JPS6222758B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 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
あつては、その環境が人間にとつて有害であるこ
とから、一般にマニピユ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ユレー
タが用いられている。

ところが、最近ではマニピユレータに対して、
より複雑で高度が運動が要求され、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
従来より、各種のロボツ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つた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事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け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ツト
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の複数のユニツ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を、その先端部
の目標点に対する誘導軌道に従つて前記各関節機
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つ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
ボツト装置において、前記各ユニツトアームの側
部にそれぞれ複数の接触センサを設け、ユニツト
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
に接触したユニツ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
接触したユニツ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
け前記ユニツ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。

つまり各ユニツ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、障害物に接触したユ
ニツ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
することによつて、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ツ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
易化を図り得る。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ツト装置の全
体構成を示す概略図である。多関節アーム本体１
は、複数のユニツトアーム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に沿つ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カメラ６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、プロセツサを主
体として構成される情報処理装置９や、前記TV
カメラ６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１０等により構成される。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
動しる多関節アーム本体１の各関節機構３の回転
移動によるユニツトアーム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、前記ユニツトアーム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１１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により回転駆動される第２の駆動歯車１６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１２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１６およびモータ１５
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によつて連結される２つのユ
ニツトアームの骨体を為すものであり、これらは
ユニバーサル・ジヨイント的には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つている。しかして今、前記
モータ１２，１５を付勢して駆動歯車１３，１６
をそれぞれ回転させることにより、前記主歯車１
１，１４に対する噛合位置関係によつて、第１の
アーム体１７は第２のアーム体１８に対して、或
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１３の回転駆動により、第１のアーム
体１７に対する第２のアーム体１８のＹ―Y′軸
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の回転駆動によつて、
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
よつて、第２のアーム体１８は、第１のアーム体
１７に対して、或る立体角範囲内のＸ―Ｙ方向の
任意の向きに回転位置決めされるものとなつてい
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ツ
トスイツチ１９がそれぞれ設けられる。また上記
関節機構３によつて相互に、且つ直列に連結され
たユニツトアーム２の側部には接触センサ２０が
それぞれ複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図にユニツトアーム
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、ユニツトアーム２の基体、例えば
前記アーム体１７，１８に固定された円環体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２１にばね２２を介して支持された円筒
状ケーシング２３の偏倚により、その偏位方向に
応じて押圧付勢されるようになつている。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、ユニツトアーム２の外被
体を形成しており、常時は上記ばね２２の作用に
よつて、前記円環体２１に対して平衡状態を保つ
ている。ところが、ユニツトアーム２が或る障害
物に接触すると、これによつ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
つて前記接触センサ２０が付勢され、同センサ２
０から接触信号が発せられることになる。従つて
前記円環体２１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、つまり障害物との接触方向に応
じて接触信号を発することになる。

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、回転リミツト
スイツチ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カメラ６によつて求め
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１
２，１５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２４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カメラ６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つ
て目標点を設定する目標点設定部２８等によつて
構成される。この制御部８は、例えばTVカメラ
６によつて求められた多関節アーム本体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
つて設定し、上記目標の方向および距離をそれぞ
れ求める。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、この誘導軌道に沿つて前記多関節アー
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３１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３１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P₀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。この観測によつて、アーム
本体１の先端部を誘導するべく適当な目標点R₀
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
TV１０上で十字線カーソルを目標対象点に合せ
ることによつて行われ、これによつてその座標が
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１０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
ツトアーム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求められる。

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R₀までの距離が計測される。こ
の距離計測は前記距離計７によつて光学的或いは
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。このようにして求められた目標点
R₀までの距離情報に従つて、多関節アーム本体
１の先端部を上記R₀の方向にどの程度の距離ｌ
だけ進めればよいかが判定され、これによつて、
図中P₁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。従つて、この場合、P₀点からP₁
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
従つて前記移動基台５の距離dlの移動時における
各関節機構３の関節回転角をそれぞれ求めてい
る。そしてこれらの情報に従つて多関節アーム本
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，R₂，R₃
…と設定され、その誘導軌道が順に求められてい
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（P₀―P₁―P₂…P₈…
Ｑ）として求められることになり、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
誘導軌道が求められるような場合には、上記誘導
軌道を複数点に亘つてサンプリングし、これらの
サンプリング点を前述したP₁，P₂…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
によつて示されている。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１は、
複数のユニツトアーム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、各ユニツトア
ーム２はそれぞれ或る長さと、或る太さを有して
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ツトアーム２は必ずしも
上記誘導軌道上には位置しない。つまり、誘導軌
道上に存在する関節機構３の間をユニツトアーム
２がそれぞれ直線的に結ぶことになる。この結
果、誘導軌道の曲り部分において、ユニツトアー
ム２の側部が前記タンク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
害物へのユニツトアーム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
ユニツトアーム２にそれぞれ設けられた接触セン
サ２０は、ユニツトアーム２の側部の障害物への
接触を検出しており、従つて、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つて障害物に接触して
いるユニツトアーム２を知ることができる。また
同時にそのユニツトアーム２における複数のセン
サ２０のうち、どのセンサ２０が接触信号を発し
ているかによつて、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
御を行つている。

即ち第９図ａに示されるように、ユニツトアー
ム２ａがタンク３１の内壁に接触した場合、制御
部８は先ず上記ユニツトアーム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θ_１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ａ中破線で
示すように先端側のユニツトアーム２の各位置が
前記誘導軌道から外れ、この結果他のユニツトア
ーム２において別の障害物との接触が生じる虞れ
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、前記ユニツトアーム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θ_１，θ_２は、例え
ばユニツトアーム２ａの長さの係数をｋとして θ_１＝−ｋθ_２ 等として与えられるもので、上記ｋは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
によつて第９図ｂに示すように、前記ユニツトア
ーム２の障害物への接触が効果的に回避されるこ
とになり、また先端側のユニツトアーム２は、前
記誘導軌道上に略々戻されることになる。

然し乍ら、関節機構３ａ，３ｂの回転によつて
各関節機構３の座標位置が、僅かではあるが勢記
誘導軌道から外れることになる。そこで計算機２
４では、前記回転角θ_１，θ_２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つ
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つて十分に行えない場合に
は、更にそれより先端側の関節機構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
く場合であつ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図はユニツトア
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……ユニツトアー
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、１１，１４……主歯車、１２，１５……
モータ、１３，１６……駆動歯車、１７，１８…
…アーム体、１９……回転リミツトスイツチ、２
０……接触センサ、２１……円環体、２２……ば
ね、２３……円筒状ケーシング、２４……計算
機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数のユニツトアームを相互間に関節機構を
   介在させて直列に連結して形成され基端部が移動
   基台に固定され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を順次与えられる目標
   点方向へ指定された到達点位置まで順次移動させ
   るとともに上記各到達点を結ぶ誘導軌道に添つて
   上記各関節機構を順次通過させるべく上記各関節
   機構の回転角制御および前記移動基台の移動制御
   を行なう手段と、前記各ユニツトアームの側部に
   円周方向に分散して配置された複数の接触センサ
   と、これら接触センサの出力から障害物に接触し
   たユニツトアームとその接触方向を求める手段
   と、この手段によつて障害物への接触が検出され
   たとき上記障害物に接触したユニツトアームの基
   端部側関節機構を前記接触方向とは逆向きに上記
   接触センサから接触信号が消えるまで回転駆動す
   るとともに上記基端部側関節機構の回転角に応じ
   た回転角だけ上記障害物に接触したユニツトアー
   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、この手段によつ
   て制御された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てなることを特徴とする多
   関節ロボツト装置。