JPH02274482A - バイラテラルマスタスレーブマニピュレータ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子燃料再処理工場等１人間の近付き難い環境
における作業を遠隔操作で行い得るマスタスレーブマニ
ピュレータ、特にスレーブアームに作用している作業力
を操作員にフィードバックするパイラテラルマスタマニ
ピュレータに係る。

（従来の技術） 第５図Ａ〜第５図Ｂは従来の代表的なパイラテラルマス
タスレーブマニピュレータ３種の概略構成を示す、第５
図Ａに示されたのは対称型、第５図已に示されたのは力
逆送型、第５図Ｃに示されたのは力帰還型である。これ
等の図において、マスク側アーム１、スレーブ側アーム
２共゛に電動機駆動とされている。　而して、第５図Ａ
の対称型においては前記各アームに設けた位置検出器３
゜４の検出出力θ□、θ２が比較回路５において比較さ
れ、比較回路５の出力は位置調節器６，７を介して前記
各アームを駆動する電動機を制御する。

また、第５図Ｂの力逆送型においてはスレーブ側アーム
２に作用するトルクＴ、、がトルク検出器８によって検
出され、トルク伝達器９を介してマスタ側アーム１の制
御機構にフィードバックされている。

第５図Ｃの力帰還型においてはトルク検出器１０によっ
てマスク側アーム１に作用するトルクＴ１の検出もなさ
れており、トルク検出器８．１０の出力は比較回路１１
において比較され、この比較回路の出力はトルク調節器
１２を介してマスク側アーム１の制御機構にフィードバ
ックされている。

上記何れの構成のマスタスレーブマニピュレータにおい
ても、スレーブ側アーム２に作用する作業負荷はマスク
側アーム１の制御機構に伝達され、作業者はマニピュレ
ータの操作に際してスレーブ側アーム２に作用する作業
負荷を知ることができる。

（発明が解決しようとする課題） 上記列挙した従来のパイラテラルマスタスレーブマニピ
ュレータの何れにおいても、マスタアームの操作性はマ
スク側に採用したサーボ系によって左右される。通常は
駆動電動機と被駆動アームとの間に高減速比の減速機を
介在させているため、作業者の思ったような速さでマス
タアーム１を動作させることはできず、マスク側にスレ
ーブアーム２の負荷状態が忠実に伝達されない欠点があ
る。

このような欠点を除去するため、減速機を介在させない
ダイレクトドライブのマスタアームも提案されているが
、この方式のものはマスタアームの寸法１重量が大きく
なり、システムが高価になる等の欠点があるため、実用
化するには問題があった。

本発明は上記の事情に基づきなされたもので、スレーブ
アームの負荷状態をマスク側に忠実に伝達することがで
き、しかもマスタアームが大型化、大重量化することな
く、比較的安価に構成できるパイラテラルマスタスレー
ブマニピュレータを提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のパイラテラルマスタスレーブマニピュレータは
、操作グリッパを具えこれにより操作されるマスタアー
ムの関節に関節のアクチュエータとしてパウダブレーキ
を設け、前記操作グリッパによって駆動されるマスタア
ームの動きに追従され操作グリッパによって操作される
ロボットハンドを具えたスレーブアームの対応する関節
にはブレーキ付減速電動機により前記関節を駆動する駆
動部を設け、前記パウダブレーキおよび前記駆動部には
各関節の角度を検出するポテンショメータを設け、前記
各ポテンショメータの出力により前記パウダブレーキお
よび前記駆動部を制御する制′御計算機とを設けたこと
を特徴とする。

（作用） 上記構成の本発明のパイラテラルマスタスレーブマニピ
ュレータにおいては、パウダブレーキをマスタアーム関
節における拘束力発生用に使用しているため、応答性に
優れしかもマスタアーム動作速度の影響を受けない高精
度の大きな拘束トルクを得ることができる。また、マス
タアームにおいては減速機を使用していないので、摩擦
トルク等の損失トルクを最小限とすることができ、無負
荷状態での力帰還を達成することができる。

（実施例） 第１図は本発明一実施例の斜視図である。この図におい
て、マスタアーム１１．スレーブアーム１２は同一構造
であり１回転・揺動・伸縮等の動作軸で構成された多自
由度の多関節ロボットアームである。この実施例では６
自由度のものとしである。前記マスタアーム１１の先端
に鉱操作グリッパ１３が設けてあり、スレーブアーム１
２の先端にはロボットハンド１４が設けである′。なお
、各アーム先端と前記操作グリッパ１３との間、ロボッ
トハンド１４との間には、それぞれ６軸カセンサ１５．
１６が設けられている。マスタアーム１１を構成するリ
ンク１７ａと１７ｂとの間の関節には、パウダブレーキ
１８が設けである。なお、１９はマスタアーム基台、２
０はカウンタウェイトを示す、一方、スレーブアーム１
２のリンク２１ａ、２１ｂ間の関節には駆動部２２が設
けられている。なお、２３はスレーブアーム基台を示す
。

第２図はパウダブレーキ１８をアクチュエータとするマ
スタアーム１１の揺動関節を示す図である。この図にお
いて、リンク１７ａに対して揺動されるリンク１７ｂは
リンク１７ａ先端の軸受２４に可回動に支承される軸２
５を有し、パウダブレーキ１８は前記軸２５に対して制
動力をおよぼすものとしである。また、軸２５にはポテ
ンショメータ２６の軸２６ａが固定され、ポテンショメ
ータ２６は軸２５の回動角を検出するものとさ九ている
。

第３図はスレーブアーム１２における揺動関節を示す図
である。この図において、リンク２１ａに対して揺動さ
れるリンク２１ｂには軸２７が固定され、この軸はリン
ク２１ａ先端の軸受２８に可回動に支承されている。な
お、駆動部２２はブレーキ付減速電動機２２ａを有し、
その出力軸２９は前記軸２７と固着されている０図中、
２２ｂはブレーキ、２２ｃは減速機、２２ｄはエンコー
ダを示している。さらに、軸２７にはポテンショメータ
３０の軸３０ａが固定してあり、ポテンショメータ３０
によって軸２７の回動角を検出するようにしである。

第４図は本実施例の電気的制御回路を示す。この制御回
路は制御計算機３１．６軸カセンサ１５．１６の出力を
増巾して前記計算機３１に６軸力センサ信号３２．３３
として印加する６軸カセンサ用アンプ３４．３５．計算
機３１からの印加電圧指令３６を受けてパウダブレーキ
１８を駆動するパウダブレーキ用サーボアンプ３７、パ
ウダブレーキ１８と軸を結合されたポテンショメータ２
６の出力をデジタルのポテンショメータ信号３８として
計算機３１に入力するＡ／Ｄコンバータ３９、計算機３
１の発する指令電流信号４０を受け、この信号とエンコ
ーダ２２ｄからフィードバックされるエンコーダ出力と
によって、駆動部２２の電動機２２ａを制御する電動機
用サーボアンプ４１、駆動部２２の軸２９と軸を結合さ
れたポテンショメータ３０の出力を、デジタル値のポテ
ンショメータ信号４２として計算機３１に入力するＡ／
Ｄコンバータ４３を有する。

上記構成の制御回路によってマスタアーム１１によるス
レーブアーム１２の駆動、制御は次のようにしてなされ
る。すなわち１通常は計算機３１はマスタアーム１１の
関節のポテンショメータ２６の出力により、スレーブア
ーム１２を駆動する駆動部２２の制御を行い、スレーブ
アーム１２の関節にマスタアーム１１の関節の屈曲に追
従した屈曲を行わせる。今、ここでスレーブアーム１２
のリンク２１ａ、２１ｂに作用する作業負荷トルクがマ
スタアーム１１の対応するリンク１７ａ、１７ｂ間の拘
束力よりも大きく、シかもスレーブアーム１２のリンク
２１ａ、２１ｂがマスタアーム１１のリンク１７ａ、１
７ｂに追従しようとすると、この追従により前記作業負
荷トルクが増大する方向にある場合には、マスタアーム
１１の関節の対応するトルクを前記トルクに追従制御す
るトルク制御がなされる。この制御は計算機３１によっ
てなされる。すなわち、計算機３１がポテンショメータ
２６，３０の出力をデジタル化したポテンショメータ信
号３８．４２．６軸カセンサ１５．１６の出力をデジタ
ル化した６軸力センサ信号３２．３３によって演算処理
を行い、指令電流信号４０を電動機２２ａ制御用のサー
ボアンプ４１に出力し前記のトルク追従制御を実行する
。

各関節のトルクＴは、アーム先端に作用する力→ Ｆ・モーメントＭとヤコビ行列Ｊの転置行列より次式か
ら求めることができる。

二二で、アーム先端に係る力Ｆ・モーメントＭは６軸カ
センサ１５．１６の出力から直接に求められる。また、
ヤコビ行列Ｊの転置行列Ｊ１は各関節のポテンショメー
タ２６．３０の出力から各関節の動作角度を求め、それ
等から演算によって求めることができる。

次に、マスタアーム１１の制御について説明する。マス
タアーム１１のリンク１７ａ、１７ｂ間の関節に設けら
れたパウダブレーキ１８は、スレ−ブアーム１２の先端
に作用する作業負荷によって制御される。すなわち、式
（１）から求めたリンクｉでの拘束トルクＴＭＩ、スレ
ーブアーム１２の作業負荷トルクＴ！１からそのリンク
ｉに作用させる目標ブレーキトルクＴＲＩは次式（２）
から求められる。

ＴＭｌＸＴ、１）Ｏの時 ＴＭ、　Ｘ　’ｒｓ　、≦Ｏの時 Ｔ、ｌ＝　　Ｏ・・・・・・・・・・・・　（２）この
値に比例した印加電圧指令信号３６が計算機３１からパ
ウダブレーキ用サーボアンプ３７に与えられ、パウダブ
レーキ１８は前記ブレーキ力Ｔｓ＋を作用させるよう制
御される。

上記から明らかなように本発明のパイラテラルマスタス
レーブマニピュレータは、′非常に簡単な構成で安価に
提供できる。

本発明のパイラテラルマスタスレーブマニピュレータで
は、パウダブレーキをマスタアーム関節における拘束力
発生用に使用しているため、応答性に優れしかもマスタ
アーム動作速度の影響を受けない高精度の大きな拘束ト
ルクを得ることができる。また、マスタアームにおいて
は減速機を使用していないので、摩擦トルク等の損失ト
ルクを最小限とすることができ、無負荷状態での力帰還
を達成することができる。

また、本発明のパイラテラルマスタスレーブマニピュレ
ータにおいては、スレーブアーム１２を負荷が増大する
方向に動作させる時だけマスタアーム１１に力を帰還さ
せて双方向効果を発揮させるようにしているから、カフ
ィードバックを必要としない自由空間内でのスレーブア
ーム１２の高速移動を行うことができる。すかわち、従
来の双方向マニピュレータにおいては、前記のような高
速移動を行うに際して駆動制御系の限界によってマスタ
アーム１１の操作負荷を完全に０とすることはできず、
これが操作員の疲労原因や遠隔臨場感の再現の妨げとな
っているのに対して１本発明のパイラテラルマスタスレ
ーブマニピュレータにおいては、前記のようにスレーブ
アーム１２の作業負荷がＯの状態では、マスタアーム１
１のパウダブレーキ１８は解放されることになるため、
マスタアーム１１を完全に無負荷状態で操作でき。

これを高速で操作してスレーブアーム１２の高速移動を
させることができるのである。

さらに、スレーブアーム１２の各関節の負荷トルクがマ
スタアーム１１の各関節の拘束力よりも大きく、且つス
レーブアーム１２がマスタアーム１１に位置追従すると
スレーブアーム１２の負荷がさ・らに増大するような場
合には、マスタアーム１１の各関節のトルクにスレーブ
アーム１２の各関節のトルクが追従するトルク追従制御
を行うようにしであるので、意図しない大きな作業負荷
がスレーブアーム１２に作用した時は即座にスレーブア
ーム１２の制御がなされ２作業負荷はマスタアーム１１
の指示する水準まで低下させられる。

【発明の効果コ 上記から明らかなように本発明のパイラテラルマスタス
レーブマニピュレータは、簡単な構造で安価に提供し得
るものであるにもかかわらず、スレーブアーム側の作業
負荷が忠実にマスタアーム側に伝達され、過大な作業負
荷が作用している場合には自動的にこれをマスタアーム
の要求している適正水準まで低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の斜視図、第２例は前記実施例
のマスタアーム要部の断面図、第３図はそのスレーブア
ーム要部の断面図、第４図は前記実施例の電気的制御回
路の流れ図、第５図Ａ〜第５図Ｃは従来のパイラテラル
マスタスレーブマニピュレータの代表的な３例を示す概
略構成図である。 １１・・・・・・マスタアーム　１２・・・・・・スレ
ーブアーム　１３・・・・・・操作グリッパ　１４・・
・・・・ロボットハカド　１５．１６・・・・・・６軸
カセンサ　１７ａ、１７ｂ、２１ａ、２１ｂ・・・・・
・リンク　１８・・・・・・パウダブレーキ　１９．２
３・・・・・・基台　２０・・・・・・カウンタウェイ
ト　２４．２８・・・・・・軸受　２５．２７゜２９．
２６ａ、３０ａ−軸　２６．３０−−−−−・ポテンシ
ョメータ　３１・・・・・・制御計算機　３２，３３・
・・・・・６軸力センサ信号　３４．３５・・・・・・
６軸力センサ用アンプ　３６・・・・・・印加電圧指令
信号　３７・・・・・・パウダブレーキ用サーボアンプ
　３８，４２・・・・・・ポテンショメータ信号　３９
．４３・・・・・・Ａ／Ｄコンバータ　４０・・・・・
・指令電流信号　４１・・・・・・電動機用サーボアン
プ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 操作グリッパを具えこれにより操作されるマスタアーム
   の関節に関節のアクチュエータとしてパウダブレーキを
   設け、前記操作グリッパによって駆動されるマスタアー
   ムの動きに追従され操作グリッパによって操作されるロ
   ボットハンドを具えたスレーブアームの対応する関節に
   はブレーキ付減速電動機により前記関節を駆動する駆動
   部を設け、前記パウダブレーキおよび前記駆動部には各
   関節の角度を検出するポテンショメータを設け、前記各
   ポテンショメータの出力により前記パウダブレーキおよ
   び前記駆動部を制御する制御計算機とを設けたことを特
   徴とするバイラテラルマスタスレーブマニピュレータ。