JPS6052279A - 多関節ロボット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は障害物を回避し乍ら多関節アーム本体の先端部
をその目標点に効果的に誘導することのできる多関節ア
ーム装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

原子炉や核融合炉、或いは核燃料再処理設備にあっては
、その環境が人間にとって有害でおることから、一般に
マニビーレータによる作業が行われている。また人間が
立入ることのできない狭い空間内における作業について
も上記マニピーレータが用いられている。

ところが、最近ではマニピュレータに対して、よシ複雑
で高度な運動が要求され、しかもその運動の自由性が高
いことが要求されている。そこで従来よシ、各種のロボ
ット装置が開発されているが、一般にその制御系が複雑
で、システム構成が大規模化すると云う不具合があった
。

〔発明の目的〕

本発明はこのよりな碍Ｓ情を考慮してなされたもので、
その目的とするところは、多関節アーム本体の先端部を
障害物を避は乍ら簡易に且つ効果的にその目標点に誘導
することのできる制御系の簡単な、しかも実用性の高い
構成の多関節ロボ、・ト装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は複数のユニットアームをそれぞれ関節機構を介
して直列に連結しその基端部を移動基台に固定してなる
多関節アーノ・本体を、その先端部の目標点に対する誘
導軌道に従って前記各関節機構の回転角をそれぞれ制御
し乍ら前記移動基台を移動駆動することによって前記多
関節アーム本体の先端部を目標点に誘導するようにした
多関節ロボット装置において、前記各ユニットアームの
側部にそれぞれ複数の接触センサを設け、ユニットアー
ムの障害物への接触を上記接触センサによる接触信号か
ら検出するようにし、且つ上記障害物に接触したユニッ
トアームとその接触方向を検出するようにしたものであ
る。そして、該障害物に接触したユニ、トアームの基端
側関節装置を前記接触方向とは逆向きに前記接触信号が
消えるまで回転駆動すると共に、この回転角と同じ回転
角だけ前記ユニ、トアームの先端側関節装置を上記基端
側関節装置とは逆向きに回転駆動し、これらの各関節装
置の回転角に応じて前記誘導軌道を修正して前記多関節
アーム本体の目標点への誘導を行うようにしたものであ
る。

つまシ各ユニットアームの障害物への接触を検出し、こ
の接触を回避し乍ら誘導軌道を修正して多関節アーム本
体を誘導駆動するようにしたものである。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、障害物に接触【−たユニット
アームの基端部側および先端部側の関節機構をそれぞれ
接触方向に対して逆向きに回転制御することによって、
その誘導軌道から大幅に逸脱しない程度の範囲で各ユニ
ットアームの位置を移動させて上記接触状態を回避し、
更に上記各関節の回転角に応じて誘導軌道を逐次的に修
正して多関節アーム本体の誘導駆動を制御するので、そ
の制御系が簡単であり、またそのシステム構成の簡易化
を図シ得る。しかも多関節アーム本体の複雑な運動に十
分対処して、その障害物回避を行い得る等の実用上多大
なる効果が奏せられる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき説明する
。

第１図は実施例に係る多関節ロボット装置の全体構成を
示す概略図である。多関節アーム本体１は、複数のユニ
ットアーム２をそれぞれ関節機構３を介して直列に連結
して構成され、その基端部をレール４に沿って移動駆動
される移動基台５に固定している。また前記多関節アー
ム本体１の先端部には、各種の作業装置が取付けられる
が、ここではＴＶ左カメラと距離測定器７を取付けたも
のが示されている。制御部８は、プロセッサを主体とし
て構成される情報処理装置９や、前記ＴＶ左カメラで撮
像されたアーム先端部前方の像を表示するＴＶモニタ１
０等によシ構成される。この制御部８の制御の下で前記
移動基台５のレール４上での移動、および上記移動基台
５と一体的に移動する多関節アーム本体１の各関節機構
３の回転移動によるユニットアーム２の運動が行われる
。尚、上記多関節アーム本体１の関節数は、仕様に応じ
て定められることは云うまでもない。

ところで、前記ユニットアーム２を相互に連結する関節
機構３は、例えば第２図に示す如く構成される。即ち、
ｘ−ｘ’軸方向に軸を有する第１の主歯車１ノに噛合し
てモータ１２により回転駆動される第１の駆動歯車１３
と、Ｙ−Ｙ軸方向に軸を有する第２の主歯車１４に噛合
してモータ１５によシ回転駆動される第２の駆動歯車１
６とを備え、上記第１および第２の主歯車１１．１４を
相互に直交させて連結して関節機構３が構成されている
。そして第１の駆動歯車１３およびモータ１３は、前記
ｘ−ｘ’軸を支点として回動自在に設けられた第１のア
ーム体１７に一体的に固定され、また第２の駆動歯車１
５およびモータ１４は前記Ｙ−Ｙ　軸を支点として回動
自在に設けられた第２のアーム体１８に一体的に取付け
られている。これらの第１および第２のアーム体１８は
、上記関節機構３によって連結される２つのユニットア
ームの骨休を為すものであり、これらはユニバーサル・
ジヨイント的にＸ−Ｘ軸方向、およびＹ−Ｙ　軸方向に
それぞれ回動自在に連結されたものとなっている。しか
して今、前記モータ１２，１５ｆ付勢して駆動歯車１　
、？　、　１６をそれぞれ回転させることによシ、前記
主歯車１１．１４に対する噛合位置関係によって、第１
のアーム体１７は第２のアーム体１８に対して、成る立
体角の範囲内において自由に位置決めされることになる
。即ち、モータ１２の付勢による第１の駆動歯車１３０
回転駆動によシ、第１のアーム体１７に対する第２のア
ーム体１８のＹ−Ｙｌｌ１１方向の回転角が制御され、
またモータ１５の付勢による第２の駆動歯車１６の回転
駆動によって、第１のアーム体１７に対する第２のアー
ム体１８のＸ−Ｘ　軸方向の回転角が制御される。これ
によって、第２のアーム体１８は、第１のアーム体１７
に対して、成る立体角範囲内のＸ−Ｙ方向の任意の向き
に回転位置決めされるものとなっている。

ところで、このように構成された各関節機構３には、第
３図に模式的に示すように、その関節の最大回転角（許
容回転角）を規定する回転リミットスイッチ１９がそれ
ぞれ設けられる。

また上記関節機構３によって相互に、且つ１ｒ１列に連
結されたユニットアーム２の側部には接触センサ２０が
それぞれａ数個設けられている。

接触センサ２０は、例えば第４図および第５図１にユニ
ットアーム２の要部の縦断面構成および横断面構成をそ
れぞれ示すように、ユニットアーム２の基体、例えば前
記アーム体１７．１８に同定された円環体２１の周囲に
ｘ−ｘ’軸方向およびＹ−Ｙ’軸方向を４分割する位置
にそれぞれ設けられる。そして　上記円環体２ノにばね
２２を介して支持された円筒状ケーシング２３の偏倚に
よシ、その偏位方向に応じて押圧付勢されるようになっ
ている。即ち、上記円筒状ケーシング２３は、ばね２２
を介して円環体２１に支持され、ユニットアーム２の外
被体を形成しておシ、常時は上記ばね２２の作用によっ
て、前記円環体２ノに対して平衡状態を保っている。

ところが、ユニットアーム２が成る障害物に接触すると
、これによって前記円筒状ケーシング２３は円環体２１
に対して上記接触方向に応じて偏倚される。このケーシ
ング２３の偏倚によって前記接触センサ２０が付勢され
、同センサ２０から接触信号が発せられることになる。

従って前記円環体２ノを４方向に分割する位置にそれぞ
れ設けられた接触センサ２０は、前記ケーシング２３の
偏倚方向、つまシ障害物との接触方向に応じて接触信号
を発するととＫなる。

前記制御部８は、例えば第６図に示すように、上記各接
触センサ２０からの情報、回転リミットスイッチ１９か
らの情報、更には各関節装置３毎に設けられてその関節
回転角を検出するエンコーダからの情報や、前記ＴＶ左
カメラによってめられた映像情報等を入力して前記移動
基台５の移動駆動モータや、前記各関節装置３のモータ
１２，１５等をそれぞれ制御する如く構成されている。

即ち、制御部８は基本的には計算機２４、この計算機２
４に各種の指示データを入力する入力装置２５、上記計
算機２４の制御を受けて前述したモータをそれぞれ駆動
する駆動部２６、また前記ＴＶ左カメラから得られる映
像情報に基づいて、指示装置２７から与えられる指示情
報に従って目標点を設定する目標点設定部２８等によっ
て構成される。この制御部８は、例えばＴＶ左カメラに
よってめられた多関アーム本体１の先端部前方の映像か
ら、該アーム本体１の先端部を誘導すべき目標点を指示
装置２７からの情報等に従って設定し、上記目標の方向
および距離をそれぞれめる。しかるのち、多関節アーム
本体１の各関節の現座標情報と上記目標点の情報とから
該多関節アーム本体１の上記目標点に対する誘導軌道を
計算し、この誘導軌道に沿って前記多関節アーム本体１
を目標点に誘導するべく前記移動基台５の移動および前
記各関節装置３の関節回転をそれぞれ制御している。

例えば今、第７図に示すようにタンク３ノの内部に原子
力機器の熱交換器配管群３２を設けた設備機器の内部を
、上記タンク３ノの開口部３３から多関節アーム本体１
を挿入して検査しようとする場合、次のようにして行わ
れる。即ち、始めに多関節アーム本体１の先端が図中Ｐ
ｏ点にある場合、上記アーム本体１の先端部に取付けら
れたＴＶカメラ６による映像から、タンク３１の内部の
情景が観測される。この観測によって、アーム本体１の
先端部を誘導するべく適当な目標点Ｒ，が設定され、こ
れに照準が合せられる。

この目標点に対する照準合せは、例えばモニタＴＶＩＯ
上で十字線カーソルを目標対象点に合せることによって
行われ、これによってその座標が計測される。また十字
線カーソルが無いような場合には、上記目標点がＴＶモ
ニタｌｏ上で中心位置にくるように多関節アーム本体１
の最先端ユニットアーム２を回転させ、その関節回転角
の情報等から目標点座標がめられる。

しかるのち、今度は多関節アーム本体１の先端から上記
目標点Ｒｏまでの距離が計測される。

この距離計測は前記距離計７によって光学的或いは超音
波を利用する等して行われる。尚、前記ＴＶカメラ６と
して所謂立体テレビを用いる場合には、その立体映像を
解析して距離計測を行うようにしてもよい。このように
してめられた目標点Ｒｏまでの距離情報に従って、多関
節アーム本体１の先端部を上記Ｒｏの方向にどの程度の
距離ｔだけ進めればよいかが判定され、これによって、
図中２１点まで多関節アーム本体１の先端が移動される
ことになる。従って、この場合、ｐｏ点からＲ１点を結
ぶ直線が多関節アーム本体１の目標点に対する誘導軌道
として与えられることになる。計算機２４は、このよう
な誘導軌道を逐次求め、これに従って前記移動基台５の
距離ａｔの移動時における各関節機構３の関節回転角が
それぞれめている。そしてこれらの情報に従って多関節
アーム本体１の運動が制御される。

以後、多関節アーム本体１の先端部が所定の位置に移動
する都度、新たな目標点がＲ１＋　ＲＱ　ｒＲ３・・・
と設定され、その誘導軌道が順にめられていくことにな
る。そして、最終目標点Ｑに至る多関節アーム本体１の
誘導軌道が（Ｐｏ−Ｐｌ−Ｒ２・・・Ｒ８・・・Ｑ）と
してめられるととになシ、各関節が上記軌道上を進むよ
うにその制御が行われることになる。

尚、検査対象機器の設計図面等から、予めその誘導軌道
がめられるような場合には、上記誘導軌道を複数点に亘
ってサンプリングし、これらのサンプリング点を前述し
たｐ、、Ｒ２・・・点として利用することも可能である
。

第８図はこのような誘導制御の概略的な流れを示すもの
で、前述した制御はそのメインルーチンによって示され
ている。また第８図中のサブルーチンは、以下に説明す
る障害物に対する回避制御を示すものである。

さて、前述したように多関節アーム本体ｌは、複数のユ
ニットアーム２をそれぞれ関節機構３を介して直列に連
結した構造を有し、各ユニットアーム２はそれぞれ成る
長さと、成る太さを有している。この為、前述した誘導
制御により、各関節機構３を誘導軌道上にそれぞれ導い
たとしても、これらの関節を結ぶユニットアーム２は必
ずしも上記誘導軌道上には位置しない。つまシ、誘導軌
道上に存在する関節機構３の間をユニットアーム２がそ
れぞれ直線的に結ぶととＫなる。この結果、誘導軌道の
曲シ部分において、ユニットアーム２０側部が前記タン
ク３１の内壁の角部や配管群３２等の障害物に接触する
虞れがある。この障害物へのユニットアーム２の接触は
、多関節アーム本体１の前述した誘導軌道に基づく移動
制御の正常な実行を阻害するものである。

そこで本装置では次のようにして障害物への接触を回避
し乍ら、多関節アーム本体１の移動を制御するようにし
ている。即ち前述したように、各ユニットアーム２にそ
れぞれ設けられた接触センサ２０は、ユニットアーム２
の側部の障害物への接触を検出しておシ、従って、これ
らの接触センサ２０のうちどのセンサ２０が接触信号を
発生しているかを調べることによって障害物に接触して
いるユニ２．トアーム２ｉ知ることができる。また同時
にそのユニットアーム２における複数のセンサ２０のう
ち、とのセンサ２０が接触信号を発しているかによって
、その接触方向（障害物方向）を知ることができる。

前記制御部８の計算機２４はこのような情報を得て、次
のような接触回避制御を行っている。

即ち第９図（ａ）に示されるように、ユニットアーム２
Ｂがタンク３１の内壁に接触した場合、制御部８は先ず
上記ユニットアーム２ａの基端側の関節機構３ａを、上
記接触方向とは逆向きに、且つ接触センサ２０による接
触信号が消滅する迄関節回転させる。このときの関節回
転角をθｌとする。然し乍ら、このままでは他の関節機
構３の状態がそのまま維持されるので、第９図（、）中
破線で示すように先端側のユニットアーム２の各位置が
前記誘導軌道から外れ、この結果他のユニットアーム２
において別の障害物との接触が生じる處れがある。そこ
で本装置では前記関節機構３ａの関節回転と同時に、前
記ユニットアーム２ａの先端部側の関節機構３ｂを、前
記関節機構３ａとは逆方向に、且つ略々同じ関節角度θ
２だけ回転させるようにしている。上記角度θ１　、θ
２は、例えばユニットアーム２ａの長さの係数をｋとし
て θ１＝−にθ２ 等として与えられるもので、上記ｋ　ｉｉ：　０．５乃
至１．５程度に設定される。この関節機構３ｂの回転動
作によって第９図（ｂ）に示すように、前記ユニットア
ーム２の障害物への接触が効果的に回避されることにな
シ、また先端側のユニットアーム２は、前記誘導軌道上
に略々戻されるととＫなる。

然し乍ら、関節機構３ａ、Ｊｂの回転によって各関節機
構３の座標位置が、僅がではあるが前記誘導軌道から外
れる仁とになる。そこで計算機２４では、前記回転角θ
ｌ　、θ２に基づいて誘導軌道を修正し、以後この修正
された誘導軌道に従って多関節アーム本体１の移動を制
御している。

尚、前述した関節機構３ｂによる回転補正が、その回転
角限界によって十分に行えない場合には、更にそれよシ
先端側の関節機構３ｃをも動かすようにすればよい。

以上のように障害物接触の回避制御が行われ乍ら多関節
アーム本体１が移動されるので、ここにその円滑な運動
が期待されることになる。

しかもその制御が簡単である等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではない
。例えば多関節アームの構成段数や、各関節の回転許容
角は仕様に応じて定めればよいものである。またここで
は多関節アーム本体１の平面的な動きについてのみ説明
したが、立体的に動く場合であっても同様に制御可能な
ことは云うまでもない。更には誘導軌道の決定方式等も
種々変形できる。要するに本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は全体構成
を示す概略図、第２図は関節機構の構成を示す図、第３
図は多関節アーム本体の構成を模式的に示す図、第４図
および第５図はユニットアームに取付けられた接触セン
サの状態を示す図、第６図は制御部の構成を示す図、第
７図は多関節アーム本体の誘導例を示す図、第８図は制
御の流れの一例を示す図、第９図（ａ）。 （ｂ）は障害物との接触を回避する例を模式的に示す図
である。 １・・・多関節アーム本体、２・・・ユニットアーム、
３・・・関節装置、４・・・レール、５・・・移動基台
、６・・・ＴＶカメラ、７・・・距離計、８・・・制御
部、１ノ。 １４・・・主歯車、１２．１５・・・モータ、１３゜１
６・・・駆動歯車、１７．１８・・・アーム体、１９・
・・回転リミットスイッチ、２０・・接触センサ、２ノ
・・・円環体、２２・・・ばね、２３・・・円筒状ケー
シング、２４・・・計算機。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数のユニットアームをそれぞれ関節機構を介して直列
   に連結しその基端部を移動基台に固定してなる多関節ア
   ーム本体と、この多関節アーム本体の先端部の目標点に
   対する誘導軌道に従って前記各関節機構の回転角をそれ
   ぞれ制御しながら前記移動基台を移動させる手段と、前
   記各ユニットアームの側部にそれぞれ設けられた複数の
   接触センサと、上記ユニットアームの障害物への接触を
   前記接触センサによる接触信号によ）検出すると共にと
   の接触信号から上記障害物に接触したユニットアームと
   その接触方向をめる手段と、この手段による接触検出時
   に上記障害物に接触したユニットアームの基端部側関節
   機構を前記接触方向とは逆向きに前記接触センサによる
   接触信号が消える迄回転駆動すると共に、この基端部側
   関節機構の回転角に応じた回転角だけ前記障害物に接触
   したユニットアームの先端部側関節機構を上記基端部側
   関節機構とは逆向きに回転駆動する手段と、これらの基
   端側および先端側関節機構の各回転角に応じて前記誘導
   軌道を修正する手段とを具備したことを特徴とする多関
   節ロボット装置。