JPH0641119B2 - マニピユレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば橋梁下部の検査等、作業現場と操作
位置とが離れ、かつ障害物があって移動空間が限定され
るような場合に特に使用されるマニピュレータに関す
る。

［従来技術およびその問題点］ 橋梁下部、ビルの壁面、電柱上等での作業をマニピュレ
ータに代替させるためには、数〜数１０ｍ程度の長さを
持ち、かつ運搬の容易なマニピュレータが必要である。

従来、この種の装置としてはクレーンがあるが、これは
通常油圧駆動であるため、油圧ポンプ等の装置が大がか
りになり、また制御性能も比較的悪いという欠点があっ
た。また、このクレーンは固定長のアームをジョイント
部で折り曲げあるいは回転させる方式であるため、極め
て広い作業空間が必要であり、例えば橋梁下部の作業の
ように周囲に障害物があって限られた空間内を移動しな
ければならないような場合には不適当であった。

一方、現在工場等で使用されているマニピュレータは、
その多くが電動モータで駆動する方式であり制御性は良
好であるが、モータの重量を支えるためにアームの部材
を太くする必要があり、このため自重が重くなるという
欠点があった。また、一般にこのようなマニピュレータ
の可搬重量の対自重比は1/10程度であり、したがって１
０Kgの物体を把持するためにはマニピュレータの自重は
１００Kg以上になってしまうという問題もある。また、
これらの工場等で使用される屋内用マニピュレータは全
長が１〜２ｍであるが、これを橋梁下部等の作業が可能
なように数〜数１０ｍの長尺化を図った場合には、屋内
用マニピュレータに比べ数倍以上のモーメントが加わる
ので、これを制御するためにマニピュレータは大型にな
り、自重は数１００Kg以上になると予想され、現実の作
業に適用することは困難であると共に、前述したクレー
ンと同様に長尺のアームを用いるために、作業空間を広
くとる必要があり、障害物の近くでの作業には適さなか
った。

第１２図は、多関節型マニピュレータを橋梁下部の管路
の点検作業に使用することを想定した場合に必要な作業
空間（斜線部）を示し、第１３図はスライドアーム型マ
ニピュレータを上記と同様な状態で使用することを想定
した場合に必要な作業空間（斜線部）を示している。

前者の多関節型マニピュレータ１０１は、その固定端１
０３が橋梁１０５上に配置された運搬装置１０７に取付
けられ、橋梁１０５の下部のケーブル管路１０９等に対
し所定の作業を行なう。このような多関節型マニピュレ
ータ１０１はそのアーム１１１を互いに回転可能にジョ
イント１１３により連結されており、このジョイント１
１３の回転角を制御することによりアーム１１１を収容
した状態から第１２図に示すような作業状態に形状を変
える。その際図中の斜線で示す範囲をアーム１１１が移
動するため、欄干１１５や水道管１１７に衝突する場合
があった。

一方、後者のスライドアーム型マニピュレータは、アー
ム１１１がジョイント１１３でその長さ方向にスライド
し伸縮する機構によってマニピュレータ１０１の形状を
制御するものである。このスライドによりアーム１１１
を収容する場合、アーム１１１は長さが短縮するのでは
なく逆方向に突き出す格好になるため、アーム１１１は
第１３図に斜線で示す範囲を移動し、前述の多関節マニ
ピュレータと同様に欄干１１５や水道管１１７に衝突す
る場合があった。

そこで、上記のような障害物を回避する方法としてマニ
ピュレータのジョイントを多くして変形の自由度を増や
すことが考えられるが、この方法は構造が複雑になり多
数のジョイントを動かすモータ等の重量のため自重が重
くなるという問題があって実現は困難であった。

一方、リンク機構を用いた移動装置としては、パワーリ
フタが実用化されている。この装置は対向するリンクを
平行に設置したリンク機構を用いており、コンパクトな
構造で長いストロークを実現できる。ところが、この装
置は直線経路をもつ昇降機能を有するのみであるため、
橋梁下部のような曲線経路を必要とし、首位に障害物が
あるような場合には不適である。

この発明は、このような従来の問題点に着目して創案さ
れたもので、限定された空間内での曲線経路上の移動が
可能な小型軽量のマニピュレータの提供を目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この目的を達成するためにこの発明は、第１のリンクと
第２のリンクとをそれぞれ所定の比に内分する位置にて
前記各リンクを互いに回転可能に第１のジョイントで連
結してリンク機構の一要素を構成し、この一要素をリン
ク端にて第２のジョイントで互いに回転可能に複数連結
させたマニピュレータであって、前記第１のジョイント
を少なくとも一方のリンクに対しリンク長方向に移動可
能かつ連結可能に設け、さらに少なくとも１つの第２ジ
ョイントをリンク長方向に移動可能に設けた構成とし
た。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を第１図〜第１１図に基づき詳
細に説明する。

第１図〜第９図はこの発明の第１の実施例で、橋梁１の
下部にはケーブル用管路３が施設されており、この橋梁
１の上部には後述するマニピュレータ５を運搬する運搬
装置７が置かれている。

マニピュレータ５は、第１のリンク９と第２のリンク１
１とを互いに交差させてそれぞれ所定の比に内分する位
置にて第１のジョイント１３で互いに回転可能に連結し
てリンク機構１５の一要素を構成している。このリンク
機構１５の一要素はリンク端にて第２のジョイント１７
で回転可能に１０個直列に連結されている。

これら複数個のリンク機構１５のうち入力側すなわち運
搬装置７側から８個は第１のジョイント１３により各リ
ンク９，１１が各別に内分される比が２：３：３：２と
なる不等長リンク機構であり、この不等長リンク機構以
降の出力側２個のリンク機構１５は等長リンク機構とな
っている。

８個の不等長リンク機構のうち入力側端部のリンク機構
１５の第１のリンク９の端部は、運搬装置７に対し上下
方向に移動可能な入力端１９に回転可能に装着されてお
り、同じく第２のリンク１１の端部は運搬装置７に固定
された固定端２１に回転可能に装着されている。

２つの等長リンク機構のうち出力側端部のリンク機構１
５の第１、第２のリンク９，１１の端部には第２のジョ
イント１７を介して第３のリンク２３および第４のリン
ク２５の各一端が回転可能に取付けられており、この各
リンク２３，２５の他端は第３のジョイント２７により
互いに回転可能に結合されている。更に、この第３のジ
ョイント２７にはテレビカメラ、ロボットハンド等のエ
ンドフェクタ（手先効果器）２９が装着されている。

第２図はマニピュレータ５を構成するリンク機構の一要
素（不等長のリンクの一要素）を説明するための拡大さ
れた図であって、第１のリンクａと第２のリンクｂとは
第１のジョイントｃにより回転可能に連結されており、
入力側の第２ジョイントｄ，ｅの相対的位置を入力とし
て出力側の第２のジョイントｆ，ｇの相対的位置を出力
として得ることができる。この実施例では不等長のリン
クの比すなわちジョイントｃ−ｅ間の長さ、ジョイント
ｃ−ｄ間の長さ、ジョイントｃ−ｇ間の長さ、ジョイン
トｃ−ｆ間の長さの４つの値の比を２：３；３；２とし
てある。

ここで、第２図において第２のジョイントｄ，ｅ，ｇ，
ｆの座標をそれぞれＰ_１（ｘ_１（ｉ），ｙ_１（ｉ）），
Ｐ_２（ｘ_２（ｉ），ｙ_２（ｉ）），Ｐ_３（ｘ
_{１（ｉ＋１）}，ｙ_{１（ｉ＋１）}），Ｐ
_４（ｘ_{２（ｉ＋１}），ｙ_{２（ｉ＋１）}と置くとき、
Ｐ_１，Ｐ_２の位置を入力としてＰ_３，Ｐ_４の位置が次の
漸化式として与えられる。

ただし、ｄ^２＝（ｘ_２（ｉ）−ｘ_１（ｉ））^２＋（ｙ
_２（ｉ）−ｙ_１（ｉ））^２ ｌ_１（ｉ）；ジョイントｃとジョイントｄとの距離 ｌ_２（ｉ）；ジョイントｃとジョイントｅとの距離 ｌ_３（ｉ）；ジョイントｃとジョイントｇとの距離 ｌ_４（ｉ）；ジョイントｃとジョイントｆとの距離 とする。

上式を利用し、第１図に示したマニピュレータ５につい
て、入力側の第２のジョイント１７に対する出力側の第
２のジョイント１７の位置を、入力端１９側のリンク機
構１５から次々に計算してゆくことによって求めること
ができ、その結果、このマニピュレータ５は第３図から
第８図に示すような軌道上を移動し橋梁１の下部にある
管路３に対して所定の作業を遂行することができる。

第９図にマニピュレータ５の移動空間を斜線にて示して
いる。マニピュレータ５は、常にこの限られた領域内を
移動するため、周囲に多くの障害物がある場合にこれを
避けて作業をすることが可能となる。

このようなマニピュレータ５の移動経過、姿勢および移
動空間等は各リンクの長さならびにジョイントの位置を
適宜設定することにより任意に決定できる。

第１０図は第２の実施例を示す第２図に相当するリンク
機構の一要素を表わしている。この実施例は第１のリン
ク３１と第２のリンク３３とにそれぞれリンク長方向に
溝３５，３７を設け、この２つの溝３５，３７内を第１
のジョイント３９がそれぞれ移動可能、かつ移動した後
には第１のリンク３１と第２のリンク３３とを連結可能
な状態で設けられている。なお、符号４１はリンク機構
同志を互いに連結する第２のジョイントである。この移
動可能なジョイント３９の位置により決定する各リンク
３３，３５の内分比は橋梁現場の寸法に合わせて作業前
に設定してもよいが、現場における障害物の存在を考慮
すると、マニピュレータの操作中に第１のジョイント３
９を調整しながら目標物に近接させるのがよい。なお、
第１のジョイント３９の位置調整用動力源として、小型
の油圧あるいは空気圧モータ等を用いてもよい。

第１１図は第３の実施例を示している。この実施例は第
１のリンク４３と第１のジョイント４５にて回転可能に
互いに連結する第２のリンク４７をボールねじ４９で構
成し、このボールねじ４９上を第２のジョイント５１ｄ
が設けられたナット部材５３が移動することで、第１の
ジョイント４５と第２のジョイント５１ｄとの間隔を適
宜長に設定することができる。ナット部材５３の移動は
手動または第２のリンク４７に組込んだモータにより行
なう。なお、符号５１ａ，５１ｂ，５１ｃは第２のジョ
イントである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、第１のリンクと第２の
リンクとをそれぞれ所定比に内分する位置にて各リンク
を回転可能に第１のジョイントで連結したリンク機構を
第２のジョイントで複数個連結したため、小型軽量に構
成でき、しかも障害物があって移動空間が限定されるよ
うな作業現場であってもこの障害物を回避して所定の作
業を行なうことができる。さらに、第１のジョイントを
少なくとも一方のリンクに対しリンク長方向に移動可能
かつ連結可能に設け、さらに少なくとも１つの第２ジョ
イントをリンク長方向に移動可能に設けたため、第１ジ
ョイントの位置を任意の位置に移動させ、かつその位置
において第１のリンクと第２のリンクとを連結させるこ
とにより、第１リンクと第２リンクの内分比を任意に設
定し、その比率に応じた動きとすることができると共
に、その設定を場所や時間に限定されることなく状況に
応じて自由に変えることができ、さらに第２のジョイン
トの位置を任意の位置に移動させることにより、第１の
リンクと第２のリンクとのリンク長を任意に設定するこ
とができ、その現場の状況に応じて、リンクの内分比や
リンク長を所定の値に設定して、障害物等を回避して任
意の経路を選択することができるばかりでなく、操作中
においても、リンクの内分比やリンク長を変えて、複雑
な経路を選択することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図はこの発明の第１の実施例に係わり、第
１図は作業現場である橋梁まわりに配置したマニピュレ
ータの構成図、第２図は第１図のマニピュレータを構成
するリンク機構の一要素の説明図、第３図〜第８図はマ
ニピュレータの移動経過を示す説明図、第９図はマニピ
ュレータの移動空間を示す説明図、第１０図は第２の実
施例のリンク機構の一要素の正面図、第１１図は第３の
実施例のリンク機構の一要素の正面図、第１２図は従来
の多関節型マニピュレータの移動空間を示す説明図、第
１３図は従来のスライドアーム型マニピュレータの移動
空間を示す説明図である。 ５…マニピュレータ、９…第１のリンク １１…第２のリンク、１３…第１のジョイント １５…リンク機構、１７…第２のジョイント

フロントページの続き (72)発明者 石原 浩志 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (56)参考文献 特開 昭57−107788（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−160790（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のリンク（９）と第２のリンク（１
   １）とをそれぞれ所定の比に内分する位置にて前記各リ
   ンクを互いに回転可能に第１のジョイント（１３）で連
   結してリンク機構（１５）の一要素を構成し、この一要
   素をリンク端にて第２のジョイント（１７）で互いに回
   転可能に複数個連結させたマニピュレータ（５）であっ
   て、前記第１のジョイント（１３）を少なくとも一方の
   リンク（９）（１１）に対しリンク長方向に移動可能か
   つ連結可能に設け、さらに少なくとも１つの第２ジョイ
   ント（１７）をリンク長方向に移動可能に設けたことを
   特徴とするマニピュレータ。