(57)【要約】【課題】狭隘部や複雑形状部において、重量のある作業装置を任意の位置および姿勢へ移動するための屈曲機構を提供する。【解決手段】本発明の屈曲機構は、２つの剛体と該剛体間を接続する駆動部と、該駆動部を制御する制御装置を備え、該制御装置は、動作時に該剛体の相互の位置関係を固定し保持する動作時固定手段と、非動作時に該剛体の相互の位置関係を固定しない非動作時開放手段を有することを特徴とする。また、球体の回転静止時に、電磁石を磁化することで球体との間に引力を発生し、互いに接着することで、保持トルクを増加させる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体および剛体と、それらを接続する駆動部と、該駆動部を制御する制御装置と、該制御装置に対し、操作員の指令を入力する入力手段を備え、該駆動部は、該球体と該剛体間の位置関係を保持、もしくは開放させることを特徴とする屈曲機構。
【請求項２】
請求項１に記載の屈曲機構において、
前記駆動部は、超音波を発生させる少なくとも１つの弾性円環であり、前記球体の中心を該弾性円環の中心軸が通るように配置され、該弾性円環の中心軸上に電磁石を備え、該球体静止時に保持トルクを増加させるために該球体と該電磁石間に引力を発生させることを特徴とする屈曲機構。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載の屈曲機構において、
該入力手段は、円筒形グリップの垂直方向の中心部に、３軸方向の力と３軸周りのトルクを検知する力・トルク検出器を備え、その出力信号を基に、該入力手段に加わる力・トルクを算出する力・トルク算出手段と、算出した力とトルクから該屈曲機構の該駆動部のうち動作させる駆動部を選択する駆動部選択手段と、前記駆動部の屈曲角制御量を算出する屈曲角制御量算出手段を備えたことを特徴とする屈曲機構。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の屈曲機構において、
機構先端部に目視検査装置，探傷検査装置，補修および保全装置のうち少なくとも一つを備えたことを特徴とする屈曲機構。
【請求項５】
２つの剛体と該剛体間を接続する駆動部と、該駆動部を制御する制御装置と、該制御装置に対し操作員の指令を入力する入力手段を備えた屈曲機構の制御装置であって、該制御装置は、該剛体間の位置関係を保持、もしくは開放させることを特徴とする屈曲機構の制御装置。
【請求項６】
２つの剛体と該剛体間を接続する駆動部と、該駆動部を制御する制御装置と、該制御装置に対し操作員の指令を入力する入力手段を備えた屈曲機構の制御方法であって、該制御装置は、該剛体間の位置関係を保持、もしくは開放させることを特徴とする屈曲機構の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲動作をする機構に係り、特に、狭隘部や複雑形状部において、操作者が検査および補修・保全作業を行う場合に用いる重量のある作業装置へ搭載し、その作業装置を任意の位置および姿勢へ移動するための、屈曲機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用内視鏡や工業用内視鏡の屈曲機構には、直流モータが用いられている。これに関する公知例として、例えば、直流モータと複数のワイヤを用いて３次元屈曲動作を実現する機構が、特開２００７−１０５８６８号公報「屈曲駆動機構」で開示されている。
【０００３】
また、ワイヤの代わりに、複数の剛体リンク（駆動用リンクと拘束用リンク）を用いた機構が、特開２００４−１５４８７７号公報「多節スライダ・リンクによる屈曲機構」に開示されている。
【０００４】
一方、複数の電磁石とそれに付随した弾性棒２本を平行に設置し、弾性棒間の一部を電磁吸引力で固定させ、そこから離れた位置で電磁反発力による能動的すべりを発生させて屈曲を実現させる機構が、特開２００１−９６４７８号公報「索状形屈曲機構および、索状形屈曲機構を備えたマニピュレータ，屈曲形液体内推進体，内視鏡」で開示されている。
【０００５】
さらに、機構の駆動部として、球形のロータの周りに３つのステータを配置し、ステータに発生させた超音波振動によりロータを回転させる球面超音波モータが、特開平１１−１８４５９号公報「作業領域の広い球面超音波モータ」で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０５８６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１５４８７７号公報
【特許文献３】特開２００１−９６４７８号公報
【特許文献４】特開平１１−１８４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および特許文献２で開示された従来技術では、駆動源として直流モータを複数用いている。そのため、可動範囲を大きくする場合や自由度を増やす場合、駆動部を複数設けなくてはならず直流モータの数が増え、可搬重量を大きくする場合、大型の直流モータを用いなくてはならないため、装置が大型化し、狭隘部や複雑形状部で使用する場合、適用できない。
【０００８】
また、特許文献３で開示された従来技術では、小型の電磁石を複数用いることで屈曲動作を実現するため、装置の小型化は可能であるが、１軸周りの屈曲動作しかできず、狭隘部や複雑形状部で使用する場合、任意の動作ができないため、適用できない。
【０００９】
さらに、特許文献４で開示された従来技術では、１つのモータで３自由度の動作が可能であるため、装置の小型化に適しているが、可搬重量を大きくする場合、保持トルクが小さいため、適用できない。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、狭隘部や複雑形状部において、搭載装置を任意の位置および姿勢へ移動するための機構およびその制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の屈曲機構は、２つの剛体と該剛体間を接続する駆動部と、該駆動部を制御する制御装置を備え、該制御装置は、動作時に該剛体の相互の位置関係を固定し保持する動作時固定手段と、非動作時に該剛体の相互の位置関係を固定しない非動作時開放手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、狭隘部や複雑形状部において、重量のある作業装置を任意の位置および姿勢へ移動するための屈曲機構を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施例である原子炉内検査作業中における、検査装置の機器配置を示す図である。
【図２】本発明の第一の実施例における、水中検査装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施例における、水中検査装置に搭載する駆動部の水平断面図である。
【図４】本発明の第一の実施例における、駆動部を構成するステータの上面図と垂直断面図である。
【図５】本発明の第一の実施例における、水中検査装置を操作するコントローラの構成を示す図である。
【図６】本発明の第一の実施例における、制御装置内の機能ブロック図である。
【図７】本発明の第一の実施例における、処理全体の流れ図である。
【図８】本発明の第一の実施例における、水中検査装置の動作イメージを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔実施例〕
本発明の好適な第一の実施例である、原子炉内検査装置について、図１から図８を用いて説明する。本実施例は、原子炉内の目視検査装置に屈曲機構を備えることで、任意の位置および姿勢へ移動し、検査を行うものである。なお、本実施例では、適用対象を原子炉内の目視検査装置としているが、その他の部位や装置にも同様の装置構成で対応可能である。
【００１５】
図１を用いて、本実施例の検査実施形態を説明する。原子炉１内には、シュラウド２，上部格子板３，炉心支持板４，シュラウドサポート５、等の構造物があり、ＰＬＲ配管６をはじめとする配管が接続されている。また、原子炉１の上部には、作業スペースであるオペレーションフロア７があり、同じく上方には燃料交換装置８がある。原子炉内の目視検査を行う場合、水中検査装置９を投入し、検査員１４は、燃料交換装置８上から表示装置１２で水中検査装置９に搭載したカメラ（図２の１６）で撮影した映像を確認しながら、コントローラ１３により操作を行う。ここで、表示装置１２およびコントローラ１３は、制御装置１１と接続され、水中検査装置９は、ケーブル１０を介して、制御装置１１と接続されている。
【００１６】
図２を用いて、本実施例における水中検査装置９の詳細構成を説明する。水中検査装置９には、駆動部１５ａ〜１５ｃとして球面超音波モータを備えており、その先端部には目視検査用カメラ１６を備えている。また、ケーブル１０と駆動部１５ａ間，駆動部１５ａと駆動部１５ｂ間，駆動部１５ｂと駆動部１５ｃ間，駆動部１５ｃと目視検査用カメラ１６間は、軽量の円筒形剛性棒１７で接続する。そして、目視検査用カメラ１６と駆動部１５ａ〜１５ｃの電源および制御信号は、信号伝送部１８，ケーブル１０を介して制御装置１１から供給され、逆に映像信号および駆動部１５ａ〜１５ｃの状態信号は、制御装置１１へ伝送される。なお、水中検査装置９全体は、図中に示すように外側を弾性カバー１９で覆い、水中での利用も可能としている。
【００１７】
図３および図４を用いて、図２に示した駆動部１５ａ〜１５ｃの詳細構成を説明する。図３は、駆動部１５ａ〜１５ｃに用いる球面超音波モータの上面図、図４は、球面超音波モータを構成する円形ステータ２０ａ，２０ｂの水平断面図と垂直断面図である。駆動部１５ａ〜１５ｃは、同様の構造をしており、図３に示すように、球体ロータ２１の周囲に１２０゜毎に円形ステータ２０ａ，２０ｂを配置し、各円形ステータ２０ａ，２０ｂはステータ固定ステージ２２に固定された構成となっている。
【００１８】
次に、円形ステータ２０ａ，２０ｂの詳細構造を説明する。図４に示すように、周方向に複数のスリットが入った円環状リングの下面に圧電素子（図示せず）を接着した圧電素子付き弾性リング２３と、電磁石支持棒２４と電磁石固定片２５で動作方向を限定した電磁石２６を備えている。なお、圧電素子付き弾性リング２３は、球体ロータ２１に密着するように、傾斜をつけた形状とする（図４右図）。圧電素子付き弾性リング２３の圧電素子に、所定の電圧を印加することにより発生する圧電素子の伸縮が、弾性リングに伝わり周方向の進行波が発生する。この進行波が、円形ステータ２０ａ，２０ｂと密着している球体ロータ２１の回転運動を可能とする。本実施例では、球体ロータ２１の静止時に、電磁石２６に通電し磁化することで球体ロータ２１との間に引力を発生し、互いに密着させることで、保持トルクを増加させる。逆に、電源を遮断することで、保持トルクを弱め、円滑に回転させる。
【００１９】
図５を用いて、本実施例における水中検査装置９を検査員１４が操作する際に用いるコントローラ１３の詳細構成を説明する。操作台２９に円筒形のグリップ２８を固定し、グリップ２８の垂直方向の中心部に、グリップ２８に加わる３軸方向の力と３軸周りのトルクを検知する力・トルク検出器２７を内蔵する。そして、力・トルク検出器２７の信号は、ケーブルを介して制御装置１１へ伝送される。
【００２０】
図６を用いて、制御装置１１内の機能構成を説明する。力・トルク検出器２７の出力信号は、力・トルク算出手段３０において、アナログ信号からデジタル信号へ変換され、力とトルクデータに変換する。そして、駆動部選択手段３１と屈曲角度算出手段３２において、力・トルク算出手段３０で算出した力とトルクの大きさと向きから、水中検査装置９に備えた駆動部１５ａ〜１５ｃのうち、駆動部分とその屈曲角度を決定する。さらに、制御量算出手段３３において、駆動部１５ａ〜１５ｃのそれぞれのステータに設置した電磁石２６へ印加する電圧値と、駆動部１５ａ〜１５ｃの回転量を算出する。なお、目視検査用カメラ１６の映像信号は、画像取得手段３４で電子データへ変換し、表示装置１２へ供給する。
【００２１】
図７および図８を用いて、本実施例の処理の詳細を説明する。図７は、処理全体の流れである。原子炉内検査を開始後（ステップ３５）、水中検査装置９の操作に入る（ステップ３６）。操作開始後、まず、力・トルク検出器２７で検知した力・トルク信号を取り込む（ステップ３７）。そして、ステップ３８の力・トルク算出処理において、力・トルク信号から基準電圧を減算する処理を行い、力・トルクへ変換する。本実施例では、力・トルク検出器２７として歪みゲージ式のものを用いる。一般に、歪みゲージ式の力・トルクセンサは、基準電圧と称する一定の電圧値からの増減値が、センサにかかる歪み量に比例する性質を持っており、センサ固有のスペックとして示されている一定値の歪み−力・トルク変換係数を乗じることで、力・トルクを求めることができる。ここで、基準電圧は、通常、力・トルクセンサ固有のスペックとして一定値が示されているが、本実施例では、力・トルク信号を入力しない場合の電圧値を予め計測し、それを平均化したものを基準電圧とする。
【００２２】
次に、ステップ３９の駆動部選択処理において、水中検査装置９に備えた駆動部１５ａ〜１５ｃのうち、駆動部分を決定する。図８に、コントローラ１３へ操作入力（＋Ｘ方向）をした際の水中検査装置９の駆動部１５ａ〜１５ｃの選択方法および動作イメージを示す。ケース１のように、力・トルク検出器２７よりの上部に力およびトルクが入力された場合、駆動部１５ａ〜１５ｃ全てを、その大きさに基づき同一方向へ屈曲させる。一方、ケース２のように、力・トルク検出器２７付近、すなわちグリップ２８の中心部に力およびトルクが入力された場合、駆動部１５ｂのみを、その大きさと方向に基づき屈曲させ、駆動部１５ａと１５ｃは逆方向へ屈曲させる。このように、操作入力する点のグリップ２８内での位置により、屈曲形状を変化させることで、任意の屈曲動作を生成でき、複雑構造物中でも目的とする場所へアクセスすることが可能となる。なお、力・トルク検出器２７の上部と中心部のどちらに入力されたかの判定は、力データとトルクデータを用いる。すなわち、図８のケース１に示すように、Ｙ軸周りのトルクＴｙがＸ軸方向の力Ｆｘより大きい場合は上部、図８のケース２に示すように、Ｘ軸方向の力ＦｘがＹ軸周りのトルクＴｙより大きい場合は中心部と判断する。ここで、図８には＋Ｘ方向の屈曲動作をさせた場合の例であるが、Ｙの正負方向についても同様である。Ｚ軸方向については、本実施例の装置では駆動部１５ａ〜１５ｃが屈曲動作のみ可能であるため、操作の対象としない。
【００２３】
さらに、ステップ４０の屈曲角度算出処理では、駆動部１５ａ〜１５ｃの回転量を算出する。屈曲角度θは、力およびトルクに比例して増減させる。なお、比例式の係数は、使用する力・トルク検出器２７の検出上限値と駆動部１５ａ〜１５ｃに用いる球面超音波モータの最大回転速度から求め、これに駆動時間Δｔを乗じたものを屈曲角度θとする。
【００２４】
最後に、ステップ４１の制御量算出処理では、駆動部１５ａ〜１５ｃのそれぞれのステータに設置した電磁石２６の磁化する方向の選択と、駆動部１５ａ〜１５ｃの屈曲角度の電圧値への変換を行う。まず、電磁石２６の磁化する方向については、屈曲角度の制御量がゼロの場合は、駆動部が静止していると判断し、電圧を印加して磁化し、球体ロータ２１と電磁石２６の間に引力を発生させ、それ以外の場合は、電圧を印加しない。次に、駆動部１５ａ〜１５ｃの屈曲角度θの電圧値Ｖへの変換は、予め導出した印加電圧Ｖと屈曲角度θの関係式から算出する。
【００２５】
なお、検査終了の信号が入力された場合には、水中検査装置９の制御量をゼロとし、処理を終了する（ステップ４２）。
【００２６】
以上説明した第一の実施例の構成によれば、水中検査装置９は、屈曲動作する駆動部を複数備え、機構形状を任意に変化させることで、原子炉内の狭隘部や複雑構造物内へアクセス可能となる。さらに、駆動部に保持力のある電磁石を備え、保持トルクを増大することで、重量のある検査装置でも任意の位置および姿勢へ移動し、作業を実施することが可能となる。つまり、狭隘部や複雑形状部において、重量のある作業装置を任意の位置および姿勢へ移動するための屈曲機構を提供することができる。
【００２７】
なお、第一の実施例に記載した構成は、炉内目視検査を対象としたものであるが、先端部に搭載する装置を変更することで、その他、炉内構造物に発生する欠陥の長さおよび深さを測定するための渦電流センサや超音波センサによる探傷検査装置，炉内構造物の研磨，切断，溶接等を行う作業装置にも適用可能である。
【００２８】
また、本発明は、原子炉内の補修・検査等に用いる装置のみでなく、水中および気中で使用する各種作業装置に広く適用できるものであり、特に、狭隘部や複雑構造物内の作業装置に対し、アクセス性の向上を図ることが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  原子炉
２  シュラウド
３  上部格子板
４  炉心支持板
５  シュラウドサポート
６  ＰＬＲ配管
７  オペレーションフロア
８  燃料交換装置
９  水中検査装置
１０  ケーブル
１１  制御装置
１２  表示装置
１３  コントローラ
１４  検査員
１５ａ〜１５ｃ  駆動部
１６  目視検査用カメラ
１７  円筒形剛性棒
１８  信号伝送部
１９  弾性カバー
２０  円形ステータ
２１  球体ロータ
２２  ステータ固定ステージ
２３  圧電素子付き弾性リング
２４  電磁石支持棒
２５  電磁石固定片
２６  電磁石
２７  力・トルク検出器
２８  グリップ
２９  操作台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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