JPS6116593B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、操作員によつて制御される操縦用マ
ニピユレータと、該操縦用マニピユレータによつ
て作動させられる被操縦用マニピユレータとから
なる関節式操縦用、被操縦用マニピユレータに係
り、特に操縦用マニピユレータの手動操作装置に
関するものである。

一般に、原子炉プラント内の点検・修理作業
は、作業者の放射線被爆の問題から、作業区域や
作業時間に大きな制約を受ける。このように、人
間が直接に作業現場に行つて、作業することに制
約を受けるような状況下では、作業者の安全確保
の見地から遠隔操作で作業を進める方法が有用で
ある。特に、作業内容が種々にわたり、人間と同
様に臨機応変な処理が必要な場合には、操縦用、
被操縦用マニピユレータによる作業の遠隔化が重
要になる。

操作員がマニピユレータによつて作業を行なう
時に、該マニピユレータに要求される最も重要な
点は、操作員によつて直接操縦される操縦用マニ
ピユレータが操作しやすいということである。そ
こで、操作員がマニピユレータの操縦のために直
接手で触わる操縦桿の形状が問題になる。

一般に操縦用、被操縦用マニピユレータは、マ
ニピユレータの指の開閉を行なう物体把握部（以
下、グリツパ部と称する。）と、該グリツパ部を
作業空間の任意の位置に移動させるための多関節
を有する腕部によつて構成されている。ところ
で、この腕部と関節は、人間の手や腕に対応させ
て、手首関節、前腕、肘関節、上腕、肩関節等と
呼ばれている。

しかるに、従来の操縦用マニピユレータの多く
は、第１図に示されるように操作員がグリツパ部
１を持つて操縦するようになつており、以下に、
その操縦方法を簡単に説明する。すなわち、グリ
ツパ部１の開閉動作は、操作員の親指と人差指
を、それぞれグリツパ部１に装着された指受２
Ａ，２Ｂに挿入して、これらの指を左右方向（動
作方向Ａ）に動かすことによつて行なわれる。一
方、グリツパ部１の回転動作（回転方向Ｂ）、手
首の上下振り動作（動作方向Ｃ）、手首の左右振
り動作（動作方向Ｄ）は、操作員の残りの指（中
指、薬指、小指）でグリツパ部１に装着された握
り棒３を握り、該握り棒３を上下及び左右方向に
動かすことによつて行なわれる。なお、図には示
されていないが、肘関節や肩関節の回転も握り棒
３によつてなされている。

そして、このようにして、操縦用マニピユレー
タを駆動すると、それとほぼ相似な形状の被操縦
用マニピユレータはそれと相似な動きが行なわれ
るように制御される。なお、ここに、ほぼ相似な
形状と言つたのは、グリツパ部の形状が異なるか
らであらる。すなわち、第２図に示されるよう
に、被操縦用マニピユレータのグリツパ部４は、
該グリツパ部４の回転中心Ｅに対して上下、左右
が対称構造になつている。このため、該グリツパ
部４を閉じた時の中心は、グリツパ部４の回転中
心Ｅと一致しており、グリツパ部４の回転に対し
て動かない構造になつている。一方、第１図に示
される操縦用マニピユレータの構造ではグリツパ
部１の回転に用いられる握り棒３が、グリツパ部
１の回転中心Ｅに対して下方に装着されているの
で、それを動かす操作員の手首５の回転中心Ｆと
グリツパ部１の回転中心Ｅとの間にオフセツトＬ
が生じる。このため、グリツパ部１の回転には、
操作員が手を円弧状に描くように左右に振る必要
があり、人間の手首の回転動作と異なつた動作を
する必要があり、操作しづらいという欠点を有し
ていた。また、グリツパ部１を回転させる際、該
グリツパ部１が所定量回動した時に、手首５の部
分が前腕６に当接する構造となつているため、連
続回転するためには、所定量回動した時点で、反
対方向から他方の手でグリツパ部１をもちかえる
必要があり、したがつて、連続回転操作が非常に
しづらいという欠点をもつていた。

本発明の目的は、操縦用マニピユレータのグリ
ツパ部の回転操作を容易にし、マニピユレータの
操作性を向上させるようにしたマニピユレータの
手動操作装置を提供することにある。

本発明の特徴は、関節によつて連結された複数
個の腕部と、該腕部の最先端となる腕部と連結さ
れた物体把握部と、前記腕部及び物体把握部を作
動させる複数個の作動機とを有するマニピユレー
タを２個有し、一方が他方の操縦装置となり、操
作員が該操作縦用マニピユレータの物体把握部の
一部の部材を手で把握してこれを操作し、被操縦
用マニピユレータの動きが、操縦用マニピユレー
タの動きと相似になるように制御される操縦用、
被操縦用マニピユレータにおいて、指の開閉に用
いる一対の指部材を含む平面上でかつその一対の
指部材の中心線上に物体把握部のひねり軸（グリ
ツパ回転軸）を配置し、さらに操作員の手によつ
て握られる物体把握部の握り部の中心も前記一対
の指部材の中心線上、すなわち前記グリツパ部回
転軸線上に配置し、かつ操縦用マニピユレータの
グリツパ駆動機構をグリツパ部の前方（すなわち
マニピユレータの先端）に位置させ、その結果操
縦用マニピユレータのグリツパ部の方向が被操縦
用マニピユレータのグリツパ部の方向に対し反対
方向となるように配置（すなわち第３図と第４図
の関係に配置）したものである。

以下、図に示す実施例を用いて本発明の詳細を
説明する。

第３図は操縦用マニピユレータの全体構成を示
した斜視図である。胴体８Ａは、床に固定された
架台７Ａに対して、水平方向に回転可能なように
接続されている。肩関節９Ａは胴体８Ａの先端と
上腕１０Ａを接続しており、該上腕１０Ａの上下
方向の振りは該肩関節９Ａで行なわれるようにな
つており、また肘関節１１Ａは、上腕１０Ａと前
腕１２Ａを接続しており、前腕１１２Ａの上下方
向の振りは、この肘関節１１Ａで行なわれるよう
になつている。さらに、手首関節１３Ａは、前腕
１２Ａとグリツパ部１４Ａとを接続しており、該
グリツパ部１４Ａの上下方向と左右方向の振りは
この手首関節１３Ａで行なわれるようになつてい
る。

一方、被操縦用マニピユレータは第４図に示さ
れるように、グリツパ部１４Ｂの部分を除いて、
前記操縦用マニピユレータと相似な構造になつて
おり、架台７Ｂ、胴体８Ｂ、肩関節９Ｂ、上腕１
０Ｂ、肘関節１１Ｂ、前腕１２Ｂ、手首関節１３
Ｂ、グリツパ部１４Ｂを有している。該被操縦用
マニピユレータはグリツパ部１４Ｂの手首左右振
り中心軸Ｇ回りの位置が反対になつていることを
除いて、グリツパ部１４Ｂ、手首関節１３Ｂ、前
腕１２Ｂ等の各部位の空間的配置が、操縦用マニ
ピユレータと相似形になるように構成されてい
る。ここで、操縦用マニピユレータのグリツパ部
１４Ａと被操縦用マニピユレータのグリツパ部１
４Ｂとは、この手首左右振り中心軸Ｇに対する相
対位置関係が、互いに180゜ずれた位相になるよ
うに配置されている。この結果、グリツパ部１４
Ａを操作する操作員の指の方向と、グリツパ部１
４Ｂの方向とが、手首左右振り中心軸Ｇに対して
同方向になるよう構成されている。

今、グリツパ部１４Ａについて、第５図を用い
てさらに詳細に説明する。手首左右回転軸１５
は、手首関節１３Ａに対して、操作員の手首左右
振り中心軸Ｇを回転中心として手首左右振り方向
Ｄに回転可能なように結合されている。支持部材
１５Ａは、その一端が手首左右回転軸１５に結合
され、かつ他の一端は、グリツパ駆動機構１６に
結合されている。グリツパ部回転軸１７は、一端
がグリツパ回転方向Ｂに対して回転可能なように
前記グリツパ駆動機構１６に結合され、かつ他の
一端は、グリツパ部１４Ａに結合されている。ま
た、指部材１８Ａ，１８Ｂは、指部回転軸１９
Ａ，１９Ｂを介してグリツパ部１４Ａに結合さ
れ、グリツパ開閉方向Ａに開閉できるように構成
されている。指受２０Ａ，２０Ｂは、指部材１８
Ａ，１８Ｂの先端に装着されている。握り棒２１
は、その一端がグリツパ部１４Ａに固定されてお
り、かつ他の一端は、操作員の指によつて握られ
るように握り部２１Ａが構成されている。そし
て、この握り部２１Ａの中心はグリツパ回転中心
Ｅを通るように構成されている。

また、前記支持部材１５Ａは、操作員が握り棒
２１を握つた時、操作員の手首左右振り中心軸
が、操縦用マニピユレータの手首左右振り中心軸
Ｇに対して一致するように構成されている。

そして、操作員のグリツパ部１４Ａの操作は、
以下のようにして行なわれる。グリツパ部１４Ａ
の開閉が、親指と人差指を指受２０Ａ，２０Ｂに
挿入して、これらの指をグリツパ開閉方向Ａに動
かすことで行なわれる。また、グリツパ部１４Ａ
の回転は、操作員の手首回転中心とグリツパ部１
４Ａの回転中心Ｅとが一致しているので、操作員
が中指、薬指と小指で握り部２１Ａを握り、手首
を回転することで行なわれる。

次に、操縦用、被操縦用マニピユレータとして
の機能について説明する。本マニピユレータは操
縦用マニピユレータの動きに比例させて、被操縦
用マニピユレータの位置を制御するだけでなく、
外部負荷によつて、被操縦用マニピユレータに加
えられたトルクを検出して、それを操縦用マニピ
ユレータにフイードバツクさせて、操作員に外部
負荷の大きさを反力の形で伝える機能を有してい
る。この反力を発生させるために、操縦用マニピ
ユレータにも駆動機構を有している。

この駆動機構を含めた、操縦用マニピユレータ
の制御機構について簡単に説明する。まず最初
に、第３図を用いて、グリツパ部１４Ａの回転方
向の制御について説明する。グリツパ回転軸１７
は、グリツパ駆動機構１６に導かれ、反力を発生
させるモータ（図示せず）及び、位置検出のため
のポテンシヨメータ（図示せず）に結合されてい
る。被操縦用マニピユレータ側のグリツパ部１４
Ｂにも図示はしないが、同様に、グリツパ回転駆
動用モータと位置検出器が装着されている。そし
て、グリツパ部１４Ａを回転させたとき、グリツ
パ部１４Ｂとの間に位置偏差が生じると、グリツ
パ部１４Ａとグリツパ部１４Ｂのモータには、そ
の偏差が零になる方向に偏差の大きさに比例した
信号が与えられる。この結果、被操縦用マニピユ
レータは、操縦用マニピユレータの動きに相似し
て動くように制御されることになる。

ここで、グリツパ部１４Ｂが物体をつかんでい
たりして、その回転が妨げられているときは、こ
のグリツパ部１４Ｂに係る負荷トルクに相当する
トルクを、操作員に反力として感じさせるため
に、このトルクがグリツパ部１４Ａのモータに発
生するように制御される。そして、この機構は反
力発生機構と呼ばれる。この機構によつて操作員
は負荷の大きさを感じることができる。また、指
部材１８Ａ，１８Ｂの開閉動作に対する制御機構
についても、全く同り制御が行なわれる。そのた
めに、モータ及びポテンシヨメータがグリツパ駆
動機構１６に収納されている。被操縦用マニピユ
レータ側についても同様である。

なお、ここでは詳細な説明は省略するが、手
首、前腕等の制御も同様にして行なわれる。

このような反力発生機構によつて操作員に最大
数Kgfの反力を感じさせるために、グリツパ駆動
機構１６には大きい出力のモータを内蔵させる必
要があり、グリツパ駆動機構１６が大きくなる。
例えば、第６図に示される従来例のように、操縦
用マニピユレータのグリツパ部１と被操縦用マニ
ピユレータのグリツパ部４とを手首左右振り中心
軸Ｇに関して同方向にすると、グリツパ駆動機構
１６が上腕１０Ａ等に衝突するために、手首上下
振りの作動範囲が制限される。例えば、上腕１０
Ａの位置が、第７図に示されるような位置関係に
あるとき、手首上下振りの作動範囲Ｈや前腕１２
Ａの作動範囲Ｉは、グリツパ駆動機構１６が障害
となるため、第７図に示される範囲内に制限され
る。一方、本実施例によれば、グリツパ駆動機構
１６がマニピユレータの先端に位置するようにな
つているので、上腕１０Ａ等に衝突するおそれは
なくなり、グリツパ部１４Ａの操作範囲に制約を
うけにくくなる。例えば、上腕１０Ａの位置関係
が第７図と同じ場合では、手首上下振りの作動範
囲Ｈや前腕１２Ａの作動範囲Ｉは、第８図に示さ
れるようになり、従来例（第７図）に比べて大き
くなる利点を持つている。

また、第９図は本発明の他の一実施例を示すも
ので、第５図と異なる点は、握り棒２１の両端を
グリツパ部１４Ａに固定したことである。これに
より握り棒２１のねじれ等に対する剛性が増すの
で、握り棒２１の付け根部分を細くすることがで
き、軽量化が図れる。

さらに、第１０図と第１１図は、本発明のさら
に他の実施例を示すもので、第１０図はグリツパ
部１４Ａを側面から見た図、第１１図はグリツパ
部１４Ａを上面から見た図を示す。本実施例で
は、指受２０Ａ，２０Ｂの垂直方向（グリツパ部
開閉時に指部材１８Ａ，１８Ｂが作る平面に垂直
な方向）の長さを長くしたことが、第５図と異な
る。これにより、グリツパ部１４Ａを180゜近く
回転させた位置において、マニピユレータを操作
する際にグリツパ部１４Ａを操作する操作員の手
を、グリツパ部とは逆方向に180゜近く回転させ
た位置になるように持ちかえることができるよう
になる。この結果、操作員の手首を180゜近く回
転している状態で操作する必要がなくなり、第５
図に示される状態で操作できるようになる。

以上詳述したように本発明によれば、指の開閉
に用いる一対の指部材を含む平面上でかつその一
対の指部材の中心線上に物体把握部のひねり軸を
配置し、さらに操作員の手によつて握られる物体
把握部の握り部の中心も前記一対の指部材の中心
線上に配置させた構成としたので、従来のよう
な、操作員の手首の回転中心とグリツパ部の回転
中心との間に生じていたオフセツトをなくすこと
ができるようになり、これによつて操作員が操縦
用マニピユレータのグリツパ部に装着された握り
棒をつかんで、手首を回転させるだけで、グリツ
パ部の回転操作が行なえるようになり、したがつ
て、マニピユレータの操作性を大幅に向上させる
ことができる。

また、本発明では、操縦用マニピユレータのグ
リツパ駆動機構をグリツパ部の前方に位置させた
構成としたので、該グリツパ駆動機構がマニピユ
レータの上腕等に衝突するおそれがなくなり、グ
リツパ部の操作範囲に制約をうけにくくなるか
ら、前腕の作動範囲を大きくすることができると
いう効果も奏することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の操縦用マニピユレータの一部斜
視図、第２図は従来の被操縦用マニピユレータの
一部斜視図、第３図は本発明に係る一実施例の操
縦用マニピユレータの全体構成を示す斜視図、第
４図はこの操縦用マニピユレータに対応する被操
縦用マニピユレータの全体構成を示す斜視図、第
５図は第３図中における操縦用マニピユレータの
主要部を示す詳細斜視図、第６図は、従来の操縦
用マニピユレータの構成を示す一部斜視図、第７
図と第８図は従来と本発明装置の作動範囲を説明
する説明図、第９図は本発明の他の実施例を示す
操縦用マニピユレータの一部側面図、第１０図及
び第１１図は本発明のさらに他の実施例を示す操
縦用マニピユレータの側面図と平面図である。 ９Ａ，９Ｂ…肩関節、１０Ａ，１０Ｂ…上腕、
１１Ａ，１１Ｂ…肘関節、１２Ａ，１２Ｂ…前
腕、１３Ａ，１３Ｂ…手首関節、１４Ａ，１４Ｂ
…グリツパ部、１６…グリツパ駆動機構、１８
Ａ，１８Ｂ…指部材、２０Ａ，２０Ｂ…指受、Ｅ
…グリツパ回転中心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 関節によつて連結された複数個の腕部と、該
   腕部の最先端となる腕部と連結された物体把握部
   と、前記腕部及び物体把握部を作動させる複数個
   の作動機とを有するマニピユレータを２個有し、
   一方が他方の操縦装置となり、操作員が該操縦用
   マニピユレータの物体把握部の一部の部材を手で
   把握してこれを操作し、被操縦用マニピユレータ
   の動きが、操縦用マニピユレータの動きと相似に
   なるように制御される操縦用、被操縦用マニピユ
   レータにおいて、指の開閉に用いる一対の指部材
   １８Ａ，１８Ｂを含む平面上でかつその一対の指
   部材１８Ａ，１８Ｂの中心線上に物体把握部のひ
   ねり軸を配置し、さらに操作員の手によつて握ら
   れる物体把握部の握り部２１Ａの中心も前記一対
   の指部材１８Ａ，１８Ｂの中心線上に配置し、か
   つ操縦用マニピユレータのグリツパ駆動機構１６
   をグリツパ部１４Ａの前方に位置させたことを特
   徴とするマニピユレータの手動操作装置。