JPH04365574A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子力設備、配管設備
等の点検補修等に用いられるマニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】マニピュレータには、原子力設備など直
接人間が作業できない環境下において遠隔操作で作業を
行うマスタスレーブマニピュレータやジョイスティック
などで操作するマニピュレータなどがある。このような
マニピュレータの多くは、マニピュレータ先端に作業毎
に手先効果器を接続して種々の作業が行われている。

【０００３】この場合、手先効果器毎に作業点が異なる
ため、作業点を指示し移動させる場合には作業点が変わ
ってしまう。また、数種の手先効果要素を有する手先効
果器はその手先効果要素数に応じた作業点を持っている
いるため、手先効果要素を変更した場合には作業点が変
わってしまう。したがって、作業者は手先効果器を取替
える毎にその手先効果器の作業点の変更をスイッチ等の
指示により変更していた。

【０００４】しかし、このような方法では手先効果器を
変更するたびに作業者はスイッチ等により新しい手先効
果器に作業点を指示しなければならないため、手間がか
かるばかりでなく手先効果器が多数ある場合には誤選択
をする可能性が高く、作業性の低下や誤った作業をした
り、作業環境に損害を及ぼすという問題があった。

【０００５】特に、複数の手先効果要素を含む手先効果
器の場合は、任意の手先効果要素ごとに作業点が異なる
ため、上記と同様に作業性の低下や誤った作業をしたり
、作業環境に損害を及ぼすという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のマニ
ピュレータでは、作業者が手先効果器を取替える毎に作
業点の変更をスイッチ等の指示により変更するため、作
業者が手先効果器を誤選択した場合には誤った作業をし
たり、作業環境に損害を及ぼすという問題があった。

【０００７】本発明は、操作者の負担を軽減することが
できると共に、手先効果器を選択された正しい作業点に
指示することができ、また複数の効果要素を有する手先
効果器を効率良く使用することができるマニピュレータ
を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成は、
機能拡張機構要素や作業機構要素などの複数の手先効果
要素を有する手先効果器がマニピュレータ本体に選択的
に装着可能なマニピュレータにおいて、前記マニピュレ
ータ本体に設けられ前記手先効果要素の作業点の指示に
より前記手先効果器を制御する制御手段と、前記手先効
果器に設けられ前記各手先効果要素に該当する識別信号
が格納された記憶部を有し前記マニピュレータ本体に手
先効果器が装着されると前記記憶部よりその手先効果要
素固有の識別信号を選択的に切替可能に送出する識別信
号発生手段と、前記手先効果器の各手先効果要素に該当
する制御パラメータが格納された記憶部を有し前記識別
信号発生手段より送出される識別信号が入力されると前
記記憶部よりその識別信号に該当する制御パラメータを
読み出すとともに、この制御パラメータに基いて演算を
実行して前記マニピュレータ本体にその手先効果要素の
作業点を指示し、且つ前記マニピュレータ本体の作業点
の指示による制御が終了すると前記識別信号発生手段に
他の手先効果要素に該当する識別信号を送出すべく切替
選択指令を送出する制御演算手段とを備えたものである
。

【０００９】また、本発明の第２の構成は機能拡張機構
要素や作業機構要素などの複数の手先効果要素を有する
手先効果器がマニピュレータ本体に選択的に装着可能な
マニピュレータにおいて、前記マニピュレータ本体に設
けられ前記手先効果要素の作業点の指示により前記手先
効果器を制御する制御手段と、前記手先効果器に設けら
れ前記各手先効果要素に該当する制御パラメータが格納
された記憶部を有し前記マニピュレータ本体に手先効果
器が装着されると前記記憶部よりその手先効果要素固有
の制御パラメータを送出すると共に、前記マニピュレー
タ本体が作業点の指示による制御が終了すると他の手先
効果要素に該当する制御パラメータに切替えて送出する
識別信号発生手段と、前記識別信号発生手段より送出さ
れる制御パラメータが入力されるとこの制御パラメータ
に基いて演算を実行して前記マニピュレータ本体の前記
制御手段にその手先効果要素の作業点を指示する制御演
算手段とを備えたものである。

【００１０】

【作用】このような第１の構成のマニピュレータにあっ
ては、マニピュレータ本体に複数の手先効果要素を有す
る手先効果器を装着すると、この手先効果器に設けられ
た識別信号発生手段からある一つの手先効果要素に該当
する識別信号が制御演算装置に伝送される。この制御演
算装置ではその識別信号に該当する制御パラメータを記
憶部より読み出して演算を実行し、マニピュレータ本体
にその手先効果要素の作業点を指示することにより、マ
ニピュレータ本体は手先効果器をその手先効果要素の作
業点の指示による制御を行う。一つの手先効果要素の作
業点の指示による制御が終了し、演算制御装置より手先
効果器にその旨の信号が伝送されると、この手先効果器
では記憶部より次の手先効果要素に該当する識別信号を
制御演算装置に伝送し、この制御演算装置では前述同様
にその識別信号に該当する制御パラメータに基いて演算
を実施し、手先効果要素の作業点をマニピュレータ本体
に指示する。これにより、各手先効果要素毎に該当する
制御パラメータに基いて作業点の指示が自動的に行える
ので、手先効果器を選択された正しい作業点に指示する
ことができ、また複数の効果要素を有する手先効果器を
効率良く使用することが可能となる。

【００１１】また第２の構成にあっては、手先効果器よ
り直接各手先効果要素に該当する制御パラメータが伝送
されるので、制御演算装置はその制御パラメータに基い
て演算を行って作業点の指示を行うだけで良い。この場
合、手先効果器はマニピュレータ本体より一つの手先効
果要素の作業点の指示による制御が終了する毎に次の手
先効果要素に該当する制御パターンに切替えて制御演算
装置に伝送される以外は上記第１の構成の作用と同じで
ある。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

【００１３】図１は本実施例よるマニピュレータの要部
の構成を示すブロック図である。同図において、１はマ
ニピュレ−タ本体で、このマニピュレータ本体１には複
数の手先効果要素を有する機能拡張機構要素や作業機構
要素等の手先効果器２が選択的に着脱可能に装着される
ようになっている。この手先効果器２には各手先効果要
素毎に固有の識別信号を出力し、かつ制御演算装置５よ
り送出される手先効果器の作業点の指示信号を受信する
識別信号送受信器３が搭載されている。

【００１４】この識別信号送受信器３と制御演算装置５
との間の通信は、伝送装置４を介して行われる。制御演
算装置５には手先効果器の識別信号に対応する制御パラ
メータを格納した記憶部（ＲＯＭ）５ａと、この記憶部
５ａから識別信号に対応する制御パラメータが読み出さ
れるとこの制御パラメータに基いて演算を行ない、手先
効果器の作業点をマニピュレータ本体１に指示する演算
制御部５ｂとを備えている。マニピュレータ本体１には
作業点の指示により手先効果器を制御する制御系が設け
られている。

【００１５】図２は複数の手先効果要素を有する手先効
果器の識別信号送受信器３の構成図である。同図におい
て、１１は手先効果器の手先効果要素毎に対応する複数
の固有の識別信号が予め記憶されているＲＯＭ、１２は
このＲＯＭ１１に記憶された識別信号を切替器１３を介
して演算制御装置側へ送信する送信器、１４は一つの作
業点におけるマニピュレータ本体の動作が終了すると制
御演算装置より出力される作業点終了信号を受信してＰ
ＡＬ制御信号を送出する受信器、１５はこの受信器１４
よりＰＡＬ制御信号が入力されると選択信号により切替
器１３を切替えてＲＯＭ１１より次の効果要素に該当す
る識別信号を送信器１３に入力するＰＡＬである。

【００１６】図３はマニピュレ−タ本体の特定の軸の制
御系の構成を示すブロック図である。他の軸の制御系も
同様である。同図において、２１は特定軸のモ−タを示
し、２２は速度センサを示し、２３は位置センサを示す
。

【００１７】位置センサ２３より出力した位置信号と他
の軸の位置センサ２４より出力した他軸の位置センサ信
号は順変換器２５に入力される。この順変換器２５は、
これら両信号を共通座標上に変換し、マニピュレ−タ本
体の共通座標上の姿勢信号に変換する。指定の位置へ移
動を指示する指令発生部２６より発生する指令信号と前
記姿勢信号との偏差をとり、共通座標上での位置偏差信
号を生成し、ＰＩＤ調節器２７に入力する。このＰＩＤ
調節器２７は共通座標上の駆動指令速度信号を計算し、
逆ヤコビアン２８に導かれる。この逆ヤコビアン２８は
マニピュレ−タ本体上の駆動指令速度信号を生成し、こ
れがサ−ボドライバ２９に入力されるとモ−タ駆動信号
によりモ−タ２１が駆動される。また、速度センサ２２
より出力される速度センサ信号はサ−ボドライバ２９に
フィ−ドバックされ、速度応答ル−プが構成される。

【００１８】ここで、識別信号により可変となる要素は
、ＰＩＤ調節２７、逆ヤコビアン２８、順変換器２５の
制御パラメータであり、この制御パラメータの変更は制
御演算装置５によって行われる。

【００１９】次に上記のように構成されたマニピュレー
タの作用を述べるに、まず図６によりマニピュレ−タ本
体１と手先効果器２の着脱例を説明する。手先効果器２
は手先効果器固定溝４４を有し、マニュピレ−タ側接合
部４３に装着されると手先効果器固定器４５に手先効果
器固定溝４４が押し当てられることにより、マニピュレ
−タ本体１に固定される。手先効果器側の識別信号送受
信端子４６とマニピュレ−タ側識別信号送受信端子４７
が接合し、識別信号送受信器３より手先効果要素固有の
識別信号を送出すると共に、制御演算装置側より送出さ
れる手先効果要素の作業点の制御指示信号をマニピュレ
−タ本体１で受信することにより容易に行われる。

【００２０】次に上述した手先効果器２の作業点を指示
する制御について図４、図５を用いて説明する。図４に
６自由度マニピュレ−タを示し、その運動機能を図５に
示す。マニピュレ−タ本体１は共通座標３５におかれ、
第１関節３６、第２関節３７、第３関節３８、第４関節
３９、第５関節４０、第６関節４１を有する６自由度マ
ニュピレ−タである。手先効果器２を手首付近に装着し
、作業点４２が所定の位置に示される各関節は各軸に対
応するものとする。各軸は第１関節３６、第２関節３７
、第４関節３９、第５関節４０、第６関節４１が回転軸
、第３関節３８が直動軸である。

【００２１】次に図７により座標変換について説明する
。任意の２つの座標Ａ４８、座標Ｂ４９において、座標
Ｂ４９の座標Ａ４８に対する位置がベクトルＡＰＢ　で
姿勢の回転行列が　ＡＲＢ　とすると、座標Ｂ４９に関
してベクトル　ＢＳ５２で表される点を座標Ａ４８で表
示したベクトル　ＡＳは 　ＡＳ＝　ＡＲＢ　　ＢＳ＋ＡＰＢ　…………（１）と
なり、これを４×４行列で表現すれば

【００２２】

【数１】 となる。従って、任意の座標間の関係を記述するのに　
ＡＴＢ　の同次変換行列をもって表現することができる
。共通座標３５から第６軸、さらに作業点までの座標変
換は次の様になる。

【００２３】 　０Ｔｅ　＝　０Ｔ１　　１Ｔ２　　２Ｔ３　　３Ｔ４
　　４Ｔ５　　５Ｔ６　　６Ｔｅ　＝　０Ｔ６　　６Ｔ
ｅ　　　　　　　　　　　　　…………（３）　ｉＴｉ
＋１　：共通座標から第１関節への座標変換行列ここで
、　ｉＴｉ＋１　はｉ＋１軸の関節変数をもつ。但し、
　６Ｔｅ　は関節変数はないものとして説明する。すな
わち、　６Ｔｅ　は

【００２４】

【数２】 とする。次に順変換器２５について説明する。共通座標
における姿勢を任意に定め、その変換行列を　０Ｋ６　
（４×４行列）、姿勢を表す変数をδとする。マニピュ
レ−タの関節変数を 　　　　　　　　θ＝（θ１　、θ２　、θ３　、θ４
　、θ５　、θ６　）Ｔ　　　　　　　……（５）共通
座標での姿勢を表す変数を 　　　　　　　　δ＝（δ１　、δ２　、δ３　、δ４
　、δ５　、δ６　）Ｔ　　　　　　　……（６）とす
る。 （３）式＝　０Ｋ６　　　　　　　　　　　……（７）
と置いてδについて解けば、マニピュレ−タの共通座標
の姿勢３０になる。これを、 　　　　　　　　Ｃ＝（Ｃ１　、２　Ｃ、３　Ｃ、４　
Ｃ、５　Ｃ、６　Ｃ）Ｔ　　　　　　　……（８）

【０
０２５】と置く。このＣを計算するのが順変換器２５で
ある。従って、手先効果器２が変わった場合は（４）式
のｌＸ　、ｌＹ　、ｌＺ　を効果要素ごとに替えて順変
換器２５によに順変換の計算を行う。

【００２６】手先効果器２の作業点、重量は各手先効果
器２によって異なるため、ＰＩＤ調節器２７において、
ゲイン、積分定数、微分定数を変更してサーボ計算を行
い共通座標上駆動指令速度信号を生成する。θとδの位
置関係は（７）式によって解ける。その関係をδ＝ｆ（
θ）　　　　　　　　　　　　　　……（９）とし、時
間微分することにより、ヤコビアンＪ（θ）

【００２７
】

【数３】 が計算され、共通座標上駆動指令速度信号とマニピュレ
−タ上の駆動指令速度信号が対応づけられる。（１０）
式の左にＪ（θ）−１をかけることにより、

【００２８
】

【数４】

【００２９】が求められるので、共通座標上の駆動指令
速度信号にＪ（θ）−１を乗じ、マニピュレ−タ上の駆
動指令速度信号を生成することができる。このＪ（θ）
−１を計算してマニピュレ−タ上の駆動指令速度信号を
求める処理を逆ヤコビアン２８（Ｊ−１）として示した
。従って、順変換器２５と同様に（４）式の１Ｘ　、１
Ｙ　、１Ｚを効果要素ごとに替えての計算を行う。 　　　　　　　　手先効果器Ａ：（１Ｘ　、１Ｙ　、１
Ｚ　）＝（１Ｘａ、１Ｙａ、１Ｚａ）　　　　　　　　
手先効果器Ｂ：（１Ｘ　、１Ｙ　、１Ｚ　）＝（１ｘｂ
、１Ｙｂ、１Ｚｂ）と置けばよい。複数の効果要素をも
つ手先効果器の場合も同様に効果要素ごとに（１Ｘ　、
１Ｙ　、１Ｚ　）をもてばよい。

【００３０】この結果、たとえば共通座標３５において
δ変数を直交３方向とオイラー角にとり、手先効果器２
を作業点４２に対して直交３方向とオイラー角によって
表現すれば、具体的なマニピュレ−タの姿勢が表現でき
る。ここでは、姿勢表現を特にこれのみに特定するわけ
ではない。

【００３１】図８は作業点を変化させた時の例を示すも
のである。図８において、第６軸原点５４より手先効果
要素５７の作業点を（０、１ＹＭ、０）５５とし、手先
効果要素Ｎ５８の作業点を（０、１ＹＮ、０）５６とし
、この１ＹＭ５９と１ＹＮ６０のデータが、効果要素の
制御パターンに応じて変更されると共に、図３に示す前
述の順変換器２５、ＰＩＤ調節器２７、逆ヤコビアン２
８の計算が行われる。

【００３２】このように本実施例では、マニピュレータ
本体１に複数の手先効果要素を有する手先効果器２を装
着すると、識別信号送受信器３のＲＯＭ１１より最初の
手先効果要素に該当する識別信号が切替器１３を介して
送信器１２より制御演算装置５側に伝送される。制御演
算装置５ではこの識別信号が入力されると、該識別信号
に対応する制御パラメータを記憶部５ａより読み出して
前述したような演算を実行し、マニピュレータ本体１に
作業点の指示制御を行う。そして、最初の効果要素の作
業点の指示制御が終了し、その終了信号が手先効果器２
の識別信号送受信器３に入力されると、ＰＡＬ１５より
出される選択信号により切替器１３が切替えられること
でＲＯＭ１１より次の手先効果要素に該当する識別信号
が前述同様に送信器１２を介して制御演算装置５側に伝
送され、前述同様の演算が行われて作業点の指示制御が
実行される。

【００３３】したがって、マニピュレ−タ本体１に複数
の手先効果要素を有するの機能拡張機構要素や作業機構
要素等の手先効果器２を選択的に装着した場合でも、そ
の手先効果器の効果要素ごとの作業点にあわせた制御に
変更できるようにしたので、手先効果器の取替えおよび
各手先効果要素毎に作業点の指示を行わなくても良く、
作業者の負担を軽減することができると共に、複数の効
果要素を有する手先効果器を効率良く使用することがで
きる次に本発明の他の実施例を説明する。

【００３４】上記実施例では手先効果器２に図２に示す
ような構成の識別信号送受信器３を設け、一つの手先効
果要素に対する作業点の指示制御が終了すると制御演算
装置より伝送されてくる指示制御終了信号をＰＡＬ制御
信号としてＰＡＬ１５に与え、このＰＡＬ１５より選択
信号を切替器１３に与えてＲＯＭ１１に記憶されている
各手先効果要素に対応する識別信号を順次取出すように
したが、これを図９に示すような構成の識別信号送受信
器３によって実行しても良い。即ち、図９に示すように
ＲＯＭ１１に各手先効果要素に対応する制御パラメータ
を記憶させておき、またＰＡＬ１５に対してはマニピュ
レータ本体１が一つの手先効果要素の作業点の指示制御
が終了したことを検出する図示しない検出手段からの指
示制御終了信号を入力することにより、選択信号を切替
器１３に与えてＲＯＭ１１より各手先効果要素に該当す
る制御パラメータを指示制御が終了する毎に制御演算装
置側へ伝送するように構成したものである。

【００３５】この場合、演算制御装置は識別信号送受信
器３よりその手先効果要素に固有の制御パラメータが伝
送されてくるので、演算部により制御パラメータに基い
て演算を行うだけでよい。

【００３６】

【発明の効果】以上に述べた様に本発明によれば、マニ
ピュレ−タ本体に複数の手先効果要素を有するの機能拡
張機構要素や作業機構要素等の手先効果器を選択的に装
着した場合でも、その手先効果器の効果要素ごとの作業
点にあわせた制御に変更できるようにしたので、手先効
果器取替えに伴う作業者の負担を軽減することができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかわるマニピュレ−タの
要部の概略構成図。

【図２】同要部の具体的構成を示す図。

【図３】マニピュレ−タの制御ブロック図。

【図４】６自由度マニピュレータの手先効果器の作業点
を指示する制御の説明図。

【図５】図４に示すマニピュレータの運動機能を説明す
るための図。

【図６】手先効果器の着脱方法を説明するための図。

【図７】図５での座標変換の説明図。

【図８】手先効果器の作業点を変化させたときの一例を
示す図。

【図９】本発明の他の実施例における手先効果器の具体
的構成を示す図。

【符号の説明】

１……マニピュレ−タ本体、２……手先効果器、３……
識別信号送受信器、４……制御演算装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機能拡張機構要素や作業機構要素などの複
   数の手先効果要素を有する手先効果器がマニピュレータ
   本体に選択的に装着可能なマニピュレータにおいて、前
   記マニピュレータ本体に設けられ前記手先効果要素の作
   業点の指示により前記手先効果器を制御する制御手段と
   、前記手先効果器に設けられ前記各手先効果要素に該当
   する識別信号が格納された記憶部を有し前記マニピュレ
   ータ本体に手先効果器が装着されると前記記憶部よりそ
   の手先効果要素固有の識別信号を選択的に切替可能に送
   出する識別信号発生手段と、前記手先効果器の各手先効
   果要素に該当する制御パラメータが格納された記憶部を
   有し前記識別信号発生手段より送出される識別信号が入
   力されると前記記憶部よりその識別信号に該当する制御
   パラメータを読み出すとともに、この制御パラメータに
   基いて演算を実行して前記マニピュレータ本体にその手
   先効果要素の作業点を指示し、且つ前記マニピュレータ
   本体の作業点の指示による制御が終了すると前記識別信
   号発生手段に他の手先効果要素に該当する識別信号を送
   出すべく切替選択指令を送出する制御演算手段とを備え
   たことを特徴とするマニピュレータ。
2. 【請求項２】機能拡張機構要素や作業機構要素などの複
   数の手先効果要素を有する手先効果器がマニピュレータ
   本体に選択的に装着可能なマニピュレータにおいて、前
   記マニピュレータ本体に設けられ前記手先効果要素の作
   業点の指示により前記手先効果器を制御する制御手段と
   、前記手先効果器に設けられ前記各手先効果要素に該当
   する制御パラメータが格納された記憶部を有し前記マニ
   ピュレータ本体に手先効果器が装着されると前記記憶部
   よりその手先効果要素固有の制御パラメータを送出する
   と共に、前記マニピュレータ本体が作業点の指示による
   制御が終了すると他の手先効果要素に該当する制御パラ
   メータに切替えて送出する識別信号発生手段と、前記識
   別信号発生手段より送出される制御パラメータが入力さ
   れるとこの制御パラメータに基いて演算を実行して前記
   マニピュレータ本体の前記制御手段にその手先効果要素
   の作業点を指示する制御演算手段とを備えたことを特徴
   とするマニピュレータ。