JPS6034282A

JPS6034282A - 着脱自在なマニプレ−タ

Info

Publication number: JPS6034282A
Application number: JP14381183A
Authority: JP
Inventors: 正憲鈴木; 岩塚　信好; 尾崎　典彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1983-08-08
Publication date: 1985-02-21

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】〔発明の利用分野〕本発明は、マニプレータに係如、特に人間の接近が困難
な環境下で使用し、マニプレータ自体の保守を遠隔操作
で実現するマニプレータに関する。

し発明の背景〕原子力関連ｍ役向の保守作業、海中作業もしくは宇宙空
間における各種作業など、人間が接近困難な環境下にお
ける作業は、ロボットを遠隔操作によシ操縦することで
、夾視しようとする考えかめる。−例として、特開５４
−６２７２ｒ設備点検修理方法および遠隔接近マニピュ
レータ」の公知例がある。しかし、これらの公知例は設
備の修理を実現するものであり、修理に用いるロボット
自体の遠隔操作による保守は考慮されていないため、修
理ロボットが故障した場合には、人間が危険を犯して現
場まで行き、その場で修理する必要がめった。

一方、産業用ロボットの分野では、ロボットのす６の先
端部に各棟の操作伎器を空気圧等の流体圧源によって着
脱させるようにしたものがめる（％開５３−１０７０６
１．ｒロボットの操作機器の持ち変え方法）。しかし、
この方法にはあらたな流体圧源を必要とし、それらの付
属設備を必要とするので、ロボット構造が複雑化、重量
化するという欠点があった。また、着脱可能な操作機器
自体の駆動（例えば、グリッパの指開閉）は流体圧源を
用いる他はなく、精密で高度な制御が困難であるという
問題点がめった。特に、前室の人間が接近困難な＃ｉｔ
ｓ下で使用するロボットとしては、保守の繁雑な流体圧
源は不向きであり、また人間に代って複雑な作業を実現
するための高度な制御機能が要求されるので、前述の問
題点はよシ一層深刻なものになっている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記問題点を解消し、別のロボットも
しくは遠隔操作によって着脱でき、かつ着脱のだめの新
たな流体圧源を必要としないマニプレータを提供し、も
って保守性を高めることにある。

し発明の概要〕本発明は、腕の一部分から一単位を構成し、各単位の両
端もしくは一端に、他の単位の一端と着脱自在な着脱機
構を設け、これらの単位を着脱機構によって順次接続す
ることにより、多関節からなる腕を構成することを特徴
とし、また着脱機構として、各単位の端部に他の単位と
嵌合する凹凸部を設け、この凹凸部の配置によって各単
位の結合すべき位置、方向を合わせ、かつ各単位の端部
に各単位の中心軸の回りに回転する機構を装宥した爪を
設け、さらにこの単位と結合する単位の一端に前記型と
係合する凹部を有した台座を設け、前記型を外部からの
指令で回転させることにより、各単位の着脱を夾現し、
前記着脱機構に、電気信号または、動力もしくはその両
方を伝達する手段金偏えた事を％徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第１
図はロボットの全体構成を示したもので、走行車１２は
、双腕のマニプレータｌａ、ｌｂを塔載し、車輪１３に
より走行し、マニプレータｌａ、ｌｂを作業現場まで搬
送する。マニプレータｌａ、ｌｂは全く同一構成である
ので、マニプレータｌａの構成を第２図を用いて説明し
、マニプレータ１ｂの構成の説明は省略する。

マニプレータｌａの架台２は着脱機１５ａ。

１５ｂを介して走行車１２に結合されている。ベース３
ａは架台２に対し矢印１００の方向（架台２の中心を通
る鉛直軸の回りの回転方向）に回転０］′能なように架
台２に結合ａれている。ベース３ｂは、着脱器１６ａ、
１６ｂを介してベース３３ｂと結付されている。上腕５
ａは、肩関節４を介して矢印１０１の方向に回転可能な
ようにベース３ｂと結合されている。上腕５ｂは、着脱
器１７ａ、Ｊ７ｂを介して上Ｎ５ｂと結合されている。

前腕７ａは肘関節６を介して、矢印１０２の方向に回転
可能なように上腕５ｂと結合されている。前腕７ｂは、
着脱器１８ａ、１８１）を介して前腕’１ａＶｃ精曾６
れている。手先部９ａは、手首関節８を介して、矢印１
０３及び１０４の方向（手首の曲げ、掘シに該当する）
に回転可能なように前腕７ｂに結合されている。手先９
ｂは矢印１０５の方向（＋鉢の回転に該当する）に回転
可能なように結合されている。グリッパ１０は、着脱器
１９ａ、１９ｂを介して、手先９ｂと結合されている。

グリッパ１０は物体を把持できるように２本の指１１ａ
、ｌｌｂを備えている。以上のように、マニプレータの
動作自由度は、グリッパの指１１ａ、ｌｌｂの開閉を含
めると、合計７である。これらの動作は、ベース３ａ、
３ｂに内蔵された図示されていない駆動源を用い、その
駆動力を円筒形の伝達機構によって各関節まで伝達する
ことにより、実現されている。

マニプレータｌａは、第３図に示すように腕８０ｂと腕
８２ａと、これら２つの腕を連結する関節８１と、腕８
０ｂの端部に鉄層された着脱器８３ｂと、腕８２ａの端
部に装着された着脱器８４ａとからなる腕の一単位８５
を基本要素として、これら要素の集合体として構成され
ている。

すなわち、腕８０ｂは、前述の走行車１２、ベース３ｂ
、上腕５ｂ、前列７ｂに該当し、関節８１は、架台２、
肩関節４、肘関節６、手首関節８に該当し、腕８２ａは
、ベース３ａ、上腕５ａ１前腕７ａ、手先９ａに該当す
る。着脱器８３ｂ。

８４ａは、それぞれ着脱器１５ａ、１５ｂ、１６ａ。

１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、ｉｓｂ、１９ａ。

１９ｂに該当する。

ここで、腕８２ａは腕８０ｂの内部を通っている伝達軸
３１ｂの回転によって関節軸８１に対して、矢印２００
の方向に回転する。この伝達軸３１ｂは着脱器８３ｂと
図示していない他の着脱器８３ａと結合するときに、他
の着脱器８３ａの内部を通っている伝達軸と結合する。

この着脱器８３ａ、８３ｂを腕８０ａ（図示していない
）と腕８０ｂ、腕８２ｂと腕８２ｂ（図示していない）
に装着する位置は、腕８０ａと８０ｂ（腕８２ａと腕８
２ｂ）の関節からの長さが等しくなるようにすれば、個
々の腕の単位の重量は、はぼ等しくなる。架台２て走行
車１２、ベース３ａと３ｂ、上腕５ａと５ｂ、前腕７ａ
と７ｂ、手先９　ｂとグリッパ１０は、外部からの指令
によυ、それぞれの着脱器１５ａと１５ｂ。

１６ａと１６ｂ、１７ａと１７ｂ、１８ａと１８ｂ。

１９ａと１９ｂの部分で分離可能な構造になっている。

ここで、着脱器１５ａと１５ｂは外部からの指令によシ
、走行車１２と架台２を拘束し、かつその拘束を解放す
る機能をもつ。他の着脱器１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１
６ｂ、１７ａ、１７ｂ。

１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂについても全く同様の
機能をもつ。着脱機・調の構造については後で詳しく述
べる。

次にマニプレータの分解法について説明する。

ここではマニプレータｂｂを用いて、マニプレータｌａ
ｉ分解する場合について説明する。マニプレータｌｂを
遠隔操縦することによシ、マニプレータ１ａのグリップ
ｌＯを把持する。次に、外部から漸脱愼構１８の拘束を
解放する指令金与える。

着脱機構１８の拘束解放後、マニプレータｉｂを操縦し
てグリップｌＯｔ手先９ｂから引抜く。この手順を順次
行なうことにより、［グリッパ１０］と、し手先９ａ、
９ｂ、手首関節８、前腕７ｂ）と、し前腕７ａ、肘関節
６、上腕５ｂ）と、〔上腕５ａ、屑関角）４．ベース３
ｂ〕、しベース３　Ｂ　。

架台２〕の５組からなる腕のコンポーネントに分解でき
る。各コンポーネントの重量ｒ１現在市販されているパ
イラテ２ルサーボマニプレークの可搬殖盪約２０Ｋｆ以
下に構成しておけば、これらＯｆ「業’（ｆ−実施する
ことは容易でめる。

次に、着ｍ機構について詳細に説明する。第４図〜第７
図は、涜脱機構の基本構造を示したもので、図の複雑化
−ｉｓけるため、着脱機構で伝達される駆動軸が１本の
場合に、腕の一部１４ａと池の腕の一部１４ｂ會着脱機
＠２０で結合する構造？示す。着脱機構は、腕の一部１
４８に固定された着脱器２０ａと、他の腕の一部１４ｂ
に固定さく９）れた着脱器２０ｂとから構成される。

着脱器２０ａは、着脱器２０ｂと結合する端部の外周近
くに３つの四部２１ａ、２１ｂ、２１ｃがある。一方、
着脱器２０ｂの端部には、四部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ
とそれぞれ嵌曾する円錐状の凸部２２ａ、２２ｂ、２２
ｃがある。台座２３は、軸受２４ａ、２４ｂを介して、
着脱器２０ａの中心軸に関して回転できるように結合さ
れている。

台座２３の一端の内面には、３本の爪２５ａ。

２５ｂ、２５ｃがある。一方、台座２６は、着脱器２０
ｂの端部に固定され、台座２３の爪２５ａ。

２５ｂ、２５ｃと保合する３本の爪２７ａ、２７ｂ。

２７Ｃをその周囲に有する。腕の一部１４ａの内部には
、腕の他の一部１４ｂの先にある関節を駆動する伝達軸
２８ａが通っており、台座２３の中心部にあけられた穴
に固定された軸受２９ａ。

２９ｂによって、台座２３の回転と独立して回転できる
ように支持されている。伝達軸２８ａの一端は、ベース
３ｂに内蔵されたモータ３ｏと結合され、他の一端には
、伝達軸２８ａの軸方向に摺（ｌＯ）＃Ｉｂ可能なように結合されたセレーション軸３１ａヲ
有する。セレーション軸３１ａと嵌合できるセレーショ
ン穴３１ｂは、着脱機２（）ｂの中心部の穴に固定され
′ｆｉ：、軸受３３ａ、３３ｂによってセレーション穴
の中心軸に関して回転できるように着脱器２０ｂに支持
されている。セレーション穴３１ｂの他端には、伝達軸
２８ｂが固定されている。セレーショ／Ｉｔｉ［！１３
１ａと軸受２９ａの間には、皿はね３３が装着されてい
る。クラッチ３４は、着脱器２０ａの他端に装着はれて
２．！ｌｌｌ、その入力軸には歯車３５ｂ１その出力軸
には歯車３５ｃが固定されている。歯車３５ｂは、伝達
軸２８ａに固定された歯車３５ａと係合し、歯車３５ｃ
は、台座２３ｂの他端に外周に固定された歯車３５ｄと
保合する。台座の他端の・ｉ面には、ストッパ金具３６
が固定されており、これと向い合う着脱器２０ａの面の
２ケ所にストッパ金具３７　ａ、　３７ｂが固定されて
いる。ストッパ金具３６には、磁石３８が固定されてい
る。着脱器２０ａの着脱機２０ｂとの結合面には接点３
９　ａ　、、　３９　ｂが装着（１１）されている。着脱器２０ｂの着脱器２０ａとの結合面に
は接点３９Ｃ，３９ｄが着脱器２０ａと２０ｂが密着し
たとき接点３９ａ、３９ｂとそれぞれ電気的に結付する
ような位置に鉄層されている。但し、接点３９　ａ、　
３９　ｂ、　３９　ｃ、３９　ｄは、着脱器２０ａ、２
０ｂとは電気的絶縁が施されて３す、接点３９ａと３９
ｂは電気的に結合されている。すなわち、着脱器２０ａ
と２０ｂが密層したことを検出するスイッチ４０を構成
している。ストッパ金具３７ａ、３７ｂには台座２３０
回転限界を検出する図示されていないリミットスイッチ
４１ａ、４１ｂが装着されている。第８図は、着脱機構
の制御回路を示したものである。スイッチ４０は、コン
パレータ４２に接続され、コンパレータはアンプ４３に
破続されている。アンプ４３の出力はクラッチ３４を制
御する。一方、リミットスイッチ４１ａ、４１ｂはコン
パレータを含む制（ｉｉｉ１１回路４４に入力され、そ
の出力信号１２（１：、アンプ４５とコンパレータ４３
のストローブ入力となる。また、制御回路４４のもう−
（１２）つの出力信号１２１はアンプ４５に入力され、モータ３
０を制御する。

次に着脱機構の動作原理について説明する。

台座２３が台座２６と互いの爪２５　ａ、　２５　ｂ。

２５ｃと２７ａ、２７ｂ、２７ｃとが嵌合する回転位置
にめシ、ストッパ金具３６がストッパ金具３７ａと接触
し、磁石３８によって吸着されているとき、リミットス
イッチ４１ａはＯＮとなシ、その位置を離れるとＯＦＦ
となる。また、台座２３と台座２６の爪２５ａ、２５ｂ
、２５ｃと２７ａ、２７ｂ、２７ｃとが完全に重なシ、
抜けない状態になり、ストッパ金具３７ｂと接触して磁
石３８によって吸着されているとき、リミットスイッチ
４１ｂはＯＮとなシ、それ以外の状態ではＯＦＦとなる
。

最初に、リミットスイッチ４１ａｔ−ＯＮの状態になる
まで、台座２３を回転させておく。次に凸部２２ａ、２
２ｂ、２２ｃと凹部２１ａ、２１ｂ。

２１ｃとがそれぞれ対応するように位置合わせ後、凸部
２２ａ、２２ｂ、２２ｃが凹部２１　ａ、　２１ｂ。

（１３）２１ｃに嵌合させ、着脱器２０ａと２０ｂが密層するま
で押し込む。このとき伝達軸２８ａは、セレーショ／＠
３１ａとセレーション穴３　ｌ　ｂとが嵌合しｆすいよ
うに、非常にゆつくシと、モータによシ回転させておく
。両着脱器２０ａ、２０ｂが密着すると接点３９ａと３
９ｃ、３９ｂと３９ｄとが接触し、接点３９ａと３９ｃ
とが電気的に結合される。すなわち、スイッチ４０がＯ
Ｎ（！：なる。

これをコンパレータ４２で検出し、その出力信号によっ
てアンプ４３（Ｉ−ドライブし、クラッチ３４をＯＮに
する。このとき、伝達軸２８ａの回転に応じて歯車３５
ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄが回転し、台座２３が回転
する。台座２３０回転に伴って爪２５ａ、２５ｂ、２５
ｃと爪２７　ａ、　２７ｂ。

２７Ｃとが係合し、ストッパ金４３６とストッパ金具３
７ｂとが接触し、リミットスイッチ４１ｂがＯＮとなシ
、制御回路４４から停止信号１２０が発生し、アンプ４
３．４５をＯＦＦにする。その結果、モータ３０は停止
し、クラッチはＯＦＦとなり、伝達軸２８ａ、台座２３
は停止する。こ（１４）のとき、台座２３はストッパ金具３６に装着きれている
磁石３８の吸着力によってストツノく金具３７ｂに固層
δれる。以上で、装着が完了する。

次に、着脱器２０ａと２０ｂを離す場合について説明す
る。破初に、台座２３０回転に伴って、ストッパ金具３
６がストッパ並具３７ｂからストッパ金具３７Ｈの方向
に動くように、制御回路４４の出力［ば号ｉｚｉ’ｉ設
建する。次に、停止信号１２０をリセットし、ア／グ４
３，４５をＯＮにする。このとさ、モータ３０の回転に
伴って、伝達＠２８ａが回転し、同時にクラッチがＯＮ
となるので、台座２３が回転する。台座２３が回転し、
ストッパ金具３６がストッパ金具３７Ｈに接触すると、
リミットスイッチ４１ａがＯＮとなシ、再び制御回路４
４から停止信号１２０が発生する。

その結果、モータ３０は停止し、クラッチはＯＦＦとな
り、伝達＠２８　ａｔ台座２３は停止する。このとき、
台座２３は磁石３８の吸着力によりストッパ金具３７ａ
に固定される。この状態では爪１２５ａ、２５ｂ、２５
ｃと爪２７ａ、２７ｂ。

（１５）２７Ｃとが重ならないので、着脱器２０ｂを引抜くこと
ができる。以上で、着脱器の分離が完了する。

次に電気信号の結合について第９図〜第１１図を用いて
説明する。着脱器２０ａの端面に、絶縁体５０で絶縁さ
れた電気端子５０を装着し、着脱器２０ｂの端面には絶
縁体５１で絶縁された電気端子５３を装着する。電気端
子５０と５１は着脱器２０ａと２０ｂが密層したとき、
全ての電気端子５１が各々対応する′電気端子５０に挿
入できる位置に配置してめる。従って着脱器２０ａと着
脱器２０ｂとが、四部２１ａ、２１ｂ、２１Ｃと凸部２
２ａ、２２ｂ、２２ｃが嵌合することによ如密着すると
き、同時に、電気端子５１が電気端子５０に嵌合し、電
気信号が請合される。

以上の例では、動力伝達軸が１軸の場合でめったが、−
力伝達軸が複数の場合には、台座２３゜２６０形状が第
１２図に示すように異なる。すなわち、本例では、動力
伝達軸は、３１，６１゜６２の３軸める。伝達軸６２ａ
は、軸受５１ａ。

（１６）５１ｂを介して、台座の回転とは独立して回転できるよ
うに支持されている。伝達軸６２ａの回転には独立して
回転できるように伝達軸６２ａに支持されている。同様
に伝達軸３１ａは、軸受５３ａ１５３ｂを介して、伝達
軸６１ａの回転に独立して回転できるように伝達軸６１
ａに支持されている。同様に、伝達軸６２ｂは、軸受５
４ａ。

５４ｂを介して、８ｍ２６に独立して回転できるように
台座２６に支持されている。伝達軸６１ｂは、軸受５４
ａと図示されていない腕の他の一端１４ｂの近くに伝達
軸６２ｂに連結された軸受を介して、伝達軸６２ｂの回
転に独立して回転できるように、伝達軸６２ｂに支持さ
れている。伝達軸３１ｂに関しても、同様に軸受５６ａ
などを介して、伝達軸６１ｂの回転とは独立して回転で
きるように、伝達軸６１ｂに支持されている。第５図に
該当する平歯車３５ａは、一番外側の伝達軸６２ａに結
合されている。本例の場合の着脱機構の動作原理は、第
４図に示した伝達軸が単軸の場合と同様であるので省略
する。また、伝達軸が３（１７）本以外で複数個める場付も、同様である。葦た、−変形
例としてクラッチ３００代りに別個モータを設け、これ
によシ台座２３を回転させてもよい。

本実施例によると歯車３５　ａ、　３５　ｂが不要にな
る効果がある。

以上詳述し友ように、本実施例によれば、別のマニプレ
ータを遠隔操縦することにより、マニプレータのコンポ
ーネント別分解、組立が可能になシ、組立時に動力軸と
屯気倍号巌を同時に結合するので、組立完了後、直ちに
動作可能となる効果がめる。

第１３図〜第１５図は、電気信号の他の接続例を示した
ものでめｐ１１００〜第１１図に示した例と次の点が異
なる。′電気端子５０の代如に電気接点７１を使用し、
これを百座２３に放射状に配置し、ドーナツ状の絶縁体
５２で絶縁した事、かつ電気端子５１の代シに電気接点
７２で置き換え、電気接点７２Ｆ１１１：ｆｉ接点７１
と同一の放射形状に配置し、ドーナツ状の絶縁体５３で
絶縁した事が異なる。′ｉだ、着脱時に台座２３を回転
させる時、（１８）電気接点７１に接続される電気信号は、全て０−ＦＯＦ
Ｆにして２〈必要かめる。本実施例によれば、電気信号
の接続のときに、微妙な位置決めが不要になる効果がめ
る。

また、第４図の変形例として、伝達軸継手であるセレー
ション軸３１　ａ、セレーション穴３１ｂの代シに、Ｍ
振板を使用してもよい。本実施例によれば、伝達軸の結
合時に、微妙な位置決め及び、バンクラッシュを除去で
きる効果がある。

また、他の実施例として、第２図における着脱機構１５
〜１９′ｆ：全て同一の形状にし、任意のコンポーネン
トと着脱可能にする。本実施例によれば、一部分のコン
ポーネントが故障しても、故障していないコンポーネン
ト全つなぎあわせることで、マニプレータとしての載能
を維持させることができる効果がるる。

〔発明の効果〕

以上詳述した事から明らかなように、本発明によれば、
遠隔操作により、マニプレータのコンポーネント別分解
、組立が可能となシ、マンプレー（１９）りの保守性を高める効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体の外観図、第２図は第
１図を側面からみた図、第３図は腕の一単位を示す外観
図、第４図は本発明の主要部をなす着脱機構の外観を拡
大した図、第５図は第３図の中心を切った断面図、第６
図は、第５図の左に示した部品を右側面図の右半分を示
した図、第７図は第５図の右側に示される部品の左側面
図の左半分を示した図、第８図は本発明の一実施例を示
す制御ブロック図、第９図は本発明の一変形例を示す断
面図、第１０図は第９図の左側に示される部品の右側面
図、第１１図は第９図の右側に示される部品の左側面図
、第１２図は第４図で示した実施例の一変形例を示す部
か断面図、第１３図は本発明の他の一変形例を示す断面
図、第１４図は第１３図の左側に示される部品の右側面
図、第１５図は第１３図の右側に示される部品の左側面
図である。ｌａ、ｌｂ・・・マニプレータ、３ａ、３ｂ・・・ベー
ス、（２０）５ａ、５ｂ・・−上腕、７　ａ、　７　ｂ−・・前腕、
９ａ、９ｂ・・・手先部、ｌＯ・・・グリッパ、１６，
１７，１８゜１９．２０ａ、２０ｂ−・・着脱機構、２
３．２６−・・台座、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２７ａ
、２７ｂ。２７　Ｃ・・・爪、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ＝凸部、２
１ｇ、２１ｂ、２１ｃｍ−−凹部、３１ａ、６１ａ。６２　ａ　・−・セレーション軸、３１ｂ、６１ｂ、６
２ｂ・・・セレーション穴、５０．５１・・・電気端子
、７１．７２・・・電気接点。代理人　弁理士　高橋明夫（２１）第　Ｉ　目６第　７４　口第　１５　口

Claims

【特許請求の範囲】１、多関節を有するマニプレータにおいて、腕の一部か
ら１率位を得成し、各単位の一端と他の単位の一端が腕
の端部で着脱する手段を各単位の一端もしくは両端に有
し両端に前記着脱手段をもった単位を少なくとも一つ以
上含んだ前記単位から構成されることを特徴とする着脱
自在なマニプレータ。２、前記着脱手段において前記単位の一端の断面部に凸
部もしくは四部を有し他の単位の一端には凹部もしくは
凸部を有し前記２つの単位は前記凸部と凹部が嵌合する
ことで結合する構造を有し前記単位のいずれか一方には
前記単位の中心軸の回りに回転可能な爪と前記爪を回転
させる手段とを有し他の一方には前記爪と係合する爪を
有する台座を有し前記両単位の凹凸部の嵌合後に前記回
転可能な爪が前記台座に対し回転し前記両爪が係合する
構造を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の着脱自在なマニプレータ。３、前記着脱手段において畦気的結合手段又は動力伝達
手段又はその両方を有することを特徴とする特許請求の
範囲第２項記載の着脱自在なマニプレータ。