JP2004232702A

JP2004232702A - ロボットの走行装置

Info

Publication number: JP2004232702A
Application number: JP2003020775A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Uji; 治信行宇
Original assignee: Tostem Corp
Current assignee: Tostem Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】無限軌道方式によらず、４輪駆動方式でありながら円滑に障害物に乗り越えて自在に動き回ることができるようにする。
【解決手段】前輪１１ａ、１１ｂおよび後輪１３ａ、１３ｂのそれぞれの車輪にタイミングプーリーを同軸に設け、４輪駆動機構の駆動モータのトルクをそれぞれタイミングプーリーに巻き掛けたタイミングベルト２７ａ、２７ｂで同期して伝達し、タイミングベルト２７ａ、２７ｂの下側のベルトを車輪接地面と前記車体の底面の間に定位して走行させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、床下などの狭い場所や劣悪な路面環境を走行しながら作業を行うロボットに適用される走行装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業ロボットが人に代わって作業を代行する分野が拡大している。例えば、入り込んでの作業が容易でない狭い場所や、劣悪な作業環境でロボットが活用されつつある。その具体例として、木造家屋の床下での蟻などの害虫駆除を目的した薬剤散布作業をするロボットや、家屋の耐久性を診断するロボットがある。
【０００３】
古くなった木造家屋での薬剤散布や耐久性を診断する場合、従来は、作業員が床下にもぐり込んで散布作業を行ったり、診断士が柱や床、筋交いの腐朽状態を直接目視にて確認する方法が専ら行われている。しかしながら、床下の状況は、それこそ家屋によって様々に異なり、人が通り抜けできない狭い床下や、粉塵や害虫の死骸が溜まっていたりというように、とても人が入り込めないようになっていることがある。そのような劣悪な状況では、労働衛生上の問題があるばかりでなく、薬剤が散布されない場所が残ったり、柱や床などの状態を離れた位置から点検することになって正確な診断が難しくなる。
【０００４】
そこで、近年は、薬剤散布作業等を代行させるロボットが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２５９４８８０号公報
床下のような不整地でロボットが円滑に走行できるように、無限軌道方式が一般に採用されている。キャタピラを使った走行装置は、不整地での安定した走行を可能とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無限軌道方式の走行装置では、装置自体が大型化し重量が増大し、大きな駆動トルクを要するため、必然的にモータは大型化し、バッテリーの消耗が大きく走行継続時間が短くなり、また、高価となるという重大な欠点がある。
【０００７】
他方、床下に進入させて薬剤散布や柱、床などの撮影を目的するロボットの場合、可及的に小型化する必要がある。消費電力を小さくて走行装置を小型化するためには、４輪駆動方式が適しているが、床下には配管などの障害物があることが多く、前輪が障害物を乗り越えたとしても障害物が走行装置本体の底面に当たり前輪または後輪が浮き上がってしまい、不安定な状態で接地している他方の前輪または後輪がスリップしてしまう結果、移動不能になるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、無限軌道方式によらず、４輪駆動方式でありながら円滑に障害物に乗り越えて自在に動き回ることができ、しかも、可及的に小型化、低価格を達成できるようにしたロボットの走行装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、所定の作業を行う作業装置を搭載する車体と、該車体に設けられた前輪および後輪と、該前輪および後輪を駆動する４輪駆動機構を有する遠隔操縦式のロボットの走行装置において、前輪および後輪のそれぞれの車輪にタイミングプーリーを同軸に設け、前記４輪駆動機構の駆動モータのトルクをそれぞれ前記タイミングプーリーに巻き掛けたタイミングベルトで同期して伝達し、前記タイミングベルトの下側のベルトを車輪接地面と前記車体の底面の間に定位して走行させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
前記の本発明の構成において、前記タイミングプーリーは、前記車輪のタイヤホイールの本体部を構成することが好ましく、また、前記タイミングベルトは、両面に凹凸のあるベルトからなることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるロボットの走行装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による走行装置を自走撮影ロボットに適用に適用した実施形態を示す図である。図１において、参照符号１０は自走撮影ロボットの全体を示す。この実施形態による自走撮影ロボットは、木造家屋の床下を走行させて、柱や床などの腐朽状態を診断するために写真撮影を行うロボットである。
【００１２】
参照符号１２は走行装置の車体を示し、１４は車体１２の上を覆うカバー、１１ａ、１１ｂは後輪、１３ａ、１３ｂは前輪を示している。参照符号２０はデジタルカメラを示し、このデジタルカメラ２０は、図１に示されるように、車体前方の低位置に配置されている。
【００１３】
図２は、カバー１４を取り外した状態で示した自走撮影ロボット１０の平面図である。
この車体１２の後方には、４輪駆動方式の駆動装置１８が配置されている。２１ａ、２１ｂは電源であるＤＣバッテリーを示す。それぞれＤＣバッテリー２１ａ、２１ｂは車体後方で左右に配置されたブラシレスＤＣモータを用いた車輪駆動モータ２２ａ、２２ｂと接続されている。それぞれ車輪駆動モータ２２ａ、２２ｂには、減速機２３ａ、２３ｂが一体的に連結されており、軸受２４ａ、２４ｂによって支持された後輪軸２５ａ、２５ｂはそれぞれ減速機２３ａ、２３ｂに連結されている。図３に示すように、前輪１３ａ、１３ｂの車軸１５ａ、１５ｂは軸受１６ａ、１６ｂによって支承されている。
【００１４】
この実施形態の走行装置では、図３に示すように前輪１３ａ、１３ｂに、タイヤ１５ａ、１５ｂが取り付けられるようになっており、タイヤホイールの本体部をタイミングプーリ１７ａ、１７ｂが兼用する構造となっている。タイミングプーリ１７ａ、１７ｂの側面にはタイヤ装着用のリング１９ａ、１９ｂが一体的に締結されている。同様に、各後輪１１ａ、１１ｂでは、タイヤホイールの本体部をタイミングプーリー２６ａ、２６ｂが兼用する構造となっており、タイヤ装着用のリング１９ａ、１９ｂを介してタイヤ１５ａ、１５ｂが装着されている。図４に示されるように、前輪後輪の右側のタイミングプーリー１７ａ、２６ａにはタイミングベルト２７ａが巻き掛けられており、右側の車輪駆動モータ２２ａの駆動トルクは、後輪１１ａに直接伝達されるとともに前輪１３ａにもタイミングベルト２７ａを介して伝達されるようになっている。同様に、左側の前後車輪のタイミングプーリー１７ｂ、２６ｂにもタイミングベルト２７ｂが巻き掛けられ、左側の車輪駆動モータ２２ｂの駆動トルクは、後輪１１ｂに直接伝達されるとともに前輪１３ｂにもタイミングベルト２７ｂを介して伝達される。このように、前輪後輪のタイヤホイールの本体部を兼用するタイミングプーリ１７ａ、１７ｂ、２６ａ、２６ｂにタイミングベルト２７ａ、２７ｂを巻き掛けることにより、タイミングベルト２７ａ、２７ｂの下側のベルトは、前後輪の接地面と車体１２の底面の間に定位して走行することができる。
【００１５】
このような４輪駆動方式の駆動装置１８では、車輪駆動モータ２２ａ、２２ｂの駆動トルクを左右それぞれ独立に左右の前後輪にベルト伝動として伝達し、左右の車輪駆動モータ２２ａ、２２ｂを異なる回転方向に回転させることにより、ステアリング機能を持たせるとともに車体１２全体を左右に旋回させることが可能となっている。
【００１６】
また、車体１２の左右中央には、テンションアイドラ２８ａ、２８ｂが配置されており、このテンションアイドラ２８ａ、２８ｂは、上側を走行するタイミングベルト２７ａ、２７ｂを下向きに押し付け、タイミングベルト２７ａ、２７ｂに緩みが生じるのを防止している。なお、このテンションアイドラ２８ａ、２８ｂは、車体１２にある上下に長さをもち長穴２９（図４参照）を介して取り付けられ、上下の位置を調整できるようになっている。
【００１７】
次に、以上のような走行装置に搭載されるデジタルカメラ２０について説明する。
【００１８】
図３にデジタルカメラ２０の正面を示す。この図３において、デジタルカメラ２０は、傾動可能な傾動台３０に固定されている。傾動台３０の左右両側には、支持フレーム３１ａ、３１ｂが垂直に立ち上がるようになっていて、傾動台３０の左右両側に設けられた支軸３２ａ、３２ｂは、支持フレーム３１ａ、３１ｂに取り付けられた軸受３３ａ、３３ｂによって支承されている。
【００１９】
図３において、デジタルカメラ２０の向かって右側には、デジタルカメラ２０の傾動動作を駆動するチルト用ＤＣモータ３４が配置されている。このチルト用ＤＣモータ３４は、減速機３５とブレーキ機能が一体的にユニット化されたモータである。減速機３５の出力軸には、駆動側の小歯車３６が軸着されている。他方、傾動台３０を支える支軸３２ｂには、小歯車３６に噛み合っている従動側の大歯車３７が軸着されている。また、支軸３２ｂには、傾動位置検出ディスク３８が取り付けられ、センサー３９によって傾動位置の検出を行っている。
【００２０】
このような傾動機構により、傾動台３０は図３に示す水平な姿勢を中立位置として鉛直面内を上方に９０度、下方９０度、合計１８０度傾動することができる。これにより、デジタルカメラ２０は、レンズの光軸を真下の指向させることもできるし、真上に対して指向させることもできる。なお、レンズの光軸を左右に動かす場合には、上述したように、４輪駆動機構１８の左右の車輪駆動モータ２２ａ、２２ｂを異なる回転方向に回転させることにより、車体全体を左右に３６０度旋回させることができるため、デジタルカメラ２０の光軸は全方位を指向させることが可能となっている。
本実施形態でロボットに搭載されるデジタルカメラ２０は、常時オートフォーカの設定ができ、ズーム機能を持ち、本体にビデオ出力部、記憶装置を内蔵する、市場で市販されている携帯型のデジタルカメラである。撮像素子の画素数としては、高画質静止画像を撮影するために、３００万画素以上であることが好ましい。
【００２１】
このようなデジタルカメラ２０が取り付けられている傾動台３０については、車体１２との間は、装置、器具類を何も配置せずに傾動を許容する限度で空間としと、デジタルカメラ２０が可及的に低位置に配置されるようになっている。デジタルカメラ２０が地面を向いた場合に地面を撮影できるように、車体１２には窓４０が開口するようになつている。
【００２２】
傾動台３０においてデジタルカメラ２０の回りには、デジタルカメラ２０による近接撮影動作を実現するために必要に操作するカメラ操作部の構成要素が配置されている。
【００２３】
図３において、デジタルカメラ２０のレンズ４０の周囲には、主として近接撮影照明用の高輝度ＬＥＤランプ４２が同心円状に離散的に配置されている。また、レンズ４０の左右下側には、一対の前照灯４３、４３が配置されている。この前照灯４３、４３は、この実施形態では、それぞれが３個の高輝度ＬＥＤランプを組み合わせて構成されている。
【００２４】
傾動台３０の下側に取り付けられているのは、ソレノイド４４、４５である。ソレノイド４４、４５は、図１に示すように、内蔵するスピンドルが突出するとレバー４６を動かしてそれぞれデジタルカメラ２０の背面に設けられている操作釦４７を押すようになっている。これら操作釦については後述する。
【００２５】
次に、図５は、自走撮影ロボットおよびそれを利用する床下診断システムのブロック構成図である。
図５において、参照符号５０は、自走撮影ロボットの制御部を示し、５２は、デジタルカメラ２０のカメラ操作部を示す。５３は、自走撮影ロボットを遠隔する遠隔操作装置を示す。この遠隔操作装置５３は、送信機を有し、ロボット側に設けられている受信機５４に操作信号をワイヤレスで送信する。受信機５４に送られた操作信号は、シーケンサ５５として用いられる制御部５０のプログラマブルコントローラに導入される。参照符号５６は、チルト用ＤＣモータ３４を駆動するチルトモータ駆動回路を示し、５７は、近接撮影照明用の高輝度ＬＥＤランプ４２と前照灯４３を駆動するランプ駆動回路を示し、５８は、デジタルカメラ２０のシャッターを切ったり、ズームを調整する作動信号を発生するカメラ操作信号発生回路を示す。６０は、走行装置を駆動する４輪駆動装置１８の車輪駆動モータ２４ａ、２４ｂの停止、正逆転、回転速度の差動制御を行う車輪モータ制御回路を示す。走行装置を遠隔操縦するための操作信号や、デジタルカメラ２０で近接撮影をするための各種操作信号は、シーケンサ５５に受信機５４から与えられ、シーケンサ５５はこれらの信号に基づいて、上記の各回路に指令信号を与えて、走行装置の走行させ、デジタルカメラ２０を実際に作動させるための所定のシーケンスを制御する。
【００２６】
カメラ操作部５２は、デジタルカメラ２０を上下に傾動させるチルト用ＤＣモータ３４、近接撮影照明用の高輝度ＬＥＤランプ４２、前照灯４３の他、デジタルカメラ２０のシャッターを作動し、またズーミング作動させるシャッターコントローラ６２、第１のモード切替スイッチ６３をオンオフする前述した第１のソレノイド４５、第２のモード切替スイッチ６４をオンオフする第２のソレノイド４６を備えている。シャッターコントローラ６２は、カメラ操作信号発生回路５８に接続されている。第１ソレノイド４５は、シーケンサ５５から与えられる信号によって励磁されたときに第１モード切替スイッチ６３をＯＮにし、デジタルカメラ２０のモードを撮影した写真を確認再生するモードに替えるようになっている。同様に、第２ソレノイド４６は、シーケンサ５５によって励磁されると第２モード切替スイッチ６４をＯＮに入れ、このモードでは、シャッターを切ったときに同時にフラッシュが自動発光するモードが解除されるようになっている。
【００２７】
デジタルカメラ２０は、カメラ本体６５の他、画像記憶装置６６およびビデオ出力部６７を備えている。ビデオ出力部６７には、ロボットに搭載されている映像送信機６８が接続されている。この映像送信機６８は、外部に設置されている映像受信機６９にデジタル伝送方式によって映像信号を送信する。映像受信機６９には、モニタ装置７０が接続され、伝送されてきた映像信号をこのモニタ装置７０に表示することができるようになっている。
【００２８】
なお、図５において、参照符号８０は、パーソナルコンピュータを利用した静止画像再生装置を示している。この静止画像再生装置８０では、デジタルカメラ２０で撮影して画像記憶装置６６に記録された画像データを画像ファイル８２として取り込み、この画像ファイル８２を再生するために必要な画像再生ソフトウェアがインストールされている。
【００２９】
本実施形態は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
本実施形態による走行装置を適用した自走撮影ロボットを用いて木造家屋の床下の腐朽状況を診断するには、自走撮影ロボットを床下に進入させ、遠隔操縦により床下各所を移動させ、次のようにして検査対象の柱、床などに対して近接撮影を行う。
【００３０】
また、本実施形態の自走撮影ロボットの走行装置では、４輪駆動を採用するとともに、前後輪のそれぞれのタイヤホイールを兼用するタイミングプーリー１７ａ、１７ｂ、２６ａ、２６ｂにタイミングベルト２７ａ、２７ｂを掛け渡して後輪１１ａ、１１ｂと前輪１３ａ、１３ｂに同期してトルクを伝えることで４輪駆動を実現している。タイミングベルト２７ａ、２７ｂは、図６に示すように、表裏両面に凹凸部が所定のピッチで形成されたベルトであることが好ましい。
【００３１】
このようなタイミングベルト２７ａ、２７ｂによれば、図６に示すように、タイミングベルト２７ａ、２７ｂの下側は、走行面（地面）に近い高さに定位して走行するので、本来のトルク伝動の機能の他に、無限軌道のキャタピラとしての機能を発揮することになり、地面に障害物１００や凹凸があったとしてもタイミングベルト２７ａ、２７ｂそのものが車体を前進させる推力を地面に対して持つので、それらの障害物を乗り越えたときに前輪１３ａ、１３ｂまたは後輪１１ａ、１１ｂが空転して他方の前輪１３ａ、１３ｂまたは後輪１１ａ、１１ｂが不安定な状態で接地している場合であっても推力が失われることがない。
【００３２】
さらに、本実施形態の自走撮影ロボットの走行装置では、無限軌道に類似した機能を持ちながら本質的には構造の簡易な４輪駆動であるから、走行装置全体の軽量化が可能で、消費電力が少なくバッテリを充電した後で長時間の走行を可能とする。しかも、近接撮影用の照明に高輝度ＬＥＤランプ４２を採用し、前照灯４３にも同様に高輝度ＬＥＤランプを用いているため、十分な照明が得られる反面消費電力が少ないので、バッテリの消耗を防止する。
【００３３】
走行中の自走撮影ロボットでは、照明として前照灯４３、４３が点灯され、高輝度ＬＥＤランプの光が明るくロボット前方を照らすことができる。このとき近接撮影用の高輝度ＬＥＤランプ４２は点灯させたままでよい。
【００３４】
自走撮影ロボットが床下を走行している間、デジタルカメラ２０のレンズに写る遠景は、撮像素子により光電変換されて静止映像信号としてビデオ出力部６７から映像送信機６８に出力され、映像受信機６９にデジタル伝送されるので、モニタ装置７０には走行中の床下の状況がリアルタイムで映し出され、これにより、床下の状況をモニタ装置７０をみながら把握することができる。
【００３５】
そして、目標とする床、柱などを見付けたら、遠隔操縦により目標の床、柱に向かって自走撮影ロボットを接近させる。近接撮影に適した距離に十分近づいたところでロボットを停止させる。
【００３６】
このとき、モニタ装置７０を見ながら車輪駆動モータ２４ａ、２４ｂの差動制御により車体を左右に旋回させるとともに、チルト用ＤＣモータ３４を回転させ、デジタルカメラ２０の向きを被写体に対して調整することができる。
【００３７】
最適な姿勢になったら、遠隔操作装置５３を操作してシーケンサ５５からシャッターコントローラ６２にズーム信号送りながらズームを必要に応じて設定し、そして、シャッター指令信号を送ると被写体に対する静止画像を撮影することができる。近接撮影をする場合でフラッシュが却って映像に悪影響を及ぼすときには、シーケンサ５５に第２ソレノイド４６を励磁させる指令信号を送り、第２モード切替スイッチ６４をＯＮにする。これにより、フラッシュの自動発光モードを解除する。
【００３８】
このとき、シャッターが切れてもフラッシュは発光せず、照明としては、近接撮影用の高輝度ＬＥＤランプ４２と前照灯４３の照明の下に被写体を撮影することができる。近接撮影ではフラッシュが発光すると光が強すぎて逆に細部がはっきりと写らない写真になるが、本実施形態では、近接撮影用の高輝度ＬＥＤランプランプ４２で十分な光量の照明を与え、不鮮明な写真を未然に防止することができる。なお、近接撮影によらず遠景を撮影するような場合や、床下の環境によって近づけない診断箇所をズームアップする場合には、フラッシュが必要であるので、フラッシュの自動発光モードを解除せずに撮影すればよい。
【００３９】
撮影した静止画像データは、デジタルカメラ２０の内部の記憶装置６６に保存される。そして、遠隔操作装置５３からシーケンサ５５に指令を送り、第１ソレノイド４５を励磁させる。そうすると、第１モード切替スイッチ６３がＯＮになり、デジタルカメラ２０のモードは再生モードになり、今撮影した静止画像を再生する。その画像はビデオ出力部６７から映像送信機６８に出力され、映像送信機６９に伝送されのでモニタ７０で直ちに確認することができる。
【００４０】
デジタルカメラ２０が３００万画素以上の撮像素子を備えている場合、上述のようにして近接撮影した静止画像は、極めて高品位の静止画像である。この静止画像データを映像送信機６８から映像送信機６９に伝送する間には、不可避的にノイズ等の影響を受け、実際にモニタ装置７０に表示される画像の品位が本来の高画質画像に比べて若干低下するのはやむをえない。それでもなお、モニタ装置７０には、従来のビデオカメラで撮影した動画の静止画像に比べて一段と品位の高い画像を映し出すことができる。
【００４１】
以上のようにして、床下内の各所を自在に走り回って、どうような位置にある被写体でも近接撮影を行うことができる。例えば、図６に示すように、デジタルカメラ２０の姿勢を仰向けに反転させることができるので、ロボットの頭上にある床の近接撮影が可能である。逆に、図７に示すように、デジタルカメラ２０を地面に対して向けることもできるので、地面に対して近接撮影が可能であり、この地面を撮影した高画質画像により、害虫の発生状況などについても診断することができる。
【００４２】
以上のようにして自走撮影ロボットが床下内の撮影を終了したら、床下から外に誘導する。そして、デジタルカメラ２０を車体１２から取り外してパーソナルコンピュータ８０に接続する。
【００４３】
パーソナルコンピュータ８０では、記録した静止画像のファイルを開いて直ちに再生することができる。床下診断を実施する診断士は、このパーソナルコンピュータ８０で記録した各所の静止画像をみながら腐朽状態を診断することができる。この静止画像は、３００万画素以上のデジタルカメラで撮影したそのものの画像であるから、伝送に伴う画質劣化はなく極めて品位の高い画像であり、柱、床などの状態を正確に診断できる。また、車体１２から取り外して直ちにパーソナルコンピュータ８０に接続できるので、その場で、施主立ち会いのもとで診断を進められることも利点として挙げられる。
【００４４】
以上、本発明の走行装置について、自動撮影ロボットに適用した実施形態について説明したが、本発明の走行装置は、デジタルカメラの替わりに、薬剤散布装置を搭載することにより、床下での薬剤散布を行う薬剤散布ロボットにも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、無限軌道方式によらず、４輪駆動方式でありながら円滑に障害物に乗り越えて自在に動き回ることができ、しかも、可及的に小型化、低価格を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自走撮影ロボットの走行装置として適用した実施形態の側面を示す図。
【図２】本発明の一実施形態による走行装置のカバーを取り外した状態での平面図。
【図３】本発明の一実施形態による走行装置の正面図。
【図４】本発明の一実施形態による走行装置の側面図。
【図５】本発明を適用した自走撮影ロボットのブロック構成図。
【図６】デジタルカメラが鉛直上方を向いた自走撮影ロボットを示す図。
【図７】デジタルカメラが鉛直下方を向いた自走撮影ロボットを示す図。
【符号の説明】
１０自走撮影ロボット
１７ａ、１７ｂタイミングプーリー
１８車体
２０デジタルカメラ
２６ａ、２６ｂタイミングプーリー
２７ａ、２７ｂタイミングベルト
３０傾動台
３４チルトモータ
４０レンズ
４２高輝度ＬＥＤランプ
４２前照灯

Claims

所定の作業を行う作業装置を搭載する車体と、該車体に設けられた前輪および後輪と、該前輪および後輪を駆動する４輪駆動機構を有する遠隔操縦式のロボットの走行装置において、
前輪および後輪のそれぞれの車輪にタイミングプーリーを同軸に設け、前記４輪駆動機構の駆動モータのトルクをそれぞれ前記タイミングプーリーに巻き掛けたタイミングベルトで同期して伝達し、前記タイミングベルトの下側のベルトを車輪接地面と前記車体の底面の間に定位して走行させるようにしたことを特徴とするロボットの走行装置。
前記タイミングプーリーは、前記車輪のタイヤホイールの本体部を構成することを特徴とする請求項１に記載のロボットの走行装置。
前記タイミングベルトは、両面に凹凸のあるベルトからなることを特徴とする請求項１に記載のロボットの走行装置。