JPS5837116B2 - マニピユレ−タの操縦桿 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、人間が操縦する形式のマニピュレータに関
するものであって、特に、力の感覚を有する双動形（パ
イラテアル）マニピュレータの操縦桿に関するものであ
る。

上記のごとき種類のマニピュレータは、特に原子力関係
を中心に開発されているものであるが、つぎのごとき理
由により、その実用化がきわめて困難なものとなってい
る。

すなわち、双動形マニピュレータの操縦桿（以下、マス
ターという）における作動関節が人間のそれに比較して
不自然なものになりがちで、しかも、力の感覚が弱過ぎ
たり、あるいは力の感覚が強いものの場合には操縦が重
くなったりしていたからである。

これらの原因は、マスター側に装備する力の感覚を発生
させるためのアクチュエータの取り付けが適切ではなく
、そのためにアンバランスを生じているところにある。

また、バランスをとるためのバランスウェイトをロープ
等で駆動しているので、損失が多く、そのために感覚の
秀れたものができなかったのもその原因の一つである。

以上のごとき諸理由により、従来の双動形マニュピレー
タの操縦桿は、その作動形態が人間の腕部のそれに比較
してアンバランスなものであったために、その作業性が
きわめて悪く満足できるものではなかったのである。

この発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであっ
て、人間の手首部から肩部までの各関節部の作動にきわ
めて近似した作動を行なうことができるようにしたマニ
ピュレータの操縦桿を提供しようとするものである。

以下、図面を用いテコの発明の実施例について詳細に説
明する。

なお、以下の説明において前後方向とは、第１図および
第２図における左右方向を、上下方向とは第２図におけ
る上下方向を指すものとする。

第１図、第２図において総括的に１で示すのは、双動形
マニュピレータの操縦桿（以下マスターという）で、図
において示すごとく、操縦者２０手首部３から肩部４ま
での各関節部に相応させてつぎのごとくに構或してある
。

すなわち、５で示すのは指部関節で、いわゆる操縦者２
の指部に相当するもので、例えば第３図において示すご
とく、指部６をアクチュエータ７により水平方向に回動
駆動自在に構成し、指部６と指部８（第１図参照）とを
開閉作動することができるようになっている。

アクチュエータ７は、図示を省略しているモータ一部と
減速機、および回転位置検出器またはこれに相当する油
圧もしくは空圧の操作機器により構成されている。

指部６には、指部６とアクチュエータ７との重心９位置
がアクチュエータ７の軸心位置になるようにバランスウ
ェイト１ｏが設けてある１１で示すのは、操縦者２０手
首部３に相当する手首部関節で、例えば第４図において
示すごとく構成してある。

すなわち、図において１２で示すのは筒状の手首部で、
この手首部１２はその上部において指部関節５における
アクチュエータ７を固定するとともに、その下部に、手
首１２を水平方向に回動作業するためのアクチュエータ
１３を装着してある。

手首部１２の長手方向の略中央部には、操縦者２０指部
を挿通するための孔１４が設けてある。

前記指部関節５における重心９は、手首部関節１１にお
けるアクチュエータ１３の回動軸線上にあり、この重心
９と手首部関節１１における重心との合成重心１５位置
は、アクチュエータ１３０回転軸線上に位置させるとと
もに、孔１４の略中央位置となるように構成してある。

したがって、重心１５は、操縦者２が孔１４に指部を挿
通したときに、その手首部３の曲げ中心とほぼ一致する
ようになっている １６で示すのは、手首関節部１１と接続して設けた肘部
関節で、操縦者２の腕部１７における肘部に相当するも
のである。

肘部関節１６は、例えば第５図において示すごとく構成
して設けてある。

すなわち、図において１８で示すのは、前記アクチュエ
ータ１３における固定部側を固定して取り付けた接手部
で、操従者２の腕部１７と平行方向に設けてある。

この接手部１８の後部は屈曲した屈曲部１９としてあり
、この屈曲部１９には、歯車２０が軸受２１を介して回
転自在に支承されている。

そして、この歯車２ｏの軸心部には、操縦者２の肘部を
挿通自在の孔２２が貫通して設けてある。

また、前記重心１５は、歯車２ｏの軸心上になるように
構成してある。

軸受２１部には、取付台２３を介してアクチュエータ２
４が固装して設けてあり、このアクチュエータ２４の出
カ軸には、歯車２０と噛合う歯車２５が取り付けてある
。

アクチュエータ２４の後方位置には、肘部関節１６を折
り曲げ（肘曲げ）自在にするための支軸２６が設けてあ
り、この支軸２６には、肘曲げ作動時にバランスを維持
するためのバランスウェイト２７，２８が取り付けてあ
る。

バランスウェイト２７，２８の重心２９、および歯車２
ｏの重心３ｏ、アクチュエータ２４と歯車２５の重心３
１，さらに重心３１を含むこれらの合成重心を３２とし
、重心３２と支軸２６との間の距離をＡ、支軸２６と重
心２９との間の距離をＢ、重心２合と歯車２５の軸心と
の間の距離をＣ、歯車２５の軸心と重心３２との間の距
離をＤとするとき、これらの間にはつぎのごとき関係を
保持して構成してある。

すなわち、（重心３２に作用する重量）ＸＡ一（重心２
９に作用する重量）×Ｂ１および、（重心３２に作用す
る重量）ＸＤ＝（重心２９に作用する重量）×Ｃの関係
となるように溝成してある。

そして、上記関係にあるときの総合重心３３は、支軸２
６と歯車２５の軸心線との交線上にあり、この重心３３
を中心にしてバランスが維持されるのである。

なお、支持２６を双動形制御とするには、バランスウェ
イト２７の中にアクチュエータを含ませておけばよい。

上記構成により、肘部関節１６は、手首部関節１１のね
じり作動と接手部１８の肘曲げ作動を行なうことができ
る。

３４で示すのは、操縦者２の肩部４に相当する肩部関節
で、例えば第６図において示すごとく構成してある。

すなわち、図において３５で示すのは、肘部関節１６を
回動させるためのアクチュエータで、その作動軸３６の
先端部は孔３７を介して支軸２６に装着してある。

３８で示すのは、重心３３に作用する重量とアクチュエ
ータ３５との合成重心を示す。

なお、アクチュエータ３５を使用せずに、単なる接手に
より接続することもできる。

いづれにしても、重心３８はマスター１における腕全体
の重心となる。

アクチュエータ３５の固定部側は、支軸３９を介して肩
部４ｏに支承されており、アクチュエータ３５は支軸３
９を中心として上下方向に揺動自在になってぃ゜る。

また、肩部４０は、アクチュエータ３５の軸心上の後部
に設けられた軸４１を介して軸心に対して左右方向に揺
動自在に構成してあるとともに、支持部材４２、支軸４
３を介して水平方向に揺動自在になっている。

なお、支軸４３は、取付台４４を介して架台４５に固定
されている。

支軸３９が肩部の中心となるので、軸４１，支軸４３と
支軸３９の各軸線が支軸３９の軸心と交差するように構
成してある。

但し、支軸４３は必ずしも支軸３９と交差しなくともよ
《、少なくとも軸４１の軸心と交差していればよい。

支軸３９にはベベルキャ４６が固装してあり、このベベ
ルギャ４６は、肩部４０に支軸３９と直交して設けた軸
４７のベベルギャ４８に噛合せて設けてある。

軸４７の他端部にはベベルギャ４９が固装して設けてあ
り、このベベルギャ４９は、肩部４０に支軸３９と平行
に支架された支軸５０に固装されたべベルギャ５１にと
噛合っている。

支軸５０の他端側には、バランスウェイト５２が固装し
て設けてある。

したがって、バランスウェイト５２と支軸３９とは同一
方向に回動作動するようになっている。

なお、ベベルギャ４６，４Ｂ，４９，５１０代りにスパ
ーギャやチェーン等を用いて連結してもよい。

ベベルギャ４６，４８，４９，５１を含む肩部４０の重
心５３と重心３８、および支軸３９ ，５０が含まれる
平面内において、重心３８と重心５３との間の距離をＥ
、重心５３とバランスウェイトの重心５４との間の距離
をＦ、重心５３と軸４１の軸心との間の距離をＧ、軸４
１の軸心と重心５４との間の距離をＨとすると、これら
の間にはっぎのごとき関係を保持して構或してある。

すなわち、（重心３８に作用する重量）ＸＥ一（バラン
スウェイト５２部の重量）ＸＦ、および（重心５３に作
用する重量）ＸＧ＝（バランスウェイト５２部重量）Ｘ
Ｈの関係となるように構成してある。

なお、肩部４０を作動するためのアクチュエータを必要
に応じて適宜に装着してもよく、また力感覚の不用なこ
とが多い肩部４０においては、操作用の回転検出器のみ
を取り付けることも可能である。

以上のごとき構成よりなるマスター１によれば、関節の
数が８ヶ、すなわち、肩部水平回動関節ｚ１、手首部振
曲げ関節ｚ２、手指部開閉関節Ｚ３、肩部面振り（左右
揺動）関節Ｘ１、肘部回動関節Ｘ２、手首部回動関節Ｘ
３、肩部上下振り（揺動）関節Ｙｌ、肘曲げ関節Ｙ２
とあるにもかかわらず、バランスウェイトは２〜３個で
バランスをとることができる。

なお、第２図においては、マスター１と操縦者２とが重
なるため、説明上、操縦者２をＪ寸法だけ下方位置に示
してある。

また、バランスウェイト５２は、第２図において示すご
とく操縦者２に轟接しないので、広範囲の操作を行うこ
とができるとともに、マスター１には全関節部に適切な
バランスウェイトが設けてあるので、軽くてスムーズな
操作が期待できる。

特に、全くバランスウェイトの機能しか持たない大きな
ものはバランスウエイ｝２８，５２のみであり、その他
はアクチュエータがバランスウェイトの機能を兼持する
ので、バランスウェイトの数を少なくすることができる
。

また、この実施例においては、アクチュエータを各関節
付近に配設して、操縦者２と同様な作動を行なえるよう
にしたものであるから操縦者２０手首部３から肩部４ま
での各関節の作動にきわめて近似したマスター１が得ら
れるものである。

しかも操縦者２の関節中心とそれに対応するマスター１
の関節が一致しているため、きわめて忠実に操縦者２の
腕部の動きで指令制御できるものである。

以上の如く本発明は、人間が操縦する形式のマニピュレ
ータの操縦桿にして、操縦者の指部、手首部、肘部、肩
部に相応する指部関節、手首部関節、肘部関節および肩
部関節を互に連動連結して設けるとともに、これらを肩
部関節を介し架台に吊着して設け、前記肘部関節の肘曲
げ支軸に指部関節および手首部関節とバランスするため
のバランスウェイトを固着して設け、前記肩部関節に指
部関節、手首部関節および肘部関節とバランスするため
のバランスウェイトを肩部関節の上下旋回支軸と連動連
結して同方向へ回動自在に装着して設けたものであるか
ら、肘部関節の肘曲げ角度が変化した場合であっても、
操縦桿全体を肩部関節の支点を中心として常にバランス
せしめて任意の位置に停止することができるとともに、
肩部関節に装着したバランスウェイトが操縦者と干渉す
ることがない。

したがって、操縦者は、操縦桿の自重等の影響を受ける
ことなく軽快にしてかつスムーズに操縦することができ
るとともに、特に力感覚を有するマニアルマニピュレー
タの操縦桿に好適である等の効果する。

なお、この実施例では、右手相当分のみについテ説明し
たが、両腕形にすることができるのはもちろんである。

また、アクチュエータや歯車、関節などの回動部は球軸
受等低摩擦軸受にて支承するのが良く、各関節部には、
ブレーキ式ロック機構等を適宜付設するのが良好である
。

その他、この発明の作用、効果を逸脱することなく、こ
の発明の構成に変更を加えたものもこの発明に属するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係るマニピュータの操縦桿の平面
説明図、第２図はその側面図、第３図、第４図、第５図
および第６図はそれぞれこの発明の要部の針視説明図で
ある。 ２・・一・・一操縦者、５・一・一指部関節、１１・−
・一手首部関節、１６−−一−・一肘部関節、２６−・
一・・・肘曲げ支軸、２７．２８−一一・−バランスウ
ェイト、３４・・−・・一肩部関節、３９・−・・・上
下旋回支軸、４ ５−−−−−一架台、５２・・一・−
バランスウェイト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 人間が操縦する形式のマニピュレータの操縦桿にし
   て、操縦者２の指部、手首部、肘部、肩部に相応する指
   部関節５、手首部関節１１，肘部関節１６、および肩部
   関節３４を互に連動連結して設けるとともに、これらを
   肩部関節３４を介し架台４５に吊着して設け、前記肘部
   関節１６の肘曲げ支軸２６に指部関節５および手首部関
   節１１とバランスするためのバランスウエイ｝２７．２
   ８を固着して設け、前記肩部関節３４に指部関節５、手
   首部関節１１および肘部関節１６とバランスするための
   バランスウェイト５２を肩部関節３４の上下旋回支′＠
   ３９と連動連結して同方向へ回動自在に装着して設けた
   ことを特徴とするマニピュレータの操縦桿。