(57)【要約】      （修正有）【課題】動作中に駆動部の剛性を連続的に変化させることができるマニピュレータ及びその制御装置。【解決手段】３軸角度検出器２７ａ、２７ｂ、２７ｃの出力信号を位置姿勢算出手段２９においてマニピュレータ９の先端部位置および姿勢を算出する。その結果を用いて、作用力算出手段３０において各駆動部に作用するトルクをそれぞれ算出する。ステータ押付力算出手段３１では、駆動トルクを確保するのに必要なステータ押付力を算出する。電磁力算出手段３２において、ステータ押付力算出手段３１で求めたステータ押付力を電磁石２０ａ、２０ｂで発生する電磁力へ変換し、電磁石２０ａ、２０ｂへ電圧を印加する。一方、位置姿勢算出手段２９で算出した位置姿勢データ、指令値入力装置２８で入力されたマニピュレータ９の先端部の位置姿勢データを用いて、制御量算出手段３４において各駆動部の球面超音波モータの制御量を算出しモータへ供給する。【選択図】図６
2011182485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の表面進行波を発生させる少なくとも１つの円環状超音波振動子からなるステータと、ステータ中心軸が中心を通り摩擦力を発生する様に接触させて設置した球体からなるロータと、前記ステータを駆動し、ステータに発生した表面進行波の方向により前記ロータの回転を制御する制御装置を備えたマニピュレータにおいて、
前記ステータを、前記ロータに押付ける力を調整し前記駆動部の外力に対する剛性を動的に調整する可変剛性機構を備えたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
請求項１に記載されたマニピュレータにおいて、前記可変剛性機構は、前記ステータの前記ロータへの押付力を調整し、前記ステータに対する前記ロータの摩擦力の大きさを可変にすることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマニピュレータにおいて、
前記マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための可変剛性機構の剛性調整量を算出する剛性調整量算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のマニピュレータにおいて、前記可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに永久磁石を設け、前記ハウジングの前記永久磁石と対向する位置に電磁石を設け、電磁石に流れる電流を制御することで前記永久磁石と前記電磁石間に発生する引力若しくは斥力を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項５】
請求項１または２に記載のマニピュレータにおいて、前記可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに電磁石を設け、前記ハウジングの前記電磁石と対向する位置に永久磁石を設け、電磁石に流れる電流を制御することで前記永久磁石と前記電磁石間に発生する引力若しくは斥力を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のマニピュレータにおいて、
前記マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための電磁石の電磁力を算出する電磁力算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のマニピュレータにおいて、前記可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに永久磁石を設け、前記ハウジングの前記永久磁石と対向する位置に永久磁石を設け、各永久磁石の距離を制御する距離制御装置を設けて前記永久磁石間に発生する引力若しくは斥力を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項８】
請求項７に記載のマニピュレータにおいて、
前記マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための永久磁石の距離を算出する磁石距離算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項９】
請求項１又は２に記載のマニピュレータにおいて、前記可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに形状記憶合金ばねの端部が接続され、前記形状記憶合金ばねの他端部は前記ハウジングに接続され、前記形状記憶合金ばねに電流を流す通電制御回路を設け、前記形状記憶合金ばねを通電制御して形状記憶合金ばねの温度を制御して弾性を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１０】
請求項９に記載のマニピュレータにおいて、
前記マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための形状記憶合金ばねの剛性を算出するばね剛性算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とするマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの駆動部を備えたマニピュレータに係り、特に、駆動部の剛性を任意のタイミングで変化させることが可能なマニピュレータ及びその制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、それ自体の剛性を調整可能な駆動部としては、剛体間の摩擦力を利用して駆動力を発生する超音波モータが知られている。これに関する公知例として、例えば板ばねやゴムシート等の弾性体を交換し、その弾性係数を変更することで駆動部の剛性を変化する構成が特許文献１に開示されている。また、特許文献１と同様に、弾性体としてばねを利用した構成が特許文献２及び特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７４７８３号公報
【特許文献２】特開２００５−２２４０２９号公報
【特許文献３】特開２００７−１３５２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１ないし特許文献３で開示された従来技術では、剛体間の押し付け状態を安定に保つため、ばねやゴムシート等の一定の弾性を有する弾性部材を用いている。そのため、駆動部の剛性を変化させる場合には、その都度駆動部を分解して異なる弾性を有する弾性部材を交換して取り付ける作業を実施しなくてはならない。従って、作業中の様に任意のタイミングで剛性を変化させる必要がある場合には、この方式は適用できない。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決し、動作中であっても剛性を変化させる駆動部を備えたマニピュレータ及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】
【０００６】
本発明は、超音波の表面進行波を発生させる少なくとも１つの円環状超音波振動子からなるステータと、ステータ中心軸が中心を通り摩擦力を発生する様に接触させて設置した球体からなるロータと、前記ステータを駆動し、ステータに発生した表面進行波の方向により前記ロータの回転を制御する制御装置を備えたマニピュレータにおいて、前記ステータを、前記ロータに押付ける力を調整し前記駆動部の外力に対する剛性を動的に調整する可変剛性機構を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、可変剛性機構は、前記ステータの前記ロータへの押付力を調整し、前記ステータに対する前記ロータの摩擦力の大きさを可変にすることを特徴とする。
【０００８】
また、マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための可変剛性機構の剛性調整量を算出する剛性調整量算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに永久磁石を設け、前記ハウジングの前記永久磁石と対向する位置に電磁石を設け、電磁石に流れる電流を制御することで前記永久磁石と前記電磁石間に発生する引力若しくは斥力を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とする。
【００１０】
また、可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに電磁石を設け、前記ハウジングの前記電磁石と対向する位置に永久磁石を設け、電磁石に流れる電流を制御することで前記永久磁石と前記電磁石間に発生する引力若しくは斥力を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とする。
【００１１】
また、マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための電磁石の電磁力を算出する電磁力算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに永久磁石を設け、前記ハウジングの前記永久磁石と対向する位置に永久磁石を設け、各永久磁石の距離を制御する距離制御装置を設けて前記永久磁石間に発生する引力若しくは斥力を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とする。
【００１３】
また、マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための永久磁石の距離を算出する磁石距離算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、可変剛性機構は、前記ステータを支持するハウジングを備え、前記ステータのうち少なくとも１つに形状記憶合金ばねの端部が接続され、前記形状記憶合金ばねの他端部は前記ハウジングに接続され、前記形状記憶合金ばねに電流を流す通電制御回路を設け、前記形状記憶合金ばねを通電制御して形状記憶合金ばねの温度を制御して弾性を調整し、前記ロータに対する前記ステータの摩擦力を調整することを特徴とする。
【００１５】
また、マニピュレータには３軸角度検出器を備え、前記制御装置には制御装置に対する指令を入力する指令値入力手段と、前記３軸角度検出器の信号から前記マニピュレータの手先の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、前記位置姿勢算出手段の結果から各駆動部に作用する力を算出する作用力算出手段と、前記作用力算出手段の結果から前記ステータを前記ロータに押し付ける押付力を算出するステータ押付力算出手段と、その押付力を発生するための形状記憶合金ばねの剛性を算出するばね剛性算出手段と、前記指令値入力手段から入力された目標手先位置姿勢と前記位置姿勢算出手段から算出された手先位置姿勢を基に、前記駆動部の制御量を算出する制御量算出手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超音波の表面進行波を発生させる少なくとも１つのステータと、ステータ中心軸が中心を通り摩擦力を発生する様に接触させて設置したロータと、前記ステータを駆動し、ステータに発生した表面進行波の方向により前記ロータの回転を制御する制御装置を備えたマニピュレータにおいて、前記ステータを前記ロータに押付ける力を調整し前記駆動部の外力に対する剛性を動的に調整する可変剛性機構を備えたことにより、容易に剛性を調整可能で、動作中に任意のタイミングで剛性を変化できるマニピュレータを提供できる。従って、マニピュレータの姿勢が変化した場合や、先端に重量の異なる作業装置を搭載した場合等のように駆動部に作用する力が変化した場合においても、変化に対応して同一のマニピュレータで円滑に作業を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】原子炉内検査作業中における水中検査装置の機器配置を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例１におけるマニピュレータの構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１におけるマニピュレータに搭載する駆動部の模式図である。
【図４】本発明の実施例１におけるマニピュレータに搭載する駆動部の縦断面図である。
【図５】本発明の実施例１におけるマニピュレータの円筒剛体棒の構造を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例１におけるマニピュレータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施例１におけるマニピュレータの剛性調整処理のフロー図である。
【図８】本発明の実施例１におけるマニピュレータの位置姿勢算出処理を表すフロー図である。
【図９】本発明の実施例１におけるマニピュレータの剛性調整処理を表すフロー図である。
【図１０】本発明実施例１におけるマニピュレータの作用力算出処理を表す模式図である。
【図１１】本発明実施例１におけるマニピュレータの制御量算出処理を表すフロー図である。
【図１２】本発明の実施例２におけるマニピュレータ駆動部の縦断面図である。
【図１３】本発明の実施例２におけるマニピュレータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施例２におけるマニピュレータ剛性調整処理の詳細を表すフロー図である。
【図１５】本発明の実施例３におけるマニピュレータ駆動部の縦断面図である。
【図１６】本発明の実施例４におけるマニピュレータ駆動部の縦断面図である。
【図１７】本発明の実施例５におけるマニピュレータ駆動部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の実施例を図面について説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の好適な実施例である、原子炉内検査装置に関する実施例１について、図１から図１１を用いて説明する。実施例１は、原子炉内の水中検査装置に本発明のマニピュレータを適用したものである。なお、実施例１では、適用対象を原子炉内の目視検査装置としているが、その他の目的にも同様の装置構成で対応可能である。
【００２０】
図１において、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。
【００２１】
原子炉内の目視検査を行う場合には、検査員１４は燃料交換装置８上から、水中に投入した水中検査装置のマニピュレータ９に搭載したカメラで撮影した検査部位の映像を表示装置１２でモニタリングしながら、コントローラ１３によりマニピュレータ９の操作を行う。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、マニピュレータ９はケーブル１０を介して制御装置１１と接続されている。
〔マニピュレータ〕
図２を用いて、マニピュレータ９の詳細構成を説明する。多関節型のマニピュレータ９の関節部には、球面超音波モータを用いた駆動部１５ａ、１５ｂ、１５ｃが設けられている。各駆動部には、剛性を動的に調節する可変剛性機構が設けられている。マニピュレータ９の先端部には水中検査装置のための目視検査用カメラ１６を搭載している。また、ケーブル１０と駆動部１５ａ、駆動部１５ａと駆動部１５ｂ、駆動部１５ｂと駆動部１５ｃ、駆動部１５ｃと目視検査用カメラ１６の間は、各々軽量の円筒形剛体棒１７で接続されている。
【００２２】
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、ケーブル１０を介して制御装置１１から供給され、逆に目視検査用カメラ１６の映像信号および駆動部１５ａ〜１５ｃの状態信号は、ケーブル１０を介して制御装置１１へ伝送される。なお、マニピュレータ９全体は、水中検査装置として用いるために、図中に示すように外側を弾性カバー１９で覆った防水構造を有している。また、ケーブル１０側には固定部１８を設けており、構造物等に固定して検査作業を実施する。
【００２３】
図３および図４を用いて、図２に示したマニピュレータ９の駆動部１５ａの詳細構成を説明する。図３は、駆動部１５ａの模式図、図４は、駆動部１５ａの球面超音波モータＭのロータ２２中心を通る平面の縦断面図である。駆動部１５ａ〜１５ｃはいずれも同一構造を有している。
【００２４】
図３に示すように、球面超音波モータＭは、真球状のロータ２２外周の中心を挟んで１８０゜対向する位置にステータ２１ａ、２１ｂを互いに平行に配置している。各ステータ２１ａ、２１ｂは可動式となっている。また、ステータ２１ａ、２１ｂと中心軸を一致させかつ平行に電磁石２０ａ、２０ｂをハウジング２３に設置している。
【００２５】
ステータ２１ａ、２１ｂには、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）を接着しており、圧電素子に電圧を印加することで超音波振動を発生させ、ロータ２２との間に発生する摩擦力によりロータ２２を任意方向に回転駆動する。
【００２６】
次に、図４によって駆動部１５ａの詳細構造を説明する。可変剛性機構は左右対称に設置されている。ステータ２１ａ、２１ｂのハウジング２３側の側面に、永久磁石２４ａ、２４ｂをそれぞれ接着し、永久磁石の面と平行になるように、電磁石２０ａと２０ｂをハウジング２３に固定している。
【００２７】
ステータ２１ａ、２１ｂの回転防止とスライド方向限定のため、スライドピン２６をそれぞれのステータに２つずつ設けている。また、永久磁石２４ａ、２４ｂと電磁石２０ａ、２０ｂの間には、磁力を発生しない場合においても、ステータ２１ａ、２１ｂがロータ２２に密着してロータ２２を所定位置に保持できるように、保持ばね２５ａ、２５ｂを備えている。
【００２８】
実施例１では、ロータ２２に作用する力の大きさに応じて、模式的に描いたケーブル１０を介して制御装置１１から電磁石２０ａ、２０ｂへ印加する電圧を制御することで、永久磁石と電磁石間で発生する磁力の大きさと向きを変化させる。これにより、ロータ２２に対するステータ２１ａ、２１ｂの押付力が変化し、ロータ２２の回転トルクすなわち駆動部の剛性を動的に調整することが可能となる。上記の構成と反対に、ステータに電磁石を設けハウジングに永久磁石を設けても同等の効果を得ることが出来る。
【００２９】
図５を用いて、図２に示した円筒形剛体棒１７の内部構造を説明する。ロータ２２に作用する力を算出するために、マニピュレータ９の位置および姿勢を取得する必要がある。そのため、駆動部１５ａ〜１５ｃの姿勢角を計測する。駆動部へ直接角度検出器を設けると、駆動部が大型になり可動範囲が制限されるため、本発明では、駆動部以外の場所に３軸角度検出器２７を設置し、姿勢角を計測する。なお、３軸角度検出器２７の信号は、ケーブル１０を介して制御装置１１へ伝送される。
〔制御装置〕
図６を用いて、制御装置１１内の構成を説明する。駆動部１５ａ〜１５ｃに設けた３軸角度検出器２７ａ、２７ｂ、２７ｃの出力信号は、位置姿勢算出手段２９において角度データへ変換し、各駆動部の角度データから順運動学を解くことにより、マニピュレータ９の先端部の位置および姿勢を算出する。その結果を用いて、作用力算出手段３０において、駆動部１５ａ〜１５ｃに作用するトルクをそれぞれ算出する。
【００３０】
ステータ押付力算出手段３１では、作用力算出手段３０において求めた、各駆動部に作用するトルク以上の駆動トルクを確保するのに必要なステータ押付力を算出する。さらに、電磁力算出手段３２において、ステータ押付力算出手段３１において求めたステータ押付力を、電磁石２０ａ、２０ｂで発生させる電磁力へ換算し、電磁石２０ａ、２０ｂへ必要な電圧を印加する。
【００３１】
一方、位置姿勢算出手段２９で算出した位置姿勢データと、指令値入力装置２８で入力されたマニピュレータ９の先端部の位置姿勢データを用いて、制御量算出手段３３において、駆動部１５ａ〜１５ｃの球面超音波モータＭの制御量を算出しモータへ供給する。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。
〔検査処理プロセス〕
図７から図１１を用いて、本実施例の剛性調整処理の詳細を説明する。図７は、処理全体のフロー図である。原子炉内検査を開始後、ステップ３５に進み、マニピュレータ９の操作に入る。操作開始後、まず、指令値入力装置２８で入力されたマニピュレータ９の先端部の位置姿勢指令値を取り込む。そして、ステップ３７の位置姿勢算出処理において、マニピュレータ９の手先の位置姿勢を算出する。
【００３２】
さらに、ステップ３８の剛性調整処理において、駆動部１５ａ〜１５ｃに作用するトルクをそれぞれ算出し、駆動するために必要な剛性調整量を算出する。最後に、ステップ３９に進み、位置姿勢指令値とステップ３７において算出した手先位置姿勢、ステップ３８において算出した剛性調整量を用いて、駆動部１５ａ〜１５ｃの制御量を算出する。なお、検査終了の信号が入力された場合には、マニピュレータ９の制御量をゼロとし、処理を終了する。
〔位置姿勢算出処理〕
図８を用いて、図７のステップ３７における位置姿勢算出処理の詳細を説明する。処理開始後、ステップ４０において、３軸角度検出器２７ａ〜２７ｃの出力信号を取り込む。次に、ステップ４１の角度算出処理において、３軸角度検出器２７ａ〜２７ｃの出力信号から角度を算出する。実施例１では、３軸角度検出器２７ａ〜２７ｃとして−１８０゜から＋１８０゜の範囲の角度を計測する傾斜計を用いる。一般に、傾斜計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の傾斜角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角度変換係数を乗じることで、傾斜角を求めることができる。ここで、基準電圧は通常、傾斜計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、センサが傾斜していない時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。
【００３３】
そして、ステップ４２の手先位置・姿勢算出処理において、ステップ４１で求めた駆動部１５ａ〜１５ｃのそれぞれの角度を用いて、マニピュレータ９の先端部の位置と姿勢を算出する。ステップ４１の計算では、一般的なロボットの動作解析で用いられ、関節角度から手先の位置・姿勢を算出する際に利用する順運動学を用いる。最後に、ステップ４３において、ステップ４１で算出した駆動部１５ａ〜１５ｃの角度とステップ４２で算出した手先位置・姿勢を保存して、処理を終了する。
〔剛性調整処理〕
図９および図１０を用いて、図７のステップ３８における剛性調整処理の詳細を説明する。処理を開始後、ステップ４４で、ステップ３７内で算出した駆動部１５ａ〜１５ｃの角度データを取り込む。
【００３４】
次に、ステップ４５の作用力算出処理において、角度データを基に各駆動部に作用する力を算出する。図１０は、駆動部１５ａに作用する力を求める場合の力の分布を示している。図１０に示すように、作用力を算出する駆動部より上部に位置する剛体（ここでは、駆動部１５ｂ、１５ｃ、円筒形剛体棒１７、目視検査用カメラ１６）の重量に重力加速度ｇを乗じて、それぞれの剛体にかかる力の大きさを求める。
【００３５】
次に、駆動部１５ａの中心から各剛体の中心までの距離を用いて、駆動部１５ａに加わるトルクＴａを算出する。各剛体に働く力は、それぞれの中心にかかる集中荷重とし、駆動部１５ｂおよび１５ｃについても同様の処理で作用力を求める。
【００３６】
そして、ステップ４６のステータ押付力算出処理において、以下の式（１）を用いてステータ２１ａ、２１ｂの押付力Ｆｓを算出する。
Ｆｓ＝Ｔａ／（２μ・ｒ）・・・・・・・・・（１）
ここで、μはロータ２２とステータ２１ａ、２１ｂ間の摩擦係数であり、予め試験により測定したものであり、ｒはロータ２２の中心からステータ２１ａ、２１ｂの中心までの距離である。なお、式（１）で算出したステータ押付力Ｆｓでトルク不足によりロータ２２が回転しない場合は、Ｆｓに定数を乗じて押付力を増加させても良い。最後に、ステップ４７の電磁力算出処理において、押付力Ｆｓを発生するために必要な印加電圧Ｖｍを求め、電磁石２０ａ、２０ｂへ供給するとともに、ステップ４８において、その電磁力を保存し処理を終了する。ここで、押付力Ｆｓと印加電圧Ｖｍの関係は、予め試験により関係式を求めておき、変換に利用する。
〔制御量算出処理〕
図１１を用いて、図７のステップ３９における制御量算出処理の詳細を説明する。処理を開始後、ステップ４９において、目標位置・姿勢とステップ３７内で算出した駆動部１５ａ〜１５ｃの角度データ（現在角度）を取り込む。次に、ステップ５０の目標関節角度算出処理において、取り込んだ手先位置・姿勢の目標値を、駆動部１５ａ〜１５ｃの角度の目標値（目標関節角度）へ変換する。
【００３７】
ステップ５０の計算では、一般的なロボットの動作解析で用いられ、手先の位置・姿勢から関節角度を算出する際に利用する逆運動学を用いる。そして、ステップ５１のロータ回転量算出処理において、目標関節角度と現在角度の偏差Δθを求め、ステップ５２の印加電圧算出処理において、駆動部１５ａ〜１５ｃのそれぞれのステータへの印加電圧Ｖｓを算出し、ステータへ電圧を供給して、処理を終了する。ここで、偏差Δθを実現するためのステータ印加電圧の算出は、モータ固有のスペックとして示されている一定値を用いる。
【実施例２】
【００３８】
次に、本発明の実施例２のマニピュレータについて、図１２から図１４を用いて説明する。実施例２は、実施例１と比較して、駆動部に設ける可変剛性機構と制御装置内での剛性調整処理の構成が異なるが、それ以外の構成は同一である。以下に異なる点のみを説明する。
【００３９】
図１２を用いて、駆動部の詳細構成を説明する。図に示すように、ロータ５３の中心に対し１８０゜対向してステータ５４ａ、５４ｂを配置する。
【００４０】
次に、駆動部に備えた可変剛性機構について、詳細を説明する。可変剛性機構は左右対称に設置する。ステータ５４ａ、５４ｂとハウジング５７の間に形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂを配置し、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂの両端は、それぞれステータ５４ａ、５４ｂの側面とハウジング５７の側面に固定する。ステータ５４ａ、５４ｂの回転防止とスライド方向の限定ため、スライドピン５６をそれぞれのステータに２つずつ備えている。
【００４１】
ここで、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂには、印加電圧がゼロの場合においてもステータ５４ａ、５４がロータ５３に密着して保持できる剛性を持ったものを用いる。実施例２では、ロータ５３に作用する力の大きさに応じて、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂへ模式的に描いたケーブル１０を介して、通電制御回路を有する制御装置１１１から印加する電圧を制御することで、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂに一定の電流を流して昇温させ、その剛性を変化させる。これにより、ステータ５４ａ、５４ｂの押付力が変化し、ロータ５３の回転トルク、すなわち駆動部の剛性を動的に調整することが可能となる。
【００４２】
図１３を用いて、制御装置１１１内の構成を説明する。３軸角度検出器５８ａ、５８ｂ、５８ｃの出力信号は、位置姿勢算出手段６０において、角度データへ変換し、各駆動部の角度データから、マニピュレータの先端部の位置および姿勢を算出する。その結果を用いて、作用力算出手段６１において駆動部に作用するトルクをそれぞれ算出する。ステータ押付力算出手段６２では、作用力算出手段６１において求めた、各駆動部に作用するトルク以上の駆動トルクを確保するのに必要なステータ押付力を算出する。
【００４３】
さらに、ばね剛性算出手段６３において、ステータ押付力算出手段６２において求めたステータ押付力を、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂで発生する力へと変換し、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂへ所定の電圧を印加する。
【００４４】
一方、位置姿勢算出手段６０で算出した位置姿勢データ、指令値入力装置５９で入力されたマニピュレータ９先端部の位置姿勢データを用いて、制御量算出手段６４において駆動部の球面超音波モータの制御量を算出しモータへ供給する。なお、目視検査用カメラ６６の映像信号は、画像取得手段６７で電子データへ変換し、表示装置６８へ供給する。
【００４５】
図１４を用いて、剛性調整処理の詳細を説明する。処理を開始後、ステップ６９で駆動部の角度データを取り込む。次に、ステップ７０の作用力算出処理において、角度データを基に、各駆動部に作用する力を算出する（ステップ４５と同様）。そして、ステップ７１のステータ押付力算出処理において、ステータ５４ａ、５４ｂの押付力Ｆｓを算出する（ステップ４６と同様）。なお、ステップ７１で算出したステータ押付力Ｆｓで、トルク不足によりロータ５３が回転しない場合は、Ｆｓに定数を乗じて押付力を増加させても良い。最後に、ステップ７２のばね剛性算出処理において、押付力Ｆｓを発生するために必要な印加電圧Ｖｍを求め、形状記憶合金ばね５５ａ、５５ｂへ供給するとともに、ステップ７３においてそのばね剛性データを保存し、処理を終了する。ここで、押付力Ｆｓと印加電圧Ｖｍの関係は、予め試験により、関係式を求めておき、変換に利用する。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の実施例３のマニピュレータの可変剛性機構について、図１５を用いて説明する。ハウジング７７に、ロータ７４とステータ７５ａ、７５ｂを有する球面超音波モータＭが支持されている。球面超音波モータＭの一端はステータ固定片７６を介してハウジング７７に固定されている。球面超音波モータＭの他端は、永久磁石７８、スライドピン７９、保持ばね８１、電磁石８０を介してハウジング７７に保持されている。電磁石８０はケーブル１０を介して制御装置１１２に接続されている。
【００４７】
実施例３は、実施例１と比較して球面超音波モータＭの片側に単一の可変剛性機構を備える他、それ以外の構成は同一である。この構成においても、調整範囲は小さくなるが同様の効果を奏することが出来る。
【実施例４】
【００４８】
本発明の実施例４のマニピュレータの可変剛性機構について、図１６を用いて説明する。ハウジング８５に、ロータ８２とステータ８３ａ、８３ｂを有する球面超音波モータＭが支持されている。球面超音波モータＭの一端はステータ固定片８４を介してハウジング８２に固定されている。球面超音波モータＭの他端は、スライドピン８６、形状記憶合金ばね８７を介してハウジング８５に保持されている。形状記憶合金ばね８７はケーブル１０を介して制御装置１１３に接続されている。
【００４９】
実施例３は、実施例２と比較して球面超音波モータＭの片側に単一の可変剛性機構を備える他、それ以外の構成は同一である。この構成においても、調整範囲は小さくなるが同様の効果を奏することが出来る。
【実施例５】
【００５０】
本発明の実施例５の原子炉内検査装置の可変剛性機構について、図１７を用いて説明する。ハウジング９５に、ロータ９２とステータ９３ａ、９３ｂを有する球面超音波モータＭが支持されている。９７は保持ばねである。球面超音波モータＭの一端はステータ固定片９４を介してハウジング９５に固定されている。球面超音波モータＭの他端は、永久磁石９１、スライドピン９６を介してハウジング９５に保持されている。もう一つの永久磁石９８が調整ねじ９９によって永久磁石９１に対し距離制御可能に設けられている。１００は調整ねじ９９の駆動装置であり、ケーブル１０を介して制御装置１１４で制御される。上記調整ねじ９９及び駆動装置１００はこれら永久磁石の距離制御装置を構成する。永久磁石９１に対する永久磁石９８の位置を変える事によりその磁力を調節し、ロータ９２に対するステータ９３ａ、９３ｂの保持力を変化させる。制御装置１１４は、例えば図１３の制御装置１１１のばね剛性算出手段に替えて、二つの永久磁石の距離を決定する距離算出手段を有する。
【００５１】
実施例５は、球面超音波モータＭの片側に単一の可変剛性機構を備えているが、実施例１，２と同じく球面超音波モータＭの両側に設けても良い事は明らかである。
【００５２】
以上説明した実施例１から実施例５の構成によれば、動作中に駆動部の剛性を動的に調整するマニピュレータを実現でき、マニピュレータの手先の姿勢が変化した場合や、先端に重量の異なる検査装置を搭載した場合等、駆動部に作用する力が変化した場合においても、力の変化に対応して速やかに連続的に同一のマニピュレータで作業を継続することができる。
【００５３】
また、実施例１から実施例５に記載した構成は、炉内目視検査を対象とした水中検査装置に応用したマニピュレータを説明しているが、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。なお、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る。
【符号の説明】
【００５４】
９・・・マニピュレータ
１０・・・ケーブル
１１、１１１、１１２、１１３、１１４・・・制御装置
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ・・・駆動部
２０ａ、２０ｂ、８０・・・電磁石
２１ａ、２１ｂ、５４ａ、５４ｂ、７５ａ、７５ｂ、８３ａ、８３ｂ、９３ａ、９３ｂ・・ステータ
２２、５３、７４、８２、９２・・・ロータ
２３、５７、７７、８５、９５・・・ハウジング
２４ａ、２４ｂ、７８、９１、９８・・・永久磁石
２５ａ、２５ｂ、８１、９７・・・保持ばね
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、５８ａ、５８ｂ、５８ｃ・・・３軸角度検出器
２８、５９・・・指令値入力手段
２９、６０・・・位置姿勢算出手段
３０、６１・・・作用力算出手段
３１、６２・・・ステータ押付力算出手段
３２・・・電磁力算出手段
５５ａ、５５ｂ、８７・・・形状記憶合金ばね、
６３・・・ばね剛性算出手段
９９・・・調整ねじ
１００・・・駆動装置
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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