(57)【要約】【課題】簡易な構成を有し動作精度が高く故障の少ない炉内作業ロボットを提供する。【解決手段】ほぼ円筒状をなす本体ケース１ａ内の軸方向に駆動される可動子５ａ，５ｂと、可動子５ａ，５ｂに基端を回転自在に結合されＶ型リンクを形成するアーム装置３と、アーム装置３の先端に取り付けられ工具を保持する手首機構７とを備えた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ円筒状をなす本体ケース内を軸方向に駆動される可動子を備えた昇降装置と、前記可動子に基端を回動自在に結合されＶ型リンクを形成するアーム装置と、前記アーム装置のリンク先端に取り付けられ工具を保持する手首機構とを備えていることを特徴とする炉内作業ロボット。
【請求項２】
前記昇降装置は、複数の円筒状の磁石を繋げてなることを特徴とする請求項１記載の炉内作業ロボット。
【請求項３】
前記昇降装置の動作軸と平行に配置され前記可動子の位置を検出する磁気式の位置センサを備えていることを特徴とする請求項１記載の炉内作業ロボット。
【請求項４】
前記アーム装置は、前記手首機構との結合部において各リンクアームが異なるピン軸によって前記手首機構と結合され、前記各リンクアームには前記ピン軸を軸中心とした平歯車が固定され、前記平歯車はモジュールが等しく双方が噛み合っていることを特徴とする請求項１記載の炉内作業ロボット。
【請求項５】
前記手首機構は、前記工具を炉内で着脱する着脱ユニットを備えていることを特徴とする請求項１記載の炉内作業ロボット。
【請求項６】
請求項１に記載の炉内作業ロボットを原子炉の上部格子板および炉心支持板を通して炉心下部に搬入し、回転する固定座を介して前記本体ケースの下部を制御棒駆動機構ハウジング上に設置し、前記本体ケースを回転させる旋回機構を介して前記本体ケースの上部を炉心支持板に固定し、前記手首機構を駆動して炉内機器に対する作業を行うことを特徴とする炉内作業方法。
【請求項７】
請求項１に記載の炉内作業ロボットにおいて、前記可動子にワイヤを接続し、前記ワイヤを前記本体ケースの上部から原子炉プール上まで導き、前記原子炉プール上の前記ワイヤを引くことによって前記アーム装置を前記本体ケース内に収納して炉外へ回収可能としたことを特徴とする炉内作業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に沸騰水型原子炉の炉内で検査、補修等の作業を行う炉内作業ロボットおよび炉内作業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所の圧力容器内部の炉内構造物は、その健全性を維持するために供用期間中溶接部を中心にひび欠陥等の補修、予防保全対策などを必要としている。一般的に行われている作業は、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接などの溶接作業、回転ブラシによる磨き作業やＥＤＭ欠陥除去作業、応力改善のためのピーニング作業などである。これらの各種補修・保全作業の多くは、作業員の放射線被爆を低減するために原子炉内に水を満たした状態で行われ、作業環境は水中となる。そこで、水中仕様の遠隔自動型の炉内作業ロボットが多く開発されている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
一般的にロボットはサーボ駆動系で駆動部を構成しているが、炉内作業ロボットも同様にして、通常は、直動機構も回転機構もＡＣサーボモータ、もしくはＤＣサーボモータで構成されている。すなわち、直動の場合は、モータの回転をラック・ピニオンや、あるいはボールネジ等で直動運動に変更するのが一般的である（下記特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０６−３０８２７９号公報
【特許文献２】特開平１１−０５２０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
炉内作業においては、炉内構造物表面からの酸化被膜（クラッド）の剥離や加工紛が発生する場合がある。ボールネジを使用した炉内作業ロボットでは、ボールネジへのごみの混入でナットが固着する危険性があり、カバーや水カーテンなどのごみ混入防止対策を講じる必要がある。一方、ラック・ピニオンによる伝達機構は、ごみによる固着の危険性は少ないものの、バックラッシュが大きく精度が要求される作業では適用困難で適用範囲が限定される。また、ボールネジ、ラック・ピニオンのいずれにしても回転力を直動力に変換する機構であり、伝達ロスや部品点数が多いなどの問題がある。  
本発明は、簡易な構成を有し動作精度が高く故障の少ない炉内作業ロボットおよび炉内作業方法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】
【０００５】
請求項１の発明は、炉内作業ロボットであり、ほぼ円筒状をなす本体ケース内を軸方向に駆動される可動子を備えた昇降装置と、前記可動子に基端を回動自在に結合されＶ型リンクを形成するアーム装置と、前記アーム装置のリンク先端に取り付けられ工具を保持する手首機構とを備えている構成とする。  
請求項２の発明は、複数の円筒状の磁石を繋げてなる構成とする。
【０００６】
請求項３の発明は、前記昇降装置の動作軸と平行に配置され前記可動子の位置を検出する磁気式の位置センサを備えている構成とする。  
請求項４の発明は、前記アーム装置は、前記手首機構との結合部において各リンクアームが異なるピン軸によって前記手首機構と結合され、前記各リンクアームには前記ピン軸を軸中心とした平歯車が固定され、前記平歯車はモジュールが等しく双方が噛み合っている構成とする。
【０００７】
請求項５の発明は、前記手首機構は、前記工具を炉内で着脱する着脱ユニットを備えている構成とする。  
請求項６の発明は炉内作業方法であり、請求項１に記載の炉内作業ロボットを原子炉の上部格子板および炉心支持板を通して炉心下部に搬入し、回転する固定座を介して前記本体ケースの下部を制御棒駆動機構ハウジング上に設置し、前記本体ケースを回転させる旋回機構を介して前記本体ケースの上部を炉心支持板に固定し、前記手首機構を駆動して炉内機器に対する作業を行う方法とする。
【０００８】
請求項７の発明も炉内作業方法であり、請求項１に記載の炉内作業ロボットにおいて、前記可動子にワイヤを接続し、前記ワイヤを前記本体ケースの上部から原子炉プール上まで導き、前記原子炉プール上の前記ワイヤを引くことによって前記アーム装置を前記本体ケース内に収納して炉外へ回収可能とする方法とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡易な構成を有し動作精度が高く故障の少ない炉内作業ロボットおよび炉内作業方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の第１ないし第３の実施例を説明する。  
【実施例１】
【００１１】
本発明の第１の実施例を図１−図６を参照して説明する。  
図１は、本実施例にかかる炉内作業ロボットの構成を示す図である。図中符号１は作業ロボット本体であり、この作業ロボット本体１においては、炉内に挿入可能なほぼ円筒形の本体ケース１ａ内に昇降装置２によって昇降するアーム装置３が内蔵されている。アーム装置３は長さの等しい２つのリンクアーム３ａ、３ｂを備えてＶ型リンクを形成している。昇降装置２を構成するシャフトモータ４は本体ケース１ａの内部に垂直に配置され、シャフトモータ４には磁気式位置センサ１３が平行して設けられており、上下２つの可動子５ａ、５ｂが装着されている。
【００１２】
リンクアーム３ａ、３ｂの先端はピン６で結合され、回動自在なＶ型リンクとなっており、ピン６には手首機構７が固定されている。リンクアーム３ａ，３ｂの基端はピン８ａ，８ｂを介して回動自在に可動子５ａ，５ｂに結合されている。また、シャフトモータ４の軸と平行にリニアガイド９を配置し、このリニアガイド９に導かれるガイドテーブル１０ａ，１０ｂを可動子５ａ，５ｂに取り付けて、可動子５ａ，５ｂがシャフトモータ４に接触することなく正確に駆動することができるようになっている。
【００１３】
シャフトモータ４は、円筒形の永久磁石をＮ極はＮ極同士で、Ｓ極はＳ極同士を接合して一直線に並べ、中心にボルトを通して結合しシャフト状に形成したコアシャフトに円筒形状の電磁コイルからなる可動子５ａ，５ｂを通して一種のリニアモータを形成したものである。シャフトモータ４は同一のシャフト上に、複数の可動子５ａ，５ｂを有し、可動子５ａ，５ｂは別々に駆動・制御することが可能である。このようなシャフトモータ４を本体ケース１ａの中に縦に配置し、２つのリンクアーム３ａ，３ｂで構成されたＶ型リンクの各リンクアーム３ａ，３ｂの基端をこの同一シャフト上の可動子５ａ，５ｂで別々に駆動するように構成されている。双方の可動子５ａ，５ｂを同じ方向に同じ距離、移動することによって昇降運動を実現し、各可動子５ａ，５ｂ間の距離を変えることによってリンクアーム３ａ，３ｂの開き角を変えてアーム装置３の伸縮を実現する。ただし、アーム装置３の伸縮によりアーム装置３ａ，３ｂの先端の手首機構７の姿勢が変化してしまうので、アーム装置３の伸縮位置によらずに任意に手首機構７の姿勢角を維持するためには手首に少なくとも垂直縦振り（チルト軸）の１自由度を有し、これによって任意に手首姿勢角を制御する。
【００１４】
磁気式位置センサ１３の構成は図２に示すようになっている。すなわち、均一なピッチで磁石のＮ極、Ｓ極が並んで積層されているコアシャフト４０に沿って電磁コイルからなるセンサ部４１が設けられている。センサ部４１の移動時に発生する誘導電気信号を誘導式、あるいはインピーダンス変化式などの方法を用いて位置情報に変換、表示する。図２に示すように一つのコアシャフト４０に複数のセンサ部４１を配置することが可能である。図１に示したように、磁気式位置センサ１３のコアシャフト４０をシャフトモータ４の動作軸と平行に配置し、可動子５ａ，５ｂとセンサ部４１を結合し、可動子５ａ，５ｂと共にセンサ部４１が移動するように構成されている。
【００１５】
磁気式位置センサ１３はシャフトモータ４の軌道上の位置を計測し、シャフトモータ４を位置制御、速度制御するために必要な現在位置信号、速度信号を発生する。また、磁気式位置センサ１３は、現在位置を絶対位置で検出することが可能であり、原点位置出しのリミットセンサや、動作限界のインターロック用リミットスイッチの機能も兼ねる。
【００１６】
図３および図４は、リンクアーム３ａ，３ｂの先端の手首機構７への工具類の取り付け装置を示す図である。図３に示すように、遠隔着脱ユニットのメスユニット１５ａは主にテーパ１６、ボールチャック１７およびエアシリンダ１８で構成されている。図４に示すように、遠隔着脱ユニットのオスユニット１５ｂはメスユニット１５ａと嵌合し、空圧駆動あるいは液圧駆動によって着脱可能な構造としている。なお、オスユニット１５ｂは主にプルスタッドボルト１９、テーパシャンク２０およびキー溝２１で構成される。オスユニット１５ｂには各種の検査用機器や補修用工具等の工具２２を取り付けるボルト取合い部を設ける。
【００１７】
本実施例の炉内作業ロボットはこのように、手首機構７に工作機械のツールシャンクをベースとした空圧駆動、あるいは液圧駆動で遠隔着脱するメスユニット１５ａとオスユニット１５ｂを取り付け、各種の工作工具、検査工具を炉内で着脱、交換することができるようになっている。このような構成であるので、工作機械（エンドエフェクタ）の交換が容易であるとともに、ロボットとは別に炉内に搬入することが可能であるので、ロボット本体１とエンドエフェクタの両者の寸法制約が緩和される。
【００１８】
本実施例の炉内作業ロボットを原子炉内に設置した状態を図５に示す。すなわち、アーム装置３の上方のリンクアーム３ａに結合された可動子５ａにインナーワイヤ２５を接続し、このインナーワイヤ２５を包むアウターガイド管２６は炉内作業ロボット内部を通過して上部より外に出し、プール上面の操作エリアまでつながっているため、操作員、あるいは駆動機構によりインナーワイヤ２５を上方向に引くことが可能な構成としている。
【００１９】
シャフトモータ４は無励磁時には推力が発生せず、現在位置を保持することができない。従って、シャフトモータ４のサーボオフ時や過負荷発生時は、サーボ電流が止まり、２つの可動子５ａ，５ｂは最下端まで落下し、リンクアーム３ａ，３ｂは最も飛び出した状態になる。しかしながら上記のような構成にすることにより、インナーワイヤ２５を引き込むことで上方のリンクアーム３ａに接続された可動子５ａをオペレーションフロア上から遠隔手動で引き上げることが可能となり、故障時や異常時においてもリンクアーム３ａ，３ｂを縮方向（収納姿勢）に戻すことができる。
【００２０】
本実施例の炉内作業ロボットは、作業ロボット本体１の形状がほぼ円筒状になっており、原子炉圧力容器内に容易に挿入し設置することができる。図５に示すように、上端には旋回機構３０が取り付けられ、下端には固定座３１が取り付けられる。旋回機構３０は、図示していないが内部にモータと回転軸を有し、作業ロボット本体１を水平に回転可能としている。旋回機構３０の側面には位置決め用のドグ３３が取り付けられており、ドグ３３は、炉内構造物の炉心支持板３２上の位置決めピン３４に嵌合される。また、固定座３１は、ＣＲＤ（制御棒駆動機構）ハウジング３５上端の穴に勘合する。固定座３１には軸受けを内蔵し、作業ロボット本体１の荷重を受けつつ、回転自在となっている。
【００２１】
本実施例の炉内作業ロボットは、シャフトモータ４を駆動し、リンクアーム３ａ，３ｂを本体ケース１ａ内に収納した状態では手首機構７も含めリンクアーム３ａ，３ｂ全体が本体ケース１ａに収まる形状となり、上部格子板（図示せず）の格子、および炉心支持板３２の穴を通過して、ＣＲＤハウジング３５上に設置される。
【００２２】
設置後、炉内において、シャフトモータ４の可動子５ａ，５ｂを駆動することにより、アーム装置３の形状、上下位置を変更調整し、所定の作業を行う。可動子５ａ，５ｂを同時に同じ方向に同じ距離移動するとアーム装置３の形状は変わらずに上下に移動し、昇降軸のみ単体で駆動したことと同じになる。また、可動子５ａ，５ｂを同時に反対の方向に同じ距離移動するとアーム装置３の全体の位置は変わらずにアーム装置の伸縮軸を単体で駆動したことと同じになる。すなわち、可動子５ａ，５ｂの昇降制御によりアーム装置３の昇降と伸縮を駆動制御することができる。
【００２３】
本実施例によれば、シャフトモータ４の動作を磁気式位置センサ１３で検出することができ、磁気式位置センサ１３から得られる位置信号によりシャフトモータ４のサーボ制御用の位置フィードバック信号を得ることができる。磁気式位置センサ１３は絶対位置を計測することができ、シャフトモータ４のストロークと同じかそれ以上の計測ストロークを有する磁気式位置センサ１３を使用することにより、位置フィードバック信号検出と同時に原点位置復帰用の原点位置検知や動作限界検知も行わせることができる。
【００２４】
また本実施例によれば、容易に各種の工具２２を炉内水中において遠隔操作で作業ロボット本体１ａに取り付けることができる。さらに、シャフトモータ４が過負荷でサーボオフとなった場合や故障により動作不良となった場合でも、インナーワイヤ２５の張力でアーム装置３の落下を防止することができる。その後、インナーワイヤ２５を引きリンクアーム３ａを引き上げることにより、シャフトモータ４を駆動せずに、アーム装置３を収納姿勢に戻すことができる。
【００２５】
本実施例は、同一のシャフトモータ４上を２つの可動子５ａ，５ｂが上昇下降するだけの構造であり、シャフトの全ストロークを有効に使用することができ、上下の動作範囲が大きい。また、直動駆動であるので、伝達ロスが少なく高速・高加減速が実現可能であり、バックラッシュも少ないので高精度である。更に、構成要素が少なく、部品点数が削減され組立て費や部品コストが削減されるなどコスト低下の効果も期待できる。
【００２６】
炉内作業ロボットにおいては保守、補修などの作業を炉内水中で実施するので、電気駆動部はすべて水中仕様とする必要があるが、シャフトモータ４には軸受けなどの摺動部がなく、可動子の電磁コイルはシールで覆われて外部から絶縁されているなど耐水性の高いモータであり、信頼性が高い。またシャフトモータ４では原理的にごみの混入、噛み込みが少なく、その対策が不要となる。一般に水中における磨き作業や溶接作業などでは水中にクラッドや切削紛が排出される環境となるが、そのような環境にも耐えられる。
【００２７】
さらにシャフトモータは、絶対位置を計測することのできる磁気式の位置センサをシャフトモータと平行に設けることにより、一つの位置センサで原点位置、原点復帰および動作限界検出の機能をまかなうことが可能であり、センサ、アンプの両方で部品点数を削減することができる。
【００２８】
また本実施例の炉内作業ロボットは、故障時、アーム装置３が移動しなくなる可能性があるが、シャフトモータ４の可動子５ａにアーム回収用の１本のインナーワイヤ２５を接続しておけば簡単に収納姿勢に戻すことができる。
【実施例２】
【００２９】
図６は、本発明の第２の実施例の炉内作業ロボットに備えられる作業ロボット本体を示す図である。図中符号１は作業ロボット本体であり、この作業ロボット本体１は、炉内に挿入可能なほぼ円筒形の本体ケース１ａ内に昇降装置２によって昇降するアーム装置３が内蔵されている。アーム装置３は長さの等しい２つのリンクアーム３ａ，３ｂを備えてＶ型リンクを形成している。昇降装置２を構成するリニアモータ１１は本体ケース１ａの内部に垂直に配置され、リニアモータ１１には２つの可動子１２ａ，１２ｂが装着されている。
【００３０】
リンクアーム３ａ，３ｂの先端はピン６で結合され回動自在となっており、ピン６には手首機構７が取り付けられている。リンクアーム３ａ，３ｂの基端はピン８ａ、８ｂを介して回動自在に可動子１２ａ，１２ｂに結合されている。また、リニアモータ１１の軸と平行にリニアガイド９を配置し、このリニアガイド９によって導かれるガイドテーブル１０ａ，１０ｂを可動子５ａ，５ｂに取り付けて、可動子１２ａ，１２ｂがリニアモータ１１の磁石軌道に接触することなく正確に一定の間隙を保ちながら滑ることができるようになっている。
【００３１】
この第２の実施例におけるリニアモータ１１は前記第１の実施例におけるシャフトモータ４と同じ機能を有し同様に作用する。本実施例の炉内作業ロボットの炉内への搬入、設置および搬出の動作は前記第１の実施例におけると同じである。
【実施例３】
【００３２】
図７は、本実施例の炉内作業ロボットに備えられる作業ロボット本体を示す図である。前記第１の実施例（図１）および第２の実施例（図６）の構成に類似しているが、異なる点はリンクアーム３ａと３ｂが同じピン６で支持されず、離れた２つのピン６ａ，６ｂで別々に回転自在に支持されていることである。更にリンクアーム３ａには平歯車１４ａが取り付けられ、リンクアーム３ｂには平歯車１４ｂが取り付けられて両者は噛み合っている。この平歯車１４ａと１４ｂは同じモジュール、同じピッチ円の歯車である。ピッチ半径はピン６ａ，６ｂの軸間距離の１／２に等しい。リンクアーム３ａのピン８ａとピン６ａの距離、およびリンクアーム３ｂのピン８ｂとピン６ｂの距離も同じである。手首機構７はピン６ａ，６ｂでリンクアーム３ａ，３ｂと結合しており、手首軸はシャフトモータ４の昇降軸と平行になるように平歯車１４ａと１４ｂの噛み合いを合せてある。
【００３３】
この構造は、台形型のアーム装置である。台形の上底を手首機構７に接続し、下底をシャフトモータ４で駆動する側にした構成であり、この構成では、手首機構７側のピン６ａ，６ｂ間を平歯車１４ａ，１４ｂで噛み合わせることで手首機構７の姿勢は常にシャフトモータ４の軸心と平行に維持される。従って、アーム装置３の昇降とアーム伸縮の動作中、アーム手首の姿勢は常に一定であるので、アーム手首の姿勢を一定に維持することが必要な場合にはアーム手首にチルト軸を設ける必要がなくなる。
【００３４】
本実施例は、アーム装置３と手首機構７の結合部に平歯車１４ａ，１４ｂを備えた構成とすることで、手首機構７の姿勢をリンクアーム３ａ，３ｂの姿勢によらず一定に保つことができる。特に、手首機構７のを組み立て時にシャフトモータ４（あるいはリニアモータ１１）の駆動軸と平行にした場合は、工具２２の姿勢をリンクアーム３ａ，３ｂの姿勢によらず常に垂直を保つことができ、炉内作業においてシュラウド３７と平行になり炉内作業が容易になる。
【００３５】
本実施例の炉内作業ロボットを原子炉内に設置した状態を図８に示す。すなわち、アーム装置３の上方のリンクアーム３ａに結合された可動子５ａにインナーワイヤ２５を接続し、このインナーワイヤ２５を包むアウターガイド管２６は炉内作業ロボット内部を通過して上部より外に出し、プール上面の操作エリアまでつながっており、操作員、あるいは駆動機構によりインナーワイヤ２５を引くことが可能な構成としている。この構成によれば、シャフトモータ４のサーボオフ時や過負荷発生時にサーボ電流が止まり、２つの可動子５ａ，５ｂが最下端まで落下し、リンクアーム３ａ，３ｂが最も飛び出した状態になった場合に、インナーワイヤ２５を引き込むことで上方のリンクアーム３ａに接続された可動子５ａをオペレーションフロア上から遠隔手動で引き上げることが可能であり、故障時や異常時においてもリンクアーム３ａ，３ｂを縮方向（収納姿勢）に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施例の炉内作業ロボットの要部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う平断面図。
【図２】本発明の第１の実施例の炉内作業ロボットに備えられる磁気式位置センサを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図３】本発明の第１の実施例の炉内作業ロボットにおいて工具を取り付けるメスユニットを示す図。
【図４】本発明の第１の実施例の炉内作業ロボットにおいて、図３に示したメスユニットに着脱されるオスユニットを示す図。
【図５】本発明の第１の実施例における炉内作業方法を示す立面図。
【図６】本発明の第２の実施例の炉内作業ロボットの要部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う平断面図。
【図７】本発明の第３の実施例の炉内作業ロボットの要部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う平断面図。
【図８】本発明の第３の実施例における炉内作業方法を示す立面図。
【符号の説明】
【００３７】
１…作業ロボット本体、１ａ…本体ケース、２…昇降装置、３…アーム装置、３ａ，３ｂ…リンクアーム、４…シャフトモータ、５ａ，５ｂ…可動子、６，６ａ，６ｂ…ピン、７…手首機構、８ａ，８ｂ…ピン、９…リニアガイド、１０ａ，１０ｂ…ガイドテーブル、１１…リニアモータ磁石軌道、１２ａ，１２ｂ…可動子、１３…磁気式位置センサ、１４ａ，１４ｂ…平歯車、１５ａ…メスユニット、１５ｂ…オスユニット、１６…テーパ、１７…ボールチャック、１８…エアシリンダ、１９…プルスタッドボルト、２０…テーパシャンク、２１…キー溝、２２…工具、２５…インナーワイヤ、２６…アウターガイド管、３０…旋回機構、３１…固定座、３２…炉心支持板、３３…ドグ、３４…位置決めピン、３５…ＣＲＤハウジング、３７…シュラウド、３８，３９…ケーブル、４０…コアシャフト、４１…センサ部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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