JPH0741562B2 - 歩行形マニピユレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マニピュレータに係り、特に人間が容易に接
近できない作業域まで移動し遠隔作業を実現するのに好
適なマニピュレータに関する。

〔従来の技術〕

従来のマニピュレータ装置は、特開昭60−080591号に記
載のように、マニピュレータを走行車に搭載し、この走
行車によって作業現場まで移動するようになっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、通路内にある配管などの障害物を走行
車が踏破することは困難であった。また、マニピュレー
タを含めた走行車の寸法が大きくなり、大きな通過断面
積を有する通路でないと適用困難であった。ところでマ
ニピュレータによってプラント内の保守・修理作業を実
施する上では、マニピュレータの移動に際し前記のよう
な配管などを踏破でき、また小さな通過断面積を有する
ことが必要不可欠である。さらに、作業現場に於て、作
業位置の変更が容易に行なえることが必要である。しか
も、作業に臨機応変に適応するためにはマニピュレータ
の移動が無軌道で行えることが必要である。

本発明の目的は、マニピュレータ自体を歩行可能にして
マニピュレータの移動の機動性を高め、かつ小さな通過
断面積を持ち、移動後はその場所においてマニピュレー
タ作業ができるようにしたマニピュレータを提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の歩行形マニピュレータは、遠隔操作により駆動
可能な複数のピッチ関節および複数のロール関節を有す
るマニピュレータアームと、遠隔操作により床または壁
に吸着可能な機構を有し上記マニピュレータアームの両
端に遠隔操作により夫々着脱可能な二つの吸着形エンド
エフェクタと、上記マニピュレータアームの一端に遠隔
操作により着脱可能なハンドとからなり、上記二つの吸
着形エンドエフェクタの一つは上記ハンドを取り出し可
能に携帯するためのホルダが取り付けられていることを
特徴とするものである。

〔作用〕

前記マニピュレータアームの両端に前記二つの吸着形エ
ンドエフェクタを吸着し、先ず、一方の吸着形エンドエ
フェクタを床に吸着させて、これによりマニピュレータ
の全自重を支えるようにする。そしてマニピュレータア
ームのピッチ関節を操作して他方の吸着形エンドエフェ
クタを空中に持ち上げ、次いでマニピュレータのロール
関節を操作して該吸着形エンドエフェクタを前方に送り
出し、再びピッチ関節を操作して該吸着形エンドエフェ
クタを床に降ろし、そして、これを床に吸着させる。次
に、先に床に吸着していた吸着形エンドエフェクタの床
への吸着を止め、この吸着形エンドエフェクタを上記と
同様の操作により、空中に持ち上げ、前方に送り出し、
再び床に降ろし、床に吸着させる。このような動作を二
つの吸着形エンドエフェクタに関して交互に繰り返すこ
とによりマニピュレータは床上を歩行することができ
る。壁面上の歩行についても同様である。この歩行によ
ってマニピュレータが作業現場に到着したら、マニピュ
レータアームの関節を操作してマニピュレータアームの
端部を前記ホルダ付きの吸着形エンドエフェクタ（これ
は床上に残る）から切り離し、該吸着形エンドエフェク
タに携帯されているハンドにマニピュレータアームの上
記端部を結合して該ハンドを上記ホルダから取り出す。
その後はマニピュレータアームとその端部に結合された
該ハンドとによって作業現場でマニピュレータ作業を行
うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は本実施例のマニピュレータが或る初期の状態にある
ときの概要斜視図である。マニピュレータ１は、３ケの
アームモジュール7a,7b,7cがアダプタ9aおよび9bを介し
て着脱自在に連結されて構成されたアーム６と、アーム
６の一端に着脱自在に結合された吸着形エンドエフェク
タ２と、アーム６の他の一端に着脱自在に結合されたホ
ルダ付吸着形エンドエフェクタ３とから構成される。ホ
ルダ付吸着形エンドエフェクタ３の側面にはホルダ５が
２ケ対向して固定されている。指28を有するハンド４が
ホルダ５の１つに着脱自在に装着されている。後に詳述
するが、アーム６を遠隔操作することによって、ハンド
４をホルダ５から取り出し、第２図に示すように、ホル
ダ付吸着形エンドエフェクタ３の代りに、ハンド４をア
ーム６の先端であるアームモジュル7cの先端に装着でき
るようになっている。

以下の説明において、各アームモジュール7a,7b,7cおよ
び各アダプタ9a,9bを区別せずに表現するときには、添
字a,b,cを省いて表現する。

アームモジュール7a,7b,7cは全て同一構造であり、それ
ぞれピッチ関節、ロール関節の２関節を有する。アーム
モジュール7aのピッチ関節IIは矢印101の方向に回転す
る関節であり、ロール関節Ｉは矢印100の方向に回転す
る関節である。同様に、アームモジュール7bは矢印102
の方向に回転するピッチ関節IIIと矢印103の方向に回転
するロール関節IVを有する。アームモジュール7cは矢印
104の方向に回転するピッチ関節Ｖと矢印105の方向に回
転するロール関節VIを有する。この３ケのアームモジュ
ールの連結によって６関節を有するアーム６が構成され
ており、その関節配置は、根元側から並べて、ロール関
節Ｉ、ピッチ関節II、ピッチ関節III、ロール関節IV、
ピッチ関節Ｖ、ロール関節VIとなっている。この関節配
置によれば、後述のように、アームモジュール7cの先端
に装着するハンド４や吸着形エンドエフェクタ2,3を３
次元空間の任意の位置に、任意の姿勢に位置決めでき
る。

第１図において吸着形エンドエフェクタ２の一端は床面
10に吸着しており、他の一端はアームモジュール7aと連
結されている。吸着形エンドエフェクタ２の側面には給
電及び信号用のケーブル８を有しており、図示していな
い制御室に連結されている。アームモジュール7aは第３
図に示すような構造を有する無極性のアダプタ9aを介し
てアームモジュール7bに連結されている。アームモジュ
ール7bの先端は、同様に無極性のアダプタ9bを介してア
ームモジュール7cに連結されている。アームモジュール
7cの先端には、ホルダ付吸着形エンドエフェクタ３が連
結されている。

各アームモジュール７の両端には、第３図に示すよう
に、連結する次のアームモジュール、ハンドまたはエン
ドエフェクタに給電及び信号を伝えるレセプタクル11と
３本の連結ピン13がある。レセプタクル11は各アダプタ
９の両端にあるプラグ12と連結できる構成である。各ア
ダプタ９には、連結ピン13の入る穴14がそれぞれあり、
外側のリング15がプラグ12に対して自由に回転できるよ
うになっている。このリング15はアダプタ９の両側にあ
り、互いに独立に回転できる。リング15は内側に爪16を
有し、連結ピン13の切欠きに噛み合うように構成されて
いる。アダプタ９とアームモジュール７との連結は、連
結ピン13が全て穴14に入り、かつプラグ12の電源がレセ
プタクル11に入るように位置決めして、アダプタ９の端
面とアームモジュール７との端面を隙間がなくなるよう
に合わせ、リング15を回転して、爪16を連結ピン13の切
り欠きに合わせることで実現される。これはバヨネット
機構と呼ばれるものの一種である。

アームモジュール7cとハンド４とは、アダプタ９の連結
と同様に、バヨネット機構で連結される。第４図は、ハ
ンド４とアームモジュール7cの中心及び１ケの連結ピン
13の中心を通る断面図であり、第５図はｃ−ｃ′断面図
である。第４図に示すように、ハンド４のハウジング17
の底面には、その中心にプラグ12を有し、連結ピン13と
はめ合う３ケの穴14を有する。ハウジング17の外側に
は、着脱リング18が、ハウジング17に対して回転できる
ように結合されている。着脱リング18の内側は、リング
15と同様に連結ピン13の切欠きと噛み合う爪16を有す
る。着脱リング18の先端側は、ホルダ５の中央にあいた
平行な真直ぐな対向辺を有する穴に噛み合うように、円
柱の側面の一部を平面で切断した形状になっている。ハ
ウジング17の内側には、モータのステータ19と位置検出
器21とが固定されている。モータのロータ20の軸23は軸
受22を介して、回転できるようにハウジング17に固定さ
れている。軸23の一端は位置検出器21の入力軸に結合さ
れ、他の一端はボールネジ24に結合されている。ボール
ナット25は、ボールネジ24とかみ合っており、ボールナ
ットの外側の両側面にはリンク27の穴に摺動するピン26
が固定されている。リンク27はハウジング17に回転でき
るように結合され、かつ指28に結合されている。リンク
27とリンク29は、その軸が指28とハウジング17に結合さ
れ、指28とハウジング17とが平行四辺形リンクで連結さ
れるように結合されている。モータのロータ20の制御信
号やモータの回転角を検出する位置検出器21の信号など
はプラグ12を介して、供給及び伝達される。

ホルダ付吸着形エンドエフェクタ３は、第６図、第７図
に示すように、アームモジュール7cの連結ピン13のはま
る３ケの穴14とプラグ12を有する、アームモジュール7c
との吸着機構30および床面10や壁面との吸着機構31、及
びハンドのホルダ５から構成される。

吸着機構30は、高透磁率の磁極33と磁極34とを有し、そ
れらの磁極の端面の間に、永久磁石35と永久磁石35の周
囲にその磁束を打ち消すために設けられた電磁コイル36
とを有し磁極33と磁極34の側面に低透磁率の絶縁材32を
有する。磁極33、絶縁材32、と磁極34とは、同軸上に、
この順番に配置してある。磁極33と34の磁極面は、エン
ドエフェクタ３の端面に露出しており、その一端に高透
磁率の板がくると、永久磁石の磁束により磁気回路が形
成され、吸引力が発生する。この吸引力は、電磁コイル
36によって、永久磁石35の磁束を打ち消す（逆磁界が生
じるようにコイルに電流を流す）ことで制御される。

吸着機構31も、吸着機構30と同様に、同軸上に磁極37、
永久磁石40、電磁コイル41、絶縁材39、磁極38を有す
る。

吸着形エンドエフェクタ２は、第８図、第９図に示すよ
うに、ホルダ付吸着形エンドエフェクタ３と比べて、ホ
ルダ５を有しないこと以外は全く同一である。

これら２つのエンドエフェクタ2,3とアームモジュール
７とが吸着結合できるようにアームモジュール７の結合
面42は高透磁率の材料でできている。高透磁率の材料と
しては鉄を用いることができる。

次に、上述のマニピュレータの歩行動作について、第10
図を用いて説明する。マニピュレータ１の最初の姿勢を
第10図（ａ）とし、高透磁率の床、例えば鉄板の上を歩
くことを考える。第10図はマニピュレータが右方向に歩
行する様子を模式的に表わしたもので、前記エンドエフ
ェクタ2,3は長方形で表わし、床面との間に吸着力が発
生しているエンドエフェクタは斜線を施してこれを表わ
す。

第10図（ａ）は、右側のエンドエフェクタ２の電磁コイ
ル47はOFF、電磁コイル52はOFFの状態である。このと
き、永久磁石46の磁界は電磁コイル47の影響を受けない
ので、エンドエフェクタ２とアームモジュール7aの間に
吸着力が生じ、エンドエフェクタ２はアームモジュール
7aに固定される。同様に、永久磁石51の磁界も電磁コイ
ル52の影響を受けないので、エンドエフェクタ２と床面
10の間に永久磁石51による吸着力が生じ、エンドエフェ
クタ２は床面10に固定される。一方、左側のエンドエフ
ェクタ３は、電磁コイル36がOFF、電磁コイル41がONの
状態である。従って、永久磁石35による磁界は電磁コイ
ル36の影響を受けないので、エンドエフェクタ３とアー
ムモジュール7cとの間には永久磁石35による吸着力が生
じ、エンドエフェクタ３はアームモジュール7cに固定さ
れる。一方、永久磁石40による磁極37,38内の磁界は電
磁コイル41の逆磁界によって打ち消されるので、エンド
エフェクタ３と床面10の間には吸着力がなくなってい
る。

次に第10図（ｂ）となるようにピッチ関節II,III,Vを回
転させる。

次に第10図（ｃ）となるようにロール関節Ｉを回転さ
せ、エンドエフェクタ３を前方に送り出す。

次に、第10図（ｄ）となるように、ピッチ関節II,III,V
を回転させる。

次に、第10図（ｅ）に示すように、エンドエフェクタ２
の電磁コイル52をONにし、エンドエフェクタ３の電磁コ
イル41をOFFにする。このときエンドエフェクタ２と床
面10の吸着力がなくなり、エンドエフェクタ３と床面10
の吸着力が発生する。

次に、第10図（ｆ）となるようにピッチ関節II,III,Vを
動かす。

次に、第10図（ｇ）となるようにロール関節VIを回転さ
せ、エンドエフェクタ２を前方に送り出す。

次に、第10図（ｈ）に示すようにピッチ関節II,III,Vを
回転させ、エンドエフェクタ２を床につける。

次に、第10図（ａ）に示すように、エンドエフェクタ２
の電磁コイル52をOFF、エンドエフェクタ３の電磁コイ
ル41をONにする。このとき、エンドエフェクタ３と床面
10の吸着力がなくなり、エンドエフェクタ２と床面10の
吸着力が発生し、エンドエフェクタ２は床面10に固定さ
れる。

以上の第10図（ａ）〜（ｈ）の一連の動作を繰り返すこ
とで、マニピュレータは歩行動作で前進する。

マニピュレータが上記の一連の動作で歩行してゆき、作
業現場に到着すると、エンドエフェクタ２を床面10に吸
着固定し、エンドエフェクタ３が床面10に接地した第10
図（ｄ）の状態にする。この状態で、エンドエフェクタ
３の電磁コイル41をOFFにし、電磁コイル36をONにす
る。このとき、エンドエフェクタ３は、床面10との間に
生じた永久磁石40の吸着力によって固定され、またエン
ドエフェクタ３とアームモジュール7cとの間に生じてい
た永久磁石35の吸着力がなくなる。そこで、アームの関
節II,III,Vを回転させて、アームモジュール7cの先端を
垂直に上方に動かし、アームモジュール7cからエンドエ
フェクタ３をはずす。次に、アームモジュール7cの先端
を床面10上にあるエンドエフェクタ３のホルダ５に装着
されているハンド４に結合するように、関節I,II,III,V
を回転させる。アームモジュール7cとハンド４の両端面
を密着させたのち、ロール関節VIを回転させる。このと
き、着脱リング18はエンドエフェクタ３のホルダ５の穴
に噛み合って固定されているので回転しない。しかし、
ハンド４は回転できるので、相対的に着脱リング18が回
転することになり、前記のバヨネット機構によるハンド
４とアームモジュール7cとの連結固定が実現する。この
状態を第２図に示す。その後は上記マニピュレータとハ
ンド４との遠隔操作により、作業現場で所望のマニピュ
レータ作業を行うことができる。

尚、歩行動作は第10図に示したものに限定するものでは
なく、他の関節の組み合わせ動作でも可能であることは
いうまでもない。

なお、本実施例によれば、前進動作のとき、ピッチ関節
が全て90゜になるので、歩行動作における関節角の決定
が容易になる。

また、第10図で述べた歩行動作の中間姿勢において、吸
着形エンドエフェクタに加わるモーメントを小さくする
ために、空中に浮いている方のエンドエフェクタが床面
に固定されている方のエンドエフェクタに最も近い距離
となるように制御するのが好ましい。

本発明の他の一実施例は、ホルダ付吸着形エンドエフェ
クタ３に外部からの給電および制御信号用のケーブルを
つけた以外は、上の実施例と同じものである。本実施例
によれば、エンドエフェクタ３をアームモジュールから
はずす場合に、電磁コイル36への給電が途切れない効果
がある。

また、前記永久磁石を除去して、吸着力を電磁コイルに
よって発生させるエンドエフェクタを用いた実施例も可
能である。

また、永久磁石や電磁コイルの代りに、エゼクタ形の真
空ポンプを用いて、磁気吸着の代りに真空吸着方式を採
用してもよい。このようにすれば床面が高透磁率の材料
でなくても歩行可能である。

また、マニピュレータの歩行動作は平面上に限るもので
はなく、角関節Ｉ〜VIを動作させることによって、壁へ
の乗り移り、壁面歩行も可能である。

なお、超小型、軽量、高出力のバッテリが利用できるな
らば、エンドエフェクタ2,3及びアームモジュール7a,7
b,7c内にバッテリ及び無線回路を内蔵させることによっ
て、前述のケーブルは不要になり、複雑な走行ルートで
あってもケーブルの絡みを気にせずに歩行ルートを選ぶ
ことが可能になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マニピュレータ自身が歩行できるの
で、マニピュレータの機動性を高め、かつ小さな通過断
面積をもつ効果がある。すなわち、プラント内の非定常
ルートなどへのマニピュレータの移動が可能になり、遠
隔作業範囲が広がる効果がある。また、移動後はその場
所においてマニピュレータ作業を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るマニピュレータの或る
状態での外観図、第２図はハンドを先端に装着した状態
での同マニピュレータの外観図、第３図はアームモジュ
ール及びアダプタの断面図、第４図はアームモジュール
の端部及びハンドの断面図、第５図は第４図のｃ−ｃ′
でとったハンドの断面図、第６図および第７図は夫々ホ
ルダ付吸着形エンドエフェクタ３の平面図および側断面
図、第８図および第９図は夫々吸着形エンドエフェクタ
２の平面図および側断面図、第10図（ａ）ないし（ｈ）
は上記マニピュレータの歩行動作を順に示した模式的説
明図である。 １……マニピュレータ、２……吸着形エンドエフェクタ ３……ホルダ付吸着形エンドエフェクタ ４……ハンド、５……ホルダ ６……マニピュレータアーム 7,7a,7b,7c……アームモジュール 9,9a,9b……アダプタ、10……床 28……指、I,IV,VI……ロール関節 II,III,V……ピッチ関節。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遠隔操作により駆動可能な複数のピッチ関
   節および複数のロール関節を有するマニピュレータアー
   ムと、遠隔操作により床または壁に吸着可能な機構を有
   し上記マニピュレータアームの両端に遠隔操作により夫
   々着脱可能な二つの吸着形エンドエフェクタと、上記マ
   ニピュレータアームの一端に遠隔操作により着脱可能な
   ハンドとからなり、上記二つの吸着形エンドエフェクタ
   の一つには上記ハンドを取り出し可能に携帯するための
   ホルダが取り付けられていることを特徴とする歩行形マ
   ニピュレータ。