JPH0826198A

JPH0826198A - 重力補償装置

Info

Publication number: JPH0826198A
Application number: JP6165443A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsuzawa; 正浩松澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-18
Filing date: 1994-07-18
Publication date: 1996-01-30

Abstract

(57)【要約】【目的】大規模な設備を設けることなく目的の対象物の
重力を補償する重力補償装置を提供する。【構成】重力補償装置１００は、マニピュレ−タ１１１
の一部を支持する支持部１０１と、支持部１０１を昇降
させる昇降装置１１７と、支持部１０１および昇降装置
１１７を搭載し、基準面１１５上を移動する移動装置１
１８と、マニピュレ−タ１１１が動作する際に、支持部
１０１がマニピュレ−タ１１１の関節１１２ａに追従す
るよう、昇降装置１１７の昇降動作および移動装置１１
８の移動動作を制御する制御装置１０４とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】マニピュレータの関節に発生する
力またはトルクが、マニピュレータの自重または操作対
象の重量に耐えられないマニピュレータ、特に宇宙用の
マニピュレータの重力補償装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地上において、宇宙空間における無重力
環境を模擬するための重力補償装置は、既にいくつか提
案されている。例えば、「特開平4-118400号公報」に記
載されている無重力模擬実験装置がある。

【０００３】この実験装置では、実験対象である多関節
構造体をワイヤで吊っている。そして、このワイヤを鉛
直方向に維持するとともに、ワイヤの張力を一定にする
ことで、無重力空間で示す多関節構造体の挙動を模擬し
ている。多関節構造体は、吊り機構部によりワイヤを介
して支持されている。そして、この吊り機構部は、多関
節構造体の作業領域を囲むように形成されたフレ−ムに
沿って移動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置は、多関節構造体を上部より吊るして重力補償を行
なうために、前述の吊り機構部やフレ−ムをはじめとす
る実験設備を設置する必要がある。特にフレ−ムに関し
ては、多関節構造体の作業範囲全域に渡って備え付ける
必要がある。そして、実験設備を別の場所へ移動するた
めには、これらの作業を再度行う必要がある。

【０００５】また、図２３（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、試験対象のマニピュレ−タ７０１を駆動機構７０２
を用いてワイヤ７０３で吊り、さらにマニピュレ−タ７
０１のベ−ス部７０４にテレビカメラ７０５を備える場
合もある。オペレ−タ７０６は、マニピュレ−タ７０１
の動きとマニピュレ−タ７０１の操作対象物７０７をモ
ニタ７０８で見ながら、マニピュレ−タ７０１を遠隔操
作する。駆動機構７０２は、この操作にしたがって動作
する。

【０００６】しかし、マニピュレ−タ７０１がワイヤで
吊られていると、図２３（ａ）に示すようにワイヤが邪
魔になってモニタ７０８でマニピュレ−タ７０１を確認
しづらくなる。そして、ワイヤの本数が増える程見づら
くなる。

【０００７】もちろん、マニピュレ−タを一本のワイヤ
で支持してもよい。しかし、ワイヤ一本で支持すると、
支持点が一点になることから、マニピュレ−タが動作す
る際、マニピュレ−タ自身が振り子運動をしてしまう。

【０００８】また、「特開平1-316186号公報」に記載さ
れているように、浮上手段によりマニピュレ−タの重力
補償を行ってもよいが、この場合、マニピュレータの動
作が２次元平面内に限られ、多自由度のマニピュレータ
に対しては適用できないことが考えられる。

【０００９】このような問題点を考慮し、本発明の目的
は、小型で設置が簡単な重力補償装置を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の第１の態様によれば、予め定めた基準面の上
方で動作する対象物の重力を補償する重力補償装置にお
いて、前記対象物の一部を支持する支持部と、前記支持
部を昇降させる昇降装置と、前記支持部および前記昇降
装置を搭載し、前記基準面上を移動する移動装置と、前
記対象物が動作する際に、前記支持部が前記対象物の一
部に追従するよう、前記昇降装置の昇降動作および前記
移動装置の移動動作を制御する制御装置とを備え、前記
制御装置は、鉛直方向における前記対象物の一部の動作
に関する第１の動作情報を受け付けて、前記昇降装置に
昇降動作をさせるための第１の駆動指令を前記第１の動
作情報に基づいて生成し、前記第１の駆動指令を前記昇
降装置に与える第１の制御と、前記鉛直方向に対して垂
直な方向における、前記対象物の一部の動作に関する第
２の動作情報を受け付けて、前記移動装置に移動動作を
させるための第２の駆動指令を前記第２の動作情報に基
づいて生成し、前記第２の駆動指令を前記移動装置に与
える第２の制御とを行い、前記昇降装置は、与えられた
第１の駆動指令にしたがって前記支持部を昇降させるこ
とにより、前記対象物の重力を補償し、前記移動装置
は、与えられた第２の駆動指令にしたがって前記基準面
上を移動することにより、前記支持部を前記基準面と平
行に動かすことを特徴とする重力補償装置が提供され
る。

【００１１】前記目的を達成するための本発明の第２の
態様によれば、第１に態様おいて、前記移動装置は、前
記制御装置をさらに搭載することを特徴とする重力補償
装置が提供される。

【００１２】前記目的を達成するための本発明の第３の
態様によれば、第２に態様おいて、鉛直方向における前
記支持部の現在位置（鉛直位置）と、前記基準面上にお
ける前記支持部の現在位置（基準面位置）とを検出する
位置検出手段をさらに備えることを特徴とする重力補償
装置が提供される。

【００１３】前記目的を達成するための本発明の第４の
態様によれば、第３に態様おいて、前記第１の動作情報
は、鉛直方向における前記支持部の目標位置（目標鉛直
位置）を規定するための位置指令であり、前記第２の動
作情報は、前記基準面上における前記支持部の目標位置
（目標基準面位置）を規定するための位置指令であり、
前記制御装置は、前記鉛直位置と前記目標鉛直位置との
差分に基づいて、前記第１の駆動指令を生成し、前記基
準面位置と前記目標基準面位置との差分に基づいて、前
記第２の駆動指令を生成することを特徴とする重力補償
装置が提供される。

【００１４】前記目的を達成するための本発明の第５の
態様によれば、第２に態様おいて、鉛直方向における前
記対象物の一部の動作を検出し、その検出結果を前記第
１の動作情報として出力し、前記鉛直方向に対して垂直
な方向における、前記対象物の一部の動作を検出し、そ
の検出結果を前記第２の動作情報として出力する動作検
出手段をさらに備えることを特徴とする重力補償装置が
提供される。

【００１５】前記目的を達成するための本発明の第６の
態様によれば、第５に態様おいて、前記動作検出手段
は、前記支持部にかかる力およびトルクを検出するセン
サと、前記センサの検出結果に基づいて、前記支持部に
かかる鉛直方向の力（鉛直分力）、および、前記支持部
にかかる、前記鉛直方向に対して垂直な方向の力（水平
分力）を算出する処理と、前記鉛直分力を前記第１の動
作情報として出力し、前記水平分力を前記第２の動作情
報として出力する処理とを行う信号変換手段とを備える
ことを特徴とする重力補償装置が提供される。

【００１６】前記目的を達成するための本発明の第７の
態様によれば、第６に態様おいて、前記鉛直分力の基準
値となる補償重量値を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１の動作情報が示す鉛直分力と
前記補償重量値との差分に基づいて、前記第１の駆動指
令を生成し、前記第２の動作情報が示す水平分力に基づ
いて、前記第２の駆動指令を生成することを特徴とする
重力補償装置が提供される。

【００１７】前記目的を達成するための本発明の第８の
態様によれば、第３に態様おいて、前記基準面位置が前
記基準面上の予め定めた領域内にあるか否かを判断し、
その判断結果を出力する位置判断手段をさらに備えるこ
とを特徴とする重力補償装置が提供される。

【００１８】前記目的を達成するための本発明の第９の
態様によれば、第２に態様おいて、前記第２の駆動指令
に基づいて、前記基準面上における前記支持部の目標位
置（目標基準面位置）を算出し、前記目標基準面位置が
前記基準面上の予め定めた領域内にあるか否かを判断
し、その判断結果を出力する目標位置判断手段をさらに
備えることを特徴とする重力補償装置が提供される。

【００１９】前記目的を達成するための本発明の第１０
の態様によれば、第２に態様おいて、前記支持部にかか
る力およびトルクを検出するセンサと、前記センサの検
出結果に基づいて作動する姿勢制御装置をさらに備え、
前記姿勢制御装置は、前記支持部を前記支持部の昇降軸
回りに回転させること、および、前記支持部を前記昇降
軸に対して傾かせることで前記支持部の姿勢を変化させ
ることを特徴とする重力補償装置が提供される。

【００２０】前記目的を達成するための本発明の第１１
の態様によれば、第４、第７、第８、第９、または第１
０の態様おいて、前記対象物は、微小重力または無重力
環境下で使用されるマニピュレ−タであることを特徴と
する重力補償装置が提供される。

【００２１】

【作用】前記第１の態様において、前記制御装置は、鉛
直方向における前記対象物の一部の動作に関する第１の
動作情報を受け付けて、前記昇降装置に昇降動作をさせ
るための第１の駆動指令を前記第１の動作情報に基づい
て生成し、前記第１の駆動指令を前記昇降装置に与える
第１の制御と、前記鉛直方向に対して垂直な方向におけ
る、前記対象物の一部の動作に関する第２の動作情報を
受け付けて、前記移動装置に移動動作をさせるための第
２の駆動指令を前記第２の動作情報に基づいて生成し、
前記第２の駆動指令を前記移動装置に与える第２の制御
とを行う。前記昇降装置は、与えられた第１の駆動指令
にしたがって前記支持部を昇降させることにより、前記
対象物の重力を補償する。前記移動装置は、与えられた
第２の駆動指令にしたがって前記基準面上を移動するこ
とにより、前記支持部を前記基準面と平行に動かす。

【００２２】前記第３の態様において、前記位置検出手
段は、鉛直方向における前記支持部の現在位置（鉛直位
置）と、前記基準面上における前記支持部の現在位置
（基準面位置）とを検出する。

【００２３】前記第４の態様において、前記制御装置
は、前記鉛直位置と前記目標鉛直位置との差分に基づい
て、前記第１の駆動指令を生成し、前記基準面位置と前
記目標基準面位置との差分に基づいて、前記第２の駆動
指令を生成する。

【００２４】前記第５の態様において、前記動作検出手
段は、鉛直方向における前記対象物の一部の動作を検出
し、その検出結果を前記第１の動作情報として出力し、
前記鉛直方向に対して垂直な方向における、前記対象物
の一部の動作を検出し、その検出結果を前記第２の動作
情報として出力する。

【００２５】前記第６の態様において、前記センサは、
前記支持部にかかる力およびトルクを検出する。そし
て、前記信号変換手段は、前記センサの検出結果に基づ
いて、前記支持部にかかる鉛直方向の力（鉛直分力）、
および、前記支持部にかかる、前記鉛直方向に対して垂
直な方向の力（水平分力）を算出する処理と、前記鉛直
分力を前記第１の動作情報として出力し、前記水平分力
を前記第２の動作情報として出力する処理とを行う。

【００２６】前記第７の態様において、前記記憶手段
は、前記鉛直分力の基準値となる補償重量値を記憶す
る。前記制御装置は、前記第１の動作情報が示す鉛直分
力と前記補償重量値との差分に基づいて、前記第１の駆
動指令を生成し、前記第２の動作情報が示す水平分力に
基づいて、前記第２の駆動指令を生成する。

【００２７】前記第８の態様において、前記位置判断手
段は、前記基準面位置が前記基準面上の予め定めた領域
内にあるか否かを判断し、その判断結果を出力する。

【００２８】前記第９の態様において、前記目標位置判
断手段は、前記第２の駆動指令に基づいて、前記基準面
上における前記支持部の目標位置（目標基準面位置）を
算出し、前記目標基準面位置が前記基準面上の予め定め
た領域内にあるか否かを判断し、その判断結果を出力す
る。

【００２９】前記第１０の態様において、前記センサ
は、前記支持部にかかる力およびトルクを検出する。前
記姿勢制御装置は、前記センサの検出結果に応じて、前
記支持部を前記支持部の昇降軸回りに回転させること、
および、前記支持部を前記昇降軸に対して傾かせること
で前記支持部の姿勢を変化させる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明に係る重力補償装置を宇宙用の
マニピュレ−タの動作試験に適用した場合の実施例につ
いて説明する。

【００３１】図１〜図７、図１６〜図２１には、本発明
に係る重力補償装置の第１の実施例が示されている。

【００３２】図１には、試験対象であるマニピュレ−タ
１１１と、マニピュレ−タ１１１の制御を行うコントロ
−ラ１１０と、重力補償装置１００とが示されている。
重力補償装置１００は、基準面１１５の上に配置され、
マニピュレ−タ１１１を支持している。マニピュレ−タ
１１１は、重力補償装置１００に支持された状態で基準
面１１５の上方で作業を行う。コントロ−ラ１１０は、
演算制御装置や記憶装置（図示されていない）を内蔵し
ており、記憶装置に格納されているプログラムを演算制
御装置で実行し、マニピュレ−タ１１１の動作をコント
ロ−ルする。また、コントロ−ラ１１０は、図示しない
支持部材により、基準面１１５から所定の高さに支持さ
れている。

【００３３】マニピュレ−タ１１１は、手１１４と、腕
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃと、関節１１２ａ、１１
２ｂ、１１２ｃとから構成される。そして、コントロ−
ラ１１０からの指令に基づいて、各関節に内蔵されてい
るモ−タ（図示されていない）が駆動し、マニピュレ−
タ１１１が動作する。各モ−タには、エンコ−ダ（図示
されていない）が設けられている。各エンコ−ダは、各
モ−タのモ−タ軸等に取り付けられ、そのモ−タの回転
位置を検出する。この検出信号は、エンコ−ダパルスと
してコントロ−ラ１１０に送られる。

【００３４】コントロ−ラ１１０は、各エンコ−ダから
送られるエンコ−ダパルスをカウントして、各関節にお
ける関節角度を取得する。そして、コントロ−ラ１１０
は、取得した各関節角度、および、前記記憶装置に予め
格納されているマニピュレ−タ１１１に関するリンクパ
ラメ−タにより、マニピュレ−タ１１１の三次元空間内
の位置に関する情報を算出する。この情報では、マニピ
ュレ−タ１１１の位置がコントロ−ラ１１０を基準とし
た基準座標系で表している。図４（ａ）には、この基準
座標系と、この基準座標系におけるマニピュレ−タ１１
１の関節１１２ａの中心点ｐｓ'の位置が示されてい
る。

【００３５】そして、コントロ−ラ１１０は、基準座標
系における関節１１２ａの中心点ｐｓ'の位置を示す信
号を周期的に重力補償装置１００に送信する。重力補償
装置１００は、この信号を指令値として受取り、関節１
１２ａの動きに追従するよう動作する。

【００３６】重力補償装置１００は、図１に示すよう
に、マニピュレ−タ１１１の一部である関節１１２ａを
支持する支持部１０１と、支持部１０１を昇降させる昇
降装置１１７と、支持部１０１、昇降装置１１７および
制御装置１０４を搭載し、基準面１１５の上を移動する
移動装置１１８とを備えている。制御装置１０４は、昇
降装置１１７の昇降動作と移動装置１１８の移動動作を
制御する。

【００３７】昇降装置１１７は、支持部１０１を垂直方
向に昇降させるための垂直移動機構１０２と、垂直移動
機構１０２を駆動する駆動装置１０３とを備えている。
移動装置１１８は、重力補償装置１００全体が基準面１
１５上を自在に動けるようにするための水平移動機構１
０６と、水平移動機構１０６を駆動する駆動装置１０５
とを備えている。

【００３８】尚、本実施例、並びに後述するその他の実
施例においても、制御装置１０４は、移動装置１１８に
搭載されているが、この構成に限定されない。例えば、
重力補償装置１００の移動の邪魔にならないような場所
に制御装置１０４を設置し、駆動装置１０３、１０５の
それぞれと、制御装置１０４とを通信ケ−ブルで接続し
てもよい。もちろん、通信ケ−ブル等を使用せずに、無
線による通信を行ってもよい。

【００３９】また、マニピュレ−タ１１１の試験環境下
における重力方向（鉛直方向）については、図１に示す
通りであるが、基準面１１５は、重力方向に対して垂直
となっている。したがって、特に断わらない限り、基準
面１１５に対する垂直方向と、鉛直方向とは同じ方向と
して扱う。

【００４０】重力補償装置１００の詳細な構成は、図２
に示されている。

【００４１】図２において、支持部１０１には、マニピ
ュレータ１１１を支持するための支持台１０８、例え
ば、アルミ板が設けられている。アルミ板以外でも摩擦
抵抗が少ない部材であれば構わない。尚、図１では図示
していないが、マニピュレータ１１１の関節１１２ａ
は、この支持台１０８の上に置かれている。また、関節
１１２ａと支持台１０８との接点を以下、支持点と呼ぶ
こととする。

【００４２】つぎに、昇降装置１１７、および、制御装
置１０４の昇降装置１１７に関係する部分について説明
する。

【００４３】図２に示すように、昇降装置１１７の垂直
移動機構１０２には、支持台１０８を固定するラック２
１３と、ラック２１３を垂直方向に移動させるためのガ
イド部材１０９と、ラック２１３に噛み合う位置に設け
られ、ラック２１３を上下に動かすピニオン２１４とが
設けられている。

【００４４】駆動装置１０３には、ピニオン２１４を回
転させるモ−タ、例えば、ＤＣモ−タ２１０と、モ−タ
２１０に接続されているモ−タドライバ２１５と、モ−
タ２１０の回転をピニオン２１４へ減速して伝達するた
めの減速機２１２とが設けられている。モ−タ２１０に
は、エンコ−ダ２１１が取付けられている。エンコ−ダ
２１１は、モ−タ２１０の回転変位を検出し、回転変位
に比例するパルスを出力する。モ−タドライバ２１５に
は、例えば、速度制御型のアナログモ−タドライバを用
いることができる。

【００４５】そして、モ−タドライバ２１５は、後述の
インタフェ−ス装置２０３から与えられる速度指令と、
エンコ−ダ２１１からの検出信号に基いて、モ−タ２１
０へ与える出力信号を発生する。モ−タ２１０は、この
出力信号にしたがって駆動し、減速機２１２を介してピ
ニオン２１４を回転させる。

【００４６】制御装置１０４は、モ−タドライバ２１５
に接続されているインタ−フェ−ス装置２０３と、イン
タ−フェ−ス装置２０３に接続されている演算装置２０
１とを備えている。演算装置２０１は、移動装置１１８
の演算装置としても使用される。

【００４７】つぎに、移動装置１１８、および、制御装
置１０４の移動装置１１８に関係する部分について説明
する。

【００４８】図２に示すように、移動装置１１８の水平
移動機構１０６には、重力補償装置１００が基準面１１
５に沿って自在に動けるようにするための４つのロ−ラ
（図２では、ロ−ラ３０９ａ、３０９ｂのみ示されてい
る）と、移動時の進行方向を決定するための回転機構
と、決定された進行方向で重力補償装置１００全体を移
動させるための移動機構とを備えている。

【００４９】前記移動機構は、基準面１１５と接した位
置に設けられるタイヤ３０８と、タイヤ３０８を支持す
る車軸３１４と、車軸３１４の一端に設けられ、車軸３
１４を回転可能に保持する軸受３１５と、軸受３１５の
反対側に配置され、車軸３１４を回転させるモ−タ３０
６とを備えている。モ−タ３０６は、車軸３１４の軸受
となるとともに、車軸３１４を駆動する駆動装置１０５
としての役割を果たす。モ−タ３０６には、エンコ−ダ
３１０が取付けられている。エンコ−ダ３１０は、モ−
タ３０６の回転変位を検出して出力する。

【００５０】一方、前記回転機構は、筐体３１６の底面
に対して回転可能に設けられているかさ歯車３０４を備
えている。かさ歯車３０４の上部には、モ−タ３０６、
エンコ−ダ３１０、および、軸受３１５が設けられてい
る。かさ歯車３０４は、これらを支持した状態で、モ−
タ３０５の駆動により回転する。また、かさ歯車３０４
の回転軸は、タイヤ３０８の回転軸に対して直交してい
る。

【００５１】また、かさ歯車３０４に噛み合う位置に、
かさ歯車３０３が配置されている。かさ歯車３０３は、
モ−タ３０５のモ−タ軸に取付けられている。また、モ
−タ３０５には、エンコ−ダ３１１が取付けられてい
る。エンコ−ダ３１１は、モ−タ３０５の回転変位を検
出して出力する。

【００５２】駆動装置１０５は、モ−タ３０５、３０６
と、モ−タ３０５に接続されているモ−タドライバ２１
６と、モ−タ３０６に接続されているモ−タドライバ２
１７とを備えている。モ−タ３０５、３０６には、例え
ば、ＤＣモ−タを用いることができる。モ−タドライバ
２１６、２１７には、速度制御型のアナログモ−タドラ
イバを用いることができる。

【００５３】そして、モ−タドライバ２１６は、後述の
インタフェ−ス装置３０２から与えられる速度指令と、
エンコ−ダ３１１の検出信号に基づいて、モ−タ３０５
に与える出力信号を発生する。また、モ−タドライバ２
１７は、インタフェ−ス装置３０２から与えられる速度
指令と、エンコ−ダ３１０の検出信号に基づいて、モ−
タ３０６に与える出力信号を発生する。そして、モ−タ
３０５およびモ−タ３０６のそれぞれは、与えられた出
力信号に基づいて動作する。

【００５４】つぎに、制御装置１０４についてさらに説
明する。図２に示すように、制御装置１０４は、前述し
た、演算装置２０１およびインタ−フェ−ス装置２０３
の他、モ−タドライバ２１６、２１７に接続されている
インタ−フェ−ス装置３０２を備えている。

【００５５】インタフェ−ス装置２０３は、演算装置２
０１からデジタル信号として与えられる速度指令をアナ
ログ信号に変換するためのＤ／Ａ変換器２０５と、エン
コ−ダ２１１からのパルス信号をカウントするカウンタ
２０４とを備えている。一方、インタフェ−ス装置３０
２は、Ｄ／Ａ変換器２０５と同様な機能を有するＤ／Ａ
変換器３１２と、エンコ−ダ３１０、３１１からのパル
ス信号をカウントするカウンタ３１３とを備えている。

【００５６】演算装置２０１は、昇降装置１１７の制御
を行うための垂直位置制御部３００と、移動装置１１８
の制御を行うための水平位置制御部３０１を備えてい
る。

【００５７】垂直位置制御部３００は、コントロ−ラ１
１０から与えられる位置指令を重力補償装置側の座標系
における位置指令に変換するための座標変換部２０７
と、カウンタ２０４からの信号に基づいて、支持部１０
１の鉛直方向における現在位置を計算するための垂直位
置検出部２０２とを備えている。そして、垂直位置検出
部２０２、カウンタ２０４、および、前述のエンコ−ダ
２１１で、垂直位置検出系３１７を構成しており、垂直
位置検出系３１７のそれぞれが動作することで、鉛直方
向における支持部１０１の現在位置を把握することがで
きる。

【００５８】水平位置制御部３０１は、図３に示すよう
に、コントロ−ラ１１０から与えられる位置指令を重力
補償装置側の座標系における位置指令に変換するための
極座標変換部３２５と、カウンタ３１３からの信号に基
づいて、支持部１０１の水平方向の現在位置を算出する
ための水平位置検出部２０６とを備えている。そして、
水平位置検出部２０６、カウンタ３１３、および、エン
コ−ダ３１０、３１１で、水平位置検出系３１８を構成
しており、水平位置検出系３１８のそれぞれが動作する
ことで、基準面１１５上における支持部１０１の現在位
置を把握することができる。

【００５９】また、演算装置２０１は、例えば、ＣＰＵ
やメモリを備えたコンピュ−タとして構成される。そし
て、垂直位置制御部３００および水平位置制御部３０１
が行う処理は、前述のメモリに予め記憶されているプロ
グラムにしたがって、ＣＰＵが実行されることで実現す
ることができる。

【００６０】つぎに、垂直位置制御部３００が行う処理
について説明する。

【００６１】まず、図２、図４（ａ）および図１６に基
づいて、垂直位置制御部３００が行う第１の処理につい
て説明する。

【００６２】コントロ−ラ１１０は、関節部１１２ａの
中心点ｐｓ'の三次元位置を検出すると、検出結果を演
算装置２０１に位置指令として出力する。この位置指令
は、基準座標系における関節部１１２ａの中心点ｐｓ'
の位置を示しており、鉛直方向における支持部１０１の
位置および基準面１１５上における支持部１０１の位置
を規定するための情報である。演算装置２０１は、この
位置指令を入力し（図１６のＳ１０１）、座標変換部２
０７は、この位置指令の中から、中心点ｐｓ'のＸＹ平
面（基準座標系におけるＸＹ平面）からの高さ（ｈｓ）
を抽出する（Ｓ１０２）。

【００６３】つぎに、座標変換部２０７は、高さ（ｈ
ｓ）から、中心点ｐｓ'と支持点ｐｓとの距離（ｄ）を
差し引き、支持点ｐｓの高さ（ｈｓ'）を算出する（Ｓ
１０３）。その後、座標変換部２０７は、基準座標系と
重力補償装置側の座標系（装置側座標系）とのＺ軸方向
におけるオフセット（ｔ）を加算し、装置側座標系にお
ける支持点ｐｓの高さ（Ｈｓ）を算出する（Ｓ１０
４）。支持部１０１は、このＨｓを鉛直方向における目
標値（目標鉛直位置）として昇降動作する。また、関節
部１１２ａの中心位置ｐｓ'と支持点ｐｓとの距離
（ｄ）、および、座標間のオフセット（ｔ）は、予め演
算装置２０１のメモリに格納されている。

【００６４】つぎに、図２、図４（ｂ）および図１７に
基づいて、垂直位置制御部３００が行う第２の処理につ
いて説明する。

【００６５】垂直位置検出部２０２は、カウンタ２０４
で積算されているパルスの積算値を入力し（図１７のＳ
２０１）、この積算値に定数Ｋを掛けて、ラック２１３
の、初期位置からの垂直移動量を求める。この垂直移動
量は、支持点ｐの初期位置からの移動量（ｄｈ）である
（Ｓ２０２）。その後、垂直位置検出部２０２は、装置
側座標系のＸ'Ｙ'平面からの支持点ｐの高さの初期値
（Ｈ₀）に、算出した移動量（ｄｈ）を加算し、現在の
支持点ｐの高さＨを算出する（Ｓ２０３）。この高さＨ
が、鉛直方向における支持部１０１の現在位置となる。
また、前述の定数Ｋは、減速機２１２の減速比と、ピニ
オン２１４の回転に対するラック２１３の移動量から決
定される値であり、この定数Ｋと初期値（Ｈ₀）は、前
述のメモリに格納されている。

【００６６】つぎに、垂直位置制御部３００が行う第３
の処理について説明する。

【００６７】図１８に示すように、垂直位置制御部３０
０は、座標変換部２０７で算出した、指令値であるＨｓ
と垂直位置検出部２０２で算出した現在値Ｈとの差分を
求め（Ｓ３０１）、求めた値に定数Ｋを掛けて、モ−タ
２１０に対する駆動指令、具体的には、速度指令を算出
する（Ｓ３０２）。この速度指令は、Ｄ／Ａ変換器２０
５を介して、モ−タドライバ２１５に出力される。モ−
タドライバ２１５は、与えられた速度指令に基づいて、
モ−タ２１０を駆動する。この駆動により、支持部１０
１が垂直方向に移動し、関節部１１２ａの垂直方向の動
きに追従する。また、前述の定数Ｋは、前述のメモリに
記憶されている。

【００６８】つぎに、水平位置制御部３０１が行う処理
内容について説明する。

【００６９】まず、図２、図３、図５（ａ）および図１
９に基づいて、水平位置制御部３０１の第１の処理につ
いて説明する。

【００７０】図１９において、演算装置２０１にコント
ロ−ラ１１０からの前述の位置指令が入力されると（Ｓ
４０１）、極座標変換部３２５は、この位置指令の中か
ら、関節部１１２ａの中心点（支持点）ｐｓの水平方向
の位置に関する情報を抽出する（Ｓ４０２）。この情報
は、図５（ａ）に示すように、関節部１１２ａの中心点
の位置ｐｓを基準座標系におけるＸＹ平面上の座標(x,
y)として表しており、基準面１１５上における支持部１
０１の位置を規定するための情報である。

【００７１】Ｓ４０３において、極座標変換部３２５
は、基準座標系に対する装置側座標系の水平方向のオフ
セット(OX,OY)により、中心点ｐｓの位置(x,y)を装置側
座標における位置に変換する。具体的には、次式により
算出する。

【００７２】

【数１】

【００７３】

【数２】

【００７４】上式により、中心点ｐｓの位置(x,y)は、
装置側座標系のＰs（ｒs,θs）に変換される。支持部１
０１は、このＰs（ｒs,θs）を基準面１１５上の目標位
置（目標基準面位置）として移動する。尚、図５（ａ）
に示すように、装置側座標系は極座標表現となってい
る。

【００７５】つぎに、図２、図３、図５（ｂ）および図
２０に基づいて、水平位置制御部３０１の第２の処理に
ついて説明する。

【００７６】水平位置検出部２０６は、カウンタ３１３
で積算されているエンコ−ダ３１０、３１１のパルスの
積算値を入力する（図２０のＳ５０１）。水平位置検出
部２０６は、これらの積算値に基づいて、タイヤ３０８
の現在の進行方向角度θを算出するとともに（Ｓ５０
２）、装置側座標系の原点Ｏｇを基準とした移動距離ｒ
を求める（Ｓ５０３）。そして、水平位置検出部２０６
は、これを支持点の現在位置Ｐ（ｒ,θ）として出力す
る（図５（ｂ）参照）。

【００７７】具体的には、Ｓ５０２、Ｓ５０３における
処理は、次式を用いて行われる。

【００７８】

【数３】

【００７９】

【数４】

【００８０】

【数５】

【００８１】Δｒは、Ｓ５０３が実行されてから、再び
Ｓ５０３が実行されるまでの本重力補償装置の移動距離
である。この移動距離Δｒは、Ｓ５０３が実行されてか
ら、再びＳ５０３が実行されるまでのエンコ−ダ３１０
のパルスの積算値により、タイヤ３０８の回転数を求
め、この回転数にタイヤ３０８の円周を掛けることで計
算できる。

【００８２】Ｓ５０２、Ｓ５０３における処理を図５
（ｃ）を用いてさらに説明すると、前述のＳ５０３で
は、Ｓ５０２で算出した現在の進行方向角度θと移動距
離Δｒとから、Δｒのｘ成分（Δｒ・cosθ）とｙ成分
（Δｒ・sinθ）を求め、このｘ成分とｙ成分を、前回
Ｓ５０３が実行されたときに算出されたｒx₀とｒy₀に加
算する。その後、式（５）により、原点Ｏｇと現在地点
までの距離ｒを算出する。そして、今回算出したｒx、
ｒyは、ｒx₀とｒy₀として記憶される。尚、ｒx₀、ｒy₀
は、前述のメモリに記憶され、タイヤ３０８の円周につ
いてもこのメモリに予め記憶されている。

【００８３】つぎに、図２１に基づいて、水平位置制御
部３０１が行う第３の処理を説明する。

【００８４】図２１に示すように、水平位置制御部３０
１は、水平位置検出部２０６から出力される現在位置Ｐ
（ｒ,θ）と、極座標変換部３２５から出力される指令
値Ｐs（ｒs,θs）との差分を求め、求めた差分値に基づ
いて、モ−タドライバに与える速度指令を算出して出力
する。具体的には、水平位置制御部３０１は、ｒｓとｒ
との差分に基づく速度指令ｄｒsをＤ／Ａ変換部３１２
を介してモ−タドライバ２１７に出力し、θsとθとの
差分に基づく速度指令ｄθsをＤ／Ａ変換部３１２を介
してモ−タドライバ２１６に出力する。

【００８５】そして演算装置２０１は、垂直位置制御部
３００の処理と水平位置制御部３０１の処理とを協調的
に行うことにより、支持部１０１をマニピュレ−タ１１
１の関節部１１２ａの動きに追従させ、マニピュレ−タ
１１１の重力補償を行う。

【００８６】また、図３に示すように、境界判定部３２
１と、境界判定部３２１の判定結果の出力手段、例えば
アラ−ムライト３２３やブザ−３２４とを備えれば、重
力補償装置の移動範囲に制限を付けることができる。境
界判定部３２１は、水平位置検出部２０６が算出した距
離ｒが予め設定した許容移動限界ＬＭＴを超えているか
否かを次式により判断する。

【００８７】

【数６】

【００８８】そして、この距離ｒが設定許容移動限界Ｌ
ＭＴを超えたことを判断した場合には、境界判定部３２
１は、アラームライト３２３の点灯とブザー３２４の鳴
動を行うとともに、速度指令ｄｒs、ｄθsを０にし、さ
らにモータドライバ２１６、２１７に信号を送り、各モ
−タドライバをＯＦＦにする。これにより、モ−タドラ
イバの出力は０となる。このように構成することで、重
力補償装置の移動範囲を制限できる。

【００８９】つまり、境界判定部３２１は、基準面１１
５上において原点Ｏｇからの距離ＬＭＴよりも遠い領域
に重力補償装置が位置しているか否かを判断することが
できる。

【００９０】また、境界判定部３２１を、水平位置制御
部３０１が算出した速度指令ｄｒs、ｄθsに基づいて、
重力補償装置の基準面１１５上の目標位置を算出し、こ
の目標位置が予め定めた領域内にあるか否かを判断でき
るように構成してもよい。このように構成することで、
重力補償装置の危険領域への移動を未然に防ぐことがで
きる。

【００９１】以上が第１の実施例であるが、本重力補償
装置は、例えば、図７に示すような外観となる。図７に
示すように、水平移動機構１０６の上部には、駆動装置
１０５、制御装置１０４、駆動装置１０３、垂直移動機
構１０２、および、支持部１０１が設けられている。そ
して、垂直移動機構１０２の回りには、例えば、蛇腹式
のカバ−３２２が取り付けれる。

【００９２】また、本重力補償装置が支持するマニピュ
レ−タは、例えば、図６に示すようになっている。この
マニピュレ−タは、ベ−ス３１９と、ア−ム３２０とか
ら構成され、ベ−ス３１９は、図示しない支持部材に固
定されている。そして、本重力補償装置は、例えば、ア
−ム３２０の関節１１２ａを支持することにより、ア−
ム３２０にかかる重力を補償する。

【００９３】また、第１の実施例では、マニピュレ−タ
１１１の実際の動作を検出し、この動作に重力補償装置
が追従するよう構成されているが、予めマニピュレ−タ
１１１の動作デ−タが計算され、マニピュレ−タ１１１
の動作が予測されているならば、この動作デ−タに基づ
いて機能するよう構成してもよい。動作デ−タとして
は、位置指令以外にも、マニピュレ−タ１１１の動作に
対応した駆動装置の速度指令を直接与えるように構成し
てもよい。

【００９４】つぎに、第２の実施例について、図８、図
９および図１０を用いて説明する。

【００９５】本実施例では、支持部（支持部材）に力セ
ンサを取付け、力センサからの出力を用いて重力補償装
置に対する動作指令を算出している。

【００９６】尚、本実施例では、力センサに関する部分
以外は、第１の実施例で用いた構成要素を用いることが
できるので、力センサに関する処理を中心に説明する。

【００９７】図８に示すように、重力補償装置５００
は、支持系１０７として、関節１１２ａを支持するため
の支持部材１１６と、支持部材１１６を固定するととも
に、関節１１２ａの反力を検出し、アナログ信号として
出力する力センサ、例えば、６軸力センサ４０１とを備
えている。支持系１０７は、垂直移動機構１０２より昇
降することができる。

【００９８】図９に示すように、演算装置２０１には、
力センサ４０１から出力されたアナログ信号をデジタル
信号に変換するためのＡＤＣ（Analog to Digital Conv
erter）４０２と、ＡＤＣ４０２から出力された信号を
処理する信号変換部２０８を有している。この信号変換
部２０８は、力センサ４０１から出力された、支持部材
１１６にかかる力、トルクを示す信号に基づいて、鉛直
方向の分力（Ｆｚ）と、鉛直方向に対して垂直な方向に
おける２つの分力（Ｆｘ、Ｆｙ）とを算出し、それぞれ
の算出結果に応じた信号を発生する。

【００９９】そして、演算装置２０１は、分力（Ｆｚ）
を、関節１１２ａの鉛直方向の動作を示す情報として受
取り、また、分力（Ｆｘ、Ｆｙ）を関節１１２ａの鉛直
方向に対して垂直な方向における動作を示す情報として
受け取る。また、演算装置２０１のメモリには、補償重
量が記憶されている。この補償重量は、支持系１０７で
支えることができるマニピュレ−タ１１１の荷重を示す
値である。この補償重量値の求め方を簡単に説明する。

【０１００】まず、マニピュレ−タ１１１を支持部材１
１６に載置した状態で、各関節に設けられたモ−タをオ
フにする。その後、マニピュレ−タ１１１を動作領域内
で様々な姿勢に変化させる。そして、姿勢を変化させて
いる間、力センサ４０１で鉛直方向の力を検出し、検出
結果を収集していく。その後、収集した中から、最小値
を抽出する。この最小値を補償重量として設定する。

【０１０１】つぎに、図９および図２２を用いて制御装
置１０４の処理内容について説明する。

【０１０２】力センサ４０１から出力されたアナログ信
号は、ＡＤＣ４０２に入力される。ＡＤＣ４０２では、
与えられたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力
する（図２２のＳ７０１）。信号変換部２０８は、この
デジタル信号が示す検出結果を、所定の補正行列を用い
て、重力補償装置側の座標系におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸
方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、各軸回りのモ−メントＭ
ｘ、Ｍｙ、Ｍｚとに分解する（Ｓ７０２）。

【０１０３】その後、垂直位置制御部３００は、ｚ軸方
向の力Ｆｚと、予め設定された補償重量に相当する信号
との偏差を求め、求めた値に定数Ｋを掛けて、この値を
速度指令として出力する（Ｓ７０３）。モ−タドライバ
２１５（図２参照）は、Ｄ／Ａ変換２０５を介してこの
速度指令を取得し、モ−タ２１０を駆動する。そして、
モ−タ２１０により支持部１０１が移動する。したがっ
て、ｚ軸方向の力Ｆｚと、設定された補償重量との偏差
が常に０になるように制御されることになる。尚、補償
重量には、前述したように、マニピュレ−タ１１１の様
々な姿勢変化における荷重の最小値が設定されているの
で、モ−タ２１０が必要以上に支持部１０１を押し上げ
ることはない。

【０１０４】一方、水平位置制御部３０１は、水平方向
成分信号（Ｆx,Ｆy）に、予め定めた係数Ｋを掛けて、
極座標変換部３２５により速度指令値（ｄｒs,ｄθs）
を得る。極座標変換部３２５は、下式に基づいて、Ｆx
とＦyの合成した力に比例する速度ｄｒsと、ＦxとＦyを
合成した際の力の方向に対応する回転角ｄθsを算出す
る。

【０１０５】

【数７】

【０１０６】

【数８】

【０１０７】なお、記号「・」はかけ算を意味する。

【０１０８】水平位置制御部３０１は、進行方向を決定
するモータ３０５につながるモータドライバに速度指令
ｄθsを与え、移動距離を決定するモータ３０６につな
がるモータドライバの速度指令ｄｒsとして与える（Ｓ
７０４）。モータ３０５、３０６は、与えられた速度指
令にしたがって水平移動機構１０６を駆動する。

【０１０９】尚、演算装置２０１において、水平位置制
御部３０１が行う処理と、垂直位置制御部３００が行う
処理は並行的に実行される。

【０１１０】以上説明したように、本実施例の重力補償
装置５００は、マニピュレ−タの関節１１２ａが動作し
たときに生じる力の反作用を検出し、その検出結果をも
とに支持部材１１６を関節１１２ａの動きに追従させる
ことができる。

【０１１１】また、図１０に示す重力補償装置５０１の
ように、支持部材１１６の上部にフレ−ム３２６を取り
付けて、フレ−ム３２６にワイヤ３０７の一端を固定
し、もう一端を関節１１２ａに取り付けてもよい。フレ
−ム３２６の形状は、マニピュレ−タ１１１の動作に支
障がないように形成すればよい。

【０１１２】つぎに、第３の実施例を説明する。

【０１１３】本実施例の重力補償装置は、マニピュレ−
タ１１１の動作に合わせて作動する姿勢制御装置を備え
ている。

【０１１４】図１１に示すように重力補償装置６００の
支持系１０７には、取付部材４００と、力センサ４０１
と、力センサ４０１の上部に設けられ、３つのステッピ
ングモータを内蔵した姿勢制御装置、例えば、３軸姿勢
制御装置４０４を備えている。支持系１０７は、垂直移
動機構１０２により昇降する。姿勢制御装置４０４の詳
細は、図１２（ａ）、（ｂ）に示されている。

【０１１５】図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、姿勢
制御装置４０４は、マニピュレ−タ１１１の関節１１２
ａを固定するための取付部材４００と、取付部材４００
を支持し、取付け部材４００をｙ軸回りに回転させるた
めの関節部４０９と、関節部４０９を支持し、関節部４
０９をｘ軸回りに回転させるための関節部４１０と、関
節部４１０を支持し、関節部４１０をＺ軸回りに回転さ
せるための関節部４１１とから構成される。また、関節
部４０９、４１０、４１１のそれぞれには、ステッピン
グモ−タ４０６、４０７、４０８が内蔵されている。各
ステッピングモ−タの駆動により各関節の関節角度が変
化する。関節部４１１は、カバ−４０５の内側底面に固
定されている。また、カバ−の外側の底面は、力センサ
４０１に固定されている。

【０１１６】一方、演算装置２０１には、図１３に示す
ように、力センサ４０１からの出力信号を変換する力正
変換部２０９と、力正変換部２０９からの出力に基づい
て、ステッピングモ−タ４０６、４０７、４０８に出力
する角速度、および、モ−タドライバ２１５、２１６、
２１７に出力する速度指令を計算する乗算部２１８とを
備えている。

【０１１７】つぎに、演算装置２０１の処理内容につい
て説明する。

【０１１８】力センサ４０１は、マニピュレ−タの関節
部１１２ａの反力に応じて、力センサの座標系における
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向の力（ｆx,ｆy,ｆz）と、各軸
回りのモ−メント（ｍx,ｍy,ｍz）とを検出して出力す
る。

【０１１９】演算装置２０１は、これらの信号（ｆx,ｆ
y,ｆz,ｍx,ｍy,ｍz）を受けて、力正変換部２０９によ
り、重力補償装置側の座標系における値（Ｆx,Ｆy,Ｆz,
Ｍx,Ｍy,Ｍz）に変換する。

【０１２０】乗算部２１８は、このうちの（Ｍx,Ｍy,Ｍ
z）により、ステッピングモ−タ４０６、４０７、４０
８へ出力する角速度Δθｘ、Δθｙ、Δθｚを算出す
る。具体的には、次式により算出する。

【０１２１】

【数９】

【０１２２】

【数１０】

【０１２３】

【数１１】

【０１２４】なお、記号「・」はかけ算を意味する。

【０１２５】その後、乗算部２１８は、角速度Δθｘ、
Δθｙ、Δθｚに比例する正方向／負方向ステップパル
スを発生し、図示しないバッファを介して、各ステッピ
ングモ−タへ出力する。

【０１２６】また、乗算部２１８は、（Ｆx,Ｆy,Ｆz,Ｍ
x,Ｍy,Ｍz）のうちの（Ｆx,Ｆy,Ｆz）を用いて、モ−タ
ドライバ２１５、２１６、２１７に出力する速度指令Δ
θｘ'、Δθｙ'、Δθｚ'を算出する。具体的には、次
式により算出する。

【０１２７】

【数１２】

【０１２８】

【数１３】

【０１２９】

【数１４】

【０１３０】そして、乗算部２１８は、角速度Δθ
ｘ'、Δθｙ'、Δθｚ'に対応する信号を出力する。

【０１３１】尚、定数Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ、Ｋｘ、Ｋｙ、
Ｋｚは、演算装置２０１のメモリに予め記憶されてい
る。

【０１３２】このように、マニピュレータの姿勢変化に
合わせて取付部材４００が動作するので、取付部材４０
０に印加される力・トルクの検出誤差を抑制することが
できる。尚、ステッピングモータ４０６、４０７、４０
８に出力される正負のパルスをカウンタにより積算し、
積算したパルス数に所定の変換係数をかけ、各パルスモ
−タの回転角度を把握できるように構成することもでき
る。そして、回転角度が設定角度範囲境界に達したら、
アラームライトの点灯や、ブザーを鳴らし、必要以上の
トルクが取付部材に印加されないよう警告出力を発する
ように構成してもよい。

【０１３３】また、図１４に示すように、マニピュレ−
タの操作対象物の重力補償を行ってもよい。操作対象物
４０３は、取付部材４００に固定されている。そして、
マニピュレ−タ１１１が操作対象物４０３を運ぼうとす
る方向へ、操作対象物４０３を移動させることにより、
操作対象物４０３の重力補償を行うことができる。この
ようにすれば、操作対象物４０３の重量がマニピュレ−
タ１１１にかかることはない。

【０１３４】つぎに、第４の実施例について説明する。

【０１３５】本実施例では、重力補償装置を複数用いて
マニピュレータの重力補償を行っている。

【０１３６】各重力補償装置には、前述の実施例で記述
したものを用いることができるが、図１５においては、
マニピュレ−タ４１２の関節部４１２ａには、第１の実
施例の重力補償装置が配置されており、関節部４１２ｂ
には、第３の実施例の重力補償装置が配置されている。

【０１３７】そして、関節部４１２ａを支持する重力補
償装置１００は、コントロ−ラ１１０の指示にしたがっ
て動作し、関節部４１２ｂを支持する重力補償装置６０
０は、関節４１２ｂの姿勢制御を行いながら独立的に動
作する。

【０１３８】このように、姿勢変化の激しい部分に第３
の実施例で述べた重力補償装置６００を使用し、姿勢変
化があまり発生しない部分に第１の実施例で述べた重力
補償装置１００を配置すればシステムの最適化が図れ
る。

【０１３９】また、第１の実施例で記述した境界判定部
を各重力補償装置に設ければ、各重力補償装置の水平移
動が制限されるので、重力補償装置どうしの衝突を防ぐ
ことができる。

【０１４０】

【発明の効果】本発明の重力補償装置によれば、大規模
な設備を設けることなく、目的の対象物の重力補償を行
うことができる。

【０１４１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成の概要を示すブロッ
ク図。

【図２】本発明の第１実施例の構成の概要を示す構成
図。

【図３】本発明の第１実施例の水平位置制御部に関する
ブロック図。

【図４】本発明の第１実施例の座標系に関する説明図。

【図５】本発明の第１実施例の座標系に関する説明図。

【図６】本発明に係るマニピュレ−タの一例を示す外観
図。

【図７】本発明に係る重力補償装置の一例を示す外観
図。

【図８】本発明の第２実施例の構成の概要を示すブロッ
ク図。

【図９】本発明の第２実施例の制御装置に関するブロッ
ク図。

【図１０】本発明の第２実施例においてワイヤを用いた
場合の構成の概要を示すブロック図。

【図１１】本発明の第３実施例の構成の概要を示すブロ
ック図。

【図１２】本発明に係る姿勢制御装置の一例を示す構成
図である。

【図１３】本発明の第３実施例の演算装置に関するブロ
ック図。

【図１４】本発明の第３実施例において操作対象物の重
力補償を行った場合の構成の概要を示すブロック図。

【図１５】本発明に係る重力補償装置が複数使用された
場合の説明図。

【図１６】本発明の第１実施例の垂直位置制御部の第１
の処理に関するフロ−チャ−ト。

【図１７】本発明の第１実施例の垂直位置制御部の第２
の処理に関するフロ−チャ−ト。

【図１８】本発明の第１実施例の垂直位置制御部の第３
の処理に関するフロ−チャ−ト。

【図１９】本発明の第１実施例の水平位置制御部の第１
の処理に関するフロ−チャ−ト。

【図２０】本発明の第１実施例の水平位置制御部の第２
の処理に関するフロ−チャ−ト。

【図２１】本発明の第１実施例の水平位置制御部の第３
の処理に関するフロ−チャ−ト。

【図２２】本発明の第２実施例の制御に関するフロ−チ
ャ−ト。

【図２３】従来の重力補償装置に関する説明図。

【符号の説明】

１００、５００、５０１、６００、６０１：重力補償装
置、１０１：支持部、１０２：垂直移動機構、１
０３：駆動装置、１０４：制御装置、１０５：駆動
装置、１０６：水平移動機構、１０７：支持系、
１０８：支持台、１０９：ガイド部材、１１０：コ
ントロ−ラ、１１１：マニピュレ−タ、１１２ａ、
ｂ、ｃ：関節、１１３ａ、ｂ、ｃ：腕、１１４：
手、１１５：基準面、１１６：支持部材、１１
７：昇降装置、１１８：移動装置、２０１：演算装
置、２０２：垂直位置検出部、２０３：インタフェ
−ス装置、２０４：カウンタ、２０５：Ｄ／Ａ変換
器、２０６：水平位置検出部、２０７：座標変換部、
２０８：信号変換部、２０９：力正変換部、２１
０：モ−タ、２１１：エンコ−ダ、２１２：減速
機、２１３：ラック、２１４：ピニオン、２１５、
２１６、２１７：モ−タドライバ、２１８：乗算部、
３００：垂直位置制御部、３０１：水平位置制御
部、３０２：インタフェ−ス装置、３０３、３０
４：かさ歯車、３０５、３０６：モ−タ、３０７：ワ
イヤ、３０８：タイヤ、３０９ａ、ｂ：ロ−ラ、
３１０、３１１：エンコ−ダ、３１２：Ｄ／Ａ変換
器、３１３：カウンタ、３１４：車軸、３１５：
軸受、３１６：筐体、３１７：垂直位置検出系、
３１８：水平位置検出系、３１９：ベ−ス、３２
０：ア−ム、３２１：境界判定部、３２２：カバ
−、３２３：アラ−ムライト、３２４：ブザ−、
３２５：極座標変換部、３２６：フレ−ム、４０
０：取付け部材、４０１：力センサ、４０２：ＡＤ
Ｃ(Analog to Digital Converter)、４０３：操作対
象物、４０４：姿勢制御装置、４０５：カバ−、
４０６、４０７、４０８：ステッピングモ−タ、４０
９、４１０、４１１、４１２ａ、ｂ：関節、４１２、
７０１：マニピュレ−タ、７０２：駆動機構、７０
３：ワイヤ、７０４：ベ−ス部、７０５：テレビカ
メラ、７０６：オペレ−タ、７０７：操作対象物、
７０８：モニタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め定めた基準面の上方で動作する対象物
の重力を補償する重力補償装置において、前記対象物の一部を支持する支持部と、前記支持部を昇
降させる昇降装置と、前記支持部および前記昇降装置を
搭載し、前記基準面上を移動する移動装置と、前記対象
物が動作する際に、前記支持部が前記対象物の一部に追
従するよう、前記昇降装置の昇降動作および前記移動装
置の移動動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、鉛直方向における前記対象物の一部の動作に関する第１
の動作情報を受け付けて、前記昇降装置に昇降動作をさ
せるための第１の駆動指令を前記第１の動作情報に基づ
いて生成し、前記第１の駆動指令を前記昇降装置に与え
る第１の制御と、前記鉛直方向に対して垂直な方向にお
ける、前記対象物の一部の動作に関する第２の動作情報
を受け付けて、前記移動装置に移動動作をさせるための
第２の駆動指令を前記第２の動作情報に基づいて生成
し、前記第２の駆動指令を前記移動装置に与える第２の
制御とを行い、前記昇降装置は、与えられた第１の駆動指令にしたがって前記支持部を昇
降させることにより、前記対象物の重力を補償し、前記移動装置は、与えられた第２の駆動指令にしたがって前記基準面上を
移動することにより、前記支持部を前記基準面と平行に
動かすことを特徴とする重力補償装置。
【請求項２】請求項１において、前記移動装置は、前記制御装置をさらに搭載することを
特徴とする重力補償装置。
【請求項３】請求項２において、鉛直方向における前記支持部の現在位置（鉛直位置）
と、前記基準面上における前記支持部の現在位置（基準
面位置）とを検出する位置検出手段をさらに備えること
を特徴とする重力補償装置。
【請求項４】請求項３において、前記第１の動作情報は、鉛直方向における前記支持部の
目標位置（目標鉛直位置）を規定するための位置指令で
あり、前記第２の動作情報は、前記基準面上における前
記支持部の目標位置（目標基準面位置）を規定するため
の位置指令であり、前記制御装置は、前記鉛直位置と前記目標鉛直位置との差分に基づいて、
前記第１の駆動指令を生成し、前記基準面位置と前記目標基準面位置との差分に基づい
て、前記第２の駆動指令を生成することを特徴とする重
力補償装置。
【請求項５】請求項２において、鉛直方向における前記対象物の一部の動作を検出し、そ
の検出結果を前記第１の動作情報として出力し、前記鉛
直方向に対して垂直な方向における、前記対象物の一部
の動作を検出し、その検出結果を前記第２の動作情報と
して出力する動作検出手段をさらに備えることを特徴と
する重力補償装置。
【請求項６】請求項５において、前記動作検出手段は、前記支持部にかかる力およびトルクを検出するセンサ
と、前記センサの検出結果に基づいて、前記支持部にかかる
鉛直方向の力（鉛直分力）、および、前記支持部にかか
る、前記鉛直方向に対して垂直な方向の力（水平分力）
を算出する処理と、前記鉛直分力を前記第１の動作情報
として出力し、前記水平分力を前記第２の動作情報とし
て出力する処理とを行う信号変換手段とを備えることを
特徴とする重力補償装置。
【請求項７】請求項６において、前記鉛直分力の基準値となる補償重量値を記憶する記憶
手段をさらに備え、前記制御装置は、前記第１の動作情報が示す鉛直分力と前記補償重量値と
の差分に基づいて、前記第１の駆動指令を生成し、前記
第２の動作情報が示す水平分力に基づいて、前記第２の
駆動指令を生成することを特徴とする重力補償装置。
【請求項８】請求項３において、前記基準面位置が前記基準面上の予め定めた領域内にあ
るか否かを判断し、その判断結果を出力する位置判断手
段をさらに備えることを特徴とする重力補償装置。
【請求項９】請求項２において、前記第２の駆動指令に基づいて、前記基準面上における
前記支持部の目標位置（目標基準面位置）を算出し、前
記目標基準面位置が前記基準面上の予め定めた領域内に
あるか否かを判断し、その判断結果を出力する目標位置
判断手段をさらに備えることを特徴とする重力補償装
置。
【請求項１０】請求項２において、前記支持部にかかる力およびトルクを検出するセンサ
と、前記センサの検出結果に基づいて作動する姿勢制御装置
をさらに備え、前記姿勢制御装置は、前記支持部を前記支持部の昇降軸
回りに回転させること、および、前記支持部を前記昇降
軸に対して傾かせることで前記支持部の姿勢を変化させ
ることを特徴とする重力補償装置。
【請求項１１】請求項４、７、８、９または１０におい
て、前記対象物は、微小重力または無重力環境下で使用され
るマニピュレ−タであることを特徴とする重力補償装
置。