも１個所を結
合手段を介して１個所につき３方向から吊り下げるワイ
ヤ群と、各ワイヤの長さを調整する手段と、吊り下げ個
所の動きに合わせてワイヤの長さを調整し、各３本のワ
イヤの結合点を吊り下げ個所の略直上部に位置させる指
令をワイヤ長さ調整手段に出力する演算制御手段とを備
えた無重量模擬装置を提案するものである。

具体的には、演算制御手段は、マニピュレータまたは作
業対象物体を居区動している制御手段からの吊り下げ対
象個所のデータをワイヤ結合点の目標位置として取り込
み、その目標位置のデータを基に各３本のワイヤの結合
点をその位置に位置決めするための各ワイヤ長さを演算
する手段を含む。

また、前記結合手段にその結合手段の傾きを検出する手
段と長さを検出する手段とを設け、演算制御手段が、両
検出手段からの傾きおよび長さのデータを取り込み、結
合手段の傾きおよび長さが常に所定値となるように各ワ
イヤ長さを演算する手段を持たせることもできる。

さらに、結合手段にその結合手段の傾きを検出する手段
と長さを検出する手段とを設け、演算制御手段が、マニ
ピュレータまたは作業対象物体を駆動している制御手段
からの吊り下げ対象個所のデータをワイヤ結合点の目標
位置として取り込み、その目標位置のデータを基に各３
本のワイヤの結合点をその位置に位置決めするための各
ワイヤ長さを演算するとともに、結合手段に設けた両検
出手段からの傾きおよび長さのデータを取り込み、結合
手段の傾きおよび長さが常に所定値となるように各ワイ
ヤ長さの補正値を演算す名手段を含むようにして、より
高精度の模擬装置を実現することも可能である。

マニピュレータまたは作業対象物体の少なくとも１個所
を結合手段を介して１個所につき３方向からワイヤで吊
り下げ、位置計測に３次元位置側゛定手段を用い、この
３次元位置測定手段で計測した吊り下げ個所の動きに合
わせてワイヤの長さを調整し、各３本のワイヤの結合点
を吊り下げ個所の略直上部に位置させる指令をワイヤ長
さ調整手段に出力する方式も採用できる。

さらにまた、マニピュレータまたは作業対象物体の少な
くとも１個所を結合手段を介して１個所につき３方向か
ら吊り下げるワイヤ群と、各ワイヤの長さを調整する手
段と、各ワイヤの長さおよび張力を検出する手段と、検
出されたワイヤ長さを基に各ワイヤの張力を演算し、検
出されたワイヤ張力が演算したワイヤ張力と等しくなる
ように各３本のワイヤの結合点を吊り下げ個所の略直上
部に位置させる方式とすることも可能である。

いずれの場合も、結合手段が、マニピュレータまたは作
業対象物体の振動や位置ずれ等の自然な挙動をワイヤに
より拘束しないように、微小変位許容手段を備えること
が望ましい。

〔作用〕

マニピュレータのアームの質量は関節部に集中している
。３本のワイヤの張力の合力がアームの関節部の質量に
等しくなるようにワイヤの長さおよび張力を調整すれば
、アームの重量は相殺され、無重量状態を模擬できる。

アームが動いたとき、その動きを何等かの方法で検出し
、アームの動きに追従してワイヤの長さや張力を自動的
に調整すれば、アームが３次元運動をしても、常に無重
量状態を保持できる。また、ワイヤの質量が小さいので
、付加されるワイヤ分の質量によって発生する慣性力が
アームの運動特性に及ぼす悪影響は少ない。

〔実施例〕

次に、本発明による無重量模擬装置の一実施例を第１図
により説明する。マニピュレータのアーム１はその基部
を床に固定しであるゆアーム１を取り囲むように架台２
が設置されており、上面には天井板３が取付けられてい
る。ただし、第１図ではアーム１の吊り下げ状況を見や
すいように、天井板３のほとんどを省略しである。アー
ム１の肘関節部４は３本のワイヤ５により吊り下げられ
、ワイヤ５の長さは天井板３に取付けられたワイヤ恥動
装＠６により調整できる。また、手首関節部７も同様に
ワイヤ８により吊り下げられ、ワイヤ８の長さは天井板
３に取付けられたワイヤ駆動装置９により調整できる。

第２図は、ワイヤ駆動装置６，９の配置を示すため、本
実施例を真上から見た図である。マニピュレータ１の肘
関節部４の可動範囲が３個のワイヤ駆動装置６の囲む三
角形の中に収まるようにワイヤ駆動装置６を配置する。

同様に、マニピュレータ１の手首関節部７の可動範囲が
３個のワイヤ駆動装置９の囲む三角形の中に収まるよう
にワイヤ駆動装置９を配置する。

第３図は本実施例を側面から見たものである。

ワイヤはマニピュレータのアーム１の運動を妨げないよ
うにアームに結合しなければならない。

第４図は肘関節部４に対するワイヤ接続部の構造である
。肘関節の回転軸心上で揺動可能な状態に取付けられた
吊り金具１０は、微小な変位誤差を吸収するためのばね
１１およびロードセル１２を介して、３個の吊り輪を有
するワイヤ結合具１３に接続されている。３個の吊り輪
にはそれぞれワイヤ５が接続されている。また、ワイヤ
結合具１３には必要に応じて傾斜センサ１４が取付けら
れる。ロードセル１２や傾斜センサ１４は初期状態を設
定する時に吊り下げ荷重を設定したり、垂直状態を確認
するために用い、また、動作中の無重量状態を監視する
ために用いるが、省いても良い。

第５図は手首関節部７に対するワイヤ結合部の構造を示
しており、第４図と同様の結合構造である。吊り金具１
０は手首関節部の重心位置近傍を吊るように位置を選択
しである。

第６図はワイヤ駆動装置６の構造の例を示す。

ワイヤ５はベース１５に取り付けられた案内プーリ１６
を通ったあと１巻取りドラム１７に巻取られる。巻取り
ドラム１７の軸端には回転角センサ１８が取付けられて
おり、ワイヤの送り出し長さを計測する。また、巻取り
ドラム１７の回転軸と巻取りドラム駆動モータ１９の出
力軸との間にはトルクセンサ２０があり、ワイヤ張力を
検出する。

ベース１５は十字梁継手２１を介して支持金具２２に取
付けられ、ワイヤ６の張力の方向に自在に角度が変わる
ようにしである。

第７図を用いて、ワイヤ結合具１３の結合点のＰの位置
の制御方法を説明する。３本のワイヤの長さをＡ、Ｂ、
Ｃとし、ワイヤ支持点をそれぞれＱ、Ｒ，Ｓとする。Ｑ
、Ｒ，Ｓは同一水平面内にあるものとする。また、結合
点Ｐの支持平面ＱＲ８に対する垂線の長さをＤ、支持平
面ＱＲ８と垂線りとの交点をＰ’　、Ｐ’　とＱ、Ｒ，
Ｓとの距離をそれぞれｕ、Ｖ、Ｗとする。三角形ＱＲ３
の辺の長さをａ、ｂ、Ｑとし、ＺＱＰＰ’　をａ、１Ｒ
ＰＰ’をβ、Ｚｓｐｐ’をγとする。辺すにＰ点から下
した垂線の長さをｆとし、このとき辺すはに対（１−ｋ
）に分割されるものとする。同様に辺ＣにＰ点から下し
た垂線の長さをｅとし、このとき辺Ｃはｉ対（１−ｉ）
に分割されるものとする。直角三角形の性質より。

Ａ２＝ｆ２＋　（１−ｋ）”ｂ２　・・・（１）Ｃ２＝
ｆ”＋ｋ”ｂ２　　　　　　・・・（２）（１）式から
（２）式を引くと。

Ａ”−Ｃ２＝　（１−ｋ）”ｂ”−に２ｂ２ゆえに、 同様に、 Ａ”＝　ｅ”＋　ｉ”　ｃ２　　　　　　　−　　（４
）Ｂ２＝ｅ２＋　　（１−ｉ）２ｃ２　−（５）（４）
式から（５）式を引くと。

Ａ２−Ｂ”＝ｉ”ｃ２−　（１−ｉ）２ｃ”ゆえに１ 、Ａ”−Ｂ”＋ｃ”　　　　　・・・（６）２ｃ” 次に、辺ＱＲと線分ｅとの交点ＥとＰ′とを結ぶ線分の
長さをＳ、辺ＱＳと線分子との交点ＦとＰ′を結ぶ線分
の長さをｒとする。平面ＱＳＲと線分ＰＰ’　とは垂直
に交わっており、したがって線分ＰＰ’　を含む平面Ｐ
Ｐ’　Ｆは平面ＱＲ３と垂直に交わる。また、平面ＰＱ
Ｓと平面ＱＳＲとは斜めに交わっており、平面ＰＱＳ内
の線分ＱＳと線分ＰＦとは垂直に交わっている。これよ
り、線分Ｐ’　Ｆと線分ＱＳとは垂直に交わっているこ
とがわかる。

ＺＳＱＰ’　をθｂ、ＺＲＱＰ’　をθＣとすると、直
角三角形の性質から、 （Ｌ−ｋ）ｂ＝ｕｃｏｓθ、　　　　　−（７）ｉｃ＝
ｕｃｏｓＯｃ　　　　　　　　　　　’・・　（８）ｓ
＝ｕｓｉｎθｃ　　　　　　　　　　　　＝（９）ｒ＝
ｕｓｉｎＯｂ　　　　　　　　　　　　−（１０）また
、三角形の性質から、 ａ２＝ｂ”＋ｃ’−２ｂｃｃｏｓθ−（１１）ゆえに、 また、 ０＝Ｏｂ＋θｃ　　　　　　　　　・＝　（１３）ゆえ
に、 ｃｏｓθ＝ｃｏｓ（θ５＋θＣ） ＝ｃｏｓθｂｃｏｓθ（−ｓｉｎθｂ８ｉ１１θＣ・・
・（１４） （１４）式に（７）〜（１０）式を代入すると、一方、
ΔＱＰ’　ＥおよびΔＱＰ’　Ｆよりｕ２＝ｓ”＋ｉ”
ｃ２　　　　　　　・・・（１６）ｕ２＝ｒ”＋　（１
−ｋ）”ｂ”　　　　−（１７）（１６）式を（１７）
式に代入すると。

ｒ”＝＝ｓ”＋ｉ”ｃ２−（１−ｋ）”ｂ２・・・（１
８）また、（１５）式から、 ｓ　ｒ　＝ｉｃ（１−ｋ）ｂ−ｕ”ｃｏｓ　Ｏ−（１９
）両辺を２乗すると、 ｓ　２ｒ”　＝＝１２ｃ２　（１−ｋ）”ｂ２＋ｕ’ｃ
ｏｓ”θ−２ｉｅ（１−ｋ）ｂｕ”ｃｏｓθ・・・（２
０） （１６）式と（１８）式を（２０）式に代入すれば。

５２（ｓ”＋ｉ２ｃ”−（１−ｋ）２ｂ”）＝ｉ”ｃ”
　（１−ｋ）”ｂ２＋（ｓ２＋１２ｃ２）２ｃｏｓ２θ
−２ｉｃ（１−ｋ）ｂ（ｓ”＋ｉ”ｃ”　）ｃｏｓθ・
・・　（２１） これを整理すると。

Ｌ　（Ｓ２）”＋Ｍｓ２＋Ｎ＝Ｏ・・・（２２）ただし
、 Ｌ　＝　１−ｃｏｓ２０　　　　　　　　　・・・（２
３）Ｍ＝ｉ”ｃ”−（１−ｋ）”ｂ”−２ｉ２ｃ２ｃｏ
ｓ”　０　＋２ｉｃ（１−ｋ）ｂｃｏｓ　Ｂ・・・（２
４） Ｎ　＝　２ｉｃ　（１−ｋ　）ｂｉ２ｃ２ｃｏｓθ−１
２ｃ”　（１−ｋ）２ｂ”−ｉ’ｃ’ｃｏｓ”θ・・・
（２５） ゆえに。

・・・（２７） ただし、上記号は（２６）式の右辺が正となる方を選ぶ
。

ａ、ｂ、ｃは任意に設定した定数であり、θも（１２）
式から定数として求められる。ワイヤの長さＡ、Ｂ、Ｃ
は変数であり、センサにより測定される値である。係数
に、ｉは（３）からＡ、Ｂ、Ｃの関数として得られる。

Ｌ、Ｍ、Ｎは（２３）　、　（２４）　、　（２５）式
から変数に、ｉの関数として得られる。したがって、（
２７）式からＳはり、Ｍ、Ｎの関数として求められる。

点Ｐ′の位置は例えば辺ＱＲを部室とすると、Ｑ点から
Ｒ方向ｉｃの距離で、辺ＱＲに対し点Ｓの方向にＳの距
離の点として得られる。

点Ｐの位置はＰ′から垂直下向きに以下に示す距離りだ
け下がった位置である。

Ｄ＝石ｙ：で ”　　Ａ　　ｘ　ｃ　　ｓ　　　　　　　　　　　・＝
（２８）ワイヤの制御は次のようになる。よく知られて
いるように、マニピュレータの肘および手首のワイヤ結
合具１３との結合点の位置は、マニピュレータを構成す
るリンクのパラメタと関節角度より。

第１図に示すマニピュレータの基部座標系２３に対して
得られる。ＴＥ、ＴＶをそれぞれマニピュレータの基部
座標系２３から肘座標系２４および手首座標系２５への
座標変換マトリクスとする。また、ワイヤ結合点ＰＥ、
　ｐＨ＋の位置が肘座標系２４および手首座標系２５に
対し座標原点垂直上方にＬ（第５図）だけ雛れた位置に
あるものとする。

点ＰＥおよび点Ｐｗのマニピュレータの基部座標系２３
に対する座標ベルトＰＥおよびＰｗは次のようになる。

ＰＥ＝　ＴＥ　Ｉ　＋Ｌ　　　　　　　　　　・・・（
２９）Ｐ　ｗ　＝　Ｔ　ｗ　Ｉ　＋　Ｌ　　　　　　　
　　　　　・＝　（３０）ここでＩは単位ベクトル、Ｌ
は垂直軸方向にのみＬの値を持ち、他はＯのベクトルで
ある。

次に、ワイヤ駆動装置６および９の各１点に座標系２６
および２７を選び、座標系２３から座標系２６．２７へ
の座標変換マトリクスをＴｐｗとすると、座標系２６お
よび２７から見たワイヤ結合点の座標ベクトルＰＣＥ、
　ＰＣＷは次式で得られる。

Ｐｃｃ＝ＴｐＥ−’ＰＣ−＝（３１） Ｐｃｗ＝　Ｔｐｗ−”Ｐｗ　　　　　　　　　−（３１
）以上により、マニピュレータの関節角がわかれば、ワ
イヤ結合点の座標の目標値が得られる。

ワイヤの結合点Ｐの目標値が第７図に示すｉｃ。

ｓ、Ｄの値として与えられたとすると、そのときのワイ
ヤ長さＡ、Ｂ、Ｃは前述の関係から得られる。すなわち
（２８）式より、 Ａ＝畑ＴＴ耳７　　　　　　・・・（３３）また。

ｅ”＝Ｄ”＋ｓ２ であるので、（５）式から、 Ｂ　＝　Ｄ＋ｓ　＋　　１−ｉ　　ｃ　　　　　　・・
−（３４）さらに、（８）、（９）式から、 ｕ　＝　ＦＴ口Ｔコ−（３５） （１３）式から、 θｂ＝θ−θＣ・・・（３７） （７）　、　（１０）式からｋｂとｒが求められる。第
７図により次式でｆ２が得られる。

ｆ”＝ｒ２＋Ｄ２　　　　　　　　　−（３８）したが
って、Ｃは（２）式より次のように得られる。

Ｃ＝ＢＴｎＴ「　　　　　　　　　　・・・（３９）マ
ニピュレータの動きにより、ワイヤ結合点Ｐの座標は時
々刻々変化するが、マニピュレータの肘や手首を支える
ワイヤ結合点ＰＥ、Ｐｗの位置をそれに合わせて動かす
ようにワイヤの長さを自動的に調整すれば、ワイヤ結合
点は常に肘や手首の垂直上方の一定距雑のところにある
ので、ばね１１によりアームの重量を一定に支え、無重
量状態を模凝できる。

第８図はワイヤを制御する制御装置のブロック図である
。マニピュレータ制御装置２８はマニピュレータの各関
節角の目標値を関節駆動制御装置２９に出力し、各関節
駆動モータ３０を駆動する。

また、マニピュレータ制御装置２８はマニピュレータの
位置データを演算装置３１に提供する。演算装置３１は
この位置データを基に上述の演算を行ってワイヤの長さ
を算出し、これをワイヤＩＩＨ動制御装置に出力し、ワ
イヤ３３を所定長さに調整する。第９図に演算装置３１
の処理フローを示す。

ワイヤ結合部の長さＬはばね１１により変わり得る。ロ
ードセル１２で検出する荷重の値があらかじめ計算や実
訓により求めた吊り下げ重量になるまでＬの値を変化さ
せ、このときの長さＬの値を計算データとして用いれば
、吊り下げ力は常に吊り下げ重量に等しい一定の値とな
る。

第１０図にワイヤ駆動装置６，９の配置の他の例を示す
。本配置例ではワイヤ駆動装置が形成する三角形の中に
マニピュレータの動作領域を収納しやすいが、ワイヤ８
と肘関節部４とが干渉する恐れがあり、天井の位置を高
くとらなければならない。

次に第２の実施例について述べる。本実施例ではマニピ
ュレータから位置情報をもられず、そのかわりに第１１
図に示す傾斜センサ１４と距離りの変化を検出する距離
センサ３４とを用いる。第１１図の結合手段は第１０図
の結合手段の別案であるが、第１０図に示すものより傾
斜角を正確に読み取れるようにしたものである。傾斜セ
ンサ１４はワイヤ結合点Ｐが関節吊り下げ位置の真上か
ら水平方向に位置がずれてワイヤ結合具１３に生ずる傾
きを検出する。また距離センサ３４は吊り具３５と関節
部との距離の変化を検出する。吊り具３５はジンバル機
構３６を介してワイヤ５で吊られており、角度を自由に
変化できる。傾斜センサ１４の取り付けられているロッ
ド３７は吊り具３５に対し回転を拘束されないように、
スラストベアリング３８を介して、圧縮はね３９により
押上げられている。また距離センサ３４は圧縮ばね３９
の変位を計るものである。ロッド３７の端部はジヨイン
ト４０を介して吊り金具１ｏに取り付けられている。傾
斜センサ１４は例えば重錘を用いた振り子犬のもので、
マニピュレータのブーム４１を含む垂直面内で重力方向
に対するロッド３７の傾斜角を検出し、また、上記垂直
面に直角方向のロッド３７の傾き角も検出する。この傾
斜角からロッド３７が鉛直のときのＰ点からどちらにど
れだけ変位しているかがわかる。また、変位センサ３４
のデータから、上下方向の位置ずれがわかるので、いず
れも正規の状態になるようにワイヤの長さを常時調整す
ればよい。角度と変位の関係を以下に示す。

第１２図に示すように、マニピュレータの基部の座標系
２３に基づく基準線２３Ａに対しマニピュレータの関節
の方位角をことし、ロッド３７の垂直面内傾き角を６１
．垂直面に直角方向の傾き角を６２とする。また、ロッ
ド３７と吊り金具１０を含めた基準長さをＬ工、ロッド
３７の基準長さをＬｔとし、距離センサ３４の検出距離
変化量をΔＬとすると、基準の位置Ｐに対する現在位置
Ｐ′の変位量は図示の座標系で次のようになる。

ｙ’４ｑ＋ΔＬ）ｓｉｎδ２・・曲（４ｏ）Ｘ”（（Ｌ
２＋ΔＬ）ｃｏｓδｚ”　（Ｌｘ　−Ｌｔ　））ｓｉｎ
δ、　　　　　　　＝曲（４１）２＝賭（（Ｌ２＋ΔＬ
）ｃｏｓδｚ”（Ｌｔ−Ｌｚ））ｃｏｓδ、　　　　　
・−−−−−（４２）ｘ＝ｘ’ｃｏｓζ＋ｙ’ｓｉｎζ ＝（（Ｌ２＋ΔＬ）ｃｏｓδｇ”（Ｌｌ−Ｌｔ））ｓｉ
ｎδ１ｃｏｓζ＋（Ｌ２＋ΔＬ）ｓｉｎδ２ｃｏｓζア
、Ｔｘ’　ｓｉ。ζ。ア、。。、、　　　　　　　　°
−（４３’）＝（Ｌ２＋ΔＬ）ｓｉｎδ２ｃｏｓζ−（
（Ｌ２＋ΔＬ））ｃｏｓδｚ”（Ｌ□−Ｌｔ））ｓｉｎ
δ□ｓｉｎζ・・・・・・（４４） 以上により求めたＸ＋３’ｙＺの値をワイヤの結合点の
現在位置に補正したものを目標値としてワイヤの長さを
求め、制御すればよい。

本実施例の処理装置は、第８図において、マニピュータ
の制御装置２８から、演算処理装置３１への入力の必要
がなく、その代りに傾斜角センサのデータδ、およびδ
２と長さの変化量ΔＬとを入力するものである。演算処
理のフローを第１３図に示す。

本実施例では、吊り下げカを一定に保ったままマニピュ
レータの関節部の動きに追従して、関節部を常に垂直に
吊り下げることができる。マニピュレータの動きをセン
サで検出しているので、マニピュレータ制御装置と演算
制御装置とは結合する必要がない。

第３の実施例を第１４図に示す。本実施例ではワイヤ結
合点Ｐの位置を３次元位置測定装置４２を用いて直接計
測するもので、第２実施例における変位量ｘ＋　ｙ＋　
ｚの値をマニピュレータ制御装置２８から得られた関節
位置と３次元位置測定装置のデータとをつき合わせて得
るが、または３次元位置測定装置４２を用いてワイヤ結
合点の位置と関節の位置の両方を測定し、これをつき合
わせて求めるものである。以下の処理は第２の実施例と
同じである。関節位置を測定し、このデータを基にワイ
ヤの長さを計算で求めて制御してもよい。

宇宙用マニピュレータは打上げ重量を減らすため極端な
軽量構造をとっており、そのため剛性が低く、低周期の
振動等が発生しゃすい。ワイヤはこのようなマニピュレ
ータの自然な挙動を阻害することのないようにマニピュ
レータを吊り下げなければならない。それには第４図の
ばね１１や第１１図のばね３９は変位に対して力の変化
が少いものを用いる必要がある。

また、第１の実施例に示したワイヤの長さの調整方法と
第２の実施例に示したワイヤの長さの調整方法とを併用
し、ワイヤの結合点が計算上の位置になるためのワイヤ
長さに、センサで検出したマニピュレータの実際の位置
と予想位置とのずれを補正するためのワイヤ長さ補正値
を加え、ワイヤ長さを制御すれば、さらに高精度の無重
量模擬が可能である。

第４の実施例はワイヤの張力を用いるものである。ワイ
ヤの結合点に垂直下向きに荷重Ｗがかかっているとする
と、３本のワイヤの合力はこの荷重Ｗとつり合わなけれ
ばならないので、各ワイヤの張力は第７図から次のよう
に表わされる。

ＺＰ’　ＳＦをψ５とすると、 Ｗ　＝　ＷＡｃｏｓ　ａ　＋　Ｗａｃｏｓβ＋Ｗｅｃｏ
ｓ　ｙ　−−（４５）Ｗａｓｉｎβ＝　ＷＡｓｉｎ　ａ
　ｓｉｎθｂ　＋　Ｗｃ５ｉｎ　ｙ　ｓｉｎψｂ・・・
・・・　（４６） ＷＡｓｉｎ　ａ　ｃｏｓ　０１１：　Ｗｃ５ｉｎ　ｙ　
ｃｏｓψｂ　　−−（４７）（４６）　、　（４７）式
から、 Ｗａｓｉｎβ＝　ＷＡｓｉｎ　ａ　（ｓｉｎθｂ＋ｃｏ
ｓθｂｔａｎψｂ）・・・・・・　（４８） （４５）　、　（４７）　、　（４８）式から、Ｗ：Ｗ
Ａ　（ｃｏｓα＋ｃｏｔβｓｉｎ　ａ　（ｓｉｎ　Ｏｂ
　＋ｃｏｓθｂｔａｎψｂ）ゆえに、 ・・・・・・（５０） （４８）式から、 （４７）式から。

ここで、 ψｂ＝ｔａｎ−”　（−Ｙ−） □、　　　　　　　　　・・・・・・（５３）である。

（３）式からｋが得られる。また、（６）式からｉを求
め、（２７）からＳを求めると、（１８）式によりγが
得られる。従って（５３）式からψｂＯ値が求まる。一
方、（７）　、　　（１０）式からＯ，、が得られる。

α、β、γは第７図から（２８）式で得られるＤの値と
各ワイヤの長さＡ、Ｂ、Ｃがわがれば次式より得られる
。

α＝　ｃｏｓ−１−！２−　　　　　　　　　・・・・
・・（５４）β＝ｃｏｓ−１−・・・・・・（５５）γ
＝：ｃｏｓ−・旦　　　　　　　　　・・・・・・（５
６）以上より、（５０）　、　（５１）　、　（５２）
式から各ワイヤの張力Ｗ＾ｔ　Ｗｂ、Ｗｅを計算できる
。

マニピュレータまたは作業対象物体が移動すると、平衡
状態がくずれ、各ワイヤの張力が変化する。第６図に示
すトルクセンサ２０を用いてワイヤ張力を測定し、測定
したワイヤ張力が計算したワイヤ張力とほぼ一致するよ
うにワイヤ長さを常に制御すれば、３本のワイヤの張力
の合力は常にマニピュレータや作業対象物の重量とつり
合い、水平方向の力をほとんど発生しないので、無重量
状態を模擬できる。

宇宙でマニピュレータが作業をする場合、作業対象物体
も無重量環境に置かれる、したがって、宇宙での作業状
況を地上で模擬しようとすれば、作業対象物体も無重量
状態でなければならない。

そこで前述の方法を作業対象物体にも適用し、作業対象
物体の１個所または数個所をそれぞれ３本のワイヤで吊
る。このときのワイヤの長さの制御は例えば運動軌跡を
設定し１時々刻々の作業対象物体の軌跡上の位置からワ
イヤの長さを求めて制御すれば、作業対象物体に軌跡運
動をさせることができる。また、マニピュレータ等と衝
突した場合は、傾斜センサや距離センサが作動し、反発
した方向にワイヤの結合点が移動するので、作業対象物
体は浮遊状態となり、無重量環境での作業対象物体の挙
動も３次元的に模擬できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マニピュレータのアームが３次元空間
で移動可能な状態でアームの重量を支え無重量状態を模
擬でき、かつ付加される質量がわずかなので、宇宙用マ
ニピュレータの３次元空間運動の試験を精度良く実行で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による無重量模擬装置の一実施例値の斜
視図、第２図は第１図装置の主要部の上面図、第３図は
第１図装置の側面図、第４図は肘関節部に対するワイヤ
接続部の構造の一例を示す図、第５図は手首関節部に対
するワイヤ接続部の構造の一例を示す図、第６図はワイ
ヤ駆動装置の構造の一例を示す図、第７図はワイヤ結合
具の結合点の位置制御方法を示す図、第８図はワイヤを
制御する制御装置のブロック図、第９図は第８図演算装
置の処理を示すフローチャート、第１０図はワイヤ駆動
装置の配置の他の実施例を示す図、第１１図は肘関節部
に対するワイヤ接続部の構造の他ノ の実施例を示す図、第１２図は第１１図ワイヤ結合部の
結合点の位置制御方法を示す図、第１３図は第１２図位
置制御方法の制御のフローチャート、第１４図は３次元
位置測定装置を用いる実施例を示す図である。 １・・・アーム、２・・架台、３・・・天井板、４・・
・肘関節部、５・・・ワイヤ、６・・・ワイヤ駆動装置
、７・・・手首関節部、８・・・ワイヤ、９・・・ワイ
ヤ駆動装置、１０・・・吊り金具、１１・・ばね、１２
・・・ロードセル。 １３・・・ワイヤ結合具、１４・・・傾斜センサ、１５
・・・ベース、１６・・・案内プーリ、１７・・・巻取
りドラム。 １８・・・回転角センサ、１９・・・巻取りドラム駆動
モータ、２０・・・トルクセンサ、２１・・・十字梁継
手、２２・・・支持金具、２３・・・基部座標系、２４
・・・肘座標系、２５・・・手首座標系、２６．２７・
・・ワイヤ駆動装置座標系、２８・・・マニピュレータ
制御装置、２９・・・関節駆動制御装置、３０・・・関
節駆動モータ、３１・・・演算装置、３２山ワイヤ叩動
制゛御装置、３３・・・ワイヤ、３４・・・距離センサ
］３５・・・吊り具、３６・・・ジンバル機構、３７・
・・ロッド、３８・・・スラストベアリング、３９・・
・圧縮ばね、４ｏ・・・ジヨイント、４１・・・ブーム
、４２・・・３次元位置測定装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マニピュレータまたは作業対象物体の少なくとも１
   個所を結合手段を介して１個所につき３方向から吊り下
   げるワイヤ群と、 前記各ワイヤの長さを調整する手段と、 前記吊り下げ個所の動きに合わせて前記ワイヤの長さを
   調整し、前記各３本のワイヤの結合点を前記吊り下げ個
   所の略直上部に位置させる指令を前記ワイヤ長さ調整手
   段に出力する演算制御手段と を備えたことを特徴とする無重量模擬装置。 ２、請求項１に記載の無重量模擬装置において、前記演
   算制御手段が、前記マニピュレータまたは作業対象物体
   を駆動している制御手段からの吊り下げ対象個所のデー
   タをワイヤ結合点の目標位置として取り込み、当該目標
   位置のデータを基に前記各３本のワイヤの結合点を当該
   位置に位置決めするための各ワイヤ長さを演算する手段
   を含むことを特徴とする無重量模擬装置。 ３、請求項１に記載の無重量模擬装置において、前記結
   合手段に当該結合手段の傾きを検出する手段と長さを検
   出する手段とを設け、 前記演算制御手段が、前記両検出手段からの傾きおよび
   長さのデータを取り込み、前記結合手段の傾きおよび長
   さが常に所定値となるように各ワイヤ長さを演算する手
   段を含むことを特徴とする無重量模擬装置。 ４、請求項１に記載の無重量模擬装置において、前記結
   合手段に当該結合手段の傾きを検出する手段と長さを検
   出する手段とを設け、 前記演算制御手段が、前記マニピュレータまたは作業対
   象物体を駆動している制御手段からの吊り下げ対象個所
   のデータをワイヤ結合点の目標位置として取り込み、当
   該目標位置のデータを基に前記各３本のワイヤの結合点
   を当該位置に位置決めするための各ワイヤ長さを演算す
   るとともに、前記結合手段に設けた両検出手段からの傾
   きおよび長さのデータを取り込み、前記結合手段の傾き
   および長さが常に所定値となるように各ワイヤ長さの補
   正値を演算する手段を含むことを特徴とする無重量模擬
   装置。 ５、マニピュレータまたは作業対象物体の少なくとも１
   個所を結合手段を介して１個所につき３方向から吊り下
   げるワイヤ群と、 前記各ワイヤの長さを調整する手段と、 前記マニピュレータまたは作業対象物体の位置を計測す
   る３次元位置測定手段と、 当該３次元位置測定手段で計測した前記吊り下げ個所の
   動きに合わせて前記ワイヤの長さを調整し、前記各３本
   のワイヤの結合点を前記吊り下げ個所の略直上部に位置
   させる指令を前記ワイヤ長さ調整手段に出力する演算制
   御手段とを備えたことを特徴とする無重量模擬装置。 ６、マニピュレータまたは作業対象物体の少なくとも１
   個所を結合手段を介して１個所につき３方向から吊り下
   げるワイヤ群と、 前記各ワイヤの長さを調整する手段と、 前記ワイヤの長さおよび張力を検出する手段と、 検出されたワイヤ長さを基に各ワイヤの張力を演算し、
   検出されたワイヤ張力が演算したワイヤ張力と等しくな
   るように前記各３本のワイヤの結合点を前記吊り下げ個
   所の略直上部に位置させる指令を前記ワイヤ長さ調整手
   段に出力する演算制御手段と を備えたことを特徴とする無重量模擬装置。 ７、請求項１〜６に記載の無重量模擬装置において、 前記結合手段が、前記マニピュレータまたは作業対象物
   体の振動や位置ずれ等の自然な挙動を前記ワイヤにより
   拘束しないように微小変位許容手段を備えたことを特徴
   とする無重量模擬装置。