(57)【要約】【課題】マニピュレータの運動に対して低反動なマニピュレータユニット及びマニピュレーションシステムを提供する。【解決手段】マニピュレーション部２とカウンタウエイト部３とからなる１自由度直動マニピュレータユニット１である。前記マニピュレーション部２の動作に対し、前記カウンタウエイト部３をマニピュレータユニット全体の運動量及び角運動量をゼロ又はほぼ零とするように動作させることにより、前記マニピュレーション部２の動作に起因する反動の一部又は全部を打ち消すように構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニットにおいて、前記マニピュレーション部の動作に対し、前記カウンタウエイト部をマニピュレータユニット全体の運動量及び角運動量をゼロまたはほぼ零とするように動作させることにより、前記マニピュレーション部の動作に起因する反動の一部または全部を打ち消すように構成して成る直動１自由度低反動マニピュレータユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせることにより構成して成る多自由度低反動マニピュレータシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせるとともに、最終的に制御される低反動マニピュレータユニットの手先にセンサを搭載して成る多自由度低反動マニピュレータシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせるとともに、最終的に制御される低反動マニピュレータユニットの手先に切削や加工、溶接、塗装のための様々なツールを搭載して成る多自由度低反動マニピュレータシステム。
【請求項５】
請求項１に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせる際に、少なくとも１つの直動１自由度低反動マニピュレータユニットの代わりに通常のアクチュエータを適用して成る多自由度低反動マニピュレータシステム。
【請求項６】
マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニットを複数組み合わせるとともに、前記マニピュレーション部の動作に対し、前記カウンタウエイト部をマニピュレータユニット全体の運動量及び角運動量をゼロまたはほぼ零とするように動作させる制御装置を備えて成る多自由度低反動マニピュレータシステム。
【請求項７】
マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニットをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に組み合わせて成る請求項６記載の多自由度低反動マニピュレータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニット及び同１自由度直動マニピュレータユニットを複数組み合わせてなる低反動マニピュレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボットの活動範囲は、例えば、自動車工業や造船工業などの工業分野は勿論のこと、医療分野や福祉介護分野、あるいは、災害救助分野などへ次第に拡大されつつあり、特に、人間の生活環境内で作業するロボットが注目されている。
【０００３】
このようなロボットは、移動ベースにマニピュレータを持つ所謂モバイルマニピュレータ型ロボットが一般的であり、人間と同等、若しくは、それ以上の作業能率を持つことを目指して、目下、研究及び開発が進められている。
【０００４】
モバイルマニピュレータに関する研究（例えば、非特許文献１及び２参照。）は多数あるが、マニピュレータと移動ベースの間の動的な干渉を考慮した研究はほとんど無い。通常、移動ベースは、路面の凹凸を吸収するためにサスペンションシステムが搭載されている。
【０００５】
しかし、マニピュレータが何らかの作業を行うために高速で運動を行うと、サスペンションシステムの柔軟性のために、マニピュレータの運動の反動が移動ベース自体に発生し、結果的に、マニピュレータによる高速及び高精度のマニピュレーションが実現できなくなる場合がある。また、このような問題は、サスペンションだけでなく、モバイルマニピュレータの剛性にも起因する。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｙｏｕｈｅｉ  Ｋｕｍｅ，Ｙａｓｕｈｉｓａ  Ｈｉｒａｔａ，Ｚｈｉ−Ｄｏｎｇ  Ｗａｎｇ，Ｋａｚｕｈｉｒｏ  Ｋｏｓｕｇｅ，  「Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｏｂｊｅｃｔ  ｉｎ  Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２０００  ＩＥＥＥ／ＲＳＪ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｒｏｂｏｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，（２００２），２７５８−２７６３
【非特許文献２】
Ｋａｚｕｈｉｒｏ  Ｋｏｓｕｇｅ，  Ｍａｎａｂｕ  Ｓａｔｏ  ａｎｄ  Ｎｏｒｉｈｉｄｅ  Ｋａｚａｍｕｒａ，「Ｍｏｂｉｌｅ  Ｒｏｂｏｔ  Ｈｅｌｐｅｒ  」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ２０００  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，（２０００），５８３−５８８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題を回避するために、カウンタウエイトや特殊なリンク機構を利用した機器（ハードウエア）が提案されているが、マニピュレータのあらゆる運動に対して完全に低反動なマニピュレーションシステムは、未だ、実現されていない。
【０００８】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、マニピュレータの運動に対して低反動なマニピュレータユニット及びマニピュレーションシステムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明は、次のように構成されている。
【００１０】
（１）  マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニットにおいて、前記マニピュレーション部の動作に対し、前記カウンタウエイト部をマニピュレータユニット全体の運動量及び角運動量をゼロまたはほぼ零とするように動作させることにより、前記マニピュレーション部の動作に起因する反動の一部または全部を打ち消すように構成して成る直動１自由度低反動マニピュレータユニットである。
【００１１】
（２）  上記（１）に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせることにより構成して成る多自由度低反動マニピュレータシステムである。
【００１２】
（３）  上記（１）に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせるとともに、最終的に制御される低反動マニピュレータユニットの手先にセンサを搭載して成る多自由度低反動マニピュレータシステムである。
【００１３】
（４）  上記（１）に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせるとともに、最終的に制御される低反動マニピュレータユニットの手先に切削や加工、溶接、塗装のための様々なツールを搭載して成る多自由度低反動マニピュレータシステムである。
【００１４】
（５）  上記（１）に記載の直動１自由度低反動マニピュレータユニットを複数組み合わせる際に、少なくとも１つの直動１自由度低反動マニピュレータユニットの代わりに通常のアクチュエータを適用して成る多自由度低反動マニピュレータシステムである。
【００１５】
（６）  マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニットを複数組み合わせるとともに、前記マニピュレーション部の動作に対し、前記カウンタウエイト部をマニピュレータユニット全体の運動量及び角運動量をゼロまたはほぼ零とするように動作させる制御装置を備えて成る多自由度低反動マニピュレータシステムである。
【００１６】
（７）  マニピュレーション部とカウンタウエイト部とからなる１自由度直動マニピュレータユニットをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に組み合わせて成る（６）記載の多自由度低反動マニピュレータシステムである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、直動機構を利用した直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムの開発を行った。直動機構を実現する機構としては、ボールねじやラックアンドピニオン、或いはベルトなどの利用が考えられるが、本発明では、ボールねじタイプの低反動マニピュレーションシステムを開発した。
【００１８】
本システムは、直動するマニピュレーション部とカウンタウエイト部とから構成され、マニピュレーション部の運動に基づいてカウンタウエイト部が、その反動を打ち消すように動作することにより低反動を実現するようになっている。
【００１９】
カウンタウエイト部の配置としては、図１に示すような、同軸直線配置と平面配置とが考えられる。図１（ａ）の同軸直線配置型低反動ユニット１ａは、マニピュレーション部２が矢印ａ方向に運動すると、それと反対の矢印ｂ方向にカウンタウエイト部３が運動量の変化がゼロ（零）となるように運動を行うようになっている。
【００２０】
一方、図１（ｂ）の平面配置型低反動ユニット１ｂは、マニピュレーション部２が矢印ａ方向に運動すると、それと反対の矢印ｂ方向に２個のカウンタウエイト部３が運動量の変化がゼロ（零）となるように運動を行うようになっている。
【００２１】
また、各ユニットに対してボールねじを少なくとも２本用い、各ボールねじ４，５をそれぞれ反対方向に回転させることにより、マニピュレーション部２やカウンタウエイト部３の直線運動を実現させる。これにより、ボールねじ４，５やモータ（図示せず）の回転に関しても角運動量の変化がゼロ（零）となり、低反動を実現することができる。
【００２２】
本発明では、平面配置型低反動ユニット１ｂをＸ軸及びＹ軸方向に配置することにより、平面直交２自由度マニピュレータを実現し、それに同軸直線配置型低反動ユニット１ａをＺ軸方向に加えることにより、直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムを実現した（図２参照）。
【００２３】
従って、この直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムは、各ユニットが簡単に分離できる。また、分離した状態での動作も可能である。ユニット構成であるため、故障した際の交換の容易さや、多くのユニットを用いることにより、多自由度マニピュレータに拡張可能であるといった利点がある。
【００２４】
マニピュレータの低反動動作の実現には、系全体の運動量が変化しないことが必要である。カウンタウエイトを含むマニピュレータシステム全体の運動量をＰ、角運動量をＬとすると、運動量保存式は、次のように書くことができる。
【００２５】
【数１】
2005014123.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｈ（∈Ｒ６Ｘ６  ），ν（∈Ｒ３Ｘ１  ），ω（∈Ｒ３Ｘ１  ）は、それぞれ、慣性行列、並進速度、回転角速度であり、添字１、２は、マニピュレータおよびカウンタウエイトを示している。
【００２７】
上記（１）式より、システム全体の運動量変化がゼロ、つまり、次の（２）式を満足する時に、システムの低反動動作が実現される。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
【実施例】
次に、上記直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムを地雷探査機に搭載した場合について説明する。
【００３０】
図３において、１１は、地雷探査機であり、探査機本体１２の両側には、車輪やクローラなどの走行装置１３が設けられている。また、探査機本体１２の内部には、本発明の直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムが内蔵されている。
【００３１】
この直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムは、既に説明したように、平面配置型低反動ユニット１ｂをＸ軸及びＹ軸方向に配置して平面直交２自由度マニピュレータを実現し、更に、Ｙ軸方向に配置した平面配置型低反動ユニット１ｂに同軸直線配置型低反動ユニット１ａをＺ軸方向に加えることにより構成されている。そして、Ｚ軸方向に配した同軸直線配置型低反動ユニット１ａの下端部（手先）に地雷探査用の磁気センサ１４を設けている。
【００３２】
図４において、Ｘ軸方向に配した第１平面配置型低反動ユニット１ｂの第１正逆モータ１５を正転させると同時に第２正逆モータ１６を逆転させると、Ｙ軸方向に配した第２平面配置型低反動ユニット１ｂと同軸直線配置型低反動ユニット１ａとがｘ方向に運動し、同時に、２個のカウンタウエイト１７がｘ方向とは反対のｘ’方向に運動量の変化がゼロ（零）となるように運動する。
【００３３】
また、Ｙ軸方向に配した第２平面配置型低反動ユニット１ｂの第１正逆モータ１８を正転させると同時に第２正逆モータ１９を逆転させると、同軸直線配置型低反動ユニット１ａがｙ方向に運動し、同時に、２個のカウンタウエイト２０がｙ方向とは反対のｙ’方向に運動量の変化がゼロ（零）となるように運動する。
【００３４】
一方、Ｚ軸方向に配した同軸直線配置型低反動ユニット１ａは、作図及び説明の都合上、ラックアンドピニオン方式としたが、この同軸直線配置型低反動ユニット１ａに設けた正逆回転モータ２１を時計及び反時計方向に回転させることにより、一方のラック２２の下端に取り付けた磁気センサ１４が昇降し、他方のラック２３に取り付けたカウンタウエイト２４が運動量の変化がゼロ（零）となるように磁気センサ１４と反対方向に運動する。
【００３５】
上記正逆回転モータ１５，１６，１８，１９，２１は、それぞれ、制御装置であるコンピュータ２５からの指令をモータドライバ２６で受けることにより、上記の如く、制御される。
【００３６】
尚、磁気センサ１４の昇降は、当該磁気センサ１４が地面から一定の距離を保つように図示しない距離センサからの検知信号に基づいて制御される。
【００３７】
また、上記地雷探査機１１の走行を停止して地雷探査を行う場合は、磁気センサ１４が、Ｌ字形の連続した運動軌跡Ａを描くように、第１、第２の平面配置型低反動ユニット１ｂを制御することが望ましい（図５（ａ）参照。）。
【００３８】
一方、上記地雷探査機１１を走行させながら地雷探査を行う場合は、第２の平面配置型低反動ユニット１ｂを休止させることにより、磁気センサ１４がジグザグ状（稲妻状）の運動軌跡Ｂを描くようになる（図５（ｂ）参照。）。
【００３９】
尚、カウンタウエイトの重量については、特に制限が無いが、マニピュレーション部と同重量とすることにより、上記コンピュータ２５の負担を軽減することができる。
【００４０】
また、以上の説明では、Ｚ軸方向に配した同軸直線配置型低反動ユニット１ａの先端に磁気センサ１４を設けた場合について説明したが、Ｚ軸方向に配した低反動ユニット１ａの先端には、切削や加工、溶接、塗装のための様々なツールを搭載することができる。
【００４１】
また、例えば、Ｚ軸方向に配した低反動ユニット１ａの代わりに通常のアクチュエータを適用することにより、軽量化、低コスト化を実現することができる。
【００４２】
【発明の効果】
上記のように、本発明の低反動マニピュレータユニットは、直動するマニピュレーション部とカウンタウエイト部とから構成され、マニピュレーション部の運動に基づいてカウンタウエイト部が、その反動を打ち消すように動作することにより低反動を実現することが可能になった。
【００４３】
一方、本発明は、平面配置型低反動ユニットをＸ軸及びＹ軸方向に配置することにより、平面直交２自由度マニピュレータを実現し、それに同軸直線配置型低反動ユニット１ａをＺ軸方向に加えることにより、直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムを実現した。
【００４４】
従って、この直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムは、各ユニットが簡単に分離できる。また、分離した状態での動作も可能である。更に、ユニット構成であるため、故障した際の交換の容易さや、多くのユニットを用いることにより、多自由度マニピュレータに拡張可能であるといった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）同軸直線配置型低反動ユニットの原理図、（ｂ）平面配置型低反動ユニットの原理図である。
【図２】本発明に係る直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムの概略構成図である。
【図３】本発明に係る直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムを地雷探査機に適用した例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る直交３自由度の低反動マニピュレーションシステムの制御系の説明図である。
【図５】（ａ），（ｂ）  磁気センサの運動軌跡を示す平面図である。
【符号の説明】
１  １自由度直動マニピュレータユニット
２  マニピュレーション部
３  カウンタウエイト部
【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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