JPS62173184A - マスタア−ム - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば放射性物質のような危険物を取り
扱う場合、隔壁をへだてて安全な位置から監視しながら
代雨腕によって操作し得るようＫしたマニピュレータに
関するもので、特にマニピュレータの位置及び姿勢につ
いてそれぞれ３種類の自由度を有する制御対象を、操縦
者が手動で操作するときに使用するマスタアームに関す
るものである。

〔従来の技術〕

第４図は従来のマスタアーム（特願昭６０−２２４４７
２、昭和６０年１０月８日出＆）を示す斜視図である。

図において、（２）は台、（社）はこの台（ハ）上を左
右に移動する並進移動機構である左右移動台、（至）は
この左右移動台四上を前後に移動する並進移動機構であ
る前後移動台、（ハ）はこの前後移動台（至）上を上下
に移動する並進移動機構である上下移動台、（ハ）はこ
の上下移動台（財）の前後軸まわりに回転する回転機構
である前後軸回転台、に）はこの前後軸回転台（ハ）の
左右軸まわりに回転する回転機構である左右軸回転台、
（ロ）は左右軸回転台（イ）の上下軸まわりに回転する
回転機構であるハンドル。ここで、回転台（ハ）、（ハ
）及びハンドル（社）の回転軸はこのハンドル勾の中心
点の一点で交わるように構成されている。また、移動台
（２）、（至）、（ハ）Ｋはこれら移動台の移動ｆｔｔ
−検出する移動量検出器（図示省略）が、回転台（ハ）
（２）及びハンドル（ロ）にはこれら回転台とノ・ンド
ルの回転角度を検出する回転角度検出器（図示省略）が
それぞれ内蔵されている。

従来のマスタアームは上記のように構成され、操縦者が
ハンドル（ロ）に加える力によって左右・前後・上下移
動台（２）、（至）、（財）が各々左右方向、前後方向
、上下方向に移動し、また操縦者がノーンドル＠に加え
る回転トルクによって前後軸・左右軸回転台−，（ハ）
及びハンドル（財）が各々回転する。そこで、操縦者は
ハンドルｖ）ｆ、予め定められた範囲内で任意の位置と
姿勢を持つように移動・回転させることができる。この
とき、発生するこれら移動合一、（至）、＠４の３つの
並進移動量と、これら回転台器す及びハンドル（支）の
３つの回転角度はこれら移動台並び回転台等に内蔵され
た移動量検出器並びに回転角度検出器によって検出され
る。従って、これら検出器の検出値はハンドル（財）の
操作に応じテ動作させられるロボットへの指令値として
使用することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来のマスタアームでは操縦者がハンドル
＠を操作することによって左右・前後・上下移動合一、
（至）、６！４１並びに前後軸・左右軸回転台（ハ）、
（２）及びハンドル＠を移動並びに回転させるようＫし
ているから、これらが６つの自由度をもって滑かに動く
ことが必要であるが、回転や上下方向の運動は重力の影
響を受けるためになかなか滑らかに動かすことは困難で
あった。そこで、重力の影＆ｉｉＩヲ受けないようにす
るためにカウンタウェイトなどを使ってバランスをとら
なければならず、このため、機構が複雑かつ大きくなり
、また微妙な調整を要するという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、操縦者のハンドルに対するわずかの力又は回転ト
ルクによって３つの移動台と２つの回転台等の移動、回
転が可能で、しかも重力等の影響を受けることがないマ
スタアームを得ることを目的とする。。

〔問題点を解決するための手段〕

、この発明に係るマスタアームは、操縦者が予め決めら
れた範囲内で任意の位置と姿勢をとることができるハン
ドルに加える互いに平行でない６軸方向の力及び互いに
平行でない３軸まわ９の回転トルクをそれぞれ検出する
力センサと、力センサの検出した各検出信号を増巾する
アンプと、アンプの出力信号に応じてろ軸方向の並進移
動が可能な並進移動機構及び３軸回りの回転が可能な回
転、　　機構を駆動する各駆動手段と、各駆動手段の駆
動ｆｔ−検出する駆動検出器とを備えるように構成し□
　　たものである。

〔作用〕

この発明においては、操縦者が操作するハンドルに加え
る３軸方向の力及び３軸回シの回転トル・　　りをそれ
ぞれ検出する力センサが３軸方向の力の□　　いずれか
或いは５軸回シの回転トルクのいずれかｔ検出すると、
力センサの検出信号がアンプで増巾されて３軸方向の並
進移動が可能な並進移動機構及び３軸回勺の回転が可能
な回転機構を駆動する各駆動手段に伝えられるから、該
当する駆動手段によって並進移動機構のいずれか或いは
回転機構のいずれかが移動又は回転させられることとな
る。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図である。図に
おいて、従来例と同一の構成は従来例と同一の構成は従
来例と同−符号金材して重複した構成の説明を省略する
。αηは台（ハ）に固定され、ねじ（５１）を回転させ
ることによって左右移動台（イ）に左右方向の並進移動
を行わせる駆動手段である第１モータ、（１４２１は左
右移動台勾に固定され、ねじ５ｚ″ｆｉ：回転させるこ
とによって前後移動台器に前後方向の並進移動を行わせ
る駆動手段である第２モータ、輪は前後移動台（至）に
固定され、ねじ６３ヲ回転させることによって上下移動
台−に上下方向の並進移動を行わせる駆動手段である第
６モータ、■は上下移動台（財）に固定され、前後軸回
転台（ハ）に前後軸まわ９の回転運動を行わせる駆動手
段である第４モータ、鋳は前後軸回転台（ホ）に固定さ
れ、左右軸回転台（ハ）に左右軸まわシの回転運動を行
わせる駆動手段である第５モータ、■は左右軸回転台（
ハ）に固定され、ハンドル（イ）に上下軸まわシの回転
運動を与える駆動手段である第６モータ、ａｆ）は第６
モータに）の軸とハンドルに）の軸とを結合し、操縦者
がハンドル（ロ）に加えた左右・前後・上下の６方向の
力とこれら３方向の軸まわシの回転トルクとを検出する
力センサである。この力センサα力は例えば中野栄治著
「ロボット工学」（オーム社１９８３　）の第８４頁に
示されているもので、外部からの力・トルクによる変形
量を歪ゲージを使って電気信号として検出して力・トル
クの大きさを推定するものである。

第２図はこの発明の動作原理を示す説明図である。図に
おいて、０ηはハンドル、（至）は力センサ、（至）は
アンプ、（ロ）はモータ、（ハ）はモータ（ロ）の回転
角度を検出する回転角度変位針、（至）はモータ（ロ）
の回転をハンドル６１）の並行運動へ変換する歯車機構
である。

第３図はこの発明の一実施例を示す回路図である。図に
おいてにカは力センサ、鏝は力センサ＠ηが検出した左
右・前後・上下の３方の力Ｆｘ　ａ　Ｆｙ　。

ＦＺとこれら３方向の軸まわシの回転トルクＱｘ　ｅＱ
ｙ　＝　Ｑｚの力・トルク信号をモータ駆動信号に変換
する座標変換器、１１）〜鏝は座標変換器−によってそ
れぞれ力・トルク信号から変換されたモータ駆動信号’
ｒ、−ｗ’ｒｓの各々を増巾する第１〜ｙ＄６サーボア
ンプで、第１〜第６モータ（ロ）〜■に対応して接続さ
れている。σ１）〜σ６１は第１〜第６モータθカ〜（
ハ）の回転角度を検出する駆動量検出器である第１〜第
６回転角度変位計である。第４〜第６回転角度変位計Ｃ
ｒ４〜σｅの出力側はそれぞれ座標変換器−に接続され
ている。

次に１この発明のマスタアームの動作について説明する
。その前にまず、この発明の動作原理を第２図に基いて
説明する。

いま、操縦者がハンドルも力を握ってこれに右方向の僅
かな力を加えたと考える。このとき、ハンドルａｌに加
えられた力は小さいので、このままでは歯車機構（ト）
の摩擦に打ち勝ってハンドル０力を動かすことはできな
い。そこでハンドル０カに加えらルた力を力センサ（ロ
）で検出し、力センサ０ネの出力をアンプ（至）で増巾
した後、モータ（ロ）を駆動する。

そうすると、モータ０４によって歯車機構（至）は動き
、ハンドル＜３１）ｔ−歯車機構（ト）の摩擦に打ち勝
って動かす□のと同じことになる。従って、アンプ（至
）のゲインをある程度大きくしておくことにより、最終
的にハンドル０■家操縦者の僅かな力に対しても右方向
へ可動することとなり、摩擦の極めて少ない操作性のよ
いものと等価となる。また、このときのハンドル０カの
移動量はモータ（ハ）に取り付けた回転角度変位計（ト
）から知ることができるので、これをロボットなどの指
令値とすることができる。

次に、この発明のマスタアームの動作について説明する
。操作者がハンドル＠をある位置と姿勢へ移動させよう
とすると、カセンサ＠乃はその時の３方向の力ＦＸ　＃
　Ｆｙ　＊　Ｆｚ及びこれら３方向の＠まわシの回転ト
ルクＱｘ　−ＱＹ　−Ｑｚ　ｔ−検出する。ここで、Ｆ
ｚ　ａ　Ｆｙ　＊　Ｆｚは各々力センサα力に固定した
座標系における左右方向、前後方向、上下方向、の力、
Ｑｘ　ｅ　Ｑｙ　ａ　Ｑｚは各々カセンナ＠力に固定し
た座標系における左右軸、前後軸、上下軸まわりの回転
トルクである。これらの力・回転トルクは一般に僅かで
あ）、それ自身でハンドル＠を動かすととはできない。

そこで、前述した第２図に示す動作原理を使う。

即ち、例えばハンドル＠を左右方向に移動させようとす
ると、力センサ＠ηは左右方向の力ＦＸを　　　・検出
し、ＦＸに対応する力信号を出力する。この方　　□信
号は座標変換器−でｉｇ１モータ（ロ）を駆動させるだ
めの第１モータ駆動信号ＴＩに変換され、第１サーボア
ンプ旬で増巾されて励磁電流となシ、第１モータ＠力ヲ
回転させる。この第１モータＢｌｌの回転によって、左
右移動台（２）が並進移動する。そうすると、あたかも
操縦者のハンドル（ロ）に対するＦＸという微弱な力で
、ハンドル＠全左右方向に動かして左右移動台に）の左
右方向の並進移動が行われたかの如くになる。このとき
、左右移動台（イ）の移動量は第１モーダ＠力の回転駆
動量として第１モータ０１に設けた第１回転角度変位計
ｆｆ１）から知ることができ、これをロボットの指令値
即ち位置指令信号とすることができる。

また、ハンドルｖ）１に前後方向に移動させようとする
と、力センサ−ηは前後方向の力Ｆｙ　ｔ−検出し、前
述と同様に第２モータ（２）を回転させて前後移動台（
至）を並進移動させる。ハンドル＠全上下方向に移動さ
せようとすると、カセンサ伽ηは上下方向の力Ｆｚ　を
検出し、前述と同様に第３モータ（至）を回転させて上
下移動台（財）を並進移動させる。更に、ハンドル＠を
前後軸まわシに回転させようとすると、力センサ（ロ）
は前後軸まわシの回転トルクＱｘｅ検出し、Ｑｘに対応
するトルク信号を出力する。このトルク信号は座標変換
器−で第４モータ（財）を駆動させるための第４駆動モ
ータ信号Ｔａ　Ｋ変換され、第４サーボアンプ（財）で
増巾されて励磁電流となり、第４モータ（４４ｆ：回転
させる。こ□の第４モーターの回転によって前後軸回転
台（２）が前後軸まわりの回転運動をする。このとき、
前後軸回転台（イ）の回転変位量は第４モーターの回転
駆動量として第４モーターに設けた９４４回転角度変位
計σａから知ることができる。ハンドル＠を左右軸まわ
りに回転させようとすると、カセンサ＠ハ家左右軸まわ
シの回転トルクＱｙ　を検出し、前述と同様に第５モー
タ（９）を回転させて左右軸回転台に）を左右軸回りに
回転運動させる。ハンドル＠全上下軸回りに回転させよ
うとすると、カセンサ＠カ家上下軸まわりの回転トルク
Ｑｚ″ｆｒ：検出し、前述と同様に第６モータ■を回転
させてハンドル＠金上下軸回シに回転運動させる。こう
して、ハンドル＠にいかような力、回転トルクを加えて
もその大きさに応じて各種移動合一〜（ハ）並びに回転
台に）（ハ）とハンドルに）を移動、・回転させること
ができ、目的の位置と姿勢に達した状態でハンドル勾に
操縦者の加える力、回転トルクがなくなシ、その位置と
姿勢を維持することになる。

ところで、ハンドル＠を前後軸まわシ、左右軸まわシ、
上下軸まわ９に回転させようとしたときにはそれぞれ前
後軸・左右軸回転台（２）、？２４及びハンドル四がそ
れぞれ回転運動するが、これらの回転運動を前後、左右
、上下方向の力に分解して前後・左右・上下移動台（２
）〜−を移動させ、これらの移動量ｔ−＠１〜第３モー
タ６１）〜（至）の回転駆動量として第１〜第３回転角
度変位計ｆｆ１）−σ謙で検出し、これをロボットの指
令値として使用すれば正確でしかも速度の早い制御が可
能となる＠そこで、この実施例では第１〜第６モータＯ
力〜−に内蔵された第１〜第３回転角度変位計ｆｆ９〜
σｊの値を座標変換器−によって第１〜第３そ一タ（Ａ
′Ｄ−（至）を回転させるモータ駆動信号Ｔｌ　＊　Ｔ
２　＊Ｔ３に座標変換して再び第１〜第３モータ＠ν〜
＠３を□回転させるようにしている。即ち、例えば、第
４モータ■がθだけ回転していた場合には（Ｆｚｃｍθ
−ＦＹ血θ）に座標変換して第１モータｍｎｔ−回転さ
せると共に（Ｆ”、ｓｈ＋θ＋Ｆｙａｍ１９）に座標変
換して第２モータ（転）を回転させるようにしている。

なお、一般に第４〜＄６モーター〜（ト）の回転角、　
　度をα、β、ｒとすると、各第１〜第３モータΩυ〜
（至）の駆動力〒”　（Ｔｔ　Ｔｔ・・・Ｔｅｙはβ、
ｒをパラメータとする座標変換行列、１＝（Ｆｚ　ｅ　
Ｐｙ　＠　Ｆｚ　ｅ　Ｑｘ　−Ｑｙ　＊　Ｑｚ　）　　
である。

〔発明の効果） この発明は以上説明したとおり、操縦者が予め決められ
た範囲内で任意の位置と姿勢をとることができるハンド
ルに加える互いに平行でない３軸方向の力及び互いに平
行でない３軸まわシの回転トルクをそれぞれ検出する力
センサが、３軸方向の力のいずれか或いは３軸回シの回
転トルクのいずれかを検出すると、その方センサの検出
信号がアンプで増巾されてろ軸方向の並進移動が可能な
並進移動機構及び６軸回シの回転が可能な回転機構をそ
れぞれ駆動する各駆動手段に伝えられ、該当する駆動手
段によって並進移動機構のいずれか或いは回転機構のい
ずれかが移動又は回転させられるので、ハンドルに対す
る操作力が僅かで済み、重力等の影響を受けることがな
い操作性の良好なマスタアームが得られるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図はこ
の発明の動作原理を示す説明図、第６図はこの発明の実
施例を示す回路図、第４図は従来のマスタアームを示す
斜視図である。 図において、（イ）は左右移動台、（財）は前後移動台
、■は上下移動台、（ハ）は前後軸回転台、に）は左右
軸回転台、鋤はハンドル、（６）〜に）は第１〜第６モ
ータ、（ロ）は力センサ、１１１〜冊は第１〜第６サー
ボアンプである。 なお各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す・ 代理人　弁理士　　佐　藤　正　年 第１図 ４７＋７１＜ソッ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロボットの操作時に操縦者が握るハンドルと、このハン
   ドルが予め決められた範囲内で任意の位置と姿勢をとる
   ことができるための互いに平行でない３軸方向の並進移
   動が可能な並進移動機構及び互いに平行でない３軸まわ
   りの回転が可能な回転機構とを備えたマスタアームにお
   いて、操縦者が上記ハンドルに加える３軸方向の力及び
   ３軸まわりの回転トルクをそれぞれ検出する力センサと
   、力センサの検出した各検出信号を増巾するアンプと、
   アンプの出力信号に応じて並進移動機構及び回転機構を
   駆動する各駆動手段と、各駆動手段の駆動量を検出する
   駆動量検出器とを備えてなることを特徴とするマスタア
   ーム。