JPH0645109B2

JPH0645109B2 - 遠隔操作マニピユレータ装置

Info

Publication number: JPH0645109B2
Application number: JP58004626A
Authority: JP
Inventors: 正宗像
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1994-06-15
Anticipated expiration: 2009-06-15
Also published as: JPS59129676A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は遠隔操作マニピユレータに関し、特にその制
御、操作方式に係わるものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、原子力発電の普及に伴なつて、使用済み核燃料の
再処理あるいは放射性廃棄物の処理施設が必要になつて
きている。この処理施設においては、高レベルの放射能
をもつ環境下であるために人間による作業が困難であ
り、特に施設内機器のメンテナンスはマニピユレータな
どを使つた遠隔操作によらざるを得ない。そのため、原
子力発電施設においては、格納容器内および一次冷却水
配管系に対する点検あるいはバルブ開閉などの軽作業
を、作業員の放射能被曝低減を目的として遠隔操作化し
ようとする試みが具体化しつつある。かかる状況の下
で、近年遠隔操作技術の重要性はますます増大してい
る。なかでも、人間の手の機能を代行するマニピユレー
タには、更に高度な性能と良好な操作性が要求されるよ
うになつてきている。

従来、この種のマニピユレータの操作方法としては、大
別すると下記の３つの方式がある。

第１の方式は、実際に作業を行なうスレーブアームを、
これと同一あるいは相似の幾何学的形状をなすマスタア
ームと連動させ、オペレータがマスタアームの終端軸に
設けられたハンドルを手に持つて必要な動作を行なわせ
ることにより、スレーブアームを操作するものである
（マスタスレーブ方式）。この方式では、マスタアーム
とスレーブアームが同一または相似の形状をなすという
特徴を活かし、スレーブアームに作用する外力に起因す
るマスタアーム、スレーブアームに作用する外力に起因
するマスタアーム、スレーブアーム相互の位置ずれをも
とに、スレーブアームを介してオペレータの腕に力をフ
イードバツクする方式（バイラテラル制御方式）を採用
することができる。そのため、この方式は力感覚を必要
とする組立て、ねじ締め等の細かい作業に適している。
しかしながら、オペレータが実際に身体を動かして操作
しなければならないために疲労を伴ない、長時間の作業
に適さないという欠点がある。

第２の方式は、マニピユレータの各動作軸の動きを個別
のスイツチあるいは多自由度の操縦桿の各自由度に割り
付けて、これらを操作しているマニピユレータの各動作
軸を動かすものである。この方式は他の方式と比較する
と簡便ではあるが、マニピユレータの作業空間における
動作方向と操作桿あるいはスイツチの操作方向とが対応
せず、オペレータの習熟に長時間を要し、かつ細かな作
業が困難であるという欠点がある。

第３の方式は、第２の方式と同様に多自由度の操縦桿を
用いるが、その操作方向とマニピユレータの作業空間に
おける動作方向とを一致させるために計算機を介在さ
せ、操縦桿により入力された指令値を演算してマニピユ
レータの各軸の動作速度を求め、これによつてマニピユ
レータを指令された方向に動作させるものである。この
方式によればオペレータの方向感覚および距離感覚がそ
のまま生かされるため、操作が容易であり身体の疲労も
少ない。しかし、位置および姿勢の最低６自由度を有す
るマニピユレータの全自由度を制御するため、計算機に
高度な性能と速い演算速度が要求される。また、組立て
等の細かい作業には必須となる力感覚を付与するために
は、マニピユレータの手先に作用する力を検知するセン
サー、検知された力を自由度構成の異なる操縦桿を介し
てオペレータの手にフイードバツクせしめる制御装置お
よびアクチユエータ等が必要になる。その結果、装置の
規模が大きくなり、設備費もかさむという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記の従来技術の欠点に鑑みてなされたもの
で、操作性が良好で細かい作業に適し、操作に伴なうオ
ペレータの肉体的精神的疲労を最小限にとどめ、かつ簡
単で安価な遠隔操作マニピユレータを提供することを目
的とする。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため本発明は、複数自由度を有
し、先端に配設した把持部を空間的に任意に位置決めす
るマニピュレータと、前記マニピュレータの把持部を姿
勢を決める自由度及び把持の自由度に対応した自由度を
有する一本のマスタハンドルと、前記マニピュレータの
把持及び把持部の姿勢の自由度と、前記マスタハンドル
の自由度とをバイラテラル制御する制御手段と、前記マ
スタハンドルに配設したスイッチ群により前記マニピュ
レータの把持部の姿勢を基準として選択入力された動作
方向と、前記マスタハンドルが支持される操作卓に配設
された設定器により設定された単位動作量と、前記マニ
ピュレータの各自由度の位置情報とを用いて、このマニ
ピュレータの各自由度の移動量を演算し、この演算結果
に基きマニピュレータを動作させる制御手段と、を備え
たことを特徴としている。

〔発明の実施例〕

第１図乃至第６図を参照して本発明の一実施例を説明す
る。第１図は一実施例の斜視図である。マニピユレータ
１の先端に設けられる把持部２は、手首部３を介して上
腕４および前腕５からなるアーム部に取り付けられる。
ここで、支持体１ａに取り付けられた上腕４は軸１ｂを
中心にθ_１方向（振り方向）に回動自在になつており、
かつθ_２方向（ひねり方向）にも回動自在になつてい
る。また、上腕４に取り付けられた前腕５は軸４ａを中
心にθ_３方向（振り方向）に回動自在になつており、か
つα方向にも回動自在になつている。さらに、前腕５に
取り付けられた手首部３は軸５ａを中心にβ方向に回動
自在になつており、かつ手首部２はγ方向にも回動自在
になつている。このように、マニピユレータ１は腕部に
手首部３の空間的位置を決める３自由度θ_１，θ_２，θ
_３を持ち、かつ手首部３に姿勢の３自由度α，β，γを
持つているので、把持部２を作業空間の任意の位置、方
向に移動させることができる。

マニピユレータ１を遠隔操作するための操作卓６には、
姿勢の３自由度と把持の１自由度の４自由度を持ち、
前、後、左、右、上、下の移動方向を選択する６個のス
イツチ群SW_1a，SW_1b，SW_1c，SW_1d，SW_1e，SW_1f（方向切
換スイツチ）を備えたマスタハンドル７が設けられてい
る。また、前面パネルにはマニピユレータ１の移動ステ
ツプ幅Ｕを設定するためのデイジタルスイツチSW₂、マ
ニピユレータ１の作業空間に向けられたテレビカメラ８
からの映像を映し出すモニタテレビ９が設けられてい
る。フツト式の非常停止スイツチSW₃は操作卓の前記下
部の下方に設けられ、操作卓６とテレビカメラ８および
マニピユレータ１はケーブル10により接続されている。

第２図はマスタハンドル７の縦断面図であり、第１図と
同一の要素は同一の符号で示してある。操作卓６に固着
されたマスタハンドル７の基部７ａには、Ｕ字形の第１
のフレーム７ｃが基端に設けられた回転支持軸７ｄをも
つて水平方向に回動自在に取り付けてある。回転支持軸
７ｄに固着された平歯車７ｅには、この回転角α_ｊを検
出するための検出器Ｓ_８の軸に固着されたピニオン７ｆ
と、電動アクチユエータＭ_８の軸に固着されたピニオン
７ｇとが噛合つている。また、第１のフレーム７ｃには
Ｕ字状のフレーム両端部近傍に軸７ｈが回動可能に支持
され、この軸７ｈに第２のフレーム７ｉが固着されてい
る。このため、第２のフレーム７ｉは軸７ｈを中心とし
て第１のフレーム７ｃの回動方向と直角な方向に回動可
能な構成になつている。第２のフレーム７ｉは自由端側
がせり上つた形状となつており、このせり上り部分に水
平軸７ｍが回動自在に支持され、握り部７ｎはこの水平
軸７ｍの一端に固着されている。また、水平軸７ｍの他
端には平歯車７ｐが固着され、各々駆動用アクチユエー
タＭ₁₀、検出器Ｓ₁₀の軸に固着されたピニオン７ｑと、
これを介してピニオン７ｒとに噛合つている。握り部７
ｎの先端には、自由端にフツク７ｓを持つレバー７ｔが
垂直な軸７ｕの回りに回動自在に支持されており、レバ
ー７ｔにはセクタギヤ７ｖが固着され、各々検出器
Ｓ₁₁、駆動用アクチユエータＭ₁₁の軸に固着されたピニ
オン７ｗ，７ｘと噛合つている。また、握り部７ｎの上
面カバーには６個の押釦式の方向切換スイツチSW_1a〜SW
_1fのうちの４個SW_1a〜SW_1dが設けられている。さらに、
握り部７ｎの側壁には残りの２個の押釦式のスイツチSW
_1e〜SW_1fが設けられている。

第３図はマスタハンドル７の正面図で、第１図および第
２図と同一要素は同一符号で示してある。軸７ｈには平
歯車７ｊが固着されており、検出器Ｓ_９、駆動用アクチ
ユエータＭ_９の軸に固着されたピニオン７ｋ，７ｌと噛
合つている。

第４図は操作卓６に納められる演算処理系、制御系の回
路構成図で、第１図乃至第３図と同一の要素は同一の符
号で示してある。マニピユレータ１の腕駆動用の電動ア
クチユエータＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３、手首関節駆動用の電動
アクチユエータＭ_４，Ｍ_５，Ｍ_６および把持部２の爪開
閉用の電動アクチユエータＭ_７のそれぞれに対応して検
出器Ｓ_１〜Ｓ_７が設けられ、検出器Ｓ_１〜Ｓ_７は各々に
対応する電動アクチユエータＭ_１〜Ｍ_７により駆動され
るマニピユレータ１の各関節部および回動部の回動角θ
_１，θ_２，θ_３α，β，γ，ｆを検出する。また、マス
タハンドル７の第１のフレーム７ｃの水平振り、第２の
フレーム７ｉの垂直振り、握り部７ｎの戻りおよびレバ
ー７ｔの開閉のための電動アクチユエータＭ_８，Ｍ_９，
Ｍ₁₀，Ｍ₁₁に対応して検出器Ｓ_８，Ｓ_９，Ｓ₁₀，Ｓ₁₁が
設けられ、検出器Ｓ_８〜Ｓ₁₁は各自由度の回動角α_ｊ，
β_ｊ，γ_ｊ，ｆ_ｊを検出する。サーボ回路SV₁〜SV₁₁は
それぞれ対応する電動アクチユエータを駆動する。方向
切換スイツチSW_1a〜SW_1fの出力、デイジタルスイツチSW
_２の出力および非常停止スイツチSW_３の出力は入力イン
タフエースIF₁を介してマイクロコンピユータCPUに与え
られ、検出器Ｓ_１〜Ｓ_６の出力θ_１，θ_２，θ_３（以
上、手首位置信号），α，β，γ（以上、手首姿勢信
号）は入力インタフエースIF₂を介してマイクロコンピ
ユータCPUに与えられる。マイクロコンピユータCPUはこ
れらをデータとし、あらかじめ与えられているプログラ
ムに従つて、演算プロセツサAPUの助けを借りて演算
し、演算結果θ_１＋Δθ_１，θ_２＋Δθ_２，θ_３＋Δθ
_３（以上基準値信号）を出力インタフエースOIFを介し
てサーボ回路SV_１，SV_２，SV_３に出力すると共に、必要
な各種制御を司る。サーボ回路SV_１，SV_２，SV_３には、
マイクロコンピユータCPUの演算結果θ_１＋Δθ_１，θ
_２＋Δθ_２，θ_３＋Δθ_３と検出器Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３の
出力θ_１，θ_２，θ_３の差分が入力される。サーボ回路
SV_４，SV_８には検出器Ｓ_４の出力αと検出器Ｓ_８の出力
α_ｊの差分が入力され、サーボ回路SV_５，SV_９には検出
器Ｓ_５の出力βと検出器Ｓ_９の出力β_ｊの差分が入力さ
れ、サーボ回路SV_６，SV₁₀には検出器Ｓ_５の出力γと検
出器Ｓ₁₀の出力γ_ｊの差分が入力される。また、サーボ
回路SV_７，SV₁₁には検出器Ｓ_７の出力ｆと検出器Ｓ₁₁の
出力ｆ_ｊの差分が入力される。

次に、第１図乃至第４図に示す一実施例の動作を、第５
図および第６図を参照して説明する。第５図(a)は一実
施例のマスタハンドル７の握り部の横断面図であり、第
５図(b)はそのスイツチ配列を示す図であり、第１図乃
至第４図と同一要素は同一符号で示す。マスタハンドル
７の握り部７ｎをオペレータが手で握つて所望の状態に
動かすと、握り部７ｎの状態は各軸に設けられた検出器
Ｓ_８〜Ｓ₁₀により検出され、それぞれ検出信号α_ｊ，β
_ｊ，γ_ｊとして出力される。また、マニピユレータ１の
把持部２の状態は検出器Ｓ_４〜Ｓ_６により検出され、そ
れぞれ検出信号（手首姿勢信号）α，β，γとして出力
される。これらのうち、それぞれ対応する自由度の検出
信号αとα_ｊ，βとβ_ｊ，γとγ_ｊが比較されて差分が
そのままマニピユレータ１側のサーボ回路SV_４〜SV_６に
入力され、マスタハンドル側のサーボ回路SV_８〜SV₁₀に
は反転したものが入力される。そのため、マスタハンド
ル７はオペレータに対して、把持部２の状態とマスタハ
ンドル７の状態の各軸ごとの偏差に応じたトルクを与え
る。こうして、マニピユレータ１の把持部２に加えられ
た外力に起因する把持部２の状態とマスタハンドル７の
状態とのずれは、外力に相当した力としてマスタハンド
ルを通じてオペレータに知覚される。

把持部２の操作は、マスタハドル７の握り部７ｎに設け
られたレバー７ｔをオペレータの手11の人指し指によつ
て開閉し、これによつて変化する角度ｆ_ｊを検出器Ｓ₁₁
により検出し、これと把持部２の検出器Ｓ_７の検出信号
ｆとの差分をサーボ回路SV_７に入力し、これを反転した
ものをサーボ回路Ｓ₁₁に入力し、それぞれの電動アクチ
ユエータＭ_７，Ｍ₁₁を駆動することによつて行なわれ
る。このとき、マスタハンドル７側の電動アクチユエー
タＭ₁₁の働きにより、オペレータはマニピユレータ１の
把持部２に発生した把持反力を一定の比率で知覚するこ
とができる。このようにして、オペレータはテレビカメ
ラ８を経て得られ操作卓のモニタテレビ９に写し出され
るマニピユレータ１および作業空間の映像のみならず、
マニピユレータ１が外部に与えたり外部より加えられた
りする力を知覚しながら、把持部２の姿勢を任意に選ぶ
ことができる。このとき、マイクロコンピユータCPU
は、与えられたデータに所定の演算を行ない、把持部２
が向いている方向を基準に上、下、左、右、前、後の３
方向に移動する操作量を求め、これをサーボ回路SV_１〜
SV_３に与える。

第６図は第１図乃至第５図に示す一実施例によつて目標
物Ｔを把持する動作をｘ，ｙ，ｚ座標にて説明する図
で、ｌ_１，ｌ_２，ｌ_ｈはそれぞれ上腕４の長さ、前腕５
の長さ、把持部２の長さを示し、Ｗは障害物である。

まず、マスタハンドル７の操作により把持部２の向きを
目標物Ｔに向ける。そして、デイジタルスイツチSW_２を
操作してマニピユレータ１の移動ステツプＵを所望の値
にセツトする。

次に、前後、左右、上下に対応するそれぞれの方向切換
スイツチSW_1a〜SW_1fのうち、任意のひとつを選択して移
動すべき方向を設定する。ここで、把持部２の支持端側
を基準に目標物Ｔに至る方向を見ると、目標物Ｔは前方
にあるから方向切換スイツチSW_1aを押す。これにより、
マイクロコンピユータCPUは把持部２の移動方向が前方
方向であると判断し、入力されたデータをもとに演算を
開始する。その演算は次のように行なう。

今、とするとただしＣ_i＝cosθ_ｉ，Ｓ_i＝sinθ_ｉでありｉ＝１，２，
３はマニピユレータ１の置かれた静止直交座標系の基本ベ
クトルを示す。

次に移動方向ベクトルはこの場合把持部２の中心線に沿
つて前方でありとなる。

ａ₂₁＝−(ｌ₁＋ｌ₂sinθ₃)sinθ₁＋ｌ₂cosθ₁cosθ₂cos
θ₃ ａ₂₂＝−ｌ₂sinθ₁sinθ₂cosθ₃ ａ₂₃＝ｌ₂(cosθ₁cosθ₃−sinθ₁cosθ₂sinθ₃) ａ₃₁＝(ｌ₁＋ｌ₂sinθ₃)cosθ₁＋ｌ₂sinθ₁cosθ₂cosθ
₃ ａ₃₂＝ｌ₂cosθ₁sinθ₂cosθ₃ ａ₃₃＝ｌ₂(sinθ₁cosθ₃＋cosθ₁cosθ₂sinθ₃) となる。また式(1)よりであるからよつてただし以上のようにして単位ステツプｕだけ移動させたときの
θ_１，θ_２，θ_３の各回動角θ_ｉ＋Δθ_ｉが求まる。こ
れらの演算は演算プロセツサAPUを使用することにより
数10ｍｓで実行可能であり、マニピユレータ１の動作が
断続的になる等の不具合は生じない。またマニピユレー
タ１の把持部２を後方へ動かす場合は方向切換スイツチ
SW_1bを操作し演算にはｕの代りに（-u）を使用する。

次にマニピユレータ１の移動方向を把持部２の横方向と
する場合は、例えば右方向の場合は方向切換スイツチSW
_1cを操作する。この時の演算は式(3)のの代りにを用いる。

また移動方向が左方向の場合は方向切換スイツチSW_1dを
操作し、ｕの代りに（-u）を使用し式(6)を用いてΔθ
_ｉを算出する。更にマニピユレータ１の移動方向を把持
部２の上下方向とする場合は例えば上方に移動させる場
合は方向切換スイツチSW_1eを操作し、この時の演算は式
(3)のの代りにを用いる。

把持部２の移動方向が下方向の場合には方向切換スイツ
チSW_1fを操作し、ｕの代りに（-u）を用いて式(7)によ
りΔθ_ｉを算出する。このようにして求めた単位ステツ
プ移動後の各θ_１，θ_２，θ_３の回動角データ（基準値
信号）θ_１＋Δθ_１，θ_２＋Δθ_２，θ_３＋Δθ_３は、
出力インタフエースOIFを介してそれぞれ対応する検出
器Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３の検出信号（手首位置信号）θ_１，
θ_２，θ_３と突き合わされ、その差分がサーボ回路S
V_１，SV_２，SV_３に与えられる。各々のサーボ回路SV_１
〜SV_３は、これらの差分に応じた量だけ電動アクチユエ
ータＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３を駆動する。その結果、マニピユ
レータ１の上腕４の振り角θ_１、上腕４のひねり角
θ_２、前腕５の振り角θ_３は各々求めたθ_１＋Δθ_１，
θ_２＋Δθ_２，θ_３＋Δθ_３の位置になる。マイクロコ
ンピユータCPUの演算が方向切換スイツチSW_1a〜SW_1fを
操作するごとにもしくは操作中は繰り返されるものとす
ると、これら方向切換スイツチSW_1a〜SW_1fを操作するだ
けで前記単位ステツプ幅Ｕ分、あるいは幅Ｕの整数分だ
け目的の方向に把持部２を移動させることができる。

このように、オペレータは片手でマスタハンドル７の握
り部７ｎを握り、モニタテレビ９の画像を観察しながら
把持部２の位置を修正し、目標物Ｔとの相対的位置関係
とアクセスしたい方向に応じて方向選択スイツチSW_1a〜
SW_1fを操作することにより、把持部２を直線的かつ円滑
に目標物Ｔに到達させることができる。第６図に示す如
く到達経路に障害物Ｗが存在し、誤つてこれに把持部２
が干渉した場合には、外力による手首部３の各関節の変
位がマスタハンドル７に反映される。そのため、オペレ
ータはマスタハンドル７を介してマニピユレータ１が受
けた力を知覚し、手首部３の姿勢あるいは移動方向を変
更し、これによつて過大な外力を受けるような衝突を回
避することができる。また、非常停止スイツチSW_３を操
作してマイクロコンピユータCPUに割り込みをかけ、演
算を中止させて電動アクチユエータＭ_１〜Ｍ_７の駆動を
停止し、マニピユレータ１の動きを緊急に停止させるこ
ともできる。

対象物をハンドリングする場合には、オペレータはマス
タハンドル７ｎに設けられたレバーを操作する。この操
作により把持部２は開閉し、しかも物体を把持する力は
オペレータがレバーに加える力を加減することで制御で
きる。なお、前述と同様に把持部２を所望の位置へ戻し
たり移したりすることができる。

このように、マスタハンドルの握り部の角度を変えるだ
けでそれに対応した向きにマニピユレータの把持部の向
きを変えることができ、握り部に設けられた方向選択ス
イツイにより把持部の向きを基準に移動方向を選び、把
持部を移動させることができる。そのため、マニピユレ
ータと作業空間を写し出す画像によりマニピユレータの
移動方向をあらかじめ確認でき、マニピユレータの操作
性は格段に向上する。しかも、誤つて把持部を他の物体
にぶつけた場合にも、直ちにマスタハンドルを介して力
感覚として反応を得られるため、必要以上に神経を費す
こともない。また、ボルト締結、ハメ合い等の力感覚を
必要とする細かい作業も行なうことができる。さらに、
把持部の移動をマスタハンドルを用いた移動方向の入力
と演算制御で行なつているため、従来のマスタスレーブ
方式では操縦困難であつたオペレータの動作範囲をはる
かに超えた大型コンピユータにも適用できる。

なお、上記実施例においては、マニピユレータの自由度
の配置を上腕の振り、ひねり、前腕の振り、ひねり、手
首の振り、ひねり、把みの順に配置したが、腕に３自由
度と手首に４自由度とがあればいかなる自由度配置でも
よい。また、上記実施例ではマイクロコンピユータとサ
ーボ回路を別個のものとして構成したが、マイクロコン
ピユータに比較器などの機能を持たせたデジタルサーボ
として構成してもよい。さらに、テレビカメラを複数に
して立体テレビ化してもよい。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明によれば、操作性が良く細かい作業が
可能で、操作に伴なうオペレータの肉体的、精神的疲労
を最小限にとどめ、かつマイクロコンピユータで制御可
能な簡単で安価な遠隔操作マニピユレータを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
一実施例のマスタハンドルの縦断面図、第３図は第１図
および第２図の一実施例のマスタハンドルの正面図、第
４図は第１図乃至第３図の一実施例の演算処理系および
制御系の回路構成図、第５図は第１図乃至第４図の一実
施例のマスタハンドルの横断面図および平面図、第６図
は第１図乃至第５図の一実施例の動作を説明する図であ
る。１……マニピユレータ、２……把持部、３……手首部、
４……上腕、５……前腕、６……操作卓、７……マスタ
ハンドル、８……テレビカメラ、９……モニタテレビ、
10……ケーブル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数自由度を有し、先端に配設した把持部
を空間的に任意に位置決めするマニピュレータと、前記マニピュレータの把持部を姿勢を決める自由度及び
把持の自由度に対応した自由度を有する一本のマスタハ
ンドルと、前記マニピュレータの把持及び把持部の姿勢の自由度
と、前記マスタハンドルの自由度とをバイラテラル制御
する制御手段と、前記マスタハンドルに配設したスイッチ群により前記マ
ニピュレータの把持部の姿勢を基準として選択入力され
た動作方向と、前記マスタハンドルが支持される操作卓
に配設された設定器により設定された単位動作量と、前
記マニピュレータの各自由度の位置情報とを用いて、こ
のマニピュレータの各自由度の移動量を演算し、この演
算結果に基きマニピュレータを動作させる制御手段と、を備えたことを特徴とする遠隔操作マニピュレータ装
置。