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明細書 :自重補償用ワイヤを有する多関節マニピュレータ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 再公表特許(A1)
発行日 平成31年1月17日(2019.1.17)
発明の名称または考案の名称 自重補償用ワイヤを有する多関節マニピュレータ
国際特許分類 B25J  19/00        (2006.01)
B25J  17/00        (2006.01)
FI B25J 19/00 D
B25J 17/00 G
国際予備審査の請求 未請求
全頁数 21
出願番号 特願2018-505360 (P2018-505360)
国際出願番号 PCT/JP2017/005506
国際公開番号 WO2017/159188
国際出願日 平成29年2月15日(2017.2.15)
国際公開日 平成29年9月21日(2017.9.21)
優先権出願番号 2016049165
優先日 平成28年3月14日(2016.3.14)
優先権主張国 日本国(JP)
指定国 AP(BW , GH , GM , KE , LR , LS , MW , MZ , NA , RW , SD , SL , ST , SZ , TZ , UG , ZM , ZW) , EA(AM , AZ , BY , KG , KZ , RU , TJ , TM) , EP(AL , AT , BE , BG , CH , CY , CZ , DE , DK , EE , ES , FI , FR , GB , GR , HR , HU , IE , IS , IT , LT , LU , LV , MC , MK , MT , NL , NO , PL , PT , RO , RS , SE , SI , SK , SM , TR) , OA(BF , BJ , CF , CG , CI , CM , GA , GN , GQ , GW , KM , ML , MR , NE , SN , TD , TG) , AE , AG , AL , AM , AO , AT , AU , AZ , BA , BB , BG , BH , BN , BR , BW , BY , BZ , CA , CH , CL , CN , CO , CR , CU , CZ , DE , DJ , DK , DM , DO , DZ , EC , EE , EG , ES , FI , GB , GD , GE , GH , GM , GT , HN , HR , HU , ID , IL , IN , IR , IS , JP , KE , KG , KH , KN , KP , KR , KW , KZ , LA , LC , LK , LR , LS , LU , LY , MA , MD , ME , MG , MK , MN , MW , MX , MY , MZ , NA , NG , NI , NO , NZ , OM , PA , PE , PG , PH , PL , PT , QA , RO , RS , RU , RW , SA , SC , SD , SE , SG , SK , SL , SM , ST , SV , SY , TH , TJ , TM , TN , TR , TT , TZ
発明者または考案者 【氏名】遠藤 玄
【氏名】堀米 篤史
出願人 【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
個別代理人の代理人 【識別番号】100100011、【弁理士】、【氏名又は名称】五十嵐 省三
審査請求 未請求
テーマコード 3C707
Fターム 3C707BS10
3C707CY21
3C707HS14
3C707HS27
3C707HT04
要約 多関節マニピュレータは、基台と、n(≧2)個のピッチ軸関節と、ピッチ軸関節によってシリアルに連結され、基台に結合された複数のリンクと、基台から第i番目(i=1、2、…、n)のピッチ軸関節に軸着された(n-i+1)個のプーリと、n個のワイヤであって、第i番目のワイヤは第1番目のピッチ軸関節から第i番目のピッチ軸関節に軸着されたプーリに少なくとも1回転して巻き架されたものと、各ワイヤの両端に接続され、基台内に設けられ、各ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと、各ピッチ軸関節に軸着された複数のピッチ軸自重補償用プーリと、各ピッチ軸自重補償用プーリに少なくとも1回転して巻き架けられ、基台内に導かれた自重補償用ワイヤと、自重補償用ワイヤに接続され、基台内に設けられ、自重補償用ワイヤの張力を調整するための自重補償用ロッド付アクチュエータとを具備するものである。
特許請求の範囲 【請求項1】
基台と、
n(≧2)個のピッチ軸関節と、
前記ピッチ軸関節によってシリアルに連結され、前記基台に結合された複数のリンクと、
前記基台から第i番目(i=1、2、…、n)のピッチ軸関節に軸着された(n-i+1)個のプーリと、
n個のワイヤであって、第i番目のワイヤは前記第1番目のピッチ軸関節から第i番目のピッチ軸関節に軸着されたプーリに少なくとも1回転して巻き架されたものと、
前記各ワイヤの両端に接続され、前記基台内に設けられ、前記各ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと、
前記各関節に軸着された複数のピッチ軸自重補償用プーリと、
前記各ピッチ軸自重補償用プーリに少なくとも1回転して巻き架けられ、前記基台内に導かれた自重補償用ワイヤと、
前記自重補償用ワイヤに接続され、前記基台内に設けられ、前記自重補償用ワイヤの張力を調整するための自重補償用ロッド付アクチュエータと
を具備する多関節マニピュレータ。
【請求項2】
前記自重補償用ロッド付アクチュエータは前記自重補償用ワイヤの張力をロッドの曲げモーメントで調整する請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項3】
前記自重補償用ワイヤは自重補償用ロッド付アクチュエータのロッド近傍で2分岐され、該2分岐された部分を前記ロッドに対して平行にし、前記ロッドの曲げモーメントを相殺するようにした請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項4】
前記自重補償用ワイヤは自重補償用ロッド付アクチュエータのロッド前方で前記ロッドに対して平行にした請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項5】
さらに、
エアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサと前記自重補償用ロッド付アクチュエータとの間に設けられ、前記エアコンプレッサから前記自重補償用ロッド付アクチュエータへの供給空気圧力を調整するための電空レギュレータと
を具備する請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項6】
前記ピッチ軸関節は前記基台からの距離に応じて小さくなる請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項7】
さらに、
対象物に合わせて前記各ピッチ軸関節の姿勢角を決定し、前記姿勢角の基で前記多関節マニピュレータの先端荷重及び前記各ピッチ軸関節の自重を支えるために前記各ピッチ軸関節で生成すべきピッチ軸関節トルクを演算し、前記各ピッチ軸関節トルクに対応する前記各アクチュエータで生成する前記各ワイヤの張力の最大値が最も小さくなるように前記各ワイヤの張力及び前記自重補償用ワイヤの張力を演算し、前記各関節トルクに対する前記ワイヤの各張力を生成すべく前記各アクチュエータを駆動しかつ前記自重補償用ワイヤの張力を生成すべく前記自重補償用ロッド付アクチュエータを駆動するための制御ユニットを具備する請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項8】
さらに、
前記n個のピッチ軸関節の隣接する2つのピッチ軸関節の間にリンクを介して設けられた少なくとも1つの第1のヨー軸関節と、
前記n個のピッチ軸関節の最先端側のピッチ軸関節の外側にリンクを介して設けられた第2のヨー軸関節と、
前記第1のヨー軸関節に摺動自在に設けられた1対の第1のヨー軸自重補償用プーリと、
前記第2のヨー軸関節に摺動自在に設けられた第2のヨー軸自重補償用プーリと、
を具備し、
前記各ピッチ軸自重補償用プーリは1対のピッチ軸自重補償用プーリを具備し、
前記自重補償用ワイヤは第1、第2の系統に分岐され、前記第1の系統は前記1対のピッチ軸自重補償用プーリの一方に少なくとも1回転して巻き架けられかつ前記1対のヨー軸自重補償用プーリの一方に架けられ、前記第2の系統は前記1対のピッチ軸自重補償用プーリの他方に少なくとも1回転して巻き架けられかつ前記1対のヨー軸自重補償用プーリの他方に架けられ、前記第1、第2の系統は前記第2のヨー軸自重補償用プーリに架けられて結合した請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項9】
前記自重補償用ワイヤの分岐された前記第1、第2の系統は前記自重補償用ロッド付アクチュエータのロッド近傍にて平行にされ、前記ロッドの曲げモーメントを相殺するようにした請求項8に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項10】
前記自重補償用ワイヤの分岐された前記第1、第2の系統は前記自重補償用ロッド付アクチュエータのロッド前方にて平行にされた請求項8に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項11】
前記ピッチ軸関節及び前記ヨー軸関節は前記基台からの距離に応じて小さくなる請求項8に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項12】
基台と、
n(≧2)個のピッチ軸関節と、
前記n個のピッチ軸関節の間に設けられた少なくとも1つの第1のヨー軸関節と、
前記n個のピッチ軸関節の最先端側のピッチ軸関節の外側に設けられた第2のヨー軸関節と、
前記ピッチ軸関節及び前記第1、第2のヨー軸関節によってシリアルに連結され、前記基台に結合された複数のリンクと、
前記基台から第i番目(i=1、2、…、n)のピッチ軸関節に軸着された(n-i+1)個のプーリと、
n個のワイヤであって、第i番目のワイヤは前記第1番目のピッチ軸関節から第i番目のピッチ軸関節に軸着されたプーリに少なくとも1回転して巻き架されたものと、
前記各ワイヤの両端に接続され、前記基台内に設けられ、前記各ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと、
前記各ピッチ軸関節に摺動自在に軸着された1対のピッチ軸自重補償用プーリと、
前記第1のヨー軸関節に摺動自在に軸着された1対の第1のヨー軸自重補償用プーリと、
前記第2のヨー軸関節に摺動自在に軸着された第2のヨー軸自重補償用プーリと、
前記各1対のピッチ軸自重補償用プーリの一方に少なくとも1回転して巻き架けられかつ前記1対の第2のヨー軸自重補償用プーリの一方に架けられ、前記第2のヨー軸自重補償用プーリに架けられ、前記各1対のピッチ軸自重補償用プーリの他方に少なくとも1回転して巻き架けられかつ前記1対の第2のヨー軸自重補償用プーリに架けられ、前記基台内に2本に分岐して導かれた自重補償用ワイヤと、
前記自重補償用ワイヤに接続され、前記基台内に設けられ、前記自重補償用ワイヤの張力を調整するための自重補償用ロッド付アクチュエータと
を具備する多関節マニピュレータ。
【請求項13】
前記自重補償用ワイヤの分岐された2本は前記自重補償用ロッド付アクチュエータのロッド近傍で平行にされ、前記ロッドの曲げモーメントを相殺するようにした請求項12に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項14】
前記自重補償用ワイヤの分岐された2本は前記自重補償用ロッド付アクチュエータのロッド前方で平行にされた請求項12に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項15】
前記ピッチ軸関節及び前記第1、第2のヨー軸関節は前記基台からの距離に応じて小さくなる請求項12に記載の多関節マニピュレータ。
【請求項16】
さらに、
対象物に合わせて前記各ピッチ軸関節の姿勢角を決定し、前記姿勢角の基で前記多関節マニピュレータの先端荷重及び前記各ピッチ軸関節の自重を支えるために前記各ピッチ軸関節で生成すべきピッチ軸関節トルクを演算し、前記各ピッチ軸関節トルクに対応する前記各アクチュエータで生成する前記各ワイヤの張力の最大値が最も小さくなるように前記各ワイヤの張力及び前記自重補償用ワイヤの張力を演算し、前記各関節トルクに対する前記ワイヤの各張力を生成すべく前記各アクチュエータを駆動しかつ前記自重補償用ワイヤの張力を生成すべく前記自重補償用ロッド付アクチュエータを駆動するための制御ユニットを具備する請求項12に記載の多関節マニピュレータ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は手先出力が大きく細長いアームの超長尺超多自由度の多関節マニピュレータに関する。
【背景技術】
【0002】
過酷事故後の原子力発電所において溶融した核燃料取り出すための遠隔操作用マニピュレータとして、超長尺超多自由度の多関節マニピュレータが必要である。
【0003】
図9は第1の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である(参照:非特許文献1のFig.1(c))。図9の多関節マニピュレータは垂直(ピッチ軸)型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図9においては、多数のリンク101-1、101-2、…(4つのみ図示)は水平方向のピッチ軸関節102-1、102-2、…によってシリアルに連結されて基台103に結合されている。各ピッチ軸関節102-1、102-2、…にはプーリ104-1、104-2、…が固定的に軸着されている。各リンク101-1、101-2、…はプーリ104-1、104-2、…に巻き架けたワイヤ105-1、105-2、…を基台103内に設けられたアクチュエータ(モータ)(図示せず)を駆動することによって駆動される。この場合、各ピッチ軸関節102-1、102-2、…における関節トルクτ、τ、…はワイヤ105-1、105-2、…の張力とプーリ104-1、104-2、…の半径との積に比例する。
【0004】
図10は第2の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である(参照:非特許文献1のFig.3)。図10の多関節マニピュレータは、垂直(ピッチ軸)型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図10においては、多数のリンク201-1、201-2、…(3つのみ図示)は水平方向の各ピッチ軸関節202-1、202-2、…によってシリアルに連結されて基台203に固定リンク201-0を介して結合されている。ピッチ軸関節202-1にはプーリ204(1、1)、204(1、2)、204(1、3)が軸着され、ピッチ軸関節202-2にはプーリ204(2、2)、204(2、3)が軸着され、ピッチ軸関節202-3にはプーリ204(3、3)が軸着されている。この場合、プーリ204(1、1)、204(2、2)、204(3、3)はピッチ軸関節202-1、202-2、202-3に固定的に軸着され、プーリ204(1、2)、204(1、3)、204(2、3)はピッチ軸関節202-1、202-2に摺動自在に軸着されている。ワイヤ205-1-1、205-1-2はプーリ204(1、1)に互い逆向きに1回転巻き架され、ワイヤ205-2-1、205-2-2はプーリ204(1、2)、204(2、2)に互い逆向きに1回転巻き架され、ワイヤ205-3-1、205-3-2はプーリ204(1、3)、204(2、3)、204(3、3)に互い逆向きに1回転巻き架されている。また、多数のリンク201-1、201-2、…の重量の増加を抑制するために、ワイヤ205-1-1、205-1-2;205-2-1、205-2-2;…を介して各リンク201-1、201-2、…を駆動するためのアクチュエータ(モータ)206-1-1、206-1-2;206-2-1、206-2-2;…はマニピュレータの基台203内に設けている。これにより、関節機構を簡略化できる。
【0005】
図10において、たとえば、アクチュエータ206-3-1をワイヤ205-3-1を巻き取るように、かつアクチュエータ206-3-2をワイヤ205-3-2を弛ませるように駆動させると、リンク201-1、201-2、201-3は同時に上昇する。また、さらにアクチュエータ206-2-2及び206-1-2をワイヤ205-2-2及び205-1-2を巻き取るように、かつアクチュエータ206-1-1及び206-2
-1をワイヤ205-1-1及び205-2-1を弛ませるように駆動させると、リンク201-1のみが上昇する。
【0006】
図11は第3の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である(参照:特許文献1)。図11の多関節マニピュレータは、垂直(ピッチ軸)かつ水平(ヨー軸)型であって、2節目を重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図11においては、複数の4節平行リンク構造L1、L2、…(2つのみ図示)がシリアルに連結されて基台300に結合されている。各4節平行リンク構造L1、L2、…は、フレーム301、302、及びフレーム301、302間に設けられた平行な主リンク303及び副リンク304によって構成され、垂直方向のピッチ軸回りのα回転するようにする。さらに、基台300側の4節平行リンク構造L1のフレーム302と隣接する4節平行リンク構造L2のフレーム301とを垂直連結し、ヨー軸回りのθ回転するようにする。これらピッチ軸回り及びヨー軸回りの各アクチュエータ(モータ)は関節つまりフレーム301、302内に設けられる。さらに、図11においては、多数の4節平行リンク構造L1、L2、…の自重を補償するために、各フレーム301、302に自重補償用二重プーリ305、306を摺動自在に設け、自重補償用ワイヤ307-1、307-2、…を自重補償用二重プーリ306(305)の小径プーリから自重補償用二重プーリ305(306)の大径プーリに巻き架け、最後に自重補償用二重プーリ305の小径プーリをカウンタウェイト308で引張ることにより自重トルクを相殺している。
【0007】
図11においては、平行リンク構造L1、L2、…を採用しているので、モーメントが変化しても主リンク303、副リンク304の圧縮力として構造的に支えるので、先端のみの力が関節トルクとして作用し、結果的に、次の平行リンク機構の姿勢に依存せず、一定のトルクで自重補償が可能である。
【0008】
図12は第4の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である(参照:非特許文献2)。図12の多関節マニピュレータは、垂直(ピッチ軸)型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。図12においては、多数のリンク401-1、401-2、…(3つのみ図示)は水平方向のピッチ軸関節402-1、402-2、…によってシリアルに連結されて基台403に固定リンク401-0を介して結合されている。各ピッチ軸関節402-1、402-2、…にはプーリ(図示せず)が固定的に軸着されている。各リンク401-1、401-2、…はこれらプーリに巻き架けたワイヤ(図示せず)をピッチ軸関節402-1、402-2、…内に設けられたアクチュエータ(モータ)(図示せず)によって駆動される。この場合、各ピッチ軸関節402-1、402-2、…における関節トルクτ、τ、…は上述の各ワイヤの張力とプーリ半径との積に比例する。さらに、図12においては、多数のリンク401-1、401-2、…の自重を補償するために、各ピッチ軸関節402-1、402-2、…に自重補償用プーリ404-1、404-2、…を摺動自在に軸着し、1本の自重補償用ワイヤ405を先端のリンクたとえば401-3に固定し各自重補償用プーリ404-1、404-2、…に1回転して巻き架け、その自重補償用ワイヤ405の端部405aをカウンタウェイト406で引っ張ることにより自重トルクを相殺している。
【先行技術文献】
【0009】

【非特許文献1】広瀬茂男、馬 書根:ワイヤ干渉駆動型多関節マニピュレータの開発、計測自動制御学会論文集、26-11、1291/1298(1990)
【非特許文献2】石井智之、葉石敦生、広瀬茂男:ワイヤと二重プーリによる自重補償機構の説明とFloat Arm Vの性能評価、日本ロボット学会創立20周年記念学術講演会、2002
【0010】

【特許文献1】特開2003-89090号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
図9の第1の従来の多関節マニピュレータにおいては、ピッチ軸関節102-iの関節トルクτは、
τ=(n+1-i)MgL+(1/2)(n+1-i)mgL (1)
但し、nは関節数
Mはアーム先端質量
mはリンクの質量
Lはリンク長
gは重力加速度
で表せる。ここで、(1)式右辺の第1項はアーム先端荷重Mgを支持するトルクであり、基台103側になると関節数nに比例し、また、(1)式右辺の第2項はアームの自重を支持するトルクであり、基台103側になると関節数nの2乗に比例する。この結果、各関節トルクτを支えるのに要するワイヤ張力は、図13の(A)に示すごとく、関節番号iが小さい程つまり基台103側程大きくなり、従って、基台103内のアクチュエータ(モータ)が強力かつ高価となり、また、リンクの自重の補償できず、長尺化が困難であるという課題もある。尚、図13の(A)においては、リンク101-1、101-2、…の全長(アーム長)及び全重は15m及び96kgとし、ピッチ軸関節102-1、102-2、…の数nは12とする。
【0012】
また、図10の第2の従来の多関節マニピュレータにおいては、ピッチ軸関節202-iの関節トルクτは、
τ=MgL+(n+1/2-i)mgL (2)
で表せる。ここで、(2)式右辺の第1項はアーム先端荷重Mgを支持するトルクであり、関節番号iが小さくなってもつまり基台203側になっても一定であり、また、(1)式右辺の第2項はアームの自重を支持するトルクであり、トルクの干渉のために関節番号iが小さい程つまり基台203側になると関節数nに比例する。この結果、各関節トルクτを支えるのに要するワイヤ張力は、図13の(B)に示すごとく、基台203側も小さくなり、基台203側のアクチュエータ(モータ)206-1-1、206-1-2;206-2-1、206-2-2;…も強力でないので製造コストを低下させることができる。尚、図13の(B)においても、全長(アーム長)及び全重は15m及び96kgとし、関節数nは12とする。しかしながら、アクチュエータ(モータ)206-1-1、206-1-2;206-2-1、206-2-2;…は依然として強力かつ高価であり、また、リンク自身の自重を補償できず、従って、長尺化が困難であるという課題もある。
【0013】
さらに、図11、図12の第3、第4の従来の多関節マニピュレータにおいては、第1の従来の多関節マニピュレータと同様に、アクチュエータ(モータ)はフレーム301、302、又は各ピッチ軸関節402-1、402-2、…内に設けられるので、関節機構が複雑となるという課題がある。また、平行リンク構造L1、L2、…又はリンク401-1、401-2、…の自重がカウンタウェイト308又は406によって補償されているので、図13の(C)に示すごとく、ワイヤ張力は小さくなるが、アクチュエータ(モータ)は依然として強力かつ高価であり、長尺化が困難であるという課題もある。尚、図13の(C)においても、全長(アーム長)及び全重は15m及び96kgとし、関節数nは12とする。しかも、カウンタウェイト308又は406が重くなり過ぎ、この結果、多関節マニピュレータを軽量化できないという課題もある。たとえば、平行リンク構造L1、L2、…又はリンク401-1、401-2、…の全長(アーム長)及び全重を1
5m及び96kgとすれば、カウンタウェイト308又は406の重量は約5600kgにもなる。また、図11、図12に示すごとく、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢の場合には、自重補償トルクは最大となるが、垂直に伸展した姿勢の場合には、自重補償トルクはゼロである。しかし、このような自重補償トルクの変化には対応できないという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上述の課題を解決するために、本発明に係る多関節マニピュレータは、基台と、n(≧2)個のピッチ軸関節と、ピッチ軸関節によってシリアルに連結され、基台に結合された複数のリンクと、基台から第i番目(i=1、2、…、n)のピッチ軸関節に軸着された(n-i+1)個のプーリと、n個のワイヤであって、第i番目のワイヤは第1番目のピッチ軸関節から第i番目のピッチ軸関節に軸着されたプーリに少なくとも1回転して巻き架されたものと、各ワイヤの両端に接続され、基台内に設けられ、各ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと、各ピッチ軸関節に軸着された複数のピッチ軸自重補償用プーリと、各ピッチ軸自重補償用プーリに少なくとも1回転して巻き架けられ、基台内に導かれた自重補償用ワイヤと、自重補償用ワイヤに接続され、基台内に設けられ、自重補償用ワイヤの張力を調整するための自重補償用ロッド付アクチュエータとを具備するものである。
【0015】
また、本発明に係る多関節マニピュレータは、基台と、n(≧2)個のピッチ軸関節と、n個のピッチ軸関節の間に設けられた少なくとも1つの第1のヨー軸関節と、n個のピッチ軸関節の最先端側のピッチ軸関節の外側に設けられた第2のヨー軸関節と、ピッチ軸関節及び第1、第2のヨー軸関節によってシリアルに連結され、基台に結合された複数のリンクと、基台から第i番目(i=1、2、…、n)のピッチ軸関節に軸着された(n-i+1)個のプーリと、n個のワイヤであって、第i番目のワイヤは第1番目のピッチ軸関節から第i番目のピッチ軸関節に軸着されたプーリに少なくとも1回転して巻き架されたものと、各ワイヤの両端に接続され、基台内に設けられ、各ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと、各ピッチ軸関節に摺動自在に軸着された1対のピッチ軸自重補償用プーリと、第1のヨー軸関節に摺動自在に軸着された1対の第1のヨー軸自重補償用プーリと、第2のヨー軸関節に摺動自在に軸着された第2のヨー軸自重補償用プーリと、各1対のピッチ軸自重補償用プーリの一方に少なくとも1回転して巻き架けられかつ1対の第2のヨー軸自重補償用プーリの一方に架けられ、第2のヨー軸自重補償用プーリに架けられ、各1対のピッチ軸自重補償用プーリの他方に少なくとも1回転して巻き架けられかつ1対の第2のヨー軸自重補償用プーリに架けられ、基台内に2本に分岐して導かれた自重補償用ワイヤと、自重補償用ワイヤに接続され、基台内に設けられ、自重補償用ワイヤの張力を調整するための自重補償用ロッド付アクチュエータとを具備するものである。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、各関節トルクが小さくなるので、関節トルクを支えるのに要するワイヤ張力を小さくでき、この結果、長尺化できると共に、基台内のアクチュエータは強力でなくなるので製造コストを低下できる。
【0017】
また、自重補償用ロッド付アクチュエータによって自重補償トルクの変化に対応できると共に、自重補償用ロッド付アクチュエータは軽量なので、多関節マニピュレータを軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明に係る多関節マニピュレータの第1の実施例を示し、(A)は上面図、(B)は正面図である。
【図2A】図1の空圧アクチュエータの第1の変更例を示し、(1)は上面図、(2)は正面図である。
【図2B】図1の空圧アクチュエータの第2の変更例を示し、(1)は上面図、(2)は正面図である。
【図3】図1の空圧アクチュエータの前段に存在するエアコンプレッサ及び電空レギュレータを示す図である。
【図4】図1のワイヤ張力を示すグラフである。
【図5】図1の制御ユニットの動作を示すフローチャートである。
【図6】図5のフローチャートを補足説明する図である。
【図7】本発明に係る多関節マニピュレータの第2の実施例を示し、(A)は上面図、(B)は正面図である。
【図8】本発明に係る多関節マニピュレータが適用された原子炉システムを示す図である。
【図9】第1の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である。
【図10】第2の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である。
【図11】第3の従来の多関節マニピュレータを示す斜視図である。
【図12】第4の従来の多関節マニピュレータを示す正面図である。
【図13】図9、図10、図11、図12のワイヤ張力を示すグラフである。

【実施例】
【0019】
図1は本発明に係る多関節マニピュレータの第1の実施例を示し、(A)は上面図、(B)は正面図である。尚、図1の多関節マニピュレータは垂直(ピッチ軸)型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。
【0020】
図1において、n個のリンク1-1、1-2、…、1-nは水平方向のピッチ軸関節2-1、2-2、…、2-nによってシリアルに連結され、基台3に結合される。
【0021】
ピッチ軸関節2-1には、n個のプーリ4(1、1)、4(1、2)、…、4(1、n)が軸着され、ピッチ軸関節2-2には、(n-1)個のプーリ4(2、2)、4(2、3)、…、4(2、n)が軸着されている。以下同様であり、最後のピッチ軸関節2-nには、1個のプーリ4(n、n)が軸着されている。この場合、プーリ4(1、1)、4(2、2)、…、4(n、n)は各ピッチ軸関節2-1、2-2、…、2-nに固定的に軸着され、他方、プーリ4(1、2)、…、4(1、n);4(2、3)、4(2、4)、…、4(2、n);…;4(n-1、n)は各ピッチ軸関節2-1、2-2、…、2-(n-1)に摺動自在に軸着されている。
【0022】
ワイヤ5-1はプーリ4(1、1)に1回転して巻き架けられて基台3内に導かれ、ワイヤ5-1の両端は基台3内のアクチュエータ(モータ)6-1-1、6-1-2に接続されている。ワイヤ5-2はプーリ4(1、2)、4(2、2)に1回転して巻き架けられて基台3内に導かれ、ワイヤ5-2の両端は基台3内のアクチュエータ(モータ)6-2-1、6-2-2に接続されている。以下同様であり、最後のワイヤ5-nはプーリ4(1、n)、4(2、n)、…、4(n、n)に1回転して巻き架けられて基台3内に導かれ、ワイヤ5-nの両端は基台3内のアクチュエータ(モータ)6-n-1、6-n-2に接続されている。
【0023】
また、各ピッチ軸関節2-1、2-2、…、2-nには、自重補償用プーリ7-1、7-2、…、7-nが摺動自在に軸着されている。自重補償用ワイヤ8は各自重補償用プーリ7-1、7-2、…、7-nに1回転して巻き架けられ、基台3内の空圧シリンダ及びピストンよりなる片ロッドシリンダ型の空圧アクチュエータ9のピストンに結合したロッド9aにプーリ9bを介して固定されている。この場合、自重補償用ワイヤ8はワイヤ5
-1、5-2、…、5-nより太くし、従って、自重補償用ワイヤ8の最大張力を大きくしてある。
【0024】
制御ユニット10はアクチュエータ6-1-1、6-1-2;6-2-1、6-2-2;…;6-n-1、6-n-2及び空圧アクチュエータ9を制御するものであり、たとえばマイクロコンピュータによって構成される。
【0025】
プーリ9bが空圧アクチュエータ9のロッド9a上に位置しているので、自重補償用ワイヤ8の張力によって矢印に示すロッド9aの曲げモーメントが発生する。尚、図2Aに示すように、自重補償用ワイヤ8を空圧アクチュエータ9のロッド9a上で2つの分岐部8-1、8-2に分岐し、ロッド9a近傍の両側のプーリ9b-1、9b-2を介して折返してロッド9aの先端に固定することもできる。この場合、自重補償用ワイヤ8の張力はその分岐部8-1、8-2においてロッド9aに対して平行となり、ロッド9aの曲げモーメントは相殺されて発生しない。また、図2Bに示すように、自重補償用ワイヤ8を空圧アクチュエータ9のロッド9a上で2つの分岐部8-1、8-2に分岐し、ロッド9aの前方に位置するプーリ9b-1、9b-2を介して折返さずにロッド9aの先端に固定することもできる。この場合も、自重補償用ワイヤ8の張力はその分岐部8-1、8-2においてロッド9aに対して平行となり、しかも、ロッド9aの曲げモーメントが発生しない分、空圧アクチュエータ9のシリンダの摺動抵抗の増大はなく、ロッド9aには純粋な引張力のみが印加されるので、自重補償用ワイヤ8の制御特性を改善できる。但し、図2Bの場合、自重補償用ワイヤ8を分岐する必要性はない。いずれの場合も、空圧アクチュエータ9の空圧を調整することにより自重補償用ワイヤ8の張力を制御できる。
【0026】
また、図3に示すごとく、実際には、空圧アクチュエータ9の前段にたとえばエアコンプレッサ9c及び電空レギュレータ9dが設けられている。電空レギュレータ9dは制御ユニット10からの入力信号に応じてエアコンプレッサ9cから空圧アクチュエータ9への供給空気圧力を高精度に調整するものである。従って、制御ユニット10は電空レギュレータ9dを介して空圧アクチュエータ9を制御する。この場合、電空レギュレータ9dは圧力センサを内蔵している。尚、エアコンプレッサ9c及び電空レギュレータ9dは基台3の内部に設けることもできる。
【0027】
図4は図1のピッチ軸関節2-iにおける関節トルクτを支えるのに要するワイヤ5-1、5-2、…、5-nの張力を示すグラフである。尚、図4においても、アーム長は15m、関節数nは12である。図4に示すごとく、ワイヤ5-1、5-2、…、5-nの張力は、図13の(A)、(B)、(C)に示す第1、第2、第3、第4の従来の多関節マニピュレータのワイヤ張力に比較して小さくなる。従って、アクチュエータ(モータ)6-1-1、6-1-2;6-2-1、6-2-2;…;6-n-1、6-n-2は強力である必要がないので製造コストを低下させることができ、従って、長尺化が容易となる。また、図11、図12の約5600kgカウンタウェイト308、406と同等の力を出すためには、空圧アクチュエータ9の直径は、エアコンプレッサ9cの空圧0.8MPaとすれば、300mm程度必要であり、空圧アクチュエータ9の重量は212kg程度となる。従って、多関節マニピュレータを軽量化できる。
【0028】
図5は図1の制御ユニット10の動作を示すフローチャートである。
【0029】
始めに、ステップ501にて、図6の(A)に示すピッチ軸関節2-1、2-2、…の姿勢角θ、θ、…を対象物に合せて決定する。
【0030】
次に、ステップ502にて、ステップ501にて決定された姿勢角θ、θ、…の基で図6の(B)に示すアーム先端荷重Mg及び各ピッチ軸関節2-1、2-2、…の自重
g、mg、…を支えるために、各ピッチ軸関節2-1、2-2、…で生成すべき関節トルクτ、τ、…を演算する。このとき、動力学を考慮してもよい。
【0031】
次に、ステップ503にて、ステップ502にて演算された関節トルクτ、τ、…に対応するアクチュエータ(モータ)で生成するワイヤ5-1、5-2、…の張力の最大値が最も小さくなるように、ワイヤ5-1、5-2、…の張力及び自重補償用ワイヤ8の張力を演算する。
【0032】
最後に、ステップ504にて、ステップ502にて演算されたワイヤ張力を生成すべくアクチュエータ(モータ)6-1-1、6-1-2;6-2-1、6-2-2;…;6-n-1、6-n-2を駆動すると共に、ステップ503にて演算された自重補償用ワイヤ張力を生成すべく電空レギュレータ9dを駆動する。
【0033】
図7は本発明に係る多関節マニピュレータの第2の実施例を示し、(A)は上面図、(B)は正面図である。尚、図7の多関節マニピュレータは垂直(ピッチ軸)かつ水平(ヨー軸)型であって、最も重力の影響を受け易い水平に伸展した姿勢を示している。
【0034】
図7においては、ピッチ軸関節2-1、2-3、…、2-nは垂直方向のピッチ軸であり、他方、ヨー軸関節2’-2、2’-4、…、2’-(n+1)は水平方向のヨー軸である。この場合、ピッチ軸関節2-1、2-3、…、2-nとヨー軸関節2’-2、2’-4、…、2’-(n+1)とは交互に配置されている。但し、ピッチ軸関節2-1、2-3、…、2-n間には少なくとも1つのヨー軸関節を設ければよく、その組合せ方法は適宜変更できる。他方、最先端側のピッチ軸関節2-nの外側には1つのヨー軸関節2-(n+1)が設けられる。
【0035】
図7においては、ヨー軸関節2’-2、2’-4、…、2’-(n-1)には1対の自重補償用プーリ7’-2-1、7’-2-2;7’-4-1、7’-4-2;…;7’-(n-1)-1、7’-(n-1)-2が摺動自在に軸着されている。この場合、ヨー軸関節たとえば2’-2はリンク1-2に固定され、リンク1-1に対しては回転可能となっている。他方、先端のヨー軸関節2’-(n+1)には1つの自重補償用プーリ7’-(n+1)が摺動自在に軸着されている。自重補償用ワイヤ8’は2系統に分岐し、各対の自重補償用プーリ7-1-1、7-3-1、…、7-n-1;7-1-2、7-3-2、…、7-n-2に少なくとも1回転して巻き架けると共に、自重補償用プーリ7’-2-1、7’-2-2;7’-4-1、7’-4-2;…;7’-(n+1)にも架ける。また、空圧アクチュエータ9は図2A、図2Bに示すものを用いる。つまり、図2Aに示すごとく、2系統の自重補償用ワイヤ8’は空圧アクチュエータ9のロッド9aに対して平行とされ、折返すことによりロッド9aの曲げモーメントを相殺するようにする。又は、図2Bに示すごとく、2系統の自重補償用ワイヤ8’は空圧アクチュエータ9のロッド9aに対して折返さずに直接平行とされる。その他の構成要素は図1と同一である。
【0036】
図8は本発明に係る多関節マニピュレータが適用された原子炉システムを示す図である。
【0037】
図8においては、移動台車801に多関節マニピュレータ802を搭載し、過酷事故後の原子炉建屋811内の格納容器812の圧力容器813から溶融した燃料棒813aを取り出すための調査や実作業を想定する。この場合、格納容器812の圧力容器813下に直径約0.3mの穴812aを予め開口し、移動台車801を穴812aの近傍に固定する。次いで、多関節マニピュレータ802を穴812aを介して圧力容器813内へ伸展させて調査や実作業を行う。この場合、格納容器812の下部直径Dがたとえば18mであれば、多関節マニピュレータ802のアーム全長は14m程度とする。尚、814は
圧力抑制プールである。
【0038】
尚、上述の実施例においては、ピッチ軸関節2-1、2-2(2-2’)、…、2-n、2’-(n+1)は基台3からの距離に関係なく一定であるが、ピッチ軸関節2-1、2-2(2-2’)、…、2-n、2’-(n+1)は基台3からの距離に応じて小さくすることができる。これにより、ワイヤ5-1、5-2、…、5-nの張力をさらに小さくでき、従って、アクチュエータ6-1-1、6-1-2;6-2-1、6-2-2;…;6-n-1、6-n-2はさらに強力である必要性はなくなり製造コストをさらに低下させることができ、また、自重補償用ワイヤ8、8’の張力も小さくでき、従って、空圧アクチュエータ9も軽量化できる。
【0039】
また、上述の実施例における空圧アクチュエータは、他のアクチュエータたとえば油圧アクチュエータ、水圧アクチュエータ、ボールねじ、ウォームギア等の大きな減速比が得られるロッド付き減速機を取付けたモータに置換し得る。
【0040】
さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。
【符号の説明】
【0041】
1-1、1-2、…、1-n:リンク
2-1、2-2、…、2-n:ピッチ軸関節
2’-2、2’-4、…、2’-(n+1):ヨー軸関節
3:基台
4(1、1)、4(1、2)、…、4(1、n);4(2、2)、4(2、3)、…、4(2、n);…;4(n、n):プーリ
5-1、5-2、…、5-n:ワイヤ
6-1-1、6-1-2;6-2-1、6-2-2;…;6-n-1、6-n-2:アクチュエータ(モータ)
7-1、7-2、…、7-n;7-1-1、7-1-2、7-2-1、7-2-2、…、7-n-1、7-n-2;7’-2、7’-4、…、7’-(n+1):自重補償用プーリ
8、8’:自重補償用ワイヤ
9:空圧アクチュエータ
9a:ロッド
9b:プーリ
9c:エアコンプレッサ
9d:電空レギュレータ
10:制御ユニット
101-1、101-2、…:リンク
102-1、102-2、…:ピッチ軸関節
103:基台
104-1、104-2、…:プーリ
105-1、105-2、…:ワイヤ
201-0:固定リンク
201-1、201-2、…:リンク
202-1、202-2、…:ピッチ軸関節
203:基台
204(1、1)、204(1、2)、204(1、3);204(2、2)、204(2、3)、204(3、3):プーリ
205-1、205-2、205-3、…:ワイヤ
206-1-1、206-1-2;206-2-1、206-2-2;…:アクチュエー
タ(モータ)
L1、L2:4節平行リンク機構
300:基台
301、302:フレーム
303:主リンク
304:副リンク
305、306:自重補償用プーリ
307-1、307-2、…:自重補償用ワイヤ
308:カウンタウェイト
401-0:固定リンク
401-1、401-2、…:リンク
402-1、402-2、…:ピッチ軸関節
403:基台
404-1、404-2、…:自重補償用プーリ
405:自重補償用ワイヤ
405a:端部
406:カウンタウェイト
801:移動台車
802:多関節マニピュレータ
811:原子炉建屋
812:格納容器
812a:穴
813:圧力容器
813a:燃料棒
814:圧力抑制プール
図面
【図1】
0
【図2A】
1
【図2B】
2
【図3】
3
【図4】
4
【図5】
5
【図6】
6
【図7】
7
【図8】
8
【図9】
9
【図10】
10
【図11】
11
【図12】
12
【図13】
13