JPH0443746B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、マスター・スレーブマニプレータに
おけるマスターマニプレータに関する。

Ｂ 発明の概要 この発明は、操作者がマスターマニプレータを
操作するとスレーブマニプレータがマスターマニ
プレータの動きと類似の動作をするマスター・ス
レーブマニプレータにおける前記マスターマニプ
レータにおいて、 操作者の手首の曲げ，傾け，ねじりに応じて回
動する部材の回動軸心が一点で交差するように
し、各回動部材の回動角度等を検出するための検
出手段を具えることにより、 操作者の手首の曲げ，傾け，ねじりの動作をそ
のまま正確にマスターマニプレータが行つてスレ
ーブマニプレータに伝達するようにしたものであ
る。

Ｃ 従来の技術 原子力施設等のように人が立ち入ることのでき
ない場所で作業をする場合にはマニプレータが用
いられる。マニプレータには、操作者が放射性零
囲気外でマスターマニプレータを操作すると放射
性零囲気下にあるスレーブマニプレータがマスタ
ーマニプレータと類似の動きをして作業を行うマ
スタースレーブマニプレータがある。

従来のマスターマニプレータとしては第４図に
示すものがある。図のようにアーム５０の先端に
ｘ軸まわりに回動自在な中間部材５１が設けら
れ、中間部材５１には紙面と直角なｙ軸まわりに
回動自在なハンド５２が取り付けられる。ハンド
５２にはｚ軸まわりに回動自在なグリツプ５３が
取り付けられる。操作者が腕５４を保持部材５５
ａ，５５ｂを介してアーム５０に固定し、グリツ
プ５３を手５６で握つたのちに手首を曲げたり、
曲げと直角な方向へ傾けたり、手首のまわりにね
じつたりすると、ハンド５２がｘ軸まわりに回動
したり、ｙ軸まわりに回動したり、グリツプ５３
がｚ軸まわりに回動したりする。これらのｘ，
ｙ，ｚ軸まわりに回動角度が図示しないセンサで
検出され、その検出信号がスレーブマニプレータ
へ送られ、これによつてスレーブマニプレータが
マスターマニプレータと類似の動作をする。

Ｄ 発明が解決しようとする課題 ところが、曲げ部，傾け部，ねじり部の３つの
自由度を構成する部分が分散して設けられてお
り、操作をする手と比較してみると手は手首の一
点を通る３軸を軸心として曲げ，傾け，ねじりの
各動作をするのに対し、マスターマニプレータは
一点で交わらないｘ，ｙ，ｚ軸を軸心として曲
げ，傾け，ねじりの各動作を行うことになる。こ
のため、例えばｘ軸まわりに曲げる場合には中間
部材５１を含んだハンド５２より先の部分を全て
回動させることになり回動させる部分の重量が重
くて操作上の慣性力が大きく、また操作者の手の
動きに合つた動きが得られず操作性が悪い。

そこで本発明は斯かる課題を解決したマスター
マニプレータを提供することを目的とする。

Ｅ 課題を解決するための手段 斯かる目的を達成するための本発明の構成は、
操作者の手首の曲げの軸心，傾けの軸心，ねじり
の軸心を順に手首の基準点で相互に直交するｘ，
ｙ，ｚ軸として想定し、ｘ軸に対してもｙ軸に対
しても回動自在なハンドをアームの先端部に具
え、ハンドに具えられるとともに手で握るグリツ
プをｚ軸のまわりに回動自在にハンドに取り付け
る一方、アームの先端部に設けた移動点で相互に
直交して前記ｘ，ｙ，ｚ軸に平行なx′，y′，z′軸
を想定し、z′軸上に具えられる連動部材を移動点
を中心としてx′軸及びy′軸のまわりに回動自在に
アームの先端部に取り付け、連動部材の先端部と
ハンドの先端部とを連結部材を介して連結し、
x′軸，y′軸まわりの連動部材の回動に伴つて回動
するカバーであつてx′y′平面上での移動点まわり
に相互に略直角をなす２位置にz′軸に沿う方向へ
の移動量等を検出する第一検出手段及び第二検出
手段を連結し、ｚ軸まわりのグリツプのねじり角
度等を検出する第三検出手段を設けたことを特徴
とする。

Ｆ 作用 操作者がグリツプを握つて手首を曲げると、ハ
ンドがｘ軸まわりに回動すると同時に連動部材が
ハンドと連動してx′軸まわりに回動し、検出手段
によつて連動部材の回動角度や回転トルクつまり
はハンドの回動角度等が検出される。また、手首
を曲げの方向と直角な方向へ傾けると、ハンドが
ｙ軸まわりに回動すると同時に連動部材がハンド
と連動してy′軸まわりに回動し、前記と同様にし
てその回動角度等が検出される。また、グリツプ
を握つて手首をねじると、グリツプがｚ軸まわり
に回動して検出手段によりねじり角度等が検出さ
れる。これらのｘ，ｙ，ｚ軸まわりのハンド又は
グリツプの回動は夫々独立しており、ｘ，ｙ，ｚ
軸は人の手の曲げ，傾け，ねじりの軸心の交点を
通るので、操作者の手の動きをそのまま正確にス
レーブマニプレータに伝達することができる。

Ｇ 実施例 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

この発明は、人の手における手首の曲げ，傾
け，ねじりの３自由度の夫々の軸心が一点（以
下、基準点とする）で交わつていることから、３
自由度を有するマスターマニプレータの軸心も基
準点で交わるようにしたものである。

人の手首は、曲げと傾けとねじりを行うことが
でき、ねじりは手首よりも肘に近い部分で行われ
るが、マニプレータの指部は限られたつかみの自
由度しか有しないのが一般的であり手首を曲げた
状態で指部を回転させる必要があるため、一般的
にねじりの機構は手首よりも指先に近い部分に設
けられる。

第１図〜第３図に本発明によるマスターマニプ
レータの実施例を示す。

図において操作者の手首の曲げの軸心をｘ軸と
し、傾けの軸心をｙ軸とし、ねじりの軸心をｚ軸
とすると、ｘ，ｙ，ｚ軸は夫々一点（基準点Ｐ）
で相互に直交する。

図中、１はアームであり、アーム１は操作者の
腕２ａの甲側に腕２ａと略平行に設けられる。そ
して、操作者の腕２ａをおいたときのｘ軸及びｙ
軸まわりに回動自在な状態で、ハンド３がアーム
１の先端部に取り付けられる。即ち、アーム１の
一方側にｙ軸を中心として回動自在なＬ字形部材
５が補助部材４を介して取り付けられ、Ｌ字形部
材５にはｘ軸を中心として回動自在なＬ字形のハ
ンド３が取り付けられる。

ハンド３には、ｚ軸を中心として回動自在にグ
リツプ６が取り付けられている。即ち、ハンド３
の先端部には補強のための円筒部７が形成され、
円筒部７内の孔８にはグリツプ６と一体の軸９が
回動自在に挿通されている。グリツプ６は操作者
の手２ｂが握れるように把持部６ａを有する口の
字形となつており、スレーブマニプレータに各種
の動作指令を出すためのスイツチレバー１０やス
イツチボタン１１が設けられる。

一方、アーム１の先端部には、ハンド３と連動
して類似の動作をする連動部材１２が設けられ
る。即ち、移動点Ｑで相互に直交してｘ，ｙ，ｚ
軸に平行なx′，ｙ，z′軸を想定すると（本実施例
ではy′軸はｙ軸に一致する）、z′軸上に配置され
た連動部材１２が移動点Ｑを中心としてx′軸及び
ｙ軸のまわりに回動自在にアーム１の先端部に取
り付けられる。この連動部材１２の先端部と前述
した円筒部７とがｘ軸と平行な合計４本のピン
（第２図参照）３７を介して連結部材１４によつ
て連結される。

アーム１にはグリツプ６の回動角度等を検出す
るための第三検出手段等を内蔵した第三制御部１
５が設けられ、連動部材１２等の内部に具えられ
た回転伝達手段を介してグリツプ６と第三制御部
１５とが接続される。

以下に回転伝達手段を説明する。連動部材１２
の内部には、大径部１６ａとオススプライン部１
６ｂとを有する軸１６が回動自在に具えられ、リ
ング２２によつて軸心方向へスライドしないよう
になつている。軸１６の下部はメススプライン部
１７ａを有する軸１７がスプライン結合し、軸１
７の下部はハンドの回動するいずれの方向へも連
動部材１２が回動しうるように構成したユニバー
サルジヨイント１３を介して第三検出手段１５の
回転軸１５ａと連結されている。一方、軸９，１
６の上部は、連結部材１４内に回転自在に具えら
れるとともにプーリ１８を有する一対の軸１９の
下端にユニバーサルジヨイント２０を介して夫々
結合され、プーリ１８どうしの間にはベルト２１
が巻き掛けられている。なお、プーリとベルトに
代えてスプロケツトとチエンを用いてもよい。

連動部材１２が回動すれば同時に軸１７も同じ
方向へ同じ角度だけ回動するため、連動部材１２
の代わりに軸１７の回動角度等を検出する手段が
とられている。アーム１には、内周が球面のメス
軸受２４がｙ軸と平行な２本のピン２５を介して
回動自在に取り付けられ、メス軸受２４の外側に
は、ｘ軸と平行でかつ軸心がピン２５の軸心と直
交する２本のピン２７を介して回動自在にカバー
２８が取り付けられている。即ち、筒形状のカバ
ー２８の下部両側（第１図中、メス軸２４に対し
て手前側と向こう側）に形成された耳２８ａ，２
８ｃがメス軸受２４を挟んだ状態で、耳２８ａ，
２８ｃがメス軸受２４にピン２７を介して結合さ
れている。まり、カバー２８はピン２５とピン２
７との軸心が交わる点を中心としていずれの方向
へも回動するユニバーサルジヨイントを構成す
る。メス軸受２４内には回転軸１５ａが回転自在
に挿通された外周が球面のオス軸受２６が嵌め込
まれてカバー２８の上部内側には内周に球面を有
するメス軸受２９が嵌合して固着され、メス軸受
２９には外周に球面を有し内部に軸１７を回動自
在かつ摺動自在に挿通したオス軸受３０が嵌め込
まれる。そして、回転軸１１５ａのまわりに相互
に約90゜隔てて、つまり本実施例では第１図中、
回転軸１５ａより右側と回転軸１５ａより紙面の
向こう側に突出させた状態で、カバー２８の下部
には耳２８ｂ，２８ｃが形成される。耳２８ｂに
は第一検出手段を内蔵する第一制御部３１が連動
連結される。即ち、アーム１にステー３２及びピ
ン３３を介して第一制御部３１の基端部が回動自
在に連結され、第一制御部３１における移動軸３
１ａの先端がピン３４を介して回動自在に耳２８
ｂに連結される。また、同様にして耳２８ｃに
は、第二検出手段を内蔵する第二制御部３５が連
結される。なお、３６はステーである。

第一制御部３１，第二制御部３５，第三制御部
１５の内部は次のように構造となつている。第一
制御部３１，第二制御部３５ではいずれも移動軸
３１ａ，３５ａの直線運動が回転運動に変換され
る。つまり、ボールネジ機構のボールネジが移動
軸３１ａ，３５ａに夫々結合され、固定した位置
に回転自在に支持されたボールナツトにボールネ
ジが螺合され、ボールネジの直線運動がボールナ
ツトの回転運動に変換される。そして、このボー
ルナツトに減速機を介してモータが連動連結さ
れ、夫々のモータの回転軸に第一，第二検出手段
として回転軸の回転角度を検出する位置センサと
回転トルクを検出するトルクセンサが夫々設けら
れる。一方、第三制御部１５内では回転軸１５ａ
が減速機を介してモータに連動連結される。そし
て、モータの回転軸に第三検出手段として回転軸
の回転角度を検出する位置センサと回転トルクを
検出するトルクセンサとが設けられる。本実施例
のマスター・スレーブマニプレータはマスター
側，スレーブ側の回動角度およびトルクを検出
し、両者のデータを比較して夫々のモータを駆動
するバイラテラル制御方式のものであり、しかも
マスター側とスレーブ側とのトルクの差を小さく
する向きに力を伝えるように構成された力帰還形
となつている。なお、この種のマニプレータにお
いては、マスター側，スレーブ側の夫々に位置セ
ンサ，トルクセンサを設けると共に両側のデータ
を夫々比較してモータを制御するということが一
般的に知られている。

カバー２８がピン２５，２７を中心として回動
するためカバー２８と連動部材１２とのなす角度
が変化する。そのため、カバー２８の上部と連動
部材１２の下部とが中空のユニバーサルジヨイン
トによつて結合されている。即ち、カバー２８の
上部外周に球面２８ｄが形成され、球面２８ｄの
外側には半球の中央部を切り欠いた形状の中間部
材３７が紙面と直角な二本のピン３８を介して回
動自在にカバー２８に取り付けられ、中間部材３
７の外側には連動部材１２の下部に形成された開
口部１２ａがピン３８と直交する２本のピン３９
を介して回動自在に取り付けられる。

なお、軸１６と１７とをスプライン結合させる
代わりに連動部材１２とカバー２８との間を伸縮
自在にしてもよい。

次に、斯かるマスターマニプレータの作用を説
明する。なお、説明は操作者の手首をｘ軸まわり
に曲げた場合、ｙ軸まわりに傾けた場合、ｚ軸ま
わりにねじつた場合の夫々に分けて行う。

把持部６ａを握つた状態で手首をｘ軸まをりに
曲げた場合、ハンド３がｘ軸まわりに回動すると
同時に連結部材１４によつて連結された連動部材
１２がユニバーサルジヨイント１３を中心として
ハンド３と同一方向、即ちｘ軸と平行なx′軸まわ
りに回動する。本実施例ではｘ軸，ユニバーサル
ジヨイント１３，２０，２０が平行四辺形をなし
ており、そのために連動部材１２はハンド３と同
一方向へ同一角度だけ回動する。連動部材１２が
回動すると軸１７もユニバーサルジヨイント１３
を中心として回動し、軸１７とオス軸受３０、オ
ス軸受３０とメス軸受２９間で摺動自在なので、
軸１７が傾いた分だけピン３８と共にカバー２８
がピン２７を中心として回動する。カバー２８が
回動すると耳２８ｂが第１図中、上下方向へ移動
し、移動ロツド３１ａを上下方向へ移動させる。
すると、第一制御部３１内に具えられた位置セン
サ，トルクセンサが連動部材１２つまりはハンド
３の曲げ角度とトルクとを検出する。

把持部６ａを握つた状態で手首をｙ軸まわりに
傾けた場合、連結部材１４を介して連結された連
動部材１２がユニバーサルジヨイント１３を中心
としてハンド３と一体的にｙ軸まわりに回動す
る。この方向へ回動する場合も、連動部材１２は
ハンド３と同一方向へ同一角度だけ回動する。こ
の方向へ回動する場合においてはカバー２８がメ
ス軸受２４と共にピン２５のまわりに回動し、耳
２８ｃが移動ロツド３５ａを上下方向へ移動させ
る。すると、第二制御部３５内に具えられた位置
センサ，トルクセンサが前記と同様にしてハンド
３の傾け角度とトルクとを検出する。

把持部６ａを握つた状態で手首をねじつた場合
は、グリツプ６と一体の軸９の回転はユニバーサ
ルジヨイント２０を介して軸１９に伝わり、軸１
９の回転はプーリ１８，ベルト２１を介して他方
の軸１９へと伝わる。他方の軸１９の回転はユニ
バーサルジヨイント２０，軸１１６，１７，ユニ
バーサルジヨイント１３を介して回転軸１５ａへ
伝わる。すると、第三制御部１５内に具えられた
位置センサとトルクセンサが回転軸１５ａの回転
角度とトルクを検出する。軸１６と１７とを一体
に考えたとき両端がユニバーサルジヨイント２０
と１３を介して他の部材と結合されている。その
ため連動部材１２が回動して連動部材１２とカバ
ー２８とが相対的に屈曲するとユニバーサルジヨ
イント１３と２０との距離が変化するが、軸１６
と１７とがオススプライン１６ｂとメススプライ
ン１７ａとでスプライン結合しているのでこれに
対応できる。

前述した手首の曲げと傾けとねじりに対するマ
スターマニプレータの動きは夫々別個に独立して
いるので、これらの動きを組み合わせて操作者の
手と同じ複雑な動きをさせることができ、その動
きを第一〜第三検出手段で検出し検出値に基づい
た指令を図示しないスレーブマニプレータへ送つ
て電気サーボ等で駆動させることができる。ま
た、スレーブマニプレータに作業を行わせたとき
の反力をマスターマニプレータへ送つて夫々の制
御部内のモータを回転させることで操作者に伝え
ることができる（バイラテラル制御方式）。

なお、本実施例では連動部材等の内部に回転伝
達手段を具えているが、グリツプと第三検出手段
とをフレキシブルなワイヤ等で接続しワイヤの回
転により回転運動を伝達するようにしてもよい。
また、ピン２７をｘ軸と平行にしてピン２５をｙ
軸と平行にし、手首の曲げご第一検出手段のみに
て検出して傾けを第二検出手段のみによつて検出
するようにしているが、ｘ軸，ｙ軸とピン２７，
２５と第一検出手段，第二検出手段との関係は本
実施例に限定されるものではなく、例えば回転軸
１５ａのまわりに夫々の検出手段を略同じずつず
らして配置するようにしてもよい。

Ｈ 発明の効果 以上説明したように本発明によれば、操作者の
手首の曲げ，傾け，ねじりの軸心として相互に一
点（基準点）で直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸を中心
として回動自在なハンドとグリツプを具えるとと
もに曲げ，傾け，ねじりの角度等を検出する検出
手段を具えているので、操作者の手の動きをその
ままマスターマニプレータに追従させて手首の曲
げ角度等を正確に検出できる。つまり、手首の曲
げ，傾け，ねじりの方向と角度とトルクとがその
ままマスターマニプレータの手首の曲げ，傾け，
ねじりの方向と角度とトルクであり、極めて直感
的な操作が可能である。また、ハンドの先端部に
検出手段等が配置されていないので、マスターマ
ニプレータを操作する上での慣性が小さく操作性
がよい。

また、連動部材の回動角度等を直線移動として
検出するので、検出のための構造が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明によるマスターマニプ
レータの実施例に係り、第１図は一部破断して示
す構造図、第２図は第１図の−矢視図、第３
図は手首を傾けたときの第１図の−矢視図、
第４図は従来のマスターマニプレータの構造図で
ある。 １…アーム、２ａ…腕、３…ハンド、６…グリ
ツプ、１２…連動部材、１３…ユニバーサルジヨ
イント、１４…連結部材、１５…第三制御部、３
１…第一制御部、３５…第二制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 操作者の手首の曲げの軸心，傾けの軸心，ね
   じりの軸心を順に手首の基準点で相互に直交する
   ｘ，ｙ，ｚ軸として想定し、 ｘ軸に対してもｙ軸に対しても回動自在なハン
   ドをアームの先端部に具え、ハンドに具えられる
   とともに手で握るグリツプをｚ軸のまわりに回動
   自在にハンドに取り付ける一方、 アームの先端部に設けた移動点で相互に直交し
   て前記ｘ，ｙ，ｚ軸に平行なx′，y′，z′軸を想定
   し、 z′軸上に具えられる連動部材を移動点を中心と
   してx′軸及びy′軸のまわりに回動自在にアームの
   先端部に取り付け、連動部材の先端部とハンドの
   先端部とを連結部材を介して連結し、 x′軸，y′軸まわりの連動部材の回動に伴つて回
   動するカバーであつてx′y′平面上での移動点まわ
   りに相互に略直角をなす２位置にz′軸に沿う方向
   への移動量等を検出する第一検出手段及び第二検
   出手段を連結し、ｚ軸まわりのグリツプのねじり
   角度等を検出する第三検出手段を設けたことを特
   徴とするマスターマニプレータ。