JPH03208586A - マニピュレータの手先効果器交換方法 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、マニピュレータの先端部に取り付けられる手
先効果器の交換方法に関する。

（従来の技術） マニビュレータは、たとえば原子力設備などのように、
人間が入ることのできない環境下で人間に代って作業を
行わせるときなどに広く使われている。マニピュレータ
には、操作側と作業側とに相似的なマニピュレータを配
置することによって操作性を向上させたものや、ジョイ
スティクなどで操作するものなどがある。

ところで、このようなマニピュレータで作業を行なわせ
るには、作業内容に応じた手先、つまり作業内容に応じ
た手先効果器を使うことが望まれる。このような手先効
果器を使うには、作業内容か変る度に手先効果器を交換
する必要がある。この交換は、多くの場合、作業者の手
作業によって行われている。しかし、作業者の千作業に
よる交換では、たとえばマニピュレータが伸縮自在なブ
ームの先端部に取り付１ナられているような場合には、
手先効果器を交換する度にブームを縮ませてマニピュレ
ータを地上近くまで降ろさなければならず、交換に長時
間を要する問題がある。

そこで、最近では上述した不具合を解消するために、マ
ニピュレータの先端部に取り付けられる手先効果器を自
動交換できる効果器着脱装置が考えられている。この効
果器着脱装置は、作業者かマニピュレータを操作して、
マニピュレータの先端部か効果器着脱Ｈ　ｉ＆に対して
予め定められた関係に正確に位置決めされたときに手先
効果器の着脱が行なわれるように構成されている。

しかしながら、このような効果器着脱装置を使用する方
注では、マニピュレータか低剛性で揺れ易い構造であっ
たり、あるいは外乱、すなわち風などによってマニピュ
レータが揺れたときには、マニピュレータの先端部を効
果器着脱装置に対して゛正確に位置決めすることが困難
となる。このため、マニピュレータの操作に高度の熟練
を要するばかりか、接続ミスによって手先効果器が落下
するなどの虞があった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の手法では、安全で、操作が容易で、
しかも短時間に手先効果器を交換することか困難であっ
た。

そこで本発明は、上述した不具合を解消でき、作業者の
精神的負担も軽減できるマニピュレータの手先効果器交
換方法を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明方法では、マニピュ
レータの手先効゛果器を交換するに当り、少なくともマ
ニピュレータの先端部を把持可能な把持機椹と、二の把
持機構を移動させてマニピュレータの先端部を誘導する
誘導手段と、誘導されたマニピュレータの先端部に対し
て手先効果器を着脱する効果器着脱手段とを備えた効果
器着脱装置を用意しておき、マニピュレータの先端部を
前記把持機楕で把持可能な位置まで移動させた後に、前
記効果器着脱装置を動作開始させるとともに上記効果器
着脱装置が動作している間中、マニピュレータの制御形
態を外力によって自由に動き得る制御に切換えるように
したことを特徴としている。

（作　用） 手先効果器の交換に際し、作業者がマニピュレータの先
端部を把持機構で把持可能なおおよその位置まで移動さ
せる操作を行う。この状態で、効果器着脱装置を動作開
始させるとともに上記効果器着脱装置が動作している間
中、マニピュレータの制御形態を外力によって自由に動
き得る制御ニ切換える。この結果、マニピュレータは効
果器着脱装置の動きに追従して動くようになる。一方、
効果器着脱装置は、マニビ．ユレータの制御系に邪魔さ
れることなく、予め定められたプログラムにしたがって
マニピュレータの先端部を交換に必要な形態に自由に動
かしながら手先効果器の取り外し、あるいは取り付けを
行う。したがって、短時間に確実な交換か可能となる。

また、作業者の行う作業はマニピュレータの先端部を把
持機構で把持可能なおおよその位置まで移動させる操作
だけとなるので、熟練を必要としない。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１閃には本発明方法を実施するためのマニピュレータ
システムの概略構成が示されている。

同図において、１は作業用のマニピュレータを示してい
る。このマニピュレータ１は、その基端部がベース２に
固定されている。マニピュレータ１の先端アーム３の先
端部には作業内容に応じた手先効果器を着脱自在に取り
付けるための接続部４が設けられている。そして、マニ
ピュレータ１の各関節は、マニピュレータ制御器５の出
力によって制御される。この制御器５は、たとえばマス
タスレーブマニピュレータの場合を例にとると、常時は
図示しないマスクマニピュレータに対応した動作を行わ
せる、いわゆる通常の制御モードでマニピュレータ１を
制御する。しかし、信号Ｓ１が導入されている間は、マ
ニピュレータ１に加えられた外力に合わせてマニピュレ
ータ１を移動させる制御モードに切換えるように構成さ
れている。

一方、図中１０はベース２と同じベース上あるいは別の
ベース上に設置された効果器着脱装置を示している。こ
の効果器着脱装置１０は、大きく別けて、位置検出装置
１１と、この位置検出装置１１の後方に配置された着脱
装置本体１２と、着脱装置本体１２を制御する制御器１
３とで構成されている。

位置検出装置１１は、ベース２の上面に適度な可撓性を
有する柱体１４を突設するとともに、この柱体１４の一
側面に、第２図に示すように独立した小さい接触センサ
１５を上下方向に３列に亘って複数個取り付けたものと
なっている。すなわち、この位置検出装置１１は、第２
図中に２点鎖線で示すように、マニピュレータ１の先端
アーム３かセンサ取り付け面に触れたとき、この先端ア
ーム３に触れた接触センサ１５から出力を送出させ、こ
の出力によって先端アーム３の位置を検出できるように
している。そして、各接触センサ１５の出力は制御器１
３に導かれて解析される。

着脱装置本体１２は、支柱１６と、この支柱１６を第１
図中実線矢印１７で示す方向および紙面と直交する方向
に移動させる駆動装置１８と、支柱１６に図中実線矢印
１つで示す方向に移動自在に支持された着脱機構２０と
、この着脱機構２０を駆動する図示しない駆動機構とで
構成されている。

着脱機構２０は、概略第３図に示すように構成されてい
る。すなわち、開口部を位置検出装置１１側に向けて支
柱１６に実線矢印１９で示す方向に移動自在に取り付け
られフレーム２１と、このフレーム２１内に効果器Ｐを
保持する保持機構２２ａ．２２ｂと、効果器Ｐとフレー
ム２１の開口端との間に小径部側を効果器Ｐ側に位置さ
せて配置されたせっ如円錘状の軸合せ用位置検出器２３
と、フレーム２１に図中実線矢印２４．２５で示す方向
および紙面と直交する方向に移動自在に取り付けられた
一対の把持機構２６ａ．２６ｂとて構成゛されている。

保持機構２２ａ．２２ｂは、たとえばブランジャ式のも
ので、制御器１３から保持指令が与えられているときに
は互いのプランジャを接近させる方向に突出させて効果
器Ｐを挾持する。そして、保持指令の供給が停止される
と、互いのブランジャを後退させて扶持動作を停止する
ように構成されている。なお、効果器Ｐは、保持機構２
２ａ．２２ｂによって挾持されるとき、その接続部Ｑが
軸合せ用位置検出器２３の側に位置し、かつ接続部Ｑの
軸心線が軸合せ用位置検出器２３の軸心線と一致するよ
うに保持される。

軸合せ用位置検出器２３は、第４図に模式的に示すよう
に、せっ頭円錘筒の内面に小さい接触センサ２７を周方
向および軸方向に亘って複数配置したものとなっている
。これら接触センサ２７は、軸方向に隣接するもの同志
が共通の支持板（図示せず。）によって支持されている
。すなわち、複数の支持板によってせっ頭円錘筒状の接
触センサ支持面が形成されている。各支持板の大径部側
に位置する端部は、ヒンジ２８（第３図参照）を介して
フレーム２１に回動自在に支持されている。

また、各支持板の小径部側に位置する端部は遊端となっ
ている。そして、各支持板の中間位置は、それぞれ１対
１の関係に設けられたアクチュエータ２９に連結されて
いる。各アクチュエータ２つは、電磁プランジャや形状
記憶合金などで形成されたもので、非動作時に各支持板
の中間部に内側に向かう力を与える。この力の印加によ
って各支持板がヒンジ２８を支点にしてそれぞれ内側に
回動し、結果として第４図に示すように、せっ頭円錘筒
の内面に接触センサ２７を周方向および軸方向に亘って
複数配置した形態を形成する。また、各アクチュエータ
２つは、動作時に各支持板の中間部に外側に向かう力を
与える。この力の印加によって各支持板がヒンジ２８を
支点にしてそれぞれ外側に回動し、結果として第５図に
示すように、効果器Ｐより人一径の円筒の内面に沿った
形態を形成する。このような各アクチュエータ２９の制
御は制御器１３からの指令によって行われる。また各接
触センサ２７の出力は制御器１３に導かれて解析される
。

把持機構２６ａ．２６ｂの先端部には、第６図に示すよ
うに、掴み部３１ａ，３ｌｂか設けられている。そして
、梱み部３１ａ，３１ｂの梱み面３２にはそれぞれ接触
センサ群３３が取り付けられている。各梱み部３１ａ，
３１ｂ内には、係合ピン３４が出役自在に装着されてい
る。これら係合ピン３４は、掴み部３１ａ，３１ｂにそ
れぞれ内蔵されたアクチュエータ３５によって移動制御
される。各アクチュエータ３５は制御器１３の出力によ
って制御される。この例では先端アーム３の側面で対向
する部分に係止用の凹部３６が形成されている場合を対
象にしている。制御器１３は、掴み部３１ａ，３１ｂを
互いに接近させる方向に移動制御し、この制御によって
接触センサ群３３か先端アーム３の側面に触れたとき、
接触センサ群３３の出力から姐部３６の位置を検出し、
この凹部３６に係合ピン３４が係合し得る位置へ把持機
構２６ａ，２６ｂを移動させた後、各アクチュエータ３
５を駆動して第７図に示すように係合ピン３４を凹部３
６に係合させるようにしている。

すなわち、この例では上記係合によって把持機構２６ａ
，２６ｂによる把持状態をより確かなものとしている。

マニピュレータ制御器５は、制御器１３から信号Ｓ，が
与えられている間は、マニピュレータ１を外力によって
自由に動き得る制御モードに切換える。この制御は第８
図に示す制御系によって行われる。この図は任意の１つ
のアームについての制御系だけを示している。すなわち
、上記アームの関節に取り付けられた位置センサ４１で
得られた位置信号Ｒ１と他のアームの関節に取り付けら
れた位置センサ群４２で得られた位置信号群Ｒ２とを重
力補償演算部４３に導入している。重力補償濱算部４３
は、これらの人力ｉａ号に基いてアームの姿勢角を求め
、この姿勢角と予め判明しているアームの物理定数、す
なわち重量、リンク長、重心長とを用いて重力、自重を
計算する。算出された重力信号Ｒ，は加算器４４の一方
の入力端に導入される。加算器４４の他方の人力端には
アームに取り付けられたカセンサ４５で得られた力信号
Ｒ５が導入される。加算器４４は、力信号Ｒ５から重力
信号Ｒ，分を差し引いた信号、つまり外力信号Ｒ０を出
力する。この外力信号Ｒ６はＰＩＤ調節器４６を介して
加算器４７の一方の入力端に導入される。一方、重力補
償演算部４３で算出された自重信号Ｒ４は加算器４７の
他方の入力端に導入される。そして、加算器４７におい
て、外力信号Ｒｂと自重信号Ｒ４とが加算され、この加
算信号Ｒ７がドライバ４７の駆動指令として与えられる
。したかって、アームに外力が加わると、この外力の通
りにアームの位置が制御されることになる。

次に、上記のように構成されたマニビュレータシステム
において、マニピュビュレータ１の接続部４へ手先効果
器Ｐを装着する例を第９図がら第１２図を適宜参照しな
から説明する。

まず、定常状態において、マニピュレータ制御器５は通
常制御モード、つまりマスタマニピュレータやジョイス
ティクに応じてマニピュレータ１を制御する形態にある
。このような状態において、たとえばマスタマニピュレ
ータを操作して、マニピュレータ１の先端アーム３の側
面を第９図に示すように位置検出装置１１の接触センサ
１５に接触させる。

マニピュレータ１の先端アーム３の側面が位置検出装置
１１に設けられたいずれかの接触センサ１５に触れると
、その接触センサ１５から出力Ｓ２が送出され、この出
力Ｓ２が制御器１３に導入される。制御器１３は、出力
Ｓ２を送出した接触センサ１５の位置から先端アーム３
の現在位置を解析し、着脱装置本体１２に駆動指令を与
える。

同時に信号Ｓ１を立ち上げ、この信号Ｓ１をマニピュレ
ータ制御器５に与える。

マニピュレータ制御器５は、信号ＳＩか与えられると、
通常制御モードから外力に応じてマニビュレータ１を自
由に動作させる制御モード、つまり第８図に示した制御
系を使う制御モードに切換わる。

一方、制御器】゛ウは盛脱装置本体１２を次のように制
御する。すなわち、まず着脱機構２０の軸心線が先端ア
ーム３の前方に位置するように着脱機構２０を移動させ
た後、着脱機構２０を一定距離前進させ、続いて把持機
構２６ａ，２６ｂを位置検出装置１］に対して一定距離
近くまで前進させる。次に、梱み部３１ａ，３１ｂを互
いに接近させる方向に移動させ、第１０図に示すように
、掴み部３１ａ，３１ｂで先端アーム３を挾持させる。

この挾持動作は第７図に示した条件を満たすように行わ
れる。

次に、制御器１３は、位置検出装置１１から先端アーム
３を一定距離たけ離す方向へ着脱機構２０を移動させる
ように制御する。このときマニピュレータ制御器５は、
すてに外力に応じてマニピュレータ］を白山に動かす制
御モードに切換わっている。したかって、マニビュレー
タ１は、着脱機横２０の動きに追従して動く。次に、制
御器１３は、把持ｌｍ　６Ｗ　２　６　ａ　，　　２　
６　ｂを後辺させるように制御する。このように、把持
機楕２６ａ，２６ｂを後退させると、先端アーム３がフ
レーム２１に徐々に近付き、ついには接続部４が軸合せ
用位置検出器２３内へと侵入する。このとき、効果器Ｐ
の軸心線と先端アーム３の軸心線とが一致していないと
きには、接続部４が軸合せ用位置検出器２３を構成して
いるいずれかの接触センサ２７に接触する。制御器１３
は、出力を送出した接触センサ２７の位置から先端アー
ム３の軸ずれ量を検出し、軸ずれ量を零にするように把
持機構２６ａ，２６ｂの位置を制御しながらさらに把持
機構２６ａ，２６ｂを後退させる。

この後退誘導制御によって、ついには第１１図に示すよ
うに、先端アーム３の接続部４が効果器Ｐの接続部Ｑに
接続される。制御器１３は、接続部４か効果器Ｐの接続
部Ｑに接続された旨の信号を受けると、第１２図に示す
ように、保持機構２２ａ．２’）ｂのブランジャを後退
させるように制御し、さらに各アクチュエータ２９を動
作状態に制御する。各アクチュエータ２９が動作すると
、軸合せ用位置検出器２３の接触センサ２７を支持して
いる各支持板が第５図に示すように円錘筒の形態から円
筒に近い形態へと回動して効果器Ｐの道路を形成する。

この状態で制御器１３は、再び把持機横２６ａ，２６ｂ
を前進させる。この前進によって、効果器Ｐの取り付け
られた先端アーム３は、フレーム２１で囲まれた領域か
ら外部へと移行する。そして、把持機構２６ａ，２６ｂ
が一定距離前進した時点において、制御器１３は把持機
横２６ａ．２６ｂに把持動作を停止させる信号を与える
とともに着脱機構２０を第１２図中紙面と直交する方向
に一定距離移動させる信号を送出し、さらにマニピュレ
ータ制御器５への信号Ｓ，の供給を停止する。したがっ
て、ここに効果器Ｐの取り付けが終了し、以後、マニビ
ュレータ１は通常制御モードで制御されることになる。

なお、効果器Ｐを取り外すときには軸合せ用位置検出器
２３および保持機購／）２，，２２ｂの動作が上述の場
合とは逆の動作となり、他は同様の動作となる。

このように、効果器着脱装置１０を使ってマニビュレー
タ１の先端部に効果器Ｐを着脱するに際し、効果器着脱
装置１０の把持機構２６ａ，２６ｂで把持可能な位置ま
でマニピ二レータ１の先端部を移動させた後に、効果器
着脱装置１０を動作開始させるとともに効果器着脱装置
１０が動作している間中、マニピュレータ１の制御形態
を外力によって自由に動き得る制御に切換えるようにし
ている。したがって、効果器Ｐを交換するに際し、作業
者はマニピュレータ１の先端部を効果器着脱装ｉｉｆｌ
Ｏの把持機構２６ａ，２６ｂで把持可能な位置まで移動
させる操作を行うだけでよい。

そして、以・後はマニピュレータ１の制御系には一切邪
魔されることなく効果器着脱装置１０が自動的に効果器
Ｐを交換することになる。このため、作業者の作業を大
幅に容易化でき、また安全かつ迅速に交換することが可
能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

すなわち、効果器着脱装置の構成は実施例の構或に限ら
れるものではなく、自動着脱できるものであればよい。

また、位置検出装置１１および軸合せ用位置検出器２３
は接触センサ式のものに限らず光学式のものを用いても
よい。

［発明の効果］ 以上説明したように、一本発明によれば、熟練を伴わな
い簡単な操作だけで、安全かつ迅速に手先効果器を交換
できるマニピュレータの手先効果器交換方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明交換方法を適用したマニピュレータシス
テムの概略構成図、第２図は同システムの効果器着脱装
置に組込まれた位置検出装置の構成を説明するための図
、第３図は同効果器着脱装置に組込まれた着脱機構の構
成説明図、第４図は同効果器着脱装置に組込まれた軸合
せ用位置検出器を模式的に示す斜視図、第５図は同軸合
せ用位置検出器を後退させたときの斜祖図、第６図は効
果器着脱装置に組込まれた把持機構の拙み部の構成を示
す図、第７図は同佃み部の動作状態を示す図、第８図は
マニピュレータ制御器を外力に応じて動作させるモード
に切換えたときに制御系の概略構成を示す図、第９図か
ら第１２図は効果器の取付け動作を順を追って示す図で
ある。 １・・・マニピュレータ、２・・・ベース、３・・・先
端アーム、４・・・接続部、５・・・マニピュレータ制
御器、１０・・・効果器着脱装置、１１・・・位置検出
装置、１２・・・着脱装置本体、１３・・・制御器、１
５．２７・・・接触センサ、２０・・・石脱機構、２２
ａ，２２ｂ・・・保持機構、２３・・・軸合せ用位置検
出器、２６ａ，２６ｂ・・・把持機構、２９・・・アク
チュエー夕、３１ａ，３ｌｂ・・・掴み部、４１・・・
位置センサ、４３・・・重力補償項算部、４５・・・カ
センサ、４７・・・ドライバ、Ｐ・・・効果器、Ｑ・・
・接続部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マニピュレータの手先効果器を交換するに当り、
   少なくともマニピュレータの先端部を把持可能な把持機
   構と、この把持機構を移動させてマニピュレータの先端
   部を誘導する誘導手段と、誘導されたマニピュレータの
   先端部に対して手先効果器を着脱する効果器着脱手段と
   を備えた効果器着脱装置を用意しておき、マニピュレー
   タの先端部を前記把持機構で把持可能な位置まで移動さ
   せた後に、前記効果器着脱装置を動作開始させるととも
   に上記効果器着脱装置が動作している間中、マニピュレ
   ータの制御形態を外力によって自由に動き得る制御に切
   換えるようにしたことを特徴とするマニピュレータの手
   先効果器交換方法。
2. （２）外力によって自由に動き得る制御は、マニピュレ
   ータの各軸に加わる負荷トルクを検出する力センサの出
   力を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のマニ
   ピュレータの手先効果器交換方法。