JPH02298480A - バイラテラルマスタースレーブマニピュレータ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、原子力燃料の再処理向上なと、人間の近すき
にくい環境で作業を遠隔操作にて行うために用いられる
遠隔操作機器であるハイラテラルマスタースレーブマニ
ピュレータに係わり、特にスレーブアームに掛かつてい
るイ′］業力をＪ’ｔ　（’ｌ員にフィードバックする
機能を備えたハイラテラルマスタースレーブマニピュレ
ータに関するものである。

（従来の技術） パイラテラルマスタースレーブマニピュレータには、第
５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、対称形、内
通送形、力帰還形の二つの基本形がある。

これらはいずれもスレーブアーム（作業口ホット）に掛
かる作業負荷を操作者に伝達するため、即ちスレーブア
ームの作業負荷をマスターアーム（操作ロボット）ヘフ
ィードハックするために、マスターアームの各軸にはス
レーブアームと同様にモータ・減速機が使用されており
、マスターとスレーブの位置偏差またはトルク偏差によ
って制御された力を発生するように構成されている。

（発明が解決しようとする課題） 上術した従来のパイラテラルマスタースレーブマニピュ
レータにおいて、マスターアームの操作性は、マスター
に使用したサーボ系によって左右されるが、通常は高減
速比の減速機を使用しているため、操作員の思う通りの
速さでマスターアームを動作させることかできす、スレ
ーブアームの負荷状態を忠実に伝達できないという問題
がある。

このため減速機を使用しないダイレクトドライブ方式の
マスターアームも提案されているが、マスターアームの
寸法、重量が大きくなりすぎることや、システムが＋’
Ｄｒ　Ｍｌｌｉになるなとの弊害か多く、余り実用的で
はない。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ス
レーブアームの作業負荷を、動作速度に左右されずに、
マスターアーム側で忠実に１り現でき、しかもスレーブ
アーム無負荷１１テ」のマスターアームの操作力か軽く
て操作性かよく、しかも安価に実現できるパイラテラル
マスタースレーブマニピュレータを提供することを目的
とするもの−Ｃある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するために、印加する電流値
に比例してその拘束力が変化するパウダブレーキをマス
ターアームに使用し、スレーブアームの作業負荷によっ
てパウダブレーキをかけることにより、操作者に力感覚
を（ｊ−える方法を採用している。また、パウダブレー
キには、その軸に掛けるべき拘束トルクの作用方向と現
在用かっている負荷トルクの方向が一致する時のみ印加
電圧が掛かり、拘束！・ルクか発仕する制御回路をイ・
ｊ属させである。

なお、パウダクラッチは人力軸と出力軸の間に磁性の粉
体をいれた）１１１造となっており、磁力によって人出
力の結合力か変化するものである。

（作用） 上述のように構成した本発明のパイラテラルマスタース
レーブマニピュレータにおいて、操作者がマスターアー
ムを操作すると、ポテンショメータの指示値も変化する
。スレーブアームには、マスターアームとスレーブアー
ムのポテンショメータの偏差に比例したモータの出力が
発生し、作業が行われる。

また、マスターアームの各軸には、その軸に現在用かっ
ている負６：■トルク方向と、その軸に対応するスレー
ブアームの軸に掛かる作業負荷方向が一致する時、換言
すればスレーブアームに掛かっている作業負荷に逆らう
方向にマスターアームに操作負荷を掛けているときのみ
、スレーブアームの軸の作業を荷に比例したブレーキ力
が発生し、操作者はスレーブアームに掛かる作業負荷を
理解することができる。

スレーブアームの作業負荷が無負荷の場合や、マスター
アームを作業負荷に対して逃げる方向に操作する時は、
マスターアームの拘束力は零であり、軽い操作力で操作
することができる。

（実施例） 以下、第１図ないし第４図を参照して、本発明の詳細な
説明する。

第１図は本発明によるパイラテラルマスタースレーブマ
ニピュレータの実施例を示すもので、マスターアーム１
およびスレーブアーム２は、それぞれ回転、揺動、伸縮
などの動作軸で構成された多自由度の多関節ロボットで
ある。この実施例では６自由度の垂直型口ボッＩ・を例
示している。また、マスターアーム１と、スレーブアー
ム２は同自由度、同構造である。

マスターアーム１と、スレーブアーム２のアーム先端に
は操作グリッパ３またはロボットハンド４を有し、これ
らの操作グリッパ３とマスターアーム１、およびロボッ
トハンド４とマスターアーム２の間には、それぞれ６軸
カセンザ５．６が備えられている。

マスターアーム１側のリンク７ａ、７ｂ間には＝　６− パウダブレーキ８が設けられ、スレーブアーム２側のリ
ンク９ａ、９ｂ間には駆動部１０が設けられている。１
１はカウンタウェイトを示す。

第２図は、パウダブレーキをアクチュエータとするマス
ターアーム１の１自由度分の動作軸構成を揺動自由度を
例にとって示すもので、マスターアーム１はリンク７ａ
に固定されたパウダブレーキ８およびボテンンヨメータ
１２と、リンク７ｂに固定されたシャフト］３および一
対の軸受け１４を備えている。シャフト１３は、軸受け
１４により回転自在とされており、リンク７ａ、７ｂを
シャフト］３を中心に揺動自在としている。前記パウダ
ブレーキ８およびポテンショメータ１２のシャフト８ａ
はシャフト１３に固定されており、リンク７ｂの揺動回
転と連動する様に構成されている。

また、シャフト１３には、リンク７ｂの反対側に、カウ
ンタウェイト１］が固定されており、このリンク７ｂよ
り先端側の自重モーメントと釣合っている。

第３図はスレーブアーム２の１１１山度分の動作軸構成
を揺動自由度を例にとって示す。スレーブアーム２の駆
動部１０は、リンク９ａに固定されたモータ１５、減速
機１６、ブレーキ］７、エンコーダ１７などから構成さ
れている。

また、リンク９ｂに固定されたシャフト］９にはポテン
ショメータ２０か取付けられている。シャフト１９とリ
ンク９ａの間には一対の輔受け２］が介挿されており、
リンク９ａ、９ｂはシャフト１９を中心に揺動自在とさ
れている。前記駆動部１０およびポテンショメータ２０
のシャツＩ・１０ａ、２０ａはシャフト１９に固定され
ており、リンク９ｂの揺動回転と連動するように構成さ
れている。

第４図は本発明装置における電気回路の構成例を示す。

この電気回路は計算機２２．６軸カセンサ用アンプ２３
．２４、パウダブレーキ用ザーボアンプ２５、ディジタ
ル変換器２６、演算・比較器２７およびモータ用サーボ
アンプ２８から構成されている。

次に本発明における制御の流れを説明する。

スレーブアーム２の各リンク９ａｓ　９ｂの動作角は、
マスターアーム］の各々の対応するリンク７ａ、７ｂの
動作角に追従制御される。このためマスターアーム１の
各リンク７ａ、７ｂに設けられた角度検出用のセンサで
あるポテンショメータ］２の値と、スレーブアームの対
応するリンク９ａ、９ｂに設けられた角度検出用のセン
サであるポテンショメータ２０の値はそれぞれ演算・比
較器２７に入る。

演算・比較器２７ては、両方のポテンショメータ１２．
２０からの出力を比較演算し、スレーブアーム２の駆動
部１０のモータ１５の指令動作角をモータ用サーボアン
プ２８へ指令する。モータ用サーボアンプ２８はモータ
１５に直結したエンコーダ］８を位置フィードバック川
センサとしてモータ１５を回転さぜ、指令された量たけ
モータ駆動を行う。

一方、マスターアーム１のリンク７ａ、７ｂのパウダブ
レーキ８はスレーブアーム２の先端に掛かる作業負荷に
より変化、制御される。

即ち、先ずマスターアーム１とスレーブアーム２の各々
の先端に設けられた６輔カセンザ５．６の出力は６輔カ
センザ用アンプ２３．２４で較正され、ディジタル化さ
れた後、訓算機２２に入力される。計算機２２ては各６
軸カセンサ５．６の値を逆運動学的に演算し、各々のリ
ンク７　ａ　％７ｂｓ　９ａ、９ｂに掛かる負荷へ分解
する。

この演算は、一般にはヤコビ行列Ｊの転置行列より次式
から求まる。

たたし、Ｔは各リンクｎで必要なトルクＴ　ｎをｎ次元
「１の要素とするｎ次元のヘクトルである。

モーメントベクトルである。また、ヤコビ行列Ｊ−１０
＝ の１直は、ポテンショメータ１２．２０の１直をディジ
タル変換器２６を介して計算機２２へ読込み、算出する
。

上式により、リンクｌでのマスターアーム１の負荷トル
クＴ旧、およびスレーブアーム２の負荷トルクＴＳｉを
求める。パウダブレーキ８１にかける拘束トルクＴＢｉ
は以下の式より求められる。

Ｔ旧ＸＴＳｉ＞Ｏのとき ＴＢｉ＝ｌＴＳｉｌ　　・・・・・・・・・・　（２）
ＴＭｉＸＴＳｊ≦０のとき Ｔ旧＝０　・　・・・・・・・・・・・　　（３）これ
らの値を各パウダブレーキ用サーボアンプ２５へ出力し
、この拘束トルクＴ旧に比例した印加電圧をパウダブレ
ーキ８へ掛ける。

上述のような構成の本実施例によると、以下のような効
果か得られる。

先ず、本実施例ではマスターアームの機構構成が従来例
に比べ極めてｆｆ１ｉ単になり、大幅なコスト低下が期
待てきる。更に、パウダブレーキによる拘束トルクの発
生方法は応答が速く、かつ回転速−１１一 度の影響を受けないので精度の高い拘束トルクを得るこ
とかできる。また、減速機を使用していないため、＋ｑ
擦トルクｚ５の損失トルクか極めて小さく、無負荷状態
のカナ、１：還が達成できる７１士の効果か得られる。

しかも、上述の制御方式によると、スレーブアームの負
荷方向にスレーブアームを動作さけ−る１１．ｌＪのみ
、ハイラテラル効果を発揮するようになるので、力作業
とは無関係なアーム姿勢の変更なと、無負荷作業時のマ
スターアームの１・’Ａ　作力がはホ零となり、従って
、操作員の疲労は少なくなる。

なお、本実施例ではマスター・スレーブの作業負荷の検
出に６軸カゼンザを使用する方式を用いたが、本発明は
これに限定されるものではなく、例えば各軸ごとに歪ゲ
ージを貼ったトルクセンザを設け、これらのセンサの値
からアーム姿勢より幾何学的に求めた自重分の負荷トル
クを補償し、作業負荷による負荷トルクを求めるように
してもよい。

［発明の効果］ −］２一 本発明によれば、横這か簡単で制御が容易であり、しか
も操作者の疲労が少ないパイラテラルマスタースレーブ
マニピュレータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパイラテラルマスタースレーブマ
ニピュレータの実施例を示す構成図、第２図は本発明装
置におけるパウダブレーキをアクチュエータとするマス
ターアームの１自由度分の動作軸構成例を揺動自由度に
ついて示す構成図、第３図は本発明装置におけるスレー
ブアームの１自由度分の動作軸構成例を揺動自由度につ
いて示す構成図、第４図は本発明装置における電気回路
の構成例を示す回路図、第５図は従来のパイラテラルマ
スタースレーブマニピュレータの構成例を示す説明図で
ある。 １・・・・・・・・・マスターアーム ２・・・・・・・・・スレーブアーム ３・・・・・・操作グリッパ ４・・・・・・・・ロボットハンド ＝　１３　− ５．６・・・６軸カセンサ ７ａ、７ｂ、９ａ、９ｂ　　リンク ８・・・・・・・・・パウダブレーキ １０・・・・・・・・駆動部 ］１・・・・・・・・・カウンタウェイＩ・］２・・・
・・・・ポテンショメータ １３．１９・・・シャフト １４．２１・・・軸受け １５・・・・・・・・モータ １６・・・・・・・・・減速機 １７・・・・・・ブレーキ １８・・・・・・・・エンコーダ ２０・・・・・・ポテンショメータ ２２・・・・・・・・計算機 ２３．２４・・・６軸カセンサ用アンプ２５・・・・・
・・パウダブレーキ用サーボアンプ２６・・・・・・デ
ィジタル変換器 ２７・・・・・・・・・演算・比較器 ２８・・・・・・・・・モータ用サーボアンプ（Ａ）対
称形 （９）力逆式形

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マスターアーム（操作ロボット）を操作することによっ
   て、このマスターアームの動きに追従してスレーブアー
   ム（作業ロボット）が作業対象物に対して作業し、かつ
   作業時にこのスレーブアームにかかる作業負荷に比例し
   て前記マスターアームの操作力か変化する同自由度・同
   構造のバイラテラルマスタースレーブマニピュレータに
   おいて、前記マスターアームの各軸のアクチエータに、
   コイルに流す電流値に比例して拘束トルクが変化する機
   能を有するパウダブレーキを用い、このパウダブレーキ
   に掛かるべき拘束トルクの作用方向と現在掛かっている
   負荷トルクの方向が一致する時のみ印加電圧が加わって
   拘束トルクを発生させる制御回路を備えることを特徴と
   するバイラテラルマスタースレーブマニピュレータ。