JPH09272082A

JPH09272082A - 遠隔操作用マスター・アーム装置

Info

Publication number: JPH09272082A
Application number: JP11061296A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Takada; 亮平高田; Seiichi Marumoto; 清一丸元
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1996-04-08
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな動作範囲を得られるとともに、姿勢３
軸のベースに対する不動性を得ることができ、さらに、
安価に製作することができる遠隔操作用マスター・アー
ム装置を提供する。【解決手段】肩軸Ａを旋回中心として旋回する第１ア
ーム５と、肘軸Ｂを旋回中心として旋回する第２アーム
６と、手首軸Ｃを回転中心として回転するグリップ部７
とを設ける。肩軸Ａと同軸に取り付けられ、回転不能な
固定プーリ１１と、肘軸Ｂを回転中心とする第１肘回転
プーリ１２及び第２肘回転プーリ１３と、手首軸Ｃを回
転中心とする手首回転プーリ１４とを設ける。固定プー
リ１１と第１肘回転プーリ１２とに、第１ベルト１５を
掛け渡し、第２回転プーリ１３と手首回転プーリ１４と
に、第２ベルト１６を掛け渡す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作業用の遠隔操作
装置に対して入力を行うためのマスター・アーム装置に
関し、特に手先側の姿勢入力手段のベースが、位置の変
化に対して安定となるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の遠隔操作用マスター・ア
ーム装置としては、直交型のマスター・アーム装置、６
軸垂直多関節型のマスター・アーム装置等が知られてい
る。

【０００３】上記した直交型のマスター・アーム装置の
一例が、特開昭６２−８４９８５号公報に「マスターア
ーム」として開示されている。この特開昭６２−８４９
８５号公報に開示された「マスターアーム」は、互いに
直交する三つの方向に可動な移動台と、この移動台上
で、独立な三つの軸まわりに回転可能な回転台とから構
成され、この回転台に操縦者の握るグリッパが取り付け
られている。

【０００４】この「マスターアーム」では、操縦者によ
るグリッパの移動が、直交移動台の３方向変位量とし
て、操作者によるグリッパの３軸まわり回転変位量が、
３軸回転台の姿勢３軸変位量として捉えられ、これらの
変位量に基づいて指令信号を発生させている。

【０００５】上記した６軸垂直多関節型のマスター・ア
ーム装置の一例が、特開平６−２３８５８５号公報に
「操作型ロボットの指令発生装置」として開示されてい
る。この特開平６−２３８５８５号公報に開示された
「操作型ロボットの指令発生装置」は、オペレータが把
持する把持部を回転中心の延長線が前記把持部内の一点
で交差するように設けた多自由度リンク機構と、前記多
自由度リンク機構の回転変位量を計測する変位量計測手
段と、前記多自由度リンク機構を支持する支持部と、前
記支持部を介して把持部に作用するオペレータの並進力
を検出する力覚センサ手段と、動作させるロボットの姿
勢指令を前記多自由度リンク機構の変位量計測手段か
ら、位置指令を前記力覚センサ手段から求める演算手段
とを備えている。

【０００６】この「操作型ロボットの指令発生装置」で
は、ロボットの姿勢に関しては、多自由度機構の変位量
として与えられ、並進の自由度に関しては、力覚センサ
手段の検出値により与えられる。そして、姿勢の検出値
はロボットの姿勢に対応させ、力の検出値はその大きさ
をロボットの速度または位置に対応させることにより、
ロボットの遠隔操作を行っている。

【０００７】マスター・アーム装置として利用可能なア
ーム機構の構成の一例として、スカラー型ロボットが挙
げられる。その一例が、実用産業ロボット技術便覧
（（株）産業技術調査会発行）のｐ２２〜ｐ２９（特
に、ｐ２８の図１．１．１５）に開示されている。この
種のロボットは多くの場合、平面内の移動と回転を行う
三つの平行な回転間接と、手先効果器を平面に対して垂
直に移動させる４番目の直動間接とを備えている。スカ
ラー型のマスター・アーム装置も、このスカラー型ロボ
ットとほぼ同様の構成からなり、手先効果器の部分に姿
勢変位入力手段を付設すれば容易に実現できる。

【０００８】いずれのマスター・アーム装置も、図２に
示すように、位置３方向を検知する位置変位入力手段の
手先側に、姿勢３方向を検知する姿勢変位入力手段が、
ベースにて付設されている。姿勢変位入力手段は、一般
的には、操作者の握るグリッパと、この手段のベース部
との相対的な角度変位から姿勢３方向の角度入力を得て
いる。例えば、特開昭６２−８４９８５号公報に開示さ
れた「マスターアーム」では、直行移動台が位置変位入
力手段であり、３軸回転台が姿勢変位入力手段である。
特開平６−２３８５８５号公報に開示された「操作型ロ
ボットの指令発生装置」では、力覚センサ手段が変位入
力手段であり、多自由度リンク機構が姿勢変位入力手段
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のマスター・アーム装置は、以下に説明するような利点
及び問題点を有している。

【００１０】すなわち、上記した従来の直交型のマスタ
ー・アーム装置では、位置変位入力手段の手先側の位置
が変化しても、姿勢変位入力手段のベースは向きが変わ
らない。すなわち回転変位不動であり、オペレータにと
って姿勢入力操作と位置入力操作が区別しやすい。ま
た、位置の変化に対して、位置の入力の重さ等の操作性
が一定で違和感なく操作できるという利点がある。

【００１１】しかし、直動運動でアームを構成するの
で、摩擦抵抗が大きく、全般にオペレータ、すなわち操
作者の入力操作が重くなる。また、動作域を大きくする
ためにアームを大きな構造とすると、重量が増加して操
作性を悪化させる等の問題点があった。

【００１２】上記した従来の６軸垂直多関節型のマスタ
ー・アーム装置では、アームが回転運動するので、オペ
レータの入力操作が軽く、カウンターウェイトバランス
等を用いることにより重力補償が容易であり、大きな動
作範囲を得ることができるという利点がある。

【００１３】しかし、グリップの位置の変化にともな
い、手先側の姿勢変位入力手段のベースの方向も変換す
るので、姿勢変化の入力を得るためには、位置変化によ
る姿勢入力手段のベースの姿勢変化分を補償する演算等
が必要であった。また、オペレータにとっては、姿勢入
力手段のベースが位置変化に応じて変化するので、姿勢
を変化させずに、位置の変化のみを入力するのは極めて
困難であった。また、位置の可動範囲限界近くでは、二
本のアームのなす関節角が１８０度に近づき、アームを
延ばす方向への操作が非常に重くなる等、位置変化に対
して操作性が変化してしまう問題点があった。さらに、
重力補償も、カウンターウェイトは単純で安価な方法で
あるが、慣性質量の増加は不可避で、適切に設計しなけ
ればかえって操作性を重くしてしまう欠点もあった。

【００１４】上記したスカラー型のロボットの構成を、
マスター・アーム装置に応用した場合では、旋回方向で
ある水平面内での操作性は摩擦が少なく良好であるが、
鉛直方向には、重力補償が必要であり、また姿勢変位入
力手段のベースは、位置変化によって鉛直軸に関して動
いてしまう欠点があった。

【００１５】すなわち、上記した従来のどのような型の
マスター・アーム装置であっても、大きな動作範囲での
軽快な操作性と、姿勢入力のベースの不動性を両立する
ことはできなかった。

【００１６】そこで、本発明は、上記した従来の技術の
有する問題点に鑑み提案されたもので、大きな動作範囲
を得られるとともに、姿勢入力手段ベースの位置変化に
対する回転不動性を得ることができ、さらに、安価に製
作することができる遠隔操作用マスター・アーム装置を
提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した目的
を達成するためのものであり、以下にその内容を説明す
る。

【００１８】請求項１記載の発明は、基部から上方に向
かって立設した昇降フレームと、前記昇降フレームに昇
降可能に取り付けられ、略鉛直方向の肩軸を有する昇降
ケージと、前記昇降ケージに、肩軸を旋回中心として、
肩軸と直交する平面内で旋回可能にその基端部を軸止す
るとともに、その先端部に肩軸と平行な肘軸を有する第
１アームと、前記第１アームの先端部に、肘軸を旋回中
心として、肘軸と直交する平面内で旋回可能にその基端
部を軸止するとともに、その先端部に肩軸と平行な手首
軸を有する第２アームと、前記第２アームの先端部に、
手首軸を回転中心として、手首軸と直交する方向に回転
可能に軸止したグリップ部と、前記昇降ケージに設けら
れ、肩軸の回転角度を検出する肩軸回転角度検出手段
と、前記第１アームの先端部と第２アームの基端部との
軸止部に設けられ、肘軸の回転角度を検出する肘軸回転
角度検出手段と、前記昇降フレームに設けられ、前記昇
降ケージの昇降方向位置を検出する昇降方向位置検出手
段と、前記昇降ケージに、肩軸の軸方向と同軸に、回転
不能に取り付けた固定プーリと、前記第１アームの先端
部と第２アームの基端部との軸止部に、肘軸を回転中心
として回転可能に軸止され、一体となって回転する第１
肘回転プーリ及び第２肘回転プーリと、前記第２アーム
の先端部に、手首軸を回転中心として回転可能に軸止さ
れ、グリップ部と一体に回転する手首回転プーリと、前
記固定プーリと、前記第１肘回転プーリとに掛け渡され
た第１ベルトと、前記第２肘回転プーリと、前記手首回
転プーリとに掛け渡された第２ベルトとを備えて、遠隔
操作用マスター・アーム装置を構成する。

【００１９】請求項２記載の発明は、上記した請求項１
記載の発明の構成に加えて、昇降フレームと昇降ケージ
との間には、昇降フレームに対して昇降ケージを一定の
張力で吊り下げるための定張力バネを設けて、遠隔操作
用マスター・アーム装置を構成する。

【００２０】したがって、上記した発明によれば、次の
ような作用を奏する。すなわち、請求項１記載の発明で
は、昇降ケージは、昇降フレームに沿って略鉛直方向に
昇降することができる。この昇降ケージの昇降に伴っ
て、第１アームと、第２アームと、グリップ部とが昇降
する。

【００２１】第１アームは、肩軸を旋回中心として旋回
することができ、第２アームは、肘軸を旋回中心として
旋回することができ、グリップ部は、手首軸を回転中心
として回転することができる。

【００２２】また、固定プーリは、肩軸と同軸で回転不
能であり、第１肘回転プーリと第２肘回転プーリとは、
一体となって回転し、手首回転プーリとグリップ部と
は、一体となって回転する。そして、固定プーリと第１
肘回転プーリとには、第１ベルトが掛け渡してあり、手
首回転プーリと第２肘回転プーリとには、第２ベルトが
掛け渡してある。

【００２３】このため、第１アームを旋回させたり、第
２アームを旋回させたり、あるいはこれらを複合して動
作させても、グリップ部は、旋回平面に対して、固定プ
ーリが向かう方向と、常に同一方向を向くので、姿勢３
軸は、ベースに対して不動となる。

【００２４】請求項２記載の発明では、定張力バネによ
り、昇降ケージを昇降フレームに対して一定の張力で吊
り下げることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき、本発明に係
る遠隔操作用マスター・アーム装置の実施の形態の一例
を説明する。図１は、本発明に係る遠隔操作用マスター
・アーム装置の一実施例を示した斜視図である。

【００２６】本発明に係る遠隔操作用マスター・アーム
装置１は、図１に示すように、スカラー型のマスター・
アーム装置１であり、床面に設置する基台２から上方に
向かって立設した板状の昇降フレーム３と、この昇降フ
レーム３に昇降可能に取り付けた昇降ケージ４とを備え
ている。尚、図１に示した実施例では、昇降フレーム３
を基部である基台２上に設置しているが、基部を床面と
して、直接床面上に設置してもよい。

【００２７】昇降ケージ４は、断面略コ字状をした部材
で、上下方向の基板４ａと、基板４ａの上下端部からそ
れぞれ前方に向かって突出して設けた上側板４ｂと、下
側板４ｃとを備えている。そして、基板４ａの背面側を
昇降フレーム３の表面側に向けて、昇降フレーム３に取
り付けられている。

【００２８】この昇降ケージ４の下側板４ｃの上面に
は、第１アーム５の基端部が、略鉛直方向の肩軸Ａを旋
回中心として、この肩軸Ａと直行する平面内で旋回可能
に軸止されている。

【００２９】第１アーム５の先端部には、第２アーム６
の基端部が、肩軸Ａと平行する肘軸Ｂを旋回中心とし
て、この肘軸Ｂと直行する平面内で旋回可能に軸止され
ている。

【００３０】第２アーム６の先端部には、グリップ部７
が、肩軸Ａと平行する手首軸Ｃを回転中心として、この
手首軸Ｃと直行する方向に回転可能に軸止されている。
このグリップ部７は、オペレータが握持して操作するた
めの棒状の部材で、オペレータが握持し易いように、そ
の表面に指を押し当てる凹凸部７ａを設けてある。

【００３１】上記したように、肩軸Ａと肘軸Ｂと手首軸
Ｃとは、相互に平行となっていて、第１アーム５と第２
アーム６とグリップ部７とは、肩軸Ａと直行する平面内
で、それぞれ旋回あるいは回転することができる。すな
わち、肩軸Ａと肘軸Ｂと手首軸Ｃとは、それぞれ平行し
て略鉛直方向に延びているため、第１アーム５と第２ア
ーム６とグリップ部７とは、略水平面内で、それぞれ旋
回あるいは回転することができる。

【００３２】昇降ケージ４の下側板４ｃの下面には、第
１アーム５の旋回軸と連絡して、肩軸Ａの回転角度、す
なわち、昇降ケージ４に対する第１アーム５の旋回角度
を検出するための肩軸回転角度検出器８が取り付けてあ
る。この肩軸回転角度検出器８は、肩軸回転角度検出手
段として機能するもので、例えば、エンコーダにより構
成されている。

【００３３】第１アーム５の先端部の下面には、第２ア
ーム６の旋回軸と連絡して、肘軸Ｂの回転角度、すなわ
ち、第１アーム５に対する第２アーム６の旋回角度を検
出するための肘軸回転角度検出器９が取り付けてある。
この肘軸回転角度検出器９は、肘軸回転角度検出手段と
して機能するもので、例えば、エンコーダにより構成さ
れている。

【００３４】昇降フレーム３の上端部には、昇降ケージ
４と連絡して、昇降ケージ４の昇降方向位置を検出する
昇降方向位置検出器１０が取り付けてある。この昇降方
向位置検出器１０は、昇降方向位置検出手段として機能
するもので、例えば、エンコーダにより構成されてい
る。

【００３５】昇降ケージ４の上側板４ｂの下面には、肩
軸Ａの軸方向と同軸に、固定プーリ１１を回転不能に取
り付けてある。

【００３６】第２アーム６の基端部の上面には、肘軸Ｂ
を回転中心として軸止され、一体となって回転する第１
肘回転プーリ１２及び第２肘回転プーリ１３を、上下に
並べて取り付けてある。

【００３７】第２アーム６の先端部の上面には、グリッ
プ部７の下端部に位置するように、手首軸Ｃを回転中心
として軸止され、グリップ部７と一体に回転する手首回
転プーリ１４を取り付けてある。

【００３８】そして、上記した固定プーリ１１と第１肘
回転プーリ１２とには、第１ベルト１５を掛け渡してあ
り、第２肘回転プーリ１３と手首回転プーリ１４とに
は、第２ベルト１６を掛け渡してある。

【００３９】このため、肩軸Ａを旋回中心として第１ア
ーム５を旋回させると、第１肘回転プーリ１２及び第２
肘回転プーリ１３は、その旋回平面に対して、固定プー
リ１１が向かう方向と、常に同一の方向を向くこととな
る。また、肘軸Ｂを旋回中心として第２アームを旋回さ
せると、手首回転プーリ１４は、その旋回平面に対し
て、第１肘回転プーリ１２及び第２肘回転プーリ１３が
向かう方向と、常に同一の方向を向くこととなる。

【００４０】したがって、肩軸Ａを旋回中心として第１
アーム５を旋回させたり、肘軸Ｂを旋回中心として第２
アームを旋回させたり、あるいは両アーム５，６を複合
して旋回させると、手首回転プーリ１４と、第１肘回転
プーリ１２及び第２肘回転プーリ１３とは、その旋回平
面に対して、固定プーリ１１が向かう方向と、常に同一
の方向を向くこととなる。すなわち、グリップ部７は、
その旋回平面に対して、固定プーリ１１が向かう方向
と、常に同一の方向を向くので、姿勢３軸は、ベースに
対して不動となる。

【００４１】昇降フレーム３の前面側の上部には、定張
力バネ１７が取り付けてあり、この定張力バネ１７の先
端部が、昇降ケージ４の上側板４ｂの上面に設けたフッ
ク１８に接続されている。

【００４２】上記した定張力バネ１７は、ドラムの外周
に、一定の曲率で曲げられた金属製の長尺な板バネ１７
ａを巻き付けて形成されている。この板バネ１７ａは、
一定の曲率で曲げられているので、板バネ１７ａを直線
状に引き延ばすときに生ずる戻り力は、どの位置におい
ても一定となっている。

【００４３】したがって、昇降フレーム３に対して昇降
ケージ４を一定の張力で吊り下げることができる。

【００４４】上記したマスター・アーム装置１を使用す
るには、オペレータがグリップ部７を握持して、第２ア
ーム６を第１アーム５に対して旋回させたり、第１アー
ム５を昇降ケージ４に対して旋回させたり、昇降ケージ
４を上下させたり、あるいはこれらの動きを組み合わせ
て、マスター・アーム装置１を操作する。そして、この
ようなオペレータのマスター・アーム操作により、ロボ
ットアーム等のスレーブ装置を動作させることができ
る。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００４６】請求項１記載の発明では、グリップ部は、
その旋回平面に対して、固定プーリが向かう方向と、常
に同一の方向を向くようになっている。また、スカラー
型のマスター・アーム装置であるため、他の型のマスタ
ー・アーム装置と比較して設計製作が容易であり、軽量
にもなる。

【００４７】したがって、請求項１記載の発明では、姿
勢入力部のベースの位置変化に対する姿勢不動性を得る
ことができるとともに、大きな動作範囲を得ることがで
き、さらに、安価に製作することが可能な遠隔操作用マ
スター・アーム装置を提供することができる。

【００４８】請求項２記載の発明では、定張力バネによ
り、昇降ケージを昇降フレームに対して一定の張力で吊
り下げている。

【００４９】したがって、請求項２記載の発明では、上
記した請求項１記載の発明の効果に加えて、重力補償が
可能となる。また、バネを用いることで慣性質量の増加
を招くことなく、重力補償が可能となるので、軽快な操
作性の遠隔操作用マスター・アーム装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る遠隔操作用マスター・アーム装置
の斜視図である。

【図２】従来の技術を示す説明図である。

【符号の説明】

１遠隔操作用マスター・アーム装置２基台３昇降フレーム４昇降ケージ４ａ基板４ｂ上側板４ｃ下側板５第１アーム６第２アーム７グリップ部７ａ凹凸部８肩軸回転角度検出器９肘軸回転角度検出器１０昇降方向位置検出器１１固定プーリ１２第１肘回転プーリ１３第２肘回転プーリ１４手首回転プーリ１５第１ベルト１６第２ベルト１７定張力バネ１７ａ板バネ１８フックＡ肩軸Ｂ肘軸Ｃ手首軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基部から上方に向かって立設した昇降フレ
ームと、前記昇降フレームに昇降可能に取り付けられ、略鉛直方
向の肩軸を有する昇降ケージと、前記昇降ケージに、肩軸を旋回中心として、肩軸と直交
する平面内で旋回可能にその基端部を軸止するととも
に、その先端部に肩軸と平行な肘軸を有する第１アーム
と、前記第１アームの先端部に、肘軸を旋回中心として、肘
軸と直交する平面内で旋回可能にその基端部を軸止する
とともに、その先端部に肩軸と平行な手首軸を有する第
２アームと、前記第２アームの先端部に、手首軸を軸中心として、手
首軸と直交する方向に回転可能に軸止したグリップ部
と、前記昇降ケージに設けられ、肩軸の回転角度を検出する
肩軸回転角度検出手段と、前記第１アームの先端部と第２アームの基端部との軸止
部に設けられ、肘軸の回転角度を検出する肘軸回転角度
検出手段と、前記昇降フレームに設けられ、前記昇降ケージの昇降方
向位置を検出する昇降方向位置検出手段と、前記昇降ケージに、肩軸の軸方向と同軸に、回転不能に
取り付けた固定プーリと、前記第１アームの先端部と第２アームの基端部との軸止
部に、肘軸を回転中心として回転可能に軸止され、一体
となって回転する第１肘回転プーリ及び第２肘回転プー
リと、前記第２アームの先端部に、手首軸を回転中心として回
転可能に軸止され、グリップ部と一体に回転する手首回
転プーリと、前記固定プーリと、前記第１肘回転プーリとに掛け渡さ
れた第１ベルトと、前記第２肘回転プーリと、前記手首回転プーリとに掛け
渡された第２ベルトと、を備えたことを特徴とする遠隔操作用マスター・アーム
装置。
【請求項２】昇降フレームと昇降ケージとの間には、昇
降フレームに対して昇降ケージを一定の張力で吊り下げ
るための定張力バネを設けたことを特徴とする請求項１
記載の遠隔操作用マスター・アーム装置。