JP2535765B2 - マニピュレ―タ―の制御方法 - Google Patents
マニピュレ―タ―の制御方法Info
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- JP2535765B2 JP2535765B2 JP5343400A JP34340093A JP2535765B2 JP 2535765 B2 JP2535765 B2 JP 2535765B2 JP 5343400 A JP5343400 A JP 5343400A JP 34340093 A JP34340093 A JP 34340093A JP 2535765 B2 JP2535765 B2 JP 2535765B2
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- Japan
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- joint
- manipulator
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は作業上要求される自由度
を越える自由度が得られるような複数の関節を有するマ
ニピュレーターの制御方法に関する。
を越える自由度が得られるような複数の関節を有するマ
ニピュレーターの制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、マニピュレーターを設計する場
合、作業上要求される自由度を越える自由度を有する様
に設計すると、各関節角を求める方程式が不定になる、
所謂不良設定問題となるため、このような冗長なマニピ
ュレーターは用いられる事が少なかった。また用いられ
る場合には、適当な拘束条件を設定し、ラグランジェの
未定乗数法により各関節の関節角を算出する手法が用い
られてきた。
合、作業上要求される自由度を越える自由度を有する様
に設計すると、各関節角を求める方程式が不定になる、
所謂不良設定問題となるため、このような冗長なマニピ
ュレーターは用いられる事が少なかった。また用いられ
る場合には、適当な拘束条件を設定し、ラグランジェの
未定乗数法により各関節の関節角を算出する手法が用い
られてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来多く用いられてき
たように、作業上要求される自由度と等しい自由度を有
する様にマニピュレーターを設計すると、マニピュレー
ターを構成する関節が故障により動かなくなった場合、
その故障が修理されないかぎり作業の続行が不可能とな
る。宇宙空間等容易に修理ができない環境で使用される
マニピュレーターの場合、故障が発生した時点で作業全
体が続行不可能になり危険な状況を招きかねない。また
故障発生を極力抑えるために、部品については極めて高
い信頼度が要求される。
たように、作業上要求される自由度と等しい自由度を有
する様にマニピュレーターを設計すると、マニピュレー
ターを構成する関節が故障により動かなくなった場合、
その故障が修理されないかぎり作業の続行が不可能とな
る。宇宙空間等容易に修理ができない環境で使用される
マニピュレーターの場合、故障が発生した時点で作業全
体が続行不可能になり危険な状況を招きかねない。また
故障発生を極力抑えるために、部品については極めて高
い信頼度が要求される。
【0004】ラグランジュの未定乗数法を用いた場合に
も、マニピュレーターを構成する関節が故障により動か
なくなった場合、拘束条件の再評価、計算プログラムの
再設計が必要となり容易に作業を続行することは困難で
ある。
も、マニピュレーターを構成する関節が故障により動か
なくなった場合、拘束条件の再評価、計算プログラムの
再設計が必要となり容易に作業を続行することは困難で
ある。
【0005】本発明はマニピュレーターを構成する関節
が故障により動かなくなった場合にも、制御プログラム
を変更することなく作業を続行可能な制御方法を提案す
る。
が故障により動かなくなった場合にも、制御プログラム
を変更することなく作業を続行可能な制御方法を提案す
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、作業上要求される自由度を越える自由度
が得られるような複数の関節を有するマニピュレーター
に対し、マニピュレーターの基端部の関節の関節角を目
標点に向け、マニピュレーターの基端部と目標点とを通
る仮想平面上にマニピュレーターを位置させ、各関節の
関節角を調節することによりマニピュレーターの先端部
を目標点に到達させるマニピュレーターの制御方法にお
いて、任意の関節よりも先端側に位置する各関節の曲げ
角度を均等分配すると共に、該状態でのマニピュレータ
ーの先端部が目標点に到達し得るマニピュレーターの基
端部の関節の曲げ角度を算出する分配的計算方法、並び
に作業上要求される自由度が得られる任意の関節を選択
し、選択した関節のみを用いて関節の曲げ角度を算出す
る非冗長的計算方法を、マニピュレーターの各関節に適
用して複数の関節各候補を取得し、これらの関節角候補
群のうち現在のマニピュレーターの状態から尤も早く実
現できる関節角候補を選定関節角候補として選定し、こ
の選定関節角候補における各関節の関節角が得られるよ
うに、マニピュレーターの各関節の曲げ角度を調節する
マニピュレーター動作行程を行った後、マニピュレータ
ーの先端部が目標点に到達したか否かの到達判断行程を
行い、到達していないと判断した場台には、現在の選定
関節角候補の次選候補である選定関節角候補を選定関節
角候補とし、新たな選定関節角候補に基づくマニピュレ
ーター動作行程と到達判断行程とを繰返し行うことによ
り、マニピュレーターの先端部を目標点へ到達させるよ
うにした。
に、本発明は、作業上要求される自由度を越える自由度
が得られるような複数の関節を有するマニピュレーター
に対し、マニピュレーターの基端部の関節の関節角を目
標点に向け、マニピュレーターの基端部と目標点とを通
る仮想平面上にマニピュレーターを位置させ、各関節の
関節角を調節することによりマニピュレーターの先端部
を目標点に到達させるマニピュレーターの制御方法にお
いて、任意の関節よりも先端側に位置する各関節の曲げ
角度を均等分配すると共に、該状態でのマニピュレータ
ーの先端部が目標点に到達し得るマニピュレーターの基
端部の関節の曲げ角度を算出する分配的計算方法、並び
に作業上要求される自由度が得られる任意の関節を選択
し、選択した関節のみを用いて関節の曲げ角度を算出す
る非冗長的計算方法を、マニピュレーターの各関節に適
用して複数の関節各候補を取得し、これらの関節角候補
群のうち現在のマニピュレーターの状態から尤も早く実
現できる関節角候補を選定関節角候補として選定し、こ
の選定関節角候補における各関節の関節角が得られるよ
うに、マニピュレーターの各関節の曲げ角度を調節する
マニピュレーター動作行程を行った後、マニピュレータ
ーの先端部が目標点に到達したか否かの到達判断行程を
行い、到達していないと判断した場台には、現在の選定
関節角候補の次選候補である選定関節角候補を選定関節
角候補とし、新たな選定関節角候補に基づくマニピュレ
ーター動作行程と到達判断行程とを繰返し行うことによ
り、マニピュレーターの先端部を目標点へ到達させるよ
うにした。
【0007】
【実施例】次に、本発明に係わる作業上要求される自由
度を越える自由度が得られるような複数の関節を有する
マニピュレーターの制御方法の実施例を詳細に説明す
る。
度を越える自由度が得られるような複数の関節を有する
マニピュレーターの制御方法の実施例を詳細に説明す
る。
【0008】先ず、故障に対してロバストなマニピュレ
ーターの制御を実現するには、作業上要求される自由度
を越える自由度を有するマニピュレーターを用いる必要
がある。この場合、マニピュレーターの各関節角を決定
する問題が、不良設定問題となり適当な制約条件が必要
となる。すべての関節が必要となる関節角を均等分配す
る、もしくは必要となる自由度だけの個数の関節のみを
用い、見かけ上非冗長なマニピュレーターとして扱うと
いう制約条件を与えることでマニピュレーターの関節角
を算出することが出来る。
ーターの制御を実現するには、作業上要求される自由度
を越える自由度を有するマニピュレーターを用いる必要
がある。この場合、マニピュレーターの各関節角を決定
する問題が、不良設定問題となり適当な制約条件が必要
となる。すべての関節が必要となる関節角を均等分配す
る、もしくは必要となる自由度だけの個数の関節のみを
用い、見かけ上非冗長なマニピュレーターとして扱うと
いう制約条件を与えることでマニピュレーターの関節角
を算出することが出来る。
【0009】これらの算出方法はマニピュレーターを構
成する任意の関節を基準に適用することが出来るので、
全ての関節それぞれを基準に関節角候補を算出し、それ
らのうち実現可能で最も適切なものをリアルタイムに選
択するという制御方法をとるならば、関節のいくつかが
故障し動かなくなったとしても、それをバックアップす
る関節角候補が存在し、特に制御プログラムを変更する
ことなくマニピュレーターの制御を継続することが可能
となる。
成する任意の関節を基準に適用することが出来るので、
全ての関節それぞれを基準に関節角候補を算出し、それ
らのうち実現可能で最も適切なものをリアルタイムに選
択するという制御方法をとるならば、関節のいくつかが
故障し動かなくなったとしても、それをバックアップす
る関節角候補が存在し、特に制御プログラムを変更する
ことなくマニピュレーターの制御を継続することが可能
となる。
【0010】このような各関節を基準にして関節角候補
を算出し、それらのうち実現可能で最も適切なものをリ
アルタイムに選択するという制御方法を図1を用いて具
体的に説明すると以下のようになる。先ず図中1で表さ
れる操作者がマニピュレーターの先端部を到達させるべ
き目標点をマニピュレーターに対して呈示する。これが
図中2の過程である。この目標点の呈示にともない、各
関節を基準として関節角候補を算出し(図中4の過
程)、図中5で示すように算出結果を関節間情報交換機
構に対して呈示する。関節間情報交換機構では集めた関
節角候補を相互に比較し、現在のマニピュレーターの状
態から最も早く実現できる関節角候補を選定し(図中3
の過程)、各関節に対してフィードバックする。これが
図中6の過程である。この様な情報サイクルをリアルタ
イムに循環させることで、故障にロバストな制御が可能
となる。
を算出し、それらのうち実現可能で最も適切なものをリ
アルタイムに選択するという制御方法を図1を用いて具
体的に説明すると以下のようになる。先ず図中1で表さ
れる操作者がマニピュレーターの先端部を到達させるべ
き目標点をマニピュレーターに対して呈示する。これが
図中2の過程である。この目標点の呈示にともない、各
関節を基準として関節角候補を算出し(図中4の過
程)、図中5で示すように算出結果を関節間情報交換機
構に対して呈示する。関節間情報交換機構では集めた関
節角候補を相互に比較し、現在のマニピュレーターの状
態から最も早く実現できる関節角候補を選定し(図中3
の過程)、各関節に対してフィードバックする。これが
図中6の過程である。この様な情報サイクルをリアルタ
イムに循環させることで、故障にロバストな制御が可能
となる。
【0011】この制御方法を2次元5関節マニピュレー
ターの制御に適用した例を示す。
ターの制御に適用した例を示す。
【0012】基準となる関節から目標点までの距離をL
11、マニピュレーターの関節間の長さをL12、手先
側の均等分配された角度をTh11、関節数をNとする
とこれらの間には下記の式1のような関係が存在する。
11、マニピュレーターの関節間の長さをL12、手先
側の均等分配された角度をTh11、関節数をNとする
とこれらの間には下記の式1のような関係が存在する。
【0013】式1
【0014】式1を級数展開により4次の代数方程式に
近似すると下記の式2のようになる。
近似すると下記の式2のようになる。
【0015】式2
【0016】この代数方程式を解くことによりTh11
を求める。目標点への方位をTh13とすると、全ての
関節がTh11となったきの手先の方位との差Th12
は下記の式3のように与えられる。
を求める。目標点への方位をTh13とすると、全ての
関節がTh11となったきの手先の方位との差Th12
は下記の式3のように与えられる。
【0017】式3
【0018】以上のようにして基準となる関節より先端
側の関節角をTh11、基準となる関節の関節角をTh
11とTh12の和として求めることが出来る。この関
係を図2に図示する。この関節角の計算方法を分配的計
算方法と呼ぶ。このように算出した関節角候補群を「候
補群1」と呼ぶ。2次元N関節マニピュレーターの場
合、候補群1は最大N−2種類存在する。
側の関節角をTh11、基準となる関節の関節角をTh
11とTh12の和として求めることが出来る。この関
係を図2に図示する。この関節角の計算方法を分配的計
算方法と呼ぶ。このように算出した関節角候補群を「候
補群1」と呼ぶ。2次元N関節マニピュレーターの場
合、候補群1は最大N−2種類存在する。
【0019】ある関節を基準にして、自分と手先側のと
なりの関節の2つの関節を使って、見かけ上2関節マニ
ピュレーターとして目標点に到達する場合、手先側の関
節角Th21、基端部側の関節角Th22はそれぞれ、
手先側の関節から手先までの距離をL21、基端部側の
関節から手先側までの距離をL22、目標点の方向をT
h23とすると、下記の式4から式8までの一連の方程
式を解くことにより与えられる。
なりの関節の2つの関節を使って、見かけ上2関節マニ
ピュレーターとして目標点に到達する場合、手先側の関
節角Th21、基端部側の関節角Th22はそれぞれ、
手先側の関節から手先までの距離をL21、基端部側の
関節から手先側までの距離をL22、目標点の方向をT
h23とすると、下記の式4から式8までの一連の方程
式を解くことにより与えられる。
【0020】式4
【0021】
【数5】
【0022】
【数6】
【0023】
【数7】
【0024】
【数8】
【0025】この算出方法を図3に摸式的に示した。こ
の関節角の計算方法を非冗長的計算方法と呼ぶ。これを
「候補群2」と呼ぶ。候補群2は2次元N関節マニピュ
レーターの場合、最大N−1種類存在する。
の関節角の計算方法を非冗長的計算方法と呼ぶ。これを
「候補群2」と呼ぶ。候補群2は2次元N関節マニピュ
レーターの場合、最大N−1種類存在する。
【0026】ここでは更に自分と1つ間をおいて先端部
側の2つの関節を用いて、候補を算出し、これを「候補
群3」と呼ぶ。候補群3は2次元N関節マニピュレータ
ーの場合、最大N−2種類存在する。
側の2つの関節を用いて、候補を算出し、これを「候補
群3」と呼ぶ。候補群3は2次元N関節マニピュレータ
ーの場合、最大N−2種類存在する。
【0027】これら候補群1、2及び3の内、現在の各
関節角からの変動量が最も少ないもの、換言すれば、現
在の状態から最も早く実現できるもの物を選び、各関節
角を調節する。また故障時に、実現不可能な候補に留ま
り続けるのを避けるために、各関節角が候補の関節角を
実現しているにもかかわらず、目標点に到達していない
場合、現在採用している候補を目標点に到達するまで無
効にし、次に変動量が少ない候補を採用する。
関節角からの変動量が最も少ないもの、換言すれば、現
在の状態から最も早く実現できるもの物を選び、各関節
角を調節する。また故障時に、実現不可能な候補に留ま
り続けるのを避けるために、各関節角が候補の関節角を
実現しているにもかかわらず、目標点に到達していない
場合、現在採用している候補を目標点に到達するまで無
効にし、次に変動量が少ない候補を採用する。
【0028】この制御方法の効果を、計算機シミュレー
ションにより確認した。シミュレーション条件として
は、関節間距離20センチメートルの2次元5関節マニ
ピュレーターで、各関節は360度回転可能とした。
ションにより確認した。シミュレーション条件として
は、関節間距離20センチメートルの2次元5関節マニ
ピュレーターで、各関節は360度回転可能とした。
【0029】先ず最初にマニピュレーターの基端部を中
心とした半径1メートルの範囲にランダムに目標点を発
生させ、上記制御方法に従って関節角を計算し、目標点
達成の可否を調べることで、通常状態での本制御方法の
有効性を調べた。下記の表1に到達可能であった目標点
個数の発生した全目標点個数に対する割合を示した。
心とした半径1メートルの範囲にランダムに目標点を発
生させ、上記制御方法に従って関節角を計算し、目標点
達成の可否を調べることで、通常状態での本制御方法の
有効性を調べた。下記の表1に到達可能であった目標点
個数の発生した全目標点個数に対する割合を示した。
【0030】
【表1】
【0031】結果より、本制御方法により物理的に到達
可能な全ての目標点へ到達することが可能である事が確
認された。
可能な全ての目標点へ到達することが可能である事が確
認された。
【0032】次にマニピュレーターを構成する5関節の
内の1つを動かない様に固定した場合に、同様の目標点
達成の可否を調べ、結果を下記の表2にまとめた。
内の1つを動かない様に固定した場合に、同様の目標点
達成の可否を調べ、結果を下記の表2にまとめた。
【0033】
【表2】
【0034】この結果から、最も基端部側の関節が故障
した場合以外は、100パーセント到達可能であり故障
がマニピュレーターの制御に全く支障を与えない事が確
認できる。最も基端部側が故障した場合に到達不可能で
あった点の集合を図4に示す。図の原点がマニピュレー
ターの基端部である。ここでの到達不可能な点は、基端
部の関節が故障したことにより、見かけ上マニピュレー
ターの長さ短くなったことが原因となって発生している
ことが見て取れる。以上の結果より、この制御方法を用
いるならば、5関節の内の1つを動かない様に固定した
後も、物理的に到達可能な全ての目標点へ到達すること
が可能である事が確認された。
した場合以外は、100パーセント到達可能であり故障
がマニピュレーターの制御に全く支障を与えない事が確
認できる。最も基端部側が故障した場合に到達不可能で
あった点の集合を図4に示す。図の原点がマニピュレー
ターの基端部である。ここでの到達不可能な点は、基端
部の関節が故障したことにより、見かけ上マニピュレー
ターの長さ短くなったことが原因となって発生している
ことが見て取れる。以上の結果より、この制御方法を用
いるならば、5関節の内の1つを動かない様に固定した
後も、物理的に到達可能な全ての目標点へ到達すること
が可能である事が確認された。
【0035】さらに5関節の内、間に1関節をはさむ隣
同士の2つの関節を動かない様に固定した場合の、目標
点達成の可否を下記の表3にまとめた。
同士の2つの関節を動かない様に固定した場合の、目標
点達成の可否を下記の表3にまとめた。
【0036】
【表3】
【0037】この結果から、故障に最も基端部側の関節
が含まれる時以外は、ほぼ100パーセント到達可能で
あり故障がマニピュレーターの制御に全く支障を与えな
い事が確認できる。最も基端部を含んで故障した場合に
到達不可能であった点の集合を図5に示す。図の原点が
マニピュレーターの基端部である。以上の結果から、同
様の考察により、本制御方法によれば、5関節の内の間
に1関節をはさむ隣同士の2つを動かない様に固定した
後も、物理的に到達可能な全ての目標点へ到達すること
が可能である事が確認された。
が含まれる時以外は、ほぼ100パーセント到達可能で
あり故障がマニピュレーターの制御に全く支障を与えな
い事が確認できる。最も基端部を含んで故障した場合に
到達不可能であった点の集合を図5に示す。図の原点が
マニピュレーターの基端部である。以上の結果から、同
様の考察により、本制御方法によれば、5関節の内の間
に1関節をはさむ隣同士の2つを動かない様に固定した
後も、物理的に到達可能な全ての目標点へ到達すること
が可能である事が確認された。
【0038】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明による作業上
要求される自由度を越える自由度が得られるような複数
の関節を有するマニピュレーターの制御方法を用いるこ
とにより、関節のいくつかが故障し動かなくなったとし
ても、それをバックアップする関節角候補が存在し、特
に制御プログラムを変更することなくマニピュレーター
の制御を継続することが可能となる。
要求される自由度を越える自由度が得られるような複数
の関節を有するマニピュレーターの制御方法を用いるこ
とにより、関節のいくつかが故障し動かなくなったとし
ても、それをバックアップする関節角候補が存在し、特
に制御プログラムを変更することなくマニピュレーター
の制御を継続することが可能となる。
【図1】本制御法における情報の流れを示す概念図であ
る。
る。
【図2】2次元マニピュレーターに分配的計算方法を適
用した例の概念図である。
用した例の概念図である。
【図3】2次元マニピュレーターに非冗長的計算方法を
適用した例の概念図である。
適用した例の概念図である。
【図4】最も基端部側の1関節が故障したとき到達不可
能となる目標点の集合を表した図である。
能となる目標点の集合を表した図である。
【図5】最も基端部側の関節を含む2関節が故障したと
き到達不可能となる目標点の集合の集合を表した図であ
る。
き到達不可能となる目標点の集合の集合を表した図であ
る。
1:操作者 2:目標点の呈示 3:関節間情報交換機構 4:各関節を基準とした関節角候補の算出 5:関節角候補の呈示 6:最適候補の選択及び不適切な候補の無効化 7:基準となる関節 8:目標点
Claims (2)
- 【請求項1】 作業上要求される自由度を越える自由度
が得られるような複数の関節を有するマニピュレーター
に対し、マニピュレーターの基端部の関節の関節角を目
標点に向け、マニピュレーターの基端部と目標点とを通
る仮想平面上にマニピュレーターを位置させ、各関節の
関節角を調節することによりマニピュレーターの先端部
を目標点に到達させるマニピュレーターの制御方法にお
いて、任意の関節よりも先端側に位置する各関節の曲げ
角度を均等分配すると共に、該状態でのマニピュレータ
ーの先端部が目標点に到達し得るマニピュレーターの基
端部の関節の曲げ角度を算出する分配的計算方法、並び
に作業上要求される自由度が得られる任意の関節を選択
し、選択した関節のみを用いて関節の曲げ角度を算出す
る非冗長的計算方法を、マニピュレーターの各関節に適
用して複数の関節各候補を取得し、これらの関節角候補
群のうち現在のマニピュレーターの状態から尤も早く実
現できる関節角候補を選定関節角候補として選定し、こ
の選定関節角候補における各関節の関節角が得られるよ
うに、マニピュレーターの各関節の曲げ角度を調節する
マニピュレーター動作行程を行った後、マニピュレータ
ーの先端部が目標点に到達したか否かの到達判断行程を
行い、到達していないと判断した場合には、現在の選定
関節角候補の次選候補である選定関節角候補を選定関節
角候補とし、新たな選定関節角候補に基づくマニピュレ
ーター動作行程と到達判断行程とを繰返し行うことによ
り、マニピュレーターの先端部を目標点へ到達させるよ
うにしたことを特徴とするマニピュレーターの制御方
法。 - 【請求項2】上記請求項1の制御方法を、各関節にそれ
ぞれ設けた計算装置により実現することを特徴とするマ
ニピュレーターの制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5343400A JP2535765B2 (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | マニピュレ―タ―の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5343400A JP2535765B2 (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | マニピュレ―タ―の制御方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07164360A JPH07164360A (ja) | 1995-06-27 |
JP2535765B2 true JP2535765B2 (ja) | 1996-09-18 |
Family
ID=18361223
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5343400A Expired - Lifetime JP2535765B2 (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | マニピュレ―タ―の制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2535765B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009140325A (ja) * | 2007-12-07 | 2009-06-25 | Sony Corp | 情報処理装置、情報処理方法、およびプログラム |
KR20160122308A (ko) * | 2015-04-13 | 2016-10-24 | 현대중공업 주식회사 | 로봇의 축 제어 방법 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4488811B2 (ja) * | 2004-06-30 | 2010-06-23 | 川崎重工業株式会社 | ロボット制御方法およびロボットシステム |
WO2007111252A1 (ja) * | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | マニピュレータの制御方法および制御システム |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2560212B2 (ja) * | 1986-07-25 | 1996-12-04 | 工業技術院長 | 冗長マニピユレ−タのハイブリツド制御装置 |
JPH033786A (ja) * | 1989-06-01 | 1991-01-09 | Toshiba Corp | マニピュレータ制御方式 |
JPH04367910A (ja) * | 1991-06-17 | 1992-12-21 | Hitachi Ltd | マニピュレ−タ装置 |
-
1993
- 1993-12-16 JP JP5343400A patent/JP2535765B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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