JPH0230484A - マニピユレータ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マニピュレータ等の多関節機構に係り、特に
、人間が容易に接近できない作業域において、遠隔作業
を実現するのに好適なマニピュレータに関する。

〔従来の技術〕

従来のマニピュレータは、マニピュレータ基部に、電動
モータ等の関節駆動装置を設置し、マニピュレータ基部
、及び、関節部をワイヤローブ、あるいは、同軸円筒状
のドライブチューブを用いて動力を伝達している。これ
らの方式では、各関節の動力伝達手段が腕の内部を通り
、各関節軸に結合されているので、任意の関節の分解、
点検には、これらの動力伝達手段を全てはずす必要があ
り、分解・再組立が非常に難かしく、また、多くの作業
時間を必要とした。また、直接能動方式のマニピュレー
タとして、各関節部に電動モータ等の関節駆動装置を配
置する方法もあるが、このマニピュレータでも、任意の
関節の分解９点検には、各関節部に配置された関節廓動
用モータ等の動力線、あるいは、制御信号を伝送する信
号線を全てはずす必要があり、分解・再組立が非常に難
しく、多くの作業時間を必要とした。また、これらの両
方式のマニピュレータは、いづれも、あらかじめ、マニ
ピュレータを使用する環境、目的によって、関節の数、
関節の動作方向を設定し、その条件によってマニピュレ
ータを製作するため、マニピュレータを使用する環境、
目的が異なる場合には、マニピュレータを新たに作り直
さねばならないという問題点もあった。これらの問題点
を解決する手段として、特開昭６０−８０５９１号公報
に示されているように、各関節をモジュールとして独立
させ、複数個のモジュールをそれぞれ接続することによ
り、任意の関節の数、任意の関節の動作方向を得る手段
が考案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの方式でも、制御信号、センサ信号等を電気的に
伝送するため、その信号線の数が多い。

このため、各モジュール同士の接続部で、コネクタ等の
手段で多数の信号線を接続するため、接続部の構造が複
雑になり、接触不良、あるいは、誤接触によるマニピュ
レータの動作不良を起こす可能性があった。又、多数の
電気的信号線に起因するこれら問題点を解決する手段と
して、制御信号等の信号を電気信号としてではなく、大
きな情報伝送能力をもつ光信号に変換し、数少ない光信
号線で伝送する手段が考えられる。モジュール型マニピ
ュレータに光伝送を応用した例は見当らないが、通常の
マニピュレータの制御信号等を光伝送する例として、特
開昭６１−２８４３８７号公報、特開昭６２−１０２９
８９号公報に記載されたものが考案されている。

特開昭６１−２８４３８７号の発明は、通常のマニピュ
レータにおいて、マニピュレータ制御装置と、マニピュ
レータ先端に取付けたハンド部、及び、センサ部との間
を電気−光変換器、光−電気変換器を介し、光フアイバ
ケーブルで接続し、ハンドを制御する。この発明では、
光ファイバを複数個のマニピュレータ関節部を通してマ
ニピュレータ先端のハント部に接続しているため、マニ
ピュレータの動作時に一本の光ファイバの複数箇所で同
時に異った方向へ屈曲されるため、光ファイバが破損す
る可能性が高く、又、破損時の光ファイバの交換に多大
の時間を要するといった問題点があった。

特開昭６２−１０２９８９号の発明は、制御信号等を伝
送する信号線をマニピュレータの内部に固定し、かつ、
マニピュレータ関節部では、関節回転軸と同軸に取り付
けた回転可能な鏡、及び、関節を構成する二つの腕部に
取り付けた発光器、受光器からなる光学系を構成し、制
御信号等は、発光器より光信号として発信され、鏡で反
射し、受光器で受信する。この発明により、前述した光
ファイバの屈曲による問題点へは対応できるが、マニピ
ュレータの各関節部に発光器、回転鏡、受光器からなる
光学系をそれぞれ設ける必要があり、関節部構造、ひい
ては、マニピュレータ構造が複雑となる。また、関節内
部に設けられた発光器、受光器の光通信を鏡を介して行
うため、光学のよごれは信号を減衰させ、マニピュレー
タを誤動作させる可能性がある。さらに、鏡で光信号を
反射させるために、光学系１こずれが生しるとマニピュ
レータの動作不良、あるいは、誤動作に継がる可能性が
ある。

制御信号等を光ファイバを用いず、直接光信号として無
線伝送する例として、特開昭５５−１２５９９５号公報
に記載の発明がある。この発明は、関節部をもたない直
線状のアームに取り付けた走行体と、アーム両端に取り
付けた発光器、受光器間で光通信を行い、発光器から受
光器の間を遮へい管で被覆することにより光伝送路の遮
断を防ぐものであるが、この発明は関節部をもたないシ
ステムを対象としており、この発明を多関節マニピュレ
ータへ応用する時はマニピュレータ各腕の内部、あるい
は、外部に遮へい管を取り付ける必要があり、マニピュ
レータ自体の構造が複雑となり、がっ、寸法的にも大き
くなるといった問題点がある。

本発明の目的は、一関節を含む腕モジュールの各モジュ
ール間の接続部を簡単な構造とし、任意の関節数、任意
の関節動作方向をもつマニピュレータを提供することに
ある。

（１題を解決するための手段〕 」二記目的は、一関節をもつモジュールを複数個接続し
て構成されるマニピュレータにおいて、各モジュール内
は光信号線で、また各モジュール間の接続は光無線でそ
れぞれ制御信号、センサ信号等を伝送することにより達
成される。

〔作用〕

本発明では、一関節を含む腕モジュールから構成された
多関節マニピュレータにおいて、各モジュール間を各モ
ジュール内部に設けた光通信装置と、簡単な構造で、か
つ、確実に接続のできる光コネクタを介して信号伝送を
行っているので、各モジュールの接続部の構造を簡単な
ものとし、マニピュレータを構築する時の自由度を高め
ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明による腕モジュールの構成例であり、
第２図は第１図に示した腕モジュールで構成した多関節
マニピュレータの例である。

第２図に示された多関節マニピュレータは、複数個の腕
モジュールと一個の手先機構１８とが相互に接続されて
構成されており、−個の腕モジュールは、腕モジュール
」５と腕モジユール接続部１６とから構成されている。

各モジュールの接続に当っては腕モジユール本体１５ａ
〜１５ｅ、及び、手先機構１８をそれぞれ腕モジユール
接続部１６ａ〜１６ｅで接続し、多関節構造とする。各
モジュール群の末端である腕モジユール本体１５ａは、
マニピュレータの基部１９上にマニピュレータ接続部１
７を介して接続されている。マニピュレータ基部１９は
、その使用環境、使用目的に応し、床等に固定しても良
く、あるいは、第２図中には図示していないが、何らか
の移動機構」二に固定される。腕モジユール本体１５ａ
〜１５ｅは全て同一の機構であり、その関節動作方向は
、各腕モジユール本体１５ａ〜１５ｅの回転軸２５ａ〜
２５ｅまわりに動作し、その方向は腕モジユール本体１
５ａ〜１５ｅを腕モジユール接続部１．６　ａ〜１．６
　ｅで接続する時に任意に設定される。

また、マニピュレータ接続部１７と手先機構」−８の接
続部は各腕モジユール接続部１．６　ａ〜１６ｅと同一
の構造で作られている。

第２図に示された多関節マニピュレータは、マニピュレ
ータの基部ユ９に接続される信号線２３゜２４を介して
制御装置２０により制御される。制御装置２０で設定さ
れた関節屏動信号は信号線２３を介して、各腕モジユー
ル本体１５ａ〜１５ｅ内部の電動モータ等へ与えられ、
各腕モジユール本体１５ａ〜１５ｅ内部の関節部の動作
角度、あるいは、手先機構１８の、例えば、接触信号等
は信号線２４を介して制御信号２０へ伝送される。また
、各モジュール内の関節を駆動するための電気は、電源
２１より動力線２２を介して各腕モジユール本体１５ａ
〜］、　５　ｅへ供給される。。

第２図に示した腕モジユール本体１５ａ〜１５ｅ、及び
腕モジユール接続部１６８〜１．６　ｅは全て同一の構
造であり、その構造を腕モジユール本体１．５　ｂ、及
び、腕モジユール接続部］−６１）を例にとって第１図
に示す。

腕モジユール本体１５ｂの内部には、関節を動作させる
ために、電動モータ１１ｂ、減速機１２ｂ、及び、関節
駆動部１３ｂが一つのシャツ１〜２８ｂ、２９ｂで結ば
れており、電動モータ１１ｂの回転、及び、トルクは減
速機１２１〕を介して関節駆動部１３ｂへ伝達される。

第１図の例では、電動モータｌｌｂで発生した回転、及
び１〜ルクは、関節駆動部１３ｂの内部で、直角方向へ
変えられる。関節駆動部１．３　ｂのシャツ１〜２７ｂ
は、腕モジユール接続部１６ｂの一端に固定され、さら
に、電動モータｌｌｂ、減速機１．２　ｂは腕モジユー
ル本体１５ｂの内部に固定（図示せず）されており、ま
た、腕モジユール本体１５ｂと、関節駆動部１３ｂのシ
ャツｈ　２７　ｂが固定された一端とは自由に動く構造
であるため、電動モータ１１ｂで発生した回転、及び、
１−ルクにより関節は任意の角度に設定されることが可
能である。

また、腕モジユール接続部１６ｂの他の一端は、別の腕
モジユール本体］、　５　ｃと接続される。この接続は
バヨネツ１−式等着脱が容易な方式で接続され、腕モジ
ユール接続部〕−６ｂと他の腕モジユール本体１５ｃは
固定される。

また、関節を駆動するための方式として、その−例を第
１図に示しているが、その構成が第１図に示した例に限
定されないこともいうまでもない。

次に、電動モータｌｌｂを能動するための電源は、第２
図に示した電源２］より、動力線２２を介し、各腕モジ
ユール本体１．５　ａ〜１５ｅの内部に設置された動力
線８ｂを介して、電動モータ］、　１．　ｂに供給され
る。この時、動力線８ｂの一端は、腕モジユール接続部
３−６　ａと腕モジユール本体１５ｂとの接続部におい
て着脱が容易な動力線コネクタ９ａ、ｉｏｂによって接
続され、更に、他の一端は同様に動力線コネクタ９ｂ、
［、Ｏｃ目こよって接続されている。

また、第２図に示した制御装置２０と各腕モジユール本
体１５ａ〜１．５　ｅとの制御信号は各腕モジユール本
体１５ａ〜１５ｅ内部、それぞれ、設置された光通信装
置］１）を介して接続される。第２図に示した制御装置
２０に接続された信は線２３．２４は、第３図に示すよ
うに、マニピュレータの基部１９の内部に設けられた電
気−光変換器３０、及び、光−電気変換器３１を介し、
各腕モジユール本体１５ａ〜ｉ　５　ｅ内部では光信壮
として伝送される。この場合、伝送される信号は、各腕
モジユール本体１５　ａ〜１５　ｅの内部しこ設けられ
た電動モータｌｌａ〜１ｉｅ（ｌｌａ。

］１ｂのみ図示）及び、手先機構１８内部に設けられた
手先用電動モータ３８を制御するための制御信号、及び
関節駆動部の動作角度等を検出するだめのセンサ１４及
び手先用センサ３９のセンサ信号、また、図示していな
いが、各腕モジユール本体１５ａ〜１５ｅが他の物体と
の衝突等を防ぐための外界センサ信号、あるいは、手先
機構１８が、例えば、物を把握した時のセンサ信号等多
数の信号を第２図に示した制御装置２０と腕モジユール
本体１５ａ〜１．５　ｅ、及び、手先機構１８との間で
伝送する必要がある。そこで、第１図に示した例では、
腕モジユール本体１５ｂの内部で電動モータ１」−ｂを
制御するための複数の制御信号線２ｂ、および、関節駆
動部１３ｂに取り付けられたセンサ１４　ｂのセンサ信
号を伝送するためのセンサ信号線３ｂを光通信装置１ｂ
と接続し、この光通信装置１ｂは、第２図に示した制御
装置２０と光コネクタ６ａ、７ｂを介し、−本あるいは
二本の光信号線４ｂによって接続される。また、腕モジ
ユール本体１５ｂの光通信装置１ｂと次に接続された腕
モジユール本体１５ｃ内部の光通信袋Ｗ］、ｃ（図示せ
ず）とは、−本あるいは二本の光信号線５ｂ、及び、光
コネクタ６ｂ、７ｃを介して接続される。

第２図に示した制御装置２０と腕モジユール本体１．５
　ａ〜１５ｅ、及び、手先機構１８間の信号伝送につい
て、第３図により説明する。第３図では、説明をわかり
やすくするため、制御袋ｆｆ１２０より出される信号は
電動モータ１．１　ａ〜］、　１　ｅ、及び、手先用電
動モータ３８を制御するための制御信号を代表として一
本の光信号線で伝送（一方向）し、制御装置２０へ戻る
信号は各モジュール内のセンサ１．４　ａ〜１４　ｅ、
及び、手先用センサ３９のセンサ信号を代表として一本
の光信号線で伝送（一方向）することとする。第３図に
示した制御装置２０より出されるモータの制御信号は信
号の行先き（番地）と制御指令値（データ）の組合わさ
れた電気信号として出される。例えば、〔番地）　　：
　　ｌ：］−１，ａ〕、　　（データ〕：〔時計まわり
１０度〕、〔番地）：（１１ｂ〕、Ｃデータ〕　：〔時
計まわり２０度〕という指令が出された場合、電動モー
タｌｌａ、ｌｌｂをそれぞれ〔データ〕で示された方向
に示された角度だけ動かし、他のモータは動作させない
規則とする。この場合、制御器Ｗ２０より出された制御
信号（電気信号）は信号線２３を介し、電気−光変換器
３ｏで光信号へ変換され、この光信号は制御指令光信号
線４２、光コネクタ３５．７ａを介し光通信装置１ａに
入力される。光通信装置！　ａの内部では制御信号管理
器４．８　ａが〔番地〕が（ｌｌａｌの〔データ〕のみ
を読み出し、この信号を信号ｔｌ！　２　ａを介して？
ｌＪモータｌｌａへ入力する。一方、〔番地〕が（１１
−ａ）以外の〔データ〕は制御指令光信号線４４　ａ、
光コネクタ６ａ、７ｂ、制御指令光信号線４４　ｂを介
して次の光通信装置１ｂへ伝送される。又、制御装置２
０へ戻る信号も同様に〔番地〕。

〔データ〕を組合わせた光信号として、例えば、センサ
１４ｂが検出したデータはセンサ信号線３ｂを介し、セ
ンサ信号管理器４−９　ｂより〔番地〕：（１４，ｂ）
、（データ〕：〔時計まわり２０度〕として出力される
。この出力信号は、戻り光（ｉ帰線４５ｂ、光コネクタ
７’　ｂ、６’　ａ、戻り光信号線４５ａ、光コネクタ
７′　ａ、３５’　、戻り光信号線４３を介し、光−電
気変換器３１で電気信号へ変換され、信号線２４を介し
、制御器ｗ２゜へ入力される。この時、センサ１，４ｂ
以外の、例えば、センサ１４ａの信号も同様にセンサ信
号管理器４９ａより出力される。この時、前述のセンサ
１４．　ｂの出力信号とセンサ１４ａの出力信号が重な
らないように管理されて出力されることはいうまでもな
い。センサ１４．ｂ、１４ａより出力された信号は制御
装置２０内で、信号の出方元（番地）とセンサの検出量
（データ）とを判別し、例えば、電動モータの制御量へ
フィードバックされる。〔番地〕と〔データ〕の組合わ
せで信号を伝送することにより、各腕モジユール側の〔
番地〕をモジュール固有の〔番地〕とすれば、モジュー
ルの組替えを行った場合、制御装置２ｏ内で組替え前後
の〔番地〕の対数表を自動的に、あるいは、操作者が手
動で作成することにより、制御シーケンスを変える必要
がなくなるという利点がある。

また、第３図の例は二本の光信号線を用いているが、−
本の光信号線で双方向通信で伝送できることはいうまで
もない。

第１図に示した構成とすることにより、従来のモジュー
ル型マニピュレータでは、接続するモジュールの数、及
び、センサの種類を想定し、その最大数の信号線をあら
かしめコネクタとして設定しておく必要があり、また、
信号線の数が多く、どうしても接続部が複雑とならざる
を得なかったが、本発明により簡単な構造で多数のモジ
ュールを自由に接続することが可能となる効果がある。

腕モジュール本体コ−５ｂの接続部における光コネクタ
６ａ、７ｂ、７ｃ、６ｂは、着脱が容易でかつ、光信号
を確実に伝送できる方式で接続されることが必要である
。第１図の例では、電動モータｌｌｂで発生した回転、
及びトルクは減速機１２ｂ、関節鄭動部１３ｂ、シャフ
ト２７ｂを介して関節部を即動するが、この時、電動モ
ータ１］−ｂ、減速機１．２　ｂ等が固定されている腕
モジユール本体１５ｂに対し、シャツｌ−２７ｂの一端
に固定された腕モジユール接続部１．６　ｂがシャフト
２７ｂの回転中心を軸として回転運動を行う。

又、腕モジユール接続部１６ｂは他の腕モジユール本体
１５ｃとバヨネット方式等の方法で接続されており、こ
の接続部は接続後機械的に固定されるため、相対位置の
ずれは発生しない。そこで、光コネクタ６ｂ、７ｃは光
信号線５１．）　、　４　ｃ同士を機械的に接続するよ
りも光無線方式とするカが接続が容易となる。この例を
第４図に示す。第４図の例では第２図に示した制御装置
２０がら出された制御信号は、光通信線５ａを通り、光
通イｄ線５ａの一方の端に取り付けられた通信制御器３
４ａを介し、腕モジユール接続部１６ａに取り付けられ
た発光器３２ａへ送られ、発光器３２．）は、制御信号
に基づいてレーザ発光を行う。発光器３２８より発信さ
れた光信号は、腕モジユール本体１５ｂに取り付けられ
た受光器３３ｂが受光し、その信号は、通信制御器３４
　ｂを介し、光信号線４ｂへ送られる。また、センサ信
号等、マニピュレータ側から第２図に示した制御装置２
ｏへ送られる信号は、前述とは逆に光信号線４１〕→通
信制御器３４−　ｂ→発光器３２　＋）→受光器、３３
　ａ→通信制御器３４−　ａ→光光信縁線５ａ順に伝送
される。第４図に示した例では、光信号線５ａ及び光信
号線４ｂは、それぞれ、双方向通信を行う場合の例であ
るため、通信制御器３４ａ、３４．ｂを設けているが、
例えば、光信号線５ａを二本として一方向のみの通信を
行う構成とすれば、通信制御器３４ａを省略できること
はいうまでもない。このように、各腕モジユール内部に
それぞれ光コネクタを設けることにより、信号線数の削
減、及び簡単、かつ、確実に接続できる。

第５図は、第１図に示した本発明の変形例を示す図であ
り、この変形例では腕モジユール本体１５ｂの内部にバ
ッテリ２６ｂを内蔵した例である。各腕モジユール本体
１５ａ〜１５ｅ、及び、手先機構１８の内部しこ、それ
ぞれ、バッテリ２６ａ〜２６ｆ　（２６ｂのみ図示）を
内蔵すること番こより、第２図に示した電′ｔＸ２１、
および動力線２２、さらに第１図に示した動力線コネク
タ９　ａ　、　］、　Ｏｂ　、　１０　ａ　、　９　ｂ
を省略することができ、各腕モジユール接続部１６ａ〜
１６ｅ、及び、腕モジユール本体１．５　ａとマニピュ
レータの基部１９とのマニピュレータ接続部１７の構造
をより簡単にすることができる。

第５図に示したバッテリ２６として、超伝導技術を応用
したバッテリを設置してもよい。

本発明は第２図に示すマニピュレータと回しように複数
の関節をもつ機構に有効であるため、第１図、第５図以
外の実施例として、土木、建築用に使用されるクレーン
、レッカー等の多関節機構、ロボツ１−の視覚装置の雲
台部分に用いられる多関接機構部分、ロボッ１へ用点検
装置として利用されている超多関節機構、熱交換器細管
を検査するロボットの多関節機構等のように、複数の関
節にもち、センサ、制御等の信号線が多数必要な機構へ
応用することができる。

また、接続部における光通信を光無線で行うことから接
続不良に基づくマニピュレータの動作不良がなくなり、
同時に、メンテナンスも容易となる。さらに、構造が簡
単なため、分解、点検が容易、かつ、単時間で可能とな
り、例えば、本マ二ピュレータを原子力発電施設等の放
射線環境下で使用する場合には、作業員の被ばく低減に
効果がある。

また、本発明の変形例に示したように、各モジュール毎
にバッテリを内蔵させれば、マニピュレータを使用する
環境の電源の有無、あるいは停電時にもマニピュレータ
を動作させることが可能となり、特に、マニピュレータ
動作中の停電時に必要最少限の動作をさせ得るため、マ
ニピュレータ作業の効率向上、安全確保に効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、接続部の構造が簡単となり、腕モジュ
ールの交換等における故障を少くなくすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の腕モジュールの縦断面図、
第２図は本発明の斜視図、第３図は信号伝送方法の一例
を示すブロック図、第４図は、光コクネタ部の説明図、
第５図は、第１図の変形例を示す断面図である。 １・光通信装置、２・・・制御信号線、３・センサ信号
線、４・・光信号線、５・光信号線、６，７・光コネク
タ、８　動力線、９，１ｏ　・動力線コネクタ、１１　
・電動モータ、１２　・減速機、」３　関節鄭動部、１
４　センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一関節をもつモジュールを複数個接続して構成され
   るマニピュレータにおいて、 前記各モジュール内は光信号線、前記各モジュール間の
   接続は光無線で制御信号、センサ信号等を伝送すること
   を特徴とするマニピュレータ。 ２、前記モジュールの関節駆動用制御信号、前記センサ
   信号等を前記各モジュール内に設けた光通信装置により
   、前記各モジュール内のみで独立させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のマニピュレータ。 ３、前記各モジュールの両端にそれぞれ発光器、受光器
   を設け、前記光無線方式により光通信を容易とする光コ
   ネクタを設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のマニピュレータ。 ４、前記各モジュール内に超伝導バッテリ等の電源を内
   臓させたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   マニピュレータ。 ５、特許請求の範囲第１項において、 前記各関節部をモジュール構造とし、前記各モジュール
   内は前記光信号線、前記各モジュール間を光無線として
   前記制御信号、前記センサ信号等を伝送することを特徴
   とする多関節機構。