サーボマニピュレータの着脱装置
【課題】伸縮自在なサーボマニピュレータの着脱装置に関する。
【解決手段】作業者が操作するマスターサーボマニピュレータと、前記マスターサーボマニピュレータの信号が伝達されて作業環境にて前記マスターサーボマニピュレータの動きを模写するスレーブサーボマニピュレータと、前記マスターまたは／およびスレーブサーボマニピュレータに備えられ、前記サーボマニピュレータを伸縮自在な伸縮装置から分離または結合する着脱装置と、を含み、前記着脱装置は、円錐状の結合突起が結合穴に結合した後、前記結合突起が離脱しないように結合穴が形成された回転板が回転して前記結合突起が係止するように形成されたことを特徴とする。
【解決手段】作業者が操作するマスターサーボマニピュレータと、前記マスターサーボマニピュレータの信号が伝達されて作業環境にて前記マスターサーボマニピュレータの動きを模写するスレーブサーボマニピュレータと、前記マスターまたは／およびスレーブサーボマニピュレータに備えられ、前記サーボマニピュレータを伸縮自在な伸縮装置から分離または結合する着脱装置と、を含み、前記着脱装置は、円錐状の結合突起が結合穴に結合した後、前記結合突起が離脱しないように結合穴が形成された回転板が回転して前記結合突起が係止するように形成されたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸縮自在なサーボマニピュレータの着脱に関し、より詳細には、伸縮自在な伸縮装置の下部末端にマスターまたはスレーブサーボマニピュレータを結合することにおいて、これらの相互間の方向と位置が正確に一致し、作業者１人という少ない労動力で容易に脱着または付着することができる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力を用いて発電または使用済み核燃料を処理したり、これに関する実験を行うためには、放射線遮断施設であるホットセル（hot cell）が提供されなければならない。このようなホットセル内部は放射線が被爆する恐れがあるため、作業者を投入して作業することはできない。このため、装置の運転および維持補修のためにマスター／スレーブマニピュレータシステムが用いられている。マスターマニピュレータはホットセルの外部に位置し、スレーブマニピュレータはホットセルの内部に位置しているため、安全に作業を行うことができる。すなわち、マスターマニピュレータを作業者が操作すれば、遠隔に位置したスレーブマニピュレータが作動する方式であり、遠隔技術を応用したものである。
【０００３】
このような遠隔技術は、人間が接近し難い極限環境での作業分野、ごみ処理などの嫌悪な作業分野、地雷除去などの危険が伴う作業分野などにおいて有用な技術である。しかし、遠隔作業は遠隔で成されるため現実感を感じ難く、これにより作業能率が低下する状況下で作業を進めざるを得ない。また、これだけでなく、衝突などの突発状況に即時に対応し難いため、システムの故障を招いたりもする。したがって、現実感を高めた遠隔作業を行うための技術開発が求められている。具体的には、力反射（force reflection）のように、スレーブマニピュレータと作業環境の接触力情報をマスターマニピュレータに伝達することができる機械式または電気式方法が要求されている。
【０００４】
さらに他の要求事項としては、放射線の遮断施設であるホットセルに一般的に適用される壁付着機械式のマスター／スレーブマニピュレータシステムは、スレーブマニピュレータがホットセル内部の壁面に固定されているため、作業領域が極めて制限されていて有用でない。このような作業領域の制限性を克服するための解決策として、同じ装置を複数直列に配置して作業を行う方法があるが、これは浪費が甚だしく効率的ではないため、好ましい解決方案であるとは言い難い。
【０００５】
このような壁付着機械式のマニピュレータの短所である作業領域の制限を克服するために、天井移送装置にマニピュレータを付着した形態である電気式天井移動式マニピュレータが適用されている。ここで、天井移送装置とは、クレーンなど平面上の運動が可能な移送装置の下部に伸縮自在な伸縮装置が付着された形態が一般的であり、前記伸縮装置の下部末端にマニピュレータが付着されるものである。しかし、従来の天井移動が可能なマニピュレータは、点検や修理のためにマニピュレータを天井移送装置から脱着する必要性が生じる。これについては次のような問題点が挙げられる。
【０００６】
第１に、作業者がマニピュレータまたは伸縮自在な伸縮装置を持ち上げて脱着を行う場合には多数の作業者が必要となるため、作業能率の低下はもちろん、安全事故などの危険が伴う。
【０００７】
第２に、天井移動式マニピュレータがホットセルのような危険地域における適用時に故障した場合、特殊防護服を着用した作業者であったとしても、傍まで接近して修理を行えば、放射線に被爆する恐れがある。また、ホットセル内の放射線準位が許容値以下に減少するまで待機してから作業を行えば、作業時間が遅延して作業能率が低下するという問題がある。したがって、ホットセル内に設置されている壁付着機械式のマニピュレータを用いて天井移動式のマニピュレータを遠隔で着脱できることが好ましいが、天井移送装置の伸縮自在な伸縮装置にマニピュレータを方向と位置が正確に一致するように結合するには困難を来たす。
【０００８】
したがって、作業者の介入を最小に抑えながら正確かつ容易にマニピュレータを着脱することができる装置についての研究が急がれている。
【０００９】
【特許文献１】大韓民国特許公開第１９８９−００１４２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたものであって、結合時に偏心が存在しても接触補正により正確な位置に結合することができ、容易に結合可能な着脱装置およびこれを含む天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、多数の作業者がサーボマニピュレータまたは伸縮自在な伸縮装置を持ち上げて脱着を行う代わりに、前方向移動が可能な昇降装置にサーボマニピュレータを安着し、単純な遠隔操作のみでサーボマニピュレータを正確な方向と位置で結合することができる結合着脱装置およびこれを含む天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを提供することを他の目的とする。
【００１２】
また、本発明は、結合装置の中央に電気的信号を送受信することができるコネクタ部とコネクタ連結部を備え、これらもサーボマニピュレータの着脱時に同時に連結または分離可能にすることで、サーボマニピュレータを構成する器具部および信号伝達部を同時に着脱することができる。また、信号ケーブルが外部に露出されないため接触による損傷を防ぐことができ、美観を支援する着脱装置およびこれを含む天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを提供することをさらに他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記のような本発明の目的を達成するために、本発明の天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムは、作業者が操作するマスターサーボマニピュレータと、前記マスターサーボマニピュレータの信号が伝達されて作業環境にて前記マスターサーボマニピュレータの動きを模写するスレーブサーボマニピュレータと、前記マスターまたは／およびスレーブサーボマニピュレータに備えられ、前記サーボマニピュレータを伸縮自在な伸縮装置から分離または結合する着脱装置と、を含み、前記着脱装置は、円錐状の結合突起が結合穴に結合した後、前記結合突起が離脱しないように結合穴が形成された回転板が回転して前記結合突起が係止するように形成されたことを特徴とする。
【００１４】
前記着脱装置は、複数の結合突起が上側面に突出形成された第１結合板と、前記結合突起と対応する位置に前記結合穴が形成された第２結合板と、を含み、前記結合突起は垂直に突出形成された突出部で形成され、前記結合穴は前記突出部と連結して直径が拡張形成された円錐状を成す拡張部で形成されることが好ましい。
【００１５】
前記結合穴は、円弧状で形成された第１結合穴と、前記第１結合穴と連結して前記第１結合穴より直径が小さい第２結合穴と、で構成され、前記第１結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より大きく構成され、前記第２結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より小さく構成されるのが好ましい。また、前記結合突起および前記結合穴は３つであり、１２０度の間隔で形成される。
【００１６】
本システムは、回転によってボルト結合または挿入結合するものであって、回転板と第２結合板体を固定させて前記第１および第２結合板の結束を支援する役割をする固定レバーをさらに含むことが好ましい。また、前記分離したサーボマニピュレータを上部に上げることができ、サーボマニピュレータを伸縮自在な伸縮装置に付着する高さまで昇降が可能であり、移送車輪を備えて移動可能な移動式昇降装置をさらに含む。前記移送車輪は、水平方向に前方向移動が可能であることを特徴とする。前記結合装置の中央には、電気的信号を送受信することができるコネクタ部と、前記コネクタ部と連結または分離可能な連結部と、をさらに含んで構成される。
【００１７】
また、前記結合装置は、突出形成された案内ピンと、前記案内ピンの挿入可能な案内穴が形成されたボディ部と、をさらに含み、前記コネクタの突出高さは前記案内ピンの突出高さより低く、前記案内ピンの突出高さは前記結合突起の突出高さより低いことを特徴とする。
【００１８】
前記スレーブサーボマニピュレータは、伸縮自在な伸縮装置の下部で着脱可能である。天井移送装置は、天井に形成されたガイドレールに沿って移動するｘおよびｙ軸移送ユニットを備えて天井壁面を移動することができ、伸縮自在な伸縮装置と命名されたｚ軸移送ユニットを備えて下方に延長可能であることを特徴とする。前記スレーブサーボマニピュレータが作業する環境には複数のカメラが付着しており、前記カメラで撮影された映像は、前記マスターサーボマニピュレータが位置した環境に伝達されて前記作業者がモニタリングすることができる。前記スレーブサーボマニピュレータはセンサーユニットを備え、物体との接触時における接触力を前記マスターサーボマニピュレータに力反射制御で伝達して、前記マスターサーボマニピュレータで接触力と比例する力が具現されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、結合時に偏心が存在しても接触が補正されて正確な位置に結合することができ、容易に結合することができる効果がある。
【００２０】
また、多数の作業者がサーボマニピュレータまたは伸縮自在な伸縮装置を直接持ち上げて着脱を行う代りに、前方向移動が可能な昇降装置にサーボマニピュレータを安着することで、単純な遠隔操作だけでもサーボマニピュレータを正確に結合することができる効果がある。
【００２１】
また、結合装置の中央に電源および信号線の連結または分離が可能なコネクタ部とコネクタ連結部が備えられることで、サーボマニピュレータの器具部および信号伝達部を同時に着脱することができ、信号ケーブルが外部に露出されないため接触による損傷を防ぐことができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明するが、本発明が実施形態によって制限または限定されることはない。
【００２３】
まず、天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムの全体的な形態を説明する。図１は、本発明の天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータを示した斜視図である。
【００２４】
これに示すように、スレーブサーボマニピュレータシステム２００は、使用済み核燃料など放射線露出の危険があるプロセスセル（process cell）に直接設置されており、マスターサーボマニピュレータシステム１００は、前記プロセスセル空間の外部に位置して作業者１によって操作される。プロセスセルの天井にてｘ、ｙ軸に移動可能であるとともにｚ軸に沿って下降または上昇が可能な天井移送装置２０２の下部にスレーブサーボマニピュレータ２０１が付着されて空間的移動が可能となる。これについての詳しい説明は、図３を参照して後述する。
【００２５】
作業者１がマスターサーボマニピュレータ１０１を操作すれば、動作信号が電気信号に変換された後、スレーブサーボマニピュレータ２０１および天井移送装置２０２に伝達されて、スレーブサーボマニピュレータ２０１が動くようになる。すなわち、マスターサーボマニピュレータ１０１の動きをそのままスレーブサーボマニピュレータ２０１が模写して動くようになる。後述で詳しく説明するが、マスターサーボマニピュレータは６自由度（Degree of freedom）を具現するため、ハンドル１６０は３次元空間の移動だけではなく、３方向ローテーションも可能である。このような動きはスレーブサーボマニピュレータ２００に伝達されて、グリップ２１１が６自由度に動くようになる。
【００２６】
スレーブサーボマニピュレータシステム２００が設置されたプロセスセルの内部では複数のカメラ３０１、３０２によって撮影が行われ、映像を作業者１のモニタ３１０画面に提供する。作業者１はモニタ画面を見ながらマスターサーボマニピュレータシステム１００を操作して、スレーブサーボマニピュレータシステム２００の動きを制御する。カメラ３０１、３０２は、プロセスセルの壁面、天井移送装置２０２またはスレーブサーボマニピュレータシステム２００の上部に付着され、カメラの個数は自由に構成することができる。また、カメラの材質は放射線に強いもので構成されるのが好ましく、放射線に強い材質でカバーを構成してカメラを密封しても良い。
【００２７】
作業者１の前にはコントロールパネル３２０が備えられている。前記コントロールパネル３２０は、カメラ３０１、３０２の撮影角度を調節するジョイ・スティック３４０や、その他の動作ボタン３３０などで構成されている。
【００２８】
動作ボタン３３０は、スレーブサーボマニピュレータ２０１の各関節をマスターサーボマニピュレータ１０１によらずに動かすのに有用である。これは、マスターサーボマニピュレータ１０１の故障やその他の危険状況において動作ボタン３３０を操作することで、スレーブサーボマニピュレータ２０１の動きを制御することができる。
【００２９】
次に、マスターサーボマニピュレータシステムについて説明する。図２は、マスターサーボマニピュレータシステムを示した斜視図であり、図３は、マスターサーボマニピュレータのハンドルの回転を示した斜視図であり、図４は、マスターサーボマニピュレータのハンドルのグリップ作動を示した斜視図である。
【００３０】
これに示すように、前記マスターサーボマニピュレータシステム１００は、壁面１０３に固定される固定板１０４が形成され、前記固定板１０４と連結して水平に形成された水平体１１０が提供される。前記水平体１１０の一端にはｚ軸方向に移動可能な伸縮自在な伸縮装置１２０が形成される。前記伸縮自在な伸縮装置１２０の下部末端に結合されたマスターサーボマニピュレータ１０１には、前記マスターサーボマニピュレータ１０１の関節運動をワイヤやギヤなどを介して伝達して電気的な信号に変換する変換ユニット１４０が配置される。
【００３１】
作業者１はハンドル１６０のグリップ１６１を握って操作を行う。前記ハンドル１６０は、多数の関節を備えた連結ユニット１５０によって変換ユニット１４０に連結されており、全体的に６自由度の動きが可能である。より具体的に説明すれば、変換ユニット１４０の第１回動軸１４１に回転可能に設置された第１関節１５１が備えられ、前記第１関節１５１に備えられた第２回動軸１５２に回転可能に設置された第２関節１５３が結合する。前記第２関節１５３に備えられた第３回動軸１５４には、ハンドル１６０が回転可能に結合するようになる。
【００３２】
ハンドル１６０には、グリップ１６１および前記グリップ１６１が装着された装着体１６２が備えられており、前記装着体１６２の回転が可能になるように回転板１６３が結合している。前記回転板１６３は第３回動軸１５４を中心として回転可能に動くだけでなく、ベアリングなどが内蔵されてグリップ１６１の回転運動を提供するようになる。
【００３３】
グリップ１６１は、回転板１６３による回転運動および第１、２関節１５１、１５３の回転運動によって３次元的な移動および回転が可能である。また、グリップ１６１は、スレーブサーボマニピュレータシステム２００におけるグリップ動作の具現において、グリップ１６１を握ることでグリップ動作が可能になるように構成されている。
【００３４】
次に、スレーブサーボマニピュレータについて説明する。図５は、スレーブサーボマニピュレータを示した斜視図である。
【００３５】
これに示すように、前記スレーブサーボマニピュレータ２０１は、天井移送装置２０２の伸縮自在な伸縮装置の下部に着脱可能に装着されている。天井移送装置２０２はプロセスセルの天井に付着され、スレーブサーボマニピュレータ２０１をｘ、ｙ軸に移送したりｚ軸に下降または上昇したりする。これについては後述で詳しく説明する。
【００３６】
プロセスセルの天井には、ｘ軸方向に長く付着されている２列のガイドレール２９２上を動くｘ軸移送ユニット２９０と、前記ｘ軸移送ユニット２９０の間に設置されたｙ軸ガイドレール２９３上を動くｙ軸移送ユニット２７０と、が配置される。
【００３７】
前記ｘ軸移送ユニット２９０は複数であっても良い。ｘ軸移送ユニット２９０は長方形のハウジング内に、モータ、減速器、クラッチおよびギヤなどを内蔵しており、駆動力を発生してスチールタイヤ（図示せず）に伝達する。スチールタイヤはガイドレール２９２を移動しながらｘ軸移動を可能にする。
【００３８】
前記ｙ軸移送ユニット２７０は四隅に４つの移送車輪２７１を結合しており、ｙ軸ガイドレール２９３上を移動することができる。ｙ軸ガイドレール２９３の終端にはストッパ２７２が形成され、スレーブサーボマニピュレータ２０１がガイドレール２９３外部に離脱することを防ぐ。
【００３９】
前記ｙ軸移送ユニット２７０の下方には、伸縮自在な伸縮装置２５０が備えられている。また、伸縮自在な伸縮装置２５０の下端には、伸縮装置２５０とスレーブサーボマニピュレータ２０１との着脱が可能な結合装置４００が装着されている。
【００４０】
まず、伸縮自在な伸縮装置２５０を説明すれば、伸縮自在な伸縮装置２５０は、円柱状のコラムで構成された固定コラム２５１と、前記固定コラム２５１の内部で重なったり伸びたりしながらスレーブサーボマニピュレータ２０１を上下に移動させる移動コラム２５２と、で構成される。
【００４１】
移動コラム２５２が上昇する場合には、該一端が前記固定コラム２５１の内部に重なりながら挿入して、前記スレーブサーボマニピュレータ２０１を引き上げる。一方、移動コラム２５２が下降する場合には、一端が前記固定コラム２５１の外部に排出されて、前記スレーブサーボマニピュレータ２０１を地面付近まで下ろすようになる。
【００４２】
アクチュエータユニット２３０は、マスターサーボマニピュレータ１０１で作業者が操作する信号を電気的に送信してスレーブサーボマニピュレータ２０１を駆動する。すなわち、運転手がマスターサーボマニピュレータ１０１を調整すれば、動作信号が電気的信号に変化して制御ユニット（図示せず）に入力され、制御ユニットからスレーブサーボマニピュレータのアクチュエータユニット２３０に信号を伝送するようになる。このとき、スレーブサーボマニピュレータ２０１のグリップユニット２１０は、マスターサーボマニピュレータ１０１と同じ動作で作動する。
【００４３】
グリップユニット２１０は、アクチュエータユニット２３０の駆動力を伝達するためにワイヤやギヤによって連結されており、アクチュエータユニット２３０と回転可能に結合されている。前記グリップユニット２１０にはグリップ２１１が備えられている。前記グリップ２１１は回転および移動が可能であり、グリップ動作が可能であって、作業物体を掴んで回転および移動させた後、所望する位置に置くことができる。
【００４４】
伸縮自在な伸縮装置２５０とスレーブサーボマニピュレータ２０１は結合装置４００によって着脱可能である。これについては後述で説明する。
【００４５】
以下、天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムの作動原理について説明する。
【００４６】
スレーブサーボマニピュレータシステム２００はプロセスセルなどの作業に危険が伴う地域に配置され、プロセス外部など放射線露出の危険がない安全な地域にはマスターサーボマニピュレータシステム１００が位置する。作業環境は、壁面、移送装置、スレーブサーボマニピュレータシステム２００に付着したカメラ３０３を介して視覚映像をモニタに提供するようになる。
【００４７】
作業者はモニタを見ながらマスターサーボマニピュレータ１０１を操作してスレーブサーボマニピュレータ２０１を動かすようになる。また、マスターサーボマニピュレータを構成する各関節の運動はワイヤまたはギヤに伝達され、エンコーダなどが内蔵された変換ユニット１４０によって電気的な信号に変換される。前記電気的な信号は制御ユニットによってスレーブサーボマニピュレータ２０１に伝達され、複数のモータなどで構成されたスレーブサーボマニピュレータ２０１のアクチュエータユニット２３０はグリップ２１１を３次元的に移動または回転運動させる。グリップ２１１は使用済み核燃料などの危険が伴う物質に接触しながら、作業者が所望する作業を行うようになる。
【００４８】
このとき、作業者がモニタだけを見て作業をするようになれば、カメラの死角地帯では作業環境を観察することができない。それだけでなく、死角地帯でなくても作業環境の現実感が低下するため、グリップ２１１と作業物体が衝突するなど故障の危険が伴うようになる。これを補うために、スレーブサーボマニピュレータ２０１のセンサーユニット（図示せず）に位置センサあるいはトルクセンサを付着し、これによって受信された信号を制御ユニッによってサーボマニピュレータ１０１側にフィードバックして、マスターマニピュレータのハンドルを握っている作業者に力反射を行うようになる。
【００４９】
このような本発明の力反射制御を図６に示した。図６は、力反射性制御を図式的に示した構成図である。
【００５０】
グリップ２１１が物体と接触すれば、センサーユニット（図示せず）で接触事実を認知する。センサーユニットは電気的信号を発生し、接触力と比例する電流または電圧値を制御ユニット（図示せず）を介してマスターサーボマニピュレータ１０１に送信する。マスターサーボマニピュレータ１０１のアクチュエータユニット２３０にはモータなどが装着されており、前記電気的信号に比例してトルク（torque）を発生して操作者に抵抗力を感じさせるようにする。ハンドル１６１を握っている作業者は、フィードバックされたトルクを感じることで衝突などを感じることができるようになり、現場感を高めることができるようになる。すなわち、障害物がある場所では力フィードバックを感じるようになるため、障害物方向には位置信号を与えないようになる。
【００５１】
したがって、スレーブサーボマニピュレータが障害物との反復した衝撃による損傷を防ぐことができるようになり、作業者はカメラで提供される映像情報以外にも触覚情報を受けることで、より現場感を感じることができるようになる。このとき、図６に示すように、制御機の利得値を調整して力反射比を調整することで、適切な力フィードバック量を具現することができる。
【００５２】
このように、力反射を介した触感信号とカメラを用いた視覚信号により、作業者は現場感が高いマスターサーボマニピュレータを操作して、遠距離にあるスレーブサーボマニピュレータを操ることができるようになる。
【００５３】
このとき、スレーブサーボマニピュレータ２０１は、故障または部品修理のために分離が必要となる。
【００５４】
このような形態を図７に示した。図７は、スレーブサーボマニピュレータの分離を示した斜視図である。
【００５５】
これに示すように、結合装置４００によって伸縮自在な伸縮装置２５０とスレーブサーボマニピュレータ２０１の着脱が可能となる。結合装置４００は、スレーブサーボマニピュレータ２０１の上部と結合した第１結合板４１０と、前記第１結合板４１０と着脱可能であって伸縮自在な伸縮装置２５０の下部に結合した第２結合板４２０と、で構成される。前記第１結合板４１０と第２結合板４２０の結合および分離によって、スレーブサーボマニピュレータ２０１と伸縮自在な伸縮装置２５０の分離が可能となる。
【００５６】
分離されたスレーブサーボマニピュレータ２０１は移動式昇降装置５００に安着され、プロセスセルなどの作業環境に移送される。作業環境には放射線などの危険要素が散在しているため、前記移動式昇降装置５００は、動力ユニットが装着されて自力で動いたり、他のマニピュレータによって引っ張られることで移送可能であるものが好ましい。図面符合５１０は、移動式昇降装置の移送車輪を示す。移送車輪５１０は２次元的な四方に自由に移動するように構成されて結合を支援し、移送されたスレーブサーボマニピュレータ２０１を所定の高さまで昇降または下降するように設計されるのが好ましい。
【００５７】
以下、結合装置の結合原理について説明する。図８は、結合装置の分解斜視図あり、図９は、第２結合板の下部を示した斜視図である。
【００５８】
図８に示すように、第１結合板４１０には、該上側に突出形成された結合突起４１３が形成されている。前記結合突起４１３は、第１結合板４１０で垂直に突出形成された突出部４１２と、前記突出部４１２と連結して直径が拡張形成された拡張部４１１と、で成される。前記突出部４１２の形状は円柱型であり、前記拡張部４１１の形状はきのこ状の円柱型である。
【００５９】
前記第１結合板４１０は円板状を有する第１結合板体４１５を備え、前記結合突起４１３は第１結合板体４１５の上側面に３つが突出形成され、相互間に１２０度の間隔を成す。前記第１結合板４１０の形状や前記結合突起の個数および角度は任意に変形可能であることは自明である。前記結合突起４１３の間には、第２結合案内穴４１６が１２０度の間隔を成して配置される。前記第２結合案内穴４１６には、ニードルベアリング（needle bearing）が垂直に配列されている。前記第１結合板４１０の中央部には、電気信号が送受信されるコネクタ部４１４が形成される。
【００６０】
前記第２結合板４２０には円板状で構成された回転板４２３が備えられ、前記回転板４２３上に形成された結合穴４２１、４２２を備える。前記回転板４２３は、第２結合板体４２７と結合して回転可能に形成される。前記結合穴４２１は、脱着時に前記結合突起４１３と対応する位置に置かれるようになる。
【００６１】
結合穴は、円弧状に形成された第１結合穴４２１と、前記第１結合穴４２１と連結して前記第１結合穴４２１より直径が小さい第２結合穴４２２と、で構成される。前記第１結合穴４２１の直径は結合突起４１３の拡張部４１１の直径より大きく、前記第２結合穴４２２の直径は結合突起４１３の拡張部４１１の直径より小さい。ただし、第２結合穴４２２の直径は突出部４１２の直径よりは大きい。前記結合穴４２１、４２２には結合突起４１３が挿入結合する。これについての詳しい説明は後述する。
【００６２】
図９に示すように、第１結合案内穴４２９の間には１２０度の間隔で案内ピン４２８が下部に突出形成され、第１結合板４１０の第２結合案内穴４１６と結合する。前記案内ピン４２８の突出長さは、前記第１結合板４１０の結合突起４１３より短く形成されることが好ましい。図面符合４２６はストッパーピンであって、回転板４２３に円柱状で突出しており、第２結合板体４２７に挿入されて回転を制限する役割をする。
【００６３】
第２結合板４２０の中央には、第１結合板４１０のコネクタ部４１４と結合する連結部４２５が形成されている。前記連結部４２５は、コネクタ部４１４の個数および位置と対応して形成される。前記第２結合板４２０の側面には、前記第１および第２結合板４１０、４２０を固定させる固定レバー４２４が結合している。前記固定レバー４２４は、回転によってボルト結合あるいは挿入結合することで回転板４２３が第２結合板体４２７を固定し、前記第１および第２結合板４１０、４２０の結束を支援する役割をする。
【００６４】
前記結合順を、図１０および図１１によって説明する。結合のためには、図７に示された移動式昇降装置にスレーブサーボマニピュレータを安着して移送させた後、移動式昇降装置を用いて所望する高さまで昇降させる。移動式昇降装置の移送車輪は前方向に移動可能であるため、結合穴に円錐状の拡張部４１１を結合するとき、移動式昇降装置が水平方向に自由に動きながら相互間の中心を一致させる役割をする。
【００６５】
案内ピン４２８の突出の長さは、前記第１結合板４１０の結合突起４１３より短く形成されており、円錐状に形成された結合突起４１３の拡張部４１１が第１結合案内穴４２９に挿入された後に第１結合穴４２１に挿入される。図１０は、このような形態を示した図である。拡張部４１１は円錐状であるため、第１結合穴４２１との接触が補正されながら結合するようになる。すなわち、拡張部４１１の最上端が第１結合案内穴４２９内に位置すれば、拡張部４１１の側面にスライドしながら第１結合案内穴４２９内に挿入結合するようになる。接触補正されて拡張部４１１が第１結合案内穴４２９に挿入されれば、案内ピン４２８が第２結合案内穴４１６に自然に挿入結合するようになる。
【００６６】
拡張部４１１が第１結合穴４２１に挿入された後に回転板４２３を回転させ、拡張部４１１下部に第２結合穴４２２が来るように回転させる。前記第２結合穴４２２の直径は拡張部４１１の直径より小さいため、結合装置４００の下部パートの落下を防ぐことができる。このとき、コネクタ部は連結部４２５と結合して、電気信号などを送受信することができるようになる。
【００６７】
その後、固定レバー４２４を回転して回転板４２３と第２結合板体４２７を固定させることで、前記第１および第２結合板４１０、４２０の結束を支援する役割をする。
【００６８】
結合装置を第１および第２結合板４１０、４２０に分離する過程は、結合と逆の順序で進行すれば良いため、これについての詳しい説明は省略する。
【００６９】
このように、スレーブサーボマニピュレータなどの故障時に、作業環境にて放射線準位が許容値まで減少するまで待機してから特殊防護服を着用した作業者が接近して修理をする必要がなく、すぐに分離して維持補修地域に移送した後に修理することができるという長所を有する。また、結合が容易であるため人間が作業環境内に入って行く必要がなく、他のマニピュレータを用いた単純な操作のみで着脱が可能であり、危険要素を減少させることができる。
【００７０】
また、結合時に偏心が存在しても容易に結合できるだけでなく、正確な位置に結合できるという長所を有する。マスターサーボマニピュレータにおいても、スレーブサーボマニピュレータの結合装置のように着脱可能な装置の採用が可能であることは自明である。
【００７１】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを示した斜視図である。
【図２】マスターサーボマニピュレータシステムを示した斜視図である。
【図３】マスターサーボマニピュレータのハンドルの回転を示した斜視図である。
【図４】マスターサーボマニピュレータのハンドルのグリップ作動を示した斜視図である。
【図５】スレーブサーボマニピュレータシステムを示した斜視図である。
【図６】力反射を図式的に示した構成図である。
【図７】スレーブサーボマニピュレータの分離を示した斜視図である。
【図８】結合装置の分解斜視図である。
【図９】第２結合板の下部を示した斜視図である。
【図１０】結合前の結合突起の挿入を示した斜視図である。
【図１１】結合後の結合突起の挿入を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１：作業者
１００：マスターサーボマニピュレータシステム
１１０：水平体
１２０、２５０：伸縮自在な伸縮装置
１４０：変換ユニット
１５０：連結ユニット
１６１：マスターハンドル
２００：スレーブサーボマニピュレータシステム
２０２：天井移送装置
２１１：グリップ
２３０：アクチュエータユニット
４００：結合装置
４１０：第１結合板
４１３：結合突起
４２０：第２結合板
４２１、４２２：結合穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸縮自在なサーボマニピュレータの着脱に関し、より詳細には、伸縮自在な伸縮装置の下部末端にマスターまたはスレーブサーボマニピュレータを結合することにおいて、これらの相互間の方向と位置が正確に一致し、作業者１人という少ない労動力で容易に脱着または付着することができる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力を用いて発電または使用済み核燃料を処理したり、これに関する実験を行うためには、放射線遮断施設であるホットセル（hot cell）が提供されなければならない。このようなホットセル内部は放射線が被爆する恐れがあるため、作業者を投入して作業することはできない。このため、装置の運転および維持補修のためにマスター／スレーブマニピュレータシステムが用いられている。マスターマニピュレータはホットセルの外部に位置し、スレーブマニピュレータはホットセルの内部に位置しているため、安全に作業を行うことができる。すなわち、マスターマニピュレータを作業者が操作すれば、遠隔に位置したスレーブマニピュレータが作動する方式であり、遠隔技術を応用したものである。
【０００３】
このような遠隔技術は、人間が接近し難い極限環境での作業分野、ごみ処理などの嫌悪な作業分野、地雷除去などの危険が伴う作業分野などにおいて有用な技術である。しかし、遠隔作業は遠隔で成されるため現実感を感じ難く、これにより作業能率が低下する状況下で作業を進めざるを得ない。また、これだけでなく、衝突などの突発状況に即時に対応し難いため、システムの故障を招いたりもする。したがって、現実感を高めた遠隔作業を行うための技術開発が求められている。具体的には、力反射（force reflection）のように、スレーブマニピュレータと作業環境の接触力情報をマスターマニピュレータに伝達することができる機械式または電気式方法が要求されている。
【０００４】
さらに他の要求事項としては、放射線の遮断施設であるホットセルに一般的に適用される壁付着機械式のマスター／スレーブマニピュレータシステムは、スレーブマニピュレータがホットセル内部の壁面に固定されているため、作業領域が極めて制限されていて有用でない。このような作業領域の制限性を克服するための解決策として、同じ装置を複数直列に配置して作業を行う方法があるが、これは浪費が甚だしく効率的ではないため、好ましい解決方案であるとは言い難い。
【０００５】
このような壁付着機械式のマニピュレータの短所である作業領域の制限を克服するために、天井移送装置にマニピュレータを付着した形態である電気式天井移動式マニピュレータが適用されている。ここで、天井移送装置とは、クレーンなど平面上の運動が可能な移送装置の下部に伸縮自在な伸縮装置が付着された形態が一般的であり、前記伸縮装置の下部末端にマニピュレータが付着されるものである。しかし、従来の天井移動が可能なマニピュレータは、点検や修理のためにマニピュレータを天井移送装置から脱着する必要性が生じる。これについては次のような問題点が挙げられる。
【０００６】
第１に、作業者がマニピュレータまたは伸縮自在な伸縮装置を持ち上げて脱着を行う場合には多数の作業者が必要となるため、作業能率の低下はもちろん、安全事故などの危険が伴う。
【０００７】
第２に、天井移動式マニピュレータがホットセルのような危険地域における適用時に故障した場合、特殊防護服を着用した作業者であったとしても、傍まで接近して修理を行えば、放射線に被爆する恐れがある。また、ホットセル内の放射線準位が許容値以下に減少するまで待機してから作業を行えば、作業時間が遅延して作業能率が低下するという問題がある。したがって、ホットセル内に設置されている壁付着機械式のマニピュレータを用いて天井移動式のマニピュレータを遠隔で着脱できることが好ましいが、天井移送装置の伸縮自在な伸縮装置にマニピュレータを方向と位置が正確に一致するように結合するには困難を来たす。
【０００８】
したがって、作業者の介入を最小に抑えながら正確かつ容易にマニピュレータを着脱することができる装置についての研究が急がれている。
【０００９】
【特許文献１】大韓民国特許公開第１９８９−００１４２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたものであって、結合時に偏心が存在しても接触補正により正確な位置に結合することができ、容易に結合可能な着脱装置およびこれを含む天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、多数の作業者がサーボマニピュレータまたは伸縮自在な伸縮装置を持ち上げて脱着を行う代わりに、前方向移動が可能な昇降装置にサーボマニピュレータを安着し、単純な遠隔操作のみでサーボマニピュレータを正確な方向と位置で結合することができる結合着脱装置およびこれを含む天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを提供することを他の目的とする。
【００１２】
また、本発明は、結合装置の中央に電気的信号を送受信することができるコネクタ部とコネクタ連結部を備え、これらもサーボマニピュレータの着脱時に同時に連結または分離可能にすることで、サーボマニピュレータを構成する器具部および信号伝達部を同時に着脱することができる。また、信号ケーブルが外部に露出されないため接触による損傷を防ぐことができ、美観を支援する着脱装置およびこれを含む天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを提供することをさらに他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記のような本発明の目的を達成するために、本発明の天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムは、作業者が操作するマスターサーボマニピュレータと、前記マスターサーボマニピュレータの信号が伝達されて作業環境にて前記マスターサーボマニピュレータの動きを模写するスレーブサーボマニピュレータと、前記マスターまたは／およびスレーブサーボマニピュレータに備えられ、前記サーボマニピュレータを伸縮自在な伸縮装置から分離または結合する着脱装置と、を含み、前記着脱装置は、円錐状の結合突起が結合穴に結合した後、前記結合突起が離脱しないように結合穴が形成された回転板が回転して前記結合突起が係止するように形成されたことを特徴とする。
【００１４】
前記着脱装置は、複数の結合突起が上側面に突出形成された第１結合板と、前記結合突起と対応する位置に前記結合穴が形成された第２結合板と、を含み、前記結合突起は垂直に突出形成された突出部で形成され、前記結合穴は前記突出部と連結して直径が拡張形成された円錐状を成す拡張部で形成されることが好ましい。
【００１５】
前記結合穴は、円弧状で形成された第１結合穴と、前記第１結合穴と連結して前記第１結合穴より直径が小さい第２結合穴と、で構成され、前記第１結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より大きく構成され、前記第２結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より小さく構成されるのが好ましい。また、前記結合突起および前記結合穴は３つであり、１２０度の間隔で形成される。
【００１６】
本システムは、回転によってボルト結合または挿入結合するものであって、回転板と第２結合板体を固定させて前記第１および第２結合板の結束を支援する役割をする固定レバーをさらに含むことが好ましい。また、前記分離したサーボマニピュレータを上部に上げることができ、サーボマニピュレータを伸縮自在な伸縮装置に付着する高さまで昇降が可能であり、移送車輪を備えて移動可能な移動式昇降装置をさらに含む。前記移送車輪は、水平方向に前方向移動が可能であることを特徴とする。前記結合装置の中央には、電気的信号を送受信することができるコネクタ部と、前記コネクタ部と連結または分離可能な連結部と、をさらに含んで構成される。
【００１７】
また、前記結合装置は、突出形成された案内ピンと、前記案内ピンの挿入可能な案内穴が形成されたボディ部と、をさらに含み、前記コネクタの突出高さは前記案内ピンの突出高さより低く、前記案内ピンの突出高さは前記結合突起の突出高さより低いことを特徴とする。
【００１８】
前記スレーブサーボマニピュレータは、伸縮自在な伸縮装置の下部で着脱可能である。天井移送装置は、天井に形成されたガイドレールに沿って移動するｘおよびｙ軸移送ユニットを備えて天井壁面を移動することができ、伸縮自在な伸縮装置と命名されたｚ軸移送ユニットを備えて下方に延長可能であることを特徴とする。前記スレーブサーボマニピュレータが作業する環境には複数のカメラが付着しており、前記カメラで撮影された映像は、前記マスターサーボマニピュレータが位置した環境に伝達されて前記作業者がモニタリングすることができる。前記スレーブサーボマニピュレータはセンサーユニットを備え、物体との接触時における接触力を前記マスターサーボマニピュレータに力反射制御で伝達して、前記マスターサーボマニピュレータで接触力と比例する力が具現されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、結合時に偏心が存在しても接触が補正されて正確な位置に結合することができ、容易に結合することができる効果がある。
【００２０】
また、多数の作業者がサーボマニピュレータまたは伸縮自在な伸縮装置を直接持ち上げて着脱を行う代りに、前方向移動が可能な昇降装置にサーボマニピュレータを安着することで、単純な遠隔操作だけでもサーボマニピュレータを正確に結合することができる効果がある。
【００２１】
また、結合装置の中央に電源および信号線の連結または分離が可能なコネクタ部とコネクタ連結部が備えられることで、サーボマニピュレータの器具部および信号伝達部を同時に着脱することができ、信号ケーブルが外部に露出されないため接触による損傷を防ぐことができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明するが、本発明が実施形態によって制限または限定されることはない。
【００２３】
まず、天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムの全体的な形態を説明する。図１は、本発明の天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータを示した斜視図である。
【００２４】
これに示すように、スレーブサーボマニピュレータシステム２００は、使用済み核燃料など放射線露出の危険があるプロセスセル（process cell）に直接設置されており、マスターサーボマニピュレータシステム１００は、前記プロセスセル空間の外部に位置して作業者１によって操作される。プロセスセルの天井にてｘ、ｙ軸に移動可能であるとともにｚ軸に沿って下降または上昇が可能な天井移送装置２０２の下部にスレーブサーボマニピュレータ２０１が付着されて空間的移動が可能となる。これについての詳しい説明は、図３を参照して後述する。
【００２５】
作業者１がマスターサーボマニピュレータ１０１を操作すれば、動作信号が電気信号に変換された後、スレーブサーボマニピュレータ２０１および天井移送装置２０２に伝達されて、スレーブサーボマニピュレータ２０１が動くようになる。すなわち、マスターサーボマニピュレータ１０１の動きをそのままスレーブサーボマニピュレータ２０１が模写して動くようになる。後述で詳しく説明するが、マスターサーボマニピュレータは６自由度（Degree of freedom）を具現するため、ハンドル１６０は３次元空間の移動だけではなく、３方向ローテーションも可能である。このような動きはスレーブサーボマニピュレータ２００に伝達されて、グリップ２１１が６自由度に動くようになる。
【００２６】
スレーブサーボマニピュレータシステム２００が設置されたプロセスセルの内部では複数のカメラ３０１、３０２によって撮影が行われ、映像を作業者１のモニタ３１０画面に提供する。作業者１はモニタ画面を見ながらマスターサーボマニピュレータシステム１００を操作して、スレーブサーボマニピュレータシステム２００の動きを制御する。カメラ３０１、３０２は、プロセスセルの壁面、天井移送装置２０２またはスレーブサーボマニピュレータシステム２００の上部に付着され、カメラの個数は自由に構成することができる。また、カメラの材質は放射線に強いもので構成されるのが好ましく、放射線に強い材質でカバーを構成してカメラを密封しても良い。
【００２７】
作業者１の前にはコントロールパネル３２０が備えられている。前記コントロールパネル３２０は、カメラ３０１、３０２の撮影角度を調節するジョイ・スティック３４０や、その他の動作ボタン３３０などで構成されている。
【００２８】
動作ボタン３３０は、スレーブサーボマニピュレータ２０１の各関節をマスターサーボマニピュレータ１０１によらずに動かすのに有用である。これは、マスターサーボマニピュレータ１０１の故障やその他の危険状況において動作ボタン３３０を操作することで、スレーブサーボマニピュレータ２０１の動きを制御することができる。
【００２９】
次に、マスターサーボマニピュレータシステムについて説明する。図２は、マスターサーボマニピュレータシステムを示した斜視図であり、図３は、マスターサーボマニピュレータのハンドルの回転を示した斜視図であり、図４は、マスターサーボマニピュレータのハンドルのグリップ作動を示した斜視図である。
【００３０】
これに示すように、前記マスターサーボマニピュレータシステム１００は、壁面１０３に固定される固定板１０４が形成され、前記固定板１０４と連結して水平に形成された水平体１１０が提供される。前記水平体１１０の一端にはｚ軸方向に移動可能な伸縮自在な伸縮装置１２０が形成される。前記伸縮自在な伸縮装置１２０の下部末端に結合されたマスターサーボマニピュレータ１０１には、前記マスターサーボマニピュレータ１０１の関節運動をワイヤやギヤなどを介して伝達して電気的な信号に変換する変換ユニット１４０が配置される。
【００３１】
作業者１はハンドル１６０のグリップ１６１を握って操作を行う。前記ハンドル１６０は、多数の関節を備えた連結ユニット１５０によって変換ユニット１４０に連結されており、全体的に６自由度の動きが可能である。より具体的に説明すれば、変換ユニット１４０の第１回動軸１４１に回転可能に設置された第１関節１５１が備えられ、前記第１関節１５１に備えられた第２回動軸１５２に回転可能に設置された第２関節１５３が結合する。前記第２関節１５３に備えられた第３回動軸１５４には、ハンドル１６０が回転可能に結合するようになる。
【００３２】
ハンドル１６０には、グリップ１６１および前記グリップ１６１が装着された装着体１６２が備えられており、前記装着体１６２の回転が可能になるように回転板１６３が結合している。前記回転板１６３は第３回動軸１５４を中心として回転可能に動くだけでなく、ベアリングなどが内蔵されてグリップ１６１の回転運動を提供するようになる。
【００３３】
グリップ１６１は、回転板１６３による回転運動および第１、２関節１５１、１５３の回転運動によって３次元的な移動および回転が可能である。また、グリップ１６１は、スレーブサーボマニピュレータシステム２００におけるグリップ動作の具現において、グリップ１６１を握ることでグリップ動作が可能になるように構成されている。
【００３４】
次に、スレーブサーボマニピュレータについて説明する。図５は、スレーブサーボマニピュレータを示した斜視図である。
【００３５】
これに示すように、前記スレーブサーボマニピュレータ２０１は、天井移送装置２０２の伸縮自在な伸縮装置の下部に着脱可能に装着されている。天井移送装置２０２はプロセスセルの天井に付着され、スレーブサーボマニピュレータ２０１をｘ、ｙ軸に移送したりｚ軸に下降または上昇したりする。これについては後述で詳しく説明する。
【００３６】
プロセスセルの天井には、ｘ軸方向に長く付着されている２列のガイドレール２９２上を動くｘ軸移送ユニット２９０と、前記ｘ軸移送ユニット２９０の間に設置されたｙ軸ガイドレール２９３上を動くｙ軸移送ユニット２７０と、が配置される。
【００３７】
前記ｘ軸移送ユニット２９０は複数であっても良い。ｘ軸移送ユニット２９０は長方形のハウジング内に、モータ、減速器、クラッチおよびギヤなどを内蔵しており、駆動力を発生してスチールタイヤ（図示せず）に伝達する。スチールタイヤはガイドレール２９２を移動しながらｘ軸移動を可能にする。
【００３８】
前記ｙ軸移送ユニット２７０は四隅に４つの移送車輪２７１を結合しており、ｙ軸ガイドレール２９３上を移動することができる。ｙ軸ガイドレール２９３の終端にはストッパ２７２が形成され、スレーブサーボマニピュレータ２０１がガイドレール２９３外部に離脱することを防ぐ。
【００３９】
前記ｙ軸移送ユニット２７０の下方には、伸縮自在な伸縮装置２５０が備えられている。また、伸縮自在な伸縮装置２５０の下端には、伸縮装置２５０とスレーブサーボマニピュレータ２０１との着脱が可能な結合装置４００が装着されている。
【００４０】
まず、伸縮自在な伸縮装置２５０を説明すれば、伸縮自在な伸縮装置２５０は、円柱状のコラムで構成された固定コラム２５１と、前記固定コラム２５１の内部で重なったり伸びたりしながらスレーブサーボマニピュレータ２０１を上下に移動させる移動コラム２５２と、で構成される。
【００４１】
移動コラム２５２が上昇する場合には、該一端が前記固定コラム２５１の内部に重なりながら挿入して、前記スレーブサーボマニピュレータ２０１を引き上げる。一方、移動コラム２５２が下降する場合には、一端が前記固定コラム２５１の外部に排出されて、前記スレーブサーボマニピュレータ２０１を地面付近まで下ろすようになる。
【００４２】
アクチュエータユニット２３０は、マスターサーボマニピュレータ１０１で作業者が操作する信号を電気的に送信してスレーブサーボマニピュレータ２０１を駆動する。すなわち、運転手がマスターサーボマニピュレータ１０１を調整すれば、動作信号が電気的信号に変化して制御ユニット（図示せず）に入力され、制御ユニットからスレーブサーボマニピュレータのアクチュエータユニット２３０に信号を伝送するようになる。このとき、スレーブサーボマニピュレータ２０１のグリップユニット２１０は、マスターサーボマニピュレータ１０１と同じ動作で作動する。
【００４３】
グリップユニット２１０は、アクチュエータユニット２３０の駆動力を伝達するためにワイヤやギヤによって連結されており、アクチュエータユニット２３０と回転可能に結合されている。前記グリップユニット２１０にはグリップ２１１が備えられている。前記グリップ２１１は回転および移動が可能であり、グリップ動作が可能であって、作業物体を掴んで回転および移動させた後、所望する位置に置くことができる。
【００４４】
伸縮自在な伸縮装置２５０とスレーブサーボマニピュレータ２０１は結合装置４００によって着脱可能である。これについては後述で説明する。
【００４５】
以下、天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムの作動原理について説明する。
【００４６】
スレーブサーボマニピュレータシステム２００はプロセスセルなどの作業に危険が伴う地域に配置され、プロセス外部など放射線露出の危険がない安全な地域にはマスターサーボマニピュレータシステム１００が位置する。作業環境は、壁面、移送装置、スレーブサーボマニピュレータシステム２００に付着したカメラ３０３を介して視覚映像をモニタに提供するようになる。
【００４７】
作業者はモニタを見ながらマスターサーボマニピュレータ１０１を操作してスレーブサーボマニピュレータ２０１を動かすようになる。また、マスターサーボマニピュレータを構成する各関節の運動はワイヤまたはギヤに伝達され、エンコーダなどが内蔵された変換ユニット１４０によって電気的な信号に変換される。前記電気的な信号は制御ユニットによってスレーブサーボマニピュレータ２０１に伝達され、複数のモータなどで構成されたスレーブサーボマニピュレータ２０１のアクチュエータユニット２３０はグリップ２１１を３次元的に移動または回転運動させる。グリップ２１１は使用済み核燃料などの危険が伴う物質に接触しながら、作業者が所望する作業を行うようになる。
【００４８】
このとき、作業者がモニタだけを見て作業をするようになれば、カメラの死角地帯では作業環境を観察することができない。それだけでなく、死角地帯でなくても作業環境の現実感が低下するため、グリップ２１１と作業物体が衝突するなど故障の危険が伴うようになる。これを補うために、スレーブサーボマニピュレータ２０１のセンサーユニット（図示せず）に位置センサあるいはトルクセンサを付着し、これによって受信された信号を制御ユニッによってサーボマニピュレータ１０１側にフィードバックして、マスターマニピュレータのハンドルを握っている作業者に力反射を行うようになる。
【００４９】
このような本発明の力反射制御を図６に示した。図６は、力反射性制御を図式的に示した構成図である。
【００５０】
グリップ２１１が物体と接触すれば、センサーユニット（図示せず）で接触事実を認知する。センサーユニットは電気的信号を発生し、接触力と比例する電流または電圧値を制御ユニット（図示せず）を介してマスターサーボマニピュレータ１０１に送信する。マスターサーボマニピュレータ１０１のアクチュエータユニット２３０にはモータなどが装着されており、前記電気的信号に比例してトルク（torque）を発生して操作者に抵抗力を感じさせるようにする。ハンドル１６１を握っている作業者は、フィードバックされたトルクを感じることで衝突などを感じることができるようになり、現場感を高めることができるようになる。すなわち、障害物がある場所では力フィードバックを感じるようになるため、障害物方向には位置信号を与えないようになる。
【００５１】
したがって、スレーブサーボマニピュレータが障害物との反復した衝撃による損傷を防ぐことができるようになり、作業者はカメラで提供される映像情報以外にも触覚情報を受けることで、より現場感を感じることができるようになる。このとき、図６に示すように、制御機の利得値を調整して力反射比を調整することで、適切な力フィードバック量を具現することができる。
【００５２】
このように、力反射を介した触感信号とカメラを用いた視覚信号により、作業者は現場感が高いマスターサーボマニピュレータを操作して、遠距離にあるスレーブサーボマニピュレータを操ることができるようになる。
【００５３】
このとき、スレーブサーボマニピュレータ２０１は、故障または部品修理のために分離が必要となる。
【００５４】
このような形態を図７に示した。図７は、スレーブサーボマニピュレータの分離を示した斜視図である。
【００５５】
これに示すように、結合装置４００によって伸縮自在な伸縮装置２５０とスレーブサーボマニピュレータ２０１の着脱が可能となる。結合装置４００は、スレーブサーボマニピュレータ２０１の上部と結合した第１結合板４１０と、前記第１結合板４１０と着脱可能であって伸縮自在な伸縮装置２５０の下部に結合した第２結合板４２０と、で構成される。前記第１結合板４１０と第２結合板４２０の結合および分離によって、スレーブサーボマニピュレータ２０１と伸縮自在な伸縮装置２５０の分離が可能となる。
【００５６】
分離されたスレーブサーボマニピュレータ２０１は移動式昇降装置５００に安着され、プロセスセルなどの作業環境に移送される。作業環境には放射線などの危険要素が散在しているため、前記移動式昇降装置５００は、動力ユニットが装着されて自力で動いたり、他のマニピュレータによって引っ張られることで移送可能であるものが好ましい。図面符合５１０は、移動式昇降装置の移送車輪を示す。移送車輪５１０は２次元的な四方に自由に移動するように構成されて結合を支援し、移送されたスレーブサーボマニピュレータ２０１を所定の高さまで昇降または下降するように設計されるのが好ましい。
【００５７】
以下、結合装置の結合原理について説明する。図８は、結合装置の分解斜視図あり、図９は、第２結合板の下部を示した斜視図である。
【００５８】
図８に示すように、第１結合板４１０には、該上側に突出形成された結合突起４１３が形成されている。前記結合突起４１３は、第１結合板４１０で垂直に突出形成された突出部４１２と、前記突出部４１２と連結して直径が拡張形成された拡張部４１１と、で成される。前記突出部４１２の形状は円柱型であり、前記拡張部４１１の形状はきのこ状の円柱型である。
【００５９】
前記第１結合板４１０は円板状を有する第１結合板体４１５を備え、前記結合突起４１３は第１結合板体４１５の上側面に３つが突出形成され、相互間に１２０度の間隔を成す。前記第１結合板４１０の形状や前記結合突起の個数および角度は任意に変形可能であることは自明である。前記結合突起４１３の間には、第２結合案内穴４１６が１２０度の間隔を成して配置される。前記第２結合案内穴４１６には、ニードルベアリング（needle bearing）が垂直に配列されている。前記第１結合板４１０の中央部には、電気信号が送受信されるコネクタ部４１４が形成される。
【００６０】
前記第２結合板４２０には円板状で構成された回転板４２３が備えられ、前記回転板４２３上に形成された結合穴４２１、４２２を備える。前記回転板４２３は、第２結合板体４２７と結合して回転可能に形成される。前記結合穴４２１は、脱着時に前記結合突起４１３と対応する位置に置かれるようになる。
【００６１】
結合穴は、円弧状に形成された第１結合穴４２１と、前記第１結合穴４２１と連結して前記第１結合穴４２１より直径が小さい第２結合穴４２２と、で構成される。前記第１結合穴４２１の直径は結合突起４１３の拡張部４１１の直径より大きく、前記第２結合穴４２２の直径は結合突起４１３の拡張部４１１の直径より小さい。ただし、第２結合穴４２２の直径は突出部４１２の直径よりは大きい。前記結合穴４２１、４２２には結合突起４１３が挿入結合する。これについての詳しい説明は後述する。
【００６２】
図９に示すように、第１結合案内穴４２９の間には１２０度の間隔で案内ピン４２８が下部に突出形成され、第１結合板４１０の第２結合案内穴４１６と結合する。前記案内ピン４２８の突出長さは、前記第１結合板４１０の結合突起４１３より短く形成されることが好ましい。図面符合４２６はストッパーピンであって、回転板４２３に円柱状で突出しており、第２結合板体４２７に挿入されて回転を制限する役割をする。
【００６３】
第２結合板４２０の中央には、第１結合板４１０のコネクタ部４１４と結合する連結部４２５が形成されている。前記連結部４２５は、コネクタ部４１４の個数および位置と対応して形成される。前記第２結合板４２０の側面には、前記第１および第２結合板４１０、４２０を固定させる固定レバー４２４が結合している。前記固定レバー４２４は、回転によってボルト結合あるいは挿入結合することで回転板４２３が第２結合板体４２７を固定し、前記第１および第２結合板４１０、４２０の結束を支援する役割をする。
【００６４】
前記結合順を、図１０および図１１によって説明する。結合のためには、図７に示された移動式昇降装置にスレーブサーボマニピュレータを安着して移送させた後、移動式昇降装置を用いて所望する高さまで昇降させる。移動式昇降装置の移送車輪は前方向に移動可能であるため、結合穴に円錐状の拡張部４１１を結合するとき、移動式昇降装置が水平方向に自由に動きながら相互間の中心を一致させる役割をする。
【００６５】
案内ピン４２８の突出の長さは、前記第１結合板４１０の結合突起４１３より短く形成されており、円錐状に形成された結合突起４１３の拡張部４１１が第１結合案内穴４２９に挿入された後に第１結合穴４２１に挿入される。図１０は、このような形態を示した図である。拡張部４１１は円錐状であるため、第１結合穴４２１との接触が補正されながら結合するようになる。すなわち、拡張部４１１の最上端が第１結合案内穴４２９内に位置すれば、拡張部４１１の側面にスライドしながら第１結合案内穴４２９内に挿入結合するようになる。接触補正されて拡張部４１１が第１結合案内穴４２９に挿入されれば、案内ピン４２８が第２結合案内穴４１６に自然に挿入結合するようになる。
【００６６】
拡張部４１１が第１結合穴４２１に挿入された後に回転板４２３を回転させ、拡張部４１１下部に第２結合穴４２２が来るように回転させる。前記第２結合穴４２２の直径は拡張部４１１の直径より小さいため、結合装置４００の下部パートの落下を防ぐことができる。このとき、コネクタ部は連結部４２５と結合して、電気信号などを送受信することができるようになる。
【００６７】
その後、固定レバー４２４を回転して回転板４２３と第２結合板体４２７を固定させることで、前記第１および第２結合板４１０、４２０の結束を支援する役割をする。
【００６８】
結合装置を第１および第２結合板４１０、４２０に分離する過程は、結合と逆の順序で進行すれば良いため、これについての詳しい説明は省略する。
【００６９】
このように、スレーブサーボマニピュレータなどの故障時に、作業環境にて放射線準位が許容値まで減少するまで待機してから特殊防護服を着用した作業者が接近して修理をする必要がなく、すぐに分離して維持補修地域に移送した後に修理することができるという長所を有する。また、結合が容易であるため人間が作業環境内に入って行く必要がなく、他のマニピュレータを用いた単純な操作のみで着脱が可能であり、危険要素を減少させることができる。
【００７０】
また、結合時に偏心が存在しても容易に結合できるだけでなく、正確な位置に結合できるという長所を有する。マスターサーボマニピュレータにおいても、スレーブサーボマニピュレータの結合装置のように着脱可能な装置の採用が可能であることは自明である。
【００７１】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の天井移動式のマスター／スレーブサーボマニピュレータシステムを示した斜視図である。
【図２】マスターサーボマニピュレータシステムを示した斜視図である。
【図３】マスターサーボマニピュレータのハンドルの回転を示した斜視図である。
【図４】マスターサーボマニピュレータのハンドルのグリップ作動を示した斜視図である。
【図５】スレーブサーボマニピュレータシステムを示した斜視図である。
【図６】力反射を図式的に示した構成図である。
【図７】スレーブサーボマニピュレータの分離を示した斜視図である。
【図８】結合装置の分解斜視図である。
【図９】第２結合板の下部を示した斜視図である。
【図１０】結合前の結合突起の挿入を示した斜視図である。
【図１１】結合後の結合突起の挿入を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１：作業者
１００：マスターサーボマニピュレータシステム
１１０：水平体
１２０、２５０：伸縮自在な伸縮装置
１４０：変換ユニット
１５０：連結ユニット
１６１：マスターハンドル
２００：スレーブサーボマニピュレータシステム
２０２：天井移送装置
２１１：グリップ
２３０：アクチュエータユニット
４００：結合装置
４１０：第１結合板
４１３：結合突起
４２０：第２結合板
４２１、４２２：結合穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者が調整するマスターサーボマニピュレータと、前記マスターサーボマニピュレータの動きを模写して放射性環境で作業するスレーブサーボマニピュレータと、で構成されるマスター／スレーブサーボマニピュレータの着脱装置において、
前記サーボマニピュレータをｚ軸に昇降する伸縮自在な伸縮装置と、
前記サーボマニピュレータの上部に結合され、第２結合案内穴および突出結合突起が形成された第１結合板と、
前記伸縮自在な伸縮装置下部に結合され、第１結合案内穴が形成された第２結合板体と
前記第２結合板体と結合されて相対的に回転が可能であり、結合穴が形成された回転板と、
を含み、
前記結合突起は前記結合穴に挿入された後、前記回転板が回転することで前記結合突起が係止されるように形成されたことを特徴とするサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項２】
前記結合突起は、
垂直に突出形成された突出部と、
前記突出部と連結して直径が拡張形成されて円錐状を成す拡張部と、
で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項３】
前記結合突起、前記結合案内穴および前記結合穴は、それぞれ３つが１２０度の間隔で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項４】
前記結合穴は、
円弧状に形成された第１結合穴と、
前記第１結合穴と連結して前記第１結合穴より直径が小さい第２結合穴と、
で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項５】
前記第１結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より大きく構成され、
前記第２結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より小さく構成されることを特徴とする請求項４に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項６】
前記サーボマニピュレータを上部に上げることができ、前記サーボマニピュレータを昇降させることができ、移送車輪を備えて移動可能な移動式昇降装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータ着脱装置。
【請求項７】
前記着脱装置は、
突出形成された案内ピンと、
前記案内ピンが着脱される第２結合案内穴が形成されたボディ部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項８】
前記案内ピンの突出高さは前記結合突起の突出高さより低く、前記コネクタ部突出高さより高いことを特徴とする請求項７に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項９】
回転によってボルト結合または挿入結合することで前記第２結合板に回転板を固定させる固定レバーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項１０】
前記着脱装置は、
電気的信号を送受信することができるコネクタ部と、
前記コネクタ部と連結または分離可能な連結部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項１】
作業者が調整するマスターサーボマニピュレータと、前記マスターサーボマニピュレータの動きを模写して放射性環境で作業するスレーブサーボマニピュレータと、で構成されるマスター／スレーブサーボマニピュレータの着脱装置において、
前記サーボマニピュレータをｚ軸に昇降する伸縮自在な伸縮装置と、
前記サーボマニピュレータの上部に結合され、第２結合案内穴および突出結合突起が形成された第１結合板と、
前記伸縮自在な伸縮装置下部に結合され、第１結合案内穴が形成された第２結合板体と
前記第２結合板体と結合されて相対的に回転が可能であり、結合穴が形成された回転板と、
を含み、
前記結合突起は前記結合穴に挿入された後、前記回転板が回転することで前記結合突起が係止されるように形成されたことを特徴とするサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項２】
前記結合突起は、
垂直に突出形成された突出部と、
前記突出部と連結して直径が拡張形成されて円錐状を成す拡張部と、
で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項３】
前記結合突起、前記結合案内穴および前記結合穴は、それぞれ３つが１２０度の間隔で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項４】
前記結合穴は、
円弧状に形成された第１結合穴と、
前記第１結合穴と連結して前記第１結合穴より直径が小さい第２結合穴と、
で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項５】
前記第１結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より大きく構成され、
前記第２結合穴の直径は前記円錐状の結合突起の最大直径より小さく構成されることを特徴とする請求項４に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項６】
前記サーボマニピュレータを上部に上げることができ、前記サーボマニピュレータを昇降させることができ、移送車輪を備えて移動可能な移動式昇降装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータ着脱装置。
【請求項７】
前記着脱装置は、
突出形成された案内ピンと、
前記案内ピンが着脱される第２結合案内穴が形成されたボディ部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項８】
前記案内ピンの突出高さは前記結合突起の突出高さより低く、前記コネクタ部突出高さより高いことを特徴とする請求項７に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項９】
回転によってボルト結合または挿入結合することで前記第２結合板に回転板を固定させる固定レバーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【請求項１０】
前記着脱装置は、
電気的信号を送受信することができるコネクタ部と、
前記コネクタ部と連結または分離可能な連結部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボマニピュレータの着脱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−１２６６７（Ｐ２００８−１２６６７Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７５８１１（Ｐ２００７−１７５８１１）
【出願日】平成１９年７月４日（２００７．７．４）
【出願人】（５００００２４９０）コリア アトミック エナジー リサーチ インスティチュート (20)
【出願人】（５０２０４３３５２）コリア ハイドロ アンド ニュークリア パワー カンパニー リミティッド (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月４日（２００７．７．４）
【出願人】（５００００２４９０）コリア アトミック エナジー リサーチ インスティチュート (20)
【出願人】（５０２０４３３５２）コリア ハイドロ アンド ニュークリア パワー カンパニー リミティッド (23)
【Ｆターム（参考）】
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