JPH07195281A - マスタアーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンパクトな構造で、操作が容易なマスタア
ームを得る。 【構成】 スレーブアームの手首操作用の手首操作用部
材４２、この手首操作用部材４２が上端に取付けられた
前腕操作用部材３８の必要最小限の部材を除いて、他の
機構が全て格納ボックス１８に収納されているため、操
作中に各操作用部材が操作者の体に触れたりする不都合
がない。前腕操作用部材３８の動きをリンク材４４によ
って上腕操作用部材４６に伝達することで、格納ボック
ス１８に力伝達機構を格納しても、スレーブアームの腕
の動きが操作者の腕の動きに対応する。このため、直観
的にマスタアーム１０とスレーブアームの動きの相関関
係を理解でき、熟練を要しなくても操作できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スレーブアーム操作用
のマスタアームに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７及び図８に示すように、スレーブア
ーム１４（図６参照）の操作用の一つとして、操作者の
腕の動きに追従するマスタアーム１０１がある。このマ
スタアーム１０１は、操作者の上腕１０３の動きに応じ
て作動する上腕操作用部材１０５、操作者の前腕１０７
の動きに応じて作動する前腕操作用部材１０８、操作者
の手首１１０の動きに応じて作動する手首操作用部材１
１２を備えており、各操作用部材の作動信号をコントロ
ーラ１２に出力し、人間の腕的な動きをするスレーブア
ーム１４を制御するようになっている（図６参照）。こ
のタイプのマスタアーム１０１は、スレーブアーム１４
と相似した形状とされているので、直観的にマスタアー
ム１０１とスレーブアーム１４の動きの相関関係を理解
でき、熟練を要しなくても操作できるメリットを持って
いる。

【０００３】ところが、このタイプのマスタアーム１０
１は、操作者が着座できるシートＳを備えた移動式のキ
ャビン１１４内に格納されているため、操作者の動きが
拘束され、各操作用部材が操作者の体に触れたり、ある
いは、図７に示すように、上腕操作用部材１０５を外側
に移動させた場合、キャビン１１４に手首操作用部材１
１２が衝突する等の不具合を呈していた。

【０００４】この不具合を解消するため、スレーブアー
ム１４との相似形にこだわらずに装置のコンパクト化を
はかったジョイステック方式も提案されている。

【０００５】しかしながら、操作用部材とスレーブアー
ムの相関関係を感覚的理解するのに、相当な練習を要
し、また、座標変換制御も必要となるので、機構が複雑
となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事実を考
慮して、コンパクトな構造で、操作が容易なマスタアー
ムを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のマスタ
アームは、人間の腕的な動きをするスレーブアームを操
作するマスタアームにおいて、前記スレーブアームの前
腕部の操作用で操作者の前腕の動きに追従する前腕操作
用部材と、前記前腕操作用部材が挿入され操作者の前後
方向へ前腕操作用部材を移動可能とする長孔が形成され
た格納ボックスと、前記格納ボックス内に配設され前記
前腕操作用部材の軸方向及び操作者の前後方向への移動
を可能するガイド手段と、前記前腕操作用部材及び前腕
操作用部材に取付けられる手首操作用部材との重量のバ
ランスを保つように前腕操作用部材を上方向へ付勢する
付勢手段と、前記格納ボックスの内壁に軸支され前記ス
レーブアームの上腕部の操作用の上腕操作用部材と、前
記上腕操作用部材の自由端と前記前腕操作用部材の下端
とに回動可能に連結され前腕操作用部材の動きを上腕操
作用部材に伝達するリンク材と、を有することを特徴と
している。

【０００８】請求項２に記載のマスタアームは、前記手
首操作用部材の操作者把持用のグリップに回転可能に取
付けられた操作ギアと、前記グリップの内部に配設され
た角度検出手段と、前記操作ギアと噛み合い前記角度検
出手段へ操作ギアの回転角度と回転方向を伝達する検出
ギアと、を有することを特徴としている。

【０００９】

【作用】請求項１記載のマスタアームでは、スレーブア
ームの手首操作用の手首操作用部材、この手首操作用部
材が上端に取付けられた前腕操作用部材の必要最小限の
部材を除いて、他の機構が全て格納ボックスに収納され
ている。このため、操作中に各操作用部材が操作者の体
に触れたりする不都合がない。

【００１０】また、格納ボックスだけを移動させればよ
いので、従来のような移動用のキャビンが不要となり、
キャビンで操作者の動作が拘束されることもない。

【００１１】前腕操作用部材の下部は格納ボックスの長
孔へ挿入され、ガイド手段によって、操作者の前後方向
へ長孔に沿って移動でき、また、前腕操作用部材の軸方
向へ移動できるようになっている。

【００１２】前腕操作用部材を移動させると、前腕操作
用部材の下端に回転可能に連結されたリンク材によっ
て、格納ボックスの内壁に一端が軸支された上腕操作用
部材が回動する。また、付勢手段が、前腕操作用部材及
び手首操作用部材の重量とウエイトバランスを保ち前腕
操作用部材を上方向へ付勢しているので、操作者は、前
腕操作用部材を上下方向へ移動させる動作に負担を感じ
ない。

【００１３】また、前腕操作用部材の動きをリンク材に
よって上腕操作用部材に伝達することで、格納ボックス
に力伝達機構を格納しても、スレーブアームの腕の動き
が操作者の腕の動きに対応する。このため、直観的にマ
スタアームとスレーブアームの動きの相関関係を理解で
き、熟練を要しなくても操作できる。

【００１４】また、前腕操作用部材の前後方向の移動距
離を検出するセンサ、上腕操作用部材の軸部に設けられ
上腕操作用部材の回転角度と回転方向を検出するセン
サ、及び上腕操作用部材とリンク材の連結部に設けられ
リンク材の回転角度と回転方向を検出するセンサを設け
ることにより、マスタアームの動作信号がコントローラ
へ出力され、スレーブアームの動きが制御される。

【００１５】請求項２に記載のマスタアームでは、操作
ギアを指で回すと、この操作ギアと噛み合う検出ギアに
よって、操作ギアの回転角度と回転方向が角度検出手段
へ伝達される。この角度検出手段によって検出された回
転角度及び回転方向を、コントローラを介してスレーブ
アームの肩関節の動きと対応させることによって、従来
のように手首操作用部材を外側へ押し拡げる操作が不要
となり、小さな動作でスレーブアームの操作が可能とな
る。

【００１６】

【実施例】図６に示すように、本実施例に係るマスタア
ーム１０は、人間の腕の動きに追従できる関節機能を備
えた操作装置であり、その動作信号をコントローラ１２
に出力するようになっている。コントローラ１２は、空
気圧で人間の腕的な動きをするスレーブアーム１４を動
かし、特殊な環境における作業を行なわせるようになっ
ている。

【００１７】図１〜図３に示すように、操作者が着座す
るシート１６の両側には、格納ボックス１８が配設され
ている。この格納ボックス１８の頂面には、操作者の前
後方向へ延びる長孔２０が形成されている。この長孔２
０と平行となるように、格納ボックス１８の内壁には、
ガイドレール２２が固定されている。ガイドレール２２
の側面には、長さ方向へ長溝２４が形成されている。こ
の長溝２４の溝底には、ラック２６が形成されている。
このラック２６には、ピニオン２８が噛み合っている。
このピニオン２８は、移動ブロック３０に取付けられた
第１のポテンショメータ３２の回転軸に固定され、第１
のポテンショメータ３２が移動ブロック３０の移動量と
移動方向を検出して、コントローラ１２に出力するよう
になっている。

【００１８】移動ブロック３０の上下部にはガイド板３
４が配設されている。このガイド板３４は、ガイドレー
ル２２の上下面を摺動可能に挟持している。これによっ
て、移動ブロック３０はガイドレール２２に沿って移動
可能となっている。

【００１９】また、移動ブロック３０の上端には、向か
い合う一対のガイド体３６が設けられ、長孔２０へ挿通
された前腕操作用部材３８を摺動可能に挟持している。

【００２０】一方、前腕操作用部材３８の下部には、格
納ボックス１８の内壁に巻端が固定されたぜんまいばね
４０の巻き出し端が連結されている。このぜんまいばね
４０によって、前腕操作用部材３８は、上方へ付勢され
ている。このぜんまいばね４０の付勢力は、前腕操作用
部材３８及び手首操作用部材４２の総重量とウエイトバ
ランスが保持できるようなばね力に設定されている。

【００２１】また、前腕操作用部材３８の下端には、リ
ンク材４４の一端が回転可能に連結されている。このリ
ンク材４４の他端は、ガイドレール２２の端部付近（操
作者の後方側）に軸支された上腕操作用部材４６の自由
端に回転可能に連結されている。

【００２２】さらに、上腕操作用部材４６には、ダンパ
ギア４８が固定されている。このダンパギア４８は、上
腕操作用部材４６の軸部に設けられた第２のポテンショ
メータ５０に回転軸に固定されたギア５２と噛み合って
いる。これによって、上腕操作用部材４６の鉛直面上の
回転角度と回転方向がコントローラ１２へ出力されるよ
うになっている。また、ダンパギア４８で上腕操作用部
材４６の回転速度が規制される。

【００２３】一方、上腕操作用部材４６とリンク材４４
の連結部にも、ギア５４が固定されている。このギア５
４は、上腕操作用部材４６に設けられた第３のポテンシ
ョメータ５６に回転軸に固定されたギア５８と噛み合っ
ている。これによって、前腕操作用部材３８の前後方向
（操作者に対して）の移動量に対応したリンク材４４の
回転角度と回転方向がコントローラ１２へ出力されるよ
うになっている。

【００２４】図４に示すように、前腕操作用部材３８の
上端には、手首操作用部材４２のベース板５８がねじ止
めされている。このベース板５８の両端には、軸板６０
と共にハウジング６２がねじ止められている。

【００２５】このハウジング６２の両側には、第４のポ
テンショメータ６４と第５のポテンショメータ６６の本
体部が固定されている。この第４のポテンショメータ６
４と第５のポテンショメータ６６との回転軸は、ハウジ
ング６２を貫通し、軸板６０に回転可能に軸支された平
ギア６８、７０の軸部にそれぞれ連結されている。

【００２６】この平ギア６８、７０は、それぞれ第１の
傘歯車７２、第２の傘歯車７４と噛み合っている。この
第１の傘歯車７２、第２の傘歯車７４は、シャフト７６
に回転可能に軸支されている。このシャフト７６は、軸
板６０の間に掛け渡され、その両端が回転可能に軸支さ
れている。

【００２７】シャフト７６の中央部には、連結ブロック
７８が回転可能に軸支されている。この連結ブロック７
８から、上方に連結ピン８０が立設している。この連結
ピン８０には、第１の傘歯車７２、第２の傘歯車７４と
噛み合う第３の傘歯車８２が軸支されている。この第３
の傘歯車８２は、先端に操作者が把持するグリップ８４
を備えた操作シャフト８６に固定されている。また、操
作シャフト８６は、ハウジング６２の上面に操作者の前
後方向へ切り開かれた長孔９０へ挿入されている。これ
によって、操作シャフト８６は第３の傘歯車８２と一体
となって連結ピン８０回りに回転可能とされ、また、シ
ャフト７６回りに回転可能となっている。

【００２８】このような構成によって、例えば、操作シ
ャフト８６を連結ピン８０回りに（矢印Ｆ方向）に旋回
させると、第３の傘歯車８２と噛み合う第１の傘歯車７
２が紙面反対側へ（正転）、第２の傘歯車７４が紙面手
前側へ回転する（逆転）。この第１の傘歯車７２と第２
の傘歯車７４の回転方向と回転角度は、平ギア６８、７
０と介して第４のポテンショメータ６４、第５のポテン
ショメータ６６へ伝達される。

【００２９】ここで、操作シャフト８６の回転方向は、
第４のポテンショメータ６４、第５のポテンショメータ
６６の回転方向の正逆の組み合わせによって判断され
る。これによって、回転角度と回転方向がコントローラ
１２へ出力され、マニピュレータ１４の手首部が操作者
の手首の動きに対応して、前腕部回りに旋回する。

【００３０】さらに、操作シャフト８６をシャフト７６
を中心として矢印Ｇ方向に回転させると、シャフト７６
に軸支された第１の傘歯車７２と第２の傘歯車７４が同
一方向へ回転しようとするが、それぞれ第３の傘歯車８
２との噛み合っているので、第１の傘歯車７２と第２の
傘歯車７４は、第３の傘歯車８２と一体となってシャフ
ト７６回りに回転する。このため、平ギア６８、７０は
同一方向へ回転し、第４のポテンショメータ６４と第５
のポテンショメータ６６は、操作シャフト８６の回転角
度と、紙面手前側（正転）、紙面反対側（逆転）の２通
りの回転方向を検出する。これによって、回転角度と回
転方向がコントローラ１２へ出力され、マニピュレータ
１４の手首部が操作者の手首の動きに対応して、上下方
向へ揺動する。

【００３１】図５に示すように、操作シャフト８６の先
端には、把持用のグリップ８４が取付けられている。グ
リップ８４の内部には、第６のポテンショメータ９６が
固定されている。この第６のポテンショメータ９６の回
転軸９６Ａには、検出ギア９８が固定されている。この
検出ギア９８は、一部がグリップ８４に外側に突出した
操作ギア１０４と噛み合っている。この操作ギア１０４
を指で回すことで回転方向と回転角度が第６のポテンシ
ョメータ９６で検出され、コントローラ１２へ出力され
る。コントローラ１２は、スレーブアーム１４の肩関節
を旋回させ、上腕を内外へ揺動させるようになってい
る。従って、操作者が前腕を外側へ押し拡げるような動
作をする必要がなくなる。

【００３２】次に、本実施例に係るマスタアーム１０の
作用を説明する。このマスタアーム１０は、図２及び図
３に示すように、操作者がシート１６に着座して、格納
ボックス１８から立設した前腕操作用部材３８の上部に
設けられたグリップ８４を握って、操作するようになっ
ている。

【００３３】図１に示すように、必要最小限の部材を除
いて、他の機構が全て格納ボックス１８に収納されてい
るので、操作中に各操作用部材が操作者の体に触れたり
する不都合がない。また、キャビンも不要であるので、
キャビンで操作者の動作が拘束されることもない。

【００３４】また、前腕操作用部材３８の動きは、リン
ク材４４によってスレーブアーム１４の腕に動きに相似
した形で、上腕操作用部材４６に伝達されるので、格納
ボックス１８に力伝達機構を格納しても、スレーブアー
ム１４の腕の動きが操作者の腕の動きに対応する。この
ため、直観的にマスタアーム１０とスレーブアーム１４
の動きの相関関係を理解でき、熟練を要しなくても操作
できる。

【００３５】操作者の基本動作方向は、図１及び図２に
示すように、矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ方向の５方向で、
各移動量及び角度は、各ポテンショメータによって検出
され、コントローラ１２にその動作信号が出力される。
コントローラ１２は、入力された動作信号に基づいてス
レーブアーム１４を駆動する。

【００３６】特に、前腕操作用部材３８を上方（矢印Ｂ
方向）に引き上げるとき、ぜんまいばね４０が前腕操作
用部材３８を上方に付勢しウエイトバランスを調整して
いるので、操作者は、負担なく前腕操作用部材３８を操
作できる。

【００３７】一方、操作者が握るグリップ８４の操作ギ
ア１０４を指で回転させることにより、この回転方向と
回転角度を検出する第６のポテンショメータ９６によっ
て、スレーブアーム１４の肩関節の動作信号としてコン
トローラ１２へ出力される。これによって、従来のよう
に手首操作用部材４２を外側へ押し拡げる操作が不要と
なり、小さな動作でスレーブアーム１４の操作が可能と
なる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は上記構成としたので、コンパク
トな構造で、かつ熟練を必要とせず、容易に操作ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るマスタアームを示す全体斜視図
である。

【図２】本実施例に係るマスタアームの動きを示す正面
図である。

【図３】本実施例に係るマスタアームの動きを示す側面
図である。

【図４】本実施例に係るマスタアームの手首操作用部材
の断面図である。

【図５】本実施例に係るマスタアームのグリップの断面
図である。

【図６】マスタアームとスレーブアームを示す概念図で
ある。

【図７】従来のマスタアームの動きを示す正面図であ
る。

【図８】従来のマスタアームの動きを示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１８ 格納ボックス ２２ ガイドレール（ガイド手段） ３０ 移動ブロック（ガイド手段） ３８ 前腕操作用部材 ４０ ぜんまいばね（付勢手段） ４４ リンク材 ４６ 上腕操作用部材 ９６ 第６のポテンショメータ（角度検出手段） ９８ 検出ギア １０４ 操作ギア

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人間の腕的な動きをするスレーブアーム
   を操作するマスタアームにおいて、 前記スレーブアームの前腕部の操作用で操作者の前腕の
   動きに追従する前腕操作用部材と、前記前腕操作用部材
   が挿入され操作者の前後方向へ前腕操作用部材を移動可
   能とする長孔が形成された格納ボックスと、前記格納ボ
   ックス内に配設され前記前腕操作用部材の軸方向及び操
   作者の前後方向への移動を可能するガイド手段と、前記
   前腕操作用部材及び前腕操作用部材に取付けられる手首
   操作用部材との重量のバランスを保つように前腕操作用
   部材を上方向へ付勢する付勢手段と、前記格納ボックス
   の内壁に軸支され前記スレーブアームの上腕部の操作用
   の上腕操作用部材と、前記上腕操作用部材の自由端と前
   記前腕操作用部材の下端とに回動可能に連結され前腕操
   作用部材の動きを上腕操作用部材に伝達するリンク材
   と、を有することを特徴とするマスタアーム。
2. 【請求項２】 前記手首操作用部材の操作者把持用のグ
   リップに回転可能に取付けられた操作ギアと、前記グリ
   ップの内部に配設された角度検出手段と、前記操作ギア
   と噛み合い前記角度検出手段へ操作ギアの回転角度と回
   転方向を伝達する検出ギアと、を有することを特徴とす
   る請求項１に記載のマスタアーム。