JPH0630378Y2 - マスタ−マニプレ−タ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本考案は、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．考案の概要 この考案は、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っ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、操作者が放射性雰囲気外でマスターマニ
プレータを操作すると放射性雰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５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
ップ５３が取り付けられる。操作者が腕５４を保持部材
５５ａ，５５ｂを介してアーム５０に固定し、グリップ
５３を手５６で握っ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ったりする
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、グリップ５３がｚ軸まわりに回動したり
する。これらのｘ，ｙ，ｚ軸まわりの回動角度が図示し
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、これによっ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．考案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った動きが得ら
れず操作性が悪い。

そこで本考案は、斯かる欠点を解消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 斯る目的を達成するための本考案の構成は、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操作
者の手首の基準点で相互に直交するｘ，ｙ，ｚ軸として
想定し、操作者の腕の動きと対応して動くアームの先端
に、ｘ軸に対してもｙ軸に対しても回動自在なハンドを
結合するとともに操作者の手で握るグリップをねじり軸
を介して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られるとともに基準点での
曲げ，傾けの動作を置き換える位置としての置換点で相
互に直交して前記ｘ，ｙ，ｚ軸に平行なｘ′，ｙ′，
ｚ′を想定し、ｚ′軸上に具えられる連動部材を置換点
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、ハンドの中心線と連動部材の
中心線とが平行四辺形の対向する二辺を形成するよう
に、ハンドの中心線及び連結部材の中心線を含む面と略
直角なピンを介して連結部材により、連動部材の先端部
とハンドの先端部とを連結し、ｘ′軸，ｙ′軸まわりの
連動部材の回動角度等を検出する第一，第二検出手段を
アームに具え、ｚ軸まわりのねじり軸の回動角度等を検
出する第三検出手段をアームに具えるとともに連動部材
及び連結部材にわたって設けられた回転伝達手段を介し
てねじり軸と第三検出手段とを連動連結したことを特徴
とする。

Ｆ．作用 操作者がグリップを握って手首を曲げると、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、検出手段によって連動部材の
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、グリップを
握って手首をねじると、グリップが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ップの回動は夫々
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、本考案を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

この考案は、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）
で交わっていることから、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４図に本考案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ップ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
グリップ６と一体のねじり軸９が回動自在に挿通されて
いる。グリップ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っており、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ッチレバー１
０やスイッチボタン１１が設けられる。

一方、アーム１の先端部の置換点Ｑにはハンド３と連動
して類似の動作をする連動部材１２が具えられる。この
ように連動部材１２を設けるのは、アーム１とは離れた
操作者の手首の位置である基準点Ｐを中心として回動す
るハンド３の回動をそのままハンド３上の置換点Ｑで連
動部材１２の回動に置換するためである。このように基
準点Ｐにおける回動を置換点Ｑにおける回動に置換した
のは、後述するトルクセンサ等の制御部をハンド３に取
り付けることなくアーム１に取り付けてハンド３の軽量
化を図るためである。置換点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が置換点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。即ち、アーム１の先端にｘ′軸まわりに回動自在
に中間部材１３が取り付けられ、中間部材１３にはｙ軸
まわりに回動自在に連動部材１２が取り付けられる。連
動部材１２はｚ′軸に沿って伸びる回動部１２ａと、１
／４の略円を形成する円弧部１２ｂと、軸部１２ｃとか
ら構成されており、ｙ軸を軸心とする軸部１２ｃが中間
部材１３内に回動自在に嵌め込まれる。この連動部材１
２の先端部とハンド３の先端部とが連結部材１５を介し
て連結される。即ち、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１４（第２
図，第３図参照）を介して連結部材１５によって連結さ
れる。これにより、第１図中のＸ軸，Ｘ′軸，ピン１
４，ピン１４が平行四辺形を形成する。

アーム１には、第一制御部１６，第二制御部１７，第三
制御部１８が設けられる。

第一制御部１６内にはハンド３の曲げ角度等を検出する
第一検出手段等が内蔵されており、第一制御部１６の回
転軸に取り付けられたプーリ１９と中間部材１３に一体
に形成されたプーリ１３ａとの間にベルト２１が巻き掛
けられる。

また、第二制御部１７内にはハンド３の傾け角度等を検
出する第二検出手段等が内蔵されており、軸部１２ｃを
中心とする連動部材１２の回動運動が第二制御部１７へ
伝わるようになっている。第３図に示すように、ｘ′軸
を軸心として傘歯車２２ａとプーリ２２ｂを有する伝達
歯車２２が回転自在に設けられ、傘歯車２２ａは軸部１
２ｃと一体の傘歯車１２ｄと噛み合う。一方、プーリ２
２ｂと第二制御部１７の回転軸に取り付けられたプーリ
２３との間にベルト２４が巻き掛けられる。

第三制御部１８内にはグリップ６の回動角度等を検出す
る第三検出手段等が内蔵されており、回転伝達手段を介
してねじり軸９に連動連結される。このように第三制御
部１８をアーム１内に設けてねじり軸９と第三制御部１
８とを回転伝達手段を介して連動連結したのも、第一，
第二制御部１６，１７と同じ理由であり、ハンド６に取
り付けるとハンド６が重くなるからである。以下に回転
伝達手段について説明する。連動部材１２の回動部１２
ａ内には傘歯車２５ａを有する軸２５が回転自在に具え
られ、一方、軸部１２ｃ内には傘歯車２６ａと２６ｂと
を有する伝達歯車２６が回転自在に具えられ、円弧部１
２ｂ内に回転自在に具えられた傘歯車２７，２８を介し
て軸２５の回転運動が伝達歯車２６へ伝わるようになっ
ている。傘歯車２６ｂは、ｘ′軸を中心として回動自在
に具えられる伝達歯車２９の傘歯車２９ａと噛み合う。
そして、傘歯車２９ａと一体のプーリ２９ｂと第三制御
部１８の回転軸に取り付けられたプーリ３０との間にベ
ルト３１が巻き掛けられる。一方、ねじり軸９と軸２５
との上部は、連結部材１５内に回転自在に具えられると
ともにプーリ３２を有する一対の軸３３の下端にユニバ
ーサルジョイント３４を介して夫々結合され、プーリ３
２どうしの間にはベルト３５が巻き掛けられる。なお、
プーリとベルトとに代えてスプロケットとチェンを用い
てもよい。

前記第一制御部１６，第二制御部１７，第三制御部１８
の内部は次のような構造になっている。即ち、プーリ１
９，２３，３０の取り付けられた夫々の回転軸には減速
機を介してモータが接続されており、モータの回転軸に
は回転軸の回転角度を検出するための位置センサと回転
軸の回転トルクを検出するためのトルクセンサとが設け
られる。夫々の位置センサによる回転軸の回転角度の検
出によりハンド３の曲げ角度等を検出できる。また、夫
々のトルクセンサによる回転軸の回転トルクの検出によ
りハンド３の曲げトルク等を検出できる。本実施例のマ
スタースレーブマニプレータは、マスターマニプレー
タ，スレーブマニプレータの各軸まわりの回転角度及び
回転トルクを検出し、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って
いる。

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軸まわりにねじった場合の
夫々に分けて行う。

操作者が把持部６ａを握った状態で手首をｘ軸まわりに
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１５によって連結された連動部材１２がｘ′軸
まわりにハンド３と同一方向へ回動する。本実施例では
ｘ軸，ユニバーサルジョイント３４，３４，ｘ′軸が平
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。このとき中間
部材１３もｘ′軸まわりに回動するので、中間部材１３
と一体のプーリ１３ａが回転し、プーリ１３ａの回転運
動はベルト２１，プーリ１９を介して第一制御部１６へ
伝わる。すると、第一制御部１６内の第一検出手段とし
ての位置センサ，トルクセンサがハンド３の曲げ角度と
トルクとを検出する。

操作者が把持部６ａを握った状態で手首を傾けた場合、
ハンド３がｙ軸まわりに回動すると同時に連結部材１５
を介して連結された連動部材１２が軸部１２ｃを中心と
してハンド３と同一方向へ回動する。この場合も連動部
材１２はハンド３と一体になって回動し、連動部材１２
は中間部材１３を介してアーム１に取り付けられている
ので、ｘ′軸まわりに回動した状態でかつ軸部１２ｃま
わりに回動させることができる。連動部材１２が軸部１
２ｃまわりに回動すると、連動部材１２と一体の傘歯車
１２ｄが回動し、傘歯車１２ｄの回転運動は傘歯車２２
ａ，プーリ２２ｂ，ベルト２４，プーリ２３を介して第
二制御部１７へと伝わる。すると第二制御部１７内の第
二検出手段としての位置センサ，トルクセンサがハンド
３の傾け角度とトルクとを検出する。

操作者が把持部６ａを握った状態で手首をねじった場
合、グリップ６がｚ軸まわりに回動し、グリップ６の回
転はねじり軸９，ユニバーサルジョイント３４，軸３
３，プーリ３２，ベルト３５，プーリ３２，軸３３，ユ
ニバーサルジョイント３４を介して軸２５へ伝わる。軸
３３とねじり軸９及び軸３３と軸２５はユニバーサルジ
ョイント３４によって連結されているので、軸３３とね
じり軸９及び軸３３と軸２５のなす角度が変わっても滑
らかに回転運動を伝えることができる。軸２５の回転
は、傘歯車２５ａ，２７，２８，２６ａ，２６ｂ，２９
ａ、プーリ２９ｂ，ベルト３１，プーリ３０を介して第
三制御部１８へと伝わる。すると第三制御部１８内の第
三検出手段としての位置センサ，トルクセンサがグリッ
プ６のねじり角度とトルクとを検出する。

前述した手首の曲げ，傾け，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、その回動角度とトルクとを各検出手
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
マニプレータへ送っ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に送って夫々の制御
部内のモータを回転させることで操作者に反力を伝える
ことができる（バイラテラル制御方式）。

なお、本実施例では手首の曲げをハンド３のｘ軸まわり
の回動に対応させた場合を示したが手首の曲げをｙ軸ま
わりの回動に対応させるようにすることもできる。つま
り、第１図において、操作者の手２ｂの甲を紙面に対し
手前側あるいはむこう側へ向けて使用する構成にするこ
とが可能である。このほか、回転伝達手段は連結部材及
び連動部材の内部に具えているので、各部材の動きによ
って回転運動が妨害されることはない。

Ｈ．考案の効果 以上説明したように本考案によれば、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，ｙ，ｚ軸を中心として回動自在なハンドと
グリップとを操作者の腕の動きと対応して動くアームの
先端に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
とトルクとであり、極めて直感的な操作が可能である。
また、曲げ，傾け，ねじりの角度等を検出する検出手段
をアームに設けハンドの先端部に配置していないので、
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。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本考案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Ｉ−Ｉ矢視図、第３図は手首を傾けた状態
を一部破断して示す第１図のII−II矢視図、第４図は拡
大して示す第３図のIII−III矢視断面図、第５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、４……補助
部材、６……グリップ、９……ねじり軸、１２……連動
部材、１３……中間部材、１５……連結部材、１６……
第一制御部、１７……第二制御部、１８……第三制御
部、２５……軸、２５ａ，２７，２８，２６ａ……傘歯
車、２６……伝達歯車、３２……プーリ、３４……ユニ
バーサルジョイント、３５……ベルト。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項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操作者の手首の基準点で相互に直交
   するｘ，ｙ，ｚ軸として想定し、 操作者の腕の動きと対応して動くアームの先端に、ｘ軸
   に対してもｙ軸に対しても回動自在なハンドを結合する
   とともに操作者の手で握るグリップをねじり軸を介して
   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られるとともに基準点での曲げ，
   傾けの動作を置き換える位置としての置換点で相互に直
   交して前記ｘ，ｙ，ｚ軸に平行なｘ′，ｙ′，ｚ′を想
   定し、 ｚ′軸上に具えられる連動部材を置換点を中心として
   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、ハンドの中心線と連動部材の中心線とが平
   行四辺形の対向する二辺を形成するように、ハンドの中
   心線及び連結部材の中心線を含む面と略直角なピンを介
   して連結部材により、連動部材の先端部とハンドの先端
   部とを連結し、 ｘ′軸，ｙ′軸まわりの連動部材の回動角度等を検出す
   る第一，第二検出手段をアームに具え、ｚ軸まわりのね
   じり軸の回動角度等を検出する第三検出手段をアームに
   具えるとともに連動部材及び連結部材にわたって設けら
   れた回転伝達手段を介してねじり軸と第三検出手段とを
   連動連結したことを特徴とするマスターマニプレータ。