JP2005231522A - 無軌道走行機関、及び、無軌道走行機関の運動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な面を有する路面の自律走行を安定化。
【解決手段】本体（１２）に揺動可能に支持される前方側無限帯輪（１）と、本体（１２）に揺動可能に支持される後方側無限帯輪（２）と、前方側無限帯輪（１）の揺動角度位置を規定して前方側無限帯輪（１）の揺動を制限する前方側制限機構（１５）と、後方側無限帯輪（２）の揺動角度位置を規定して後方側無限帯輪（２）の揺動を制限する後方側制限機構（１６）とから構成されている。前方側制限機構（１５）が前方側無限帯輪（１）の揺動を制限する時に同時に、後方側制限機構（１６）は後方側無限帯輪（２）の揺動を制限する。階段昇降のような複雑路面の自律走行が安定化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無軌道走行機関、及び、無軌道走行機関の運動制御方法に関し、特に、４クローラタイプの無軌道走行機関、及び、無軌道走行機関の運動制御方法に関する。

左右にクローラが配置される２クローラタイプの自走車は、凹凸起伏が不規則であるオフロードで比較的に安定的に走行することができる。左右でそれぞれに前後に２つのクローラが配置される４クローラタイプの自走車は、特開平７−４０８６５で知られているように、凹凸に規則性があるが長い起伏面を持つ階段面のような傾斜面を更に安定的に上り下りすることができる。原子力プラントで用いられるロボットには、自己の役目を知り行動対象に対して自律的に行動を選択する自立性と、狭い空間領域で方向転換する機動性とが要求される。そのような自立性と機動性を持つロボット型４クローラタイプ車は、日本国特許第２７１７７２２号で知られている。瓦礫の中の生存者、狭い穴の中の危険物質の存在を探索する救助ロボットには、自立性と機動性の他に更に小型性が要求される。

図４は、ロボットを搭載する４クローラ装備自走台車と階段の相対的大小関係を示している。自走台車１０１は、前後左右に対称に配置される４つのクローラ１０２に支持されている。クローラ１０２は、自走台車１０１に固定されている揺動軸１０３のまわりに揺動可能である。図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に時系列的に示されるように、自走台車１０１は安定的に階段の階段面１０４を昇ることができる。図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、階段に対して相対的により小型化されている自走台車１０１’と階段面１０４’の相対的大小関係を示している。時系列的に示される５つの運動状態のうち図５（ｅ）に示される運動状態の前方のクローラ１０２’は、鉛直面である階段面１０４”を昇ることができない。

複雑な面を有する路面の自律走行の安定が求められる。更には、大型化されて機動性を失わないことが求められる。

特開平７−４０８６５号 特許第２７１７７２２号

本発明の課題は、複雑な面を有する路面の自律走行を安定化する無軌道走行機関、及び、無軌道走行機関の運動制御方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、更に、大型化されて機動性を失わない無軌道走行機関、及び、無軌道走行機関の運動制御方法を提供することにある。

本発明による無軌道走行機関は、本体（１２）と、本体（１２）に揺動可能に支持される前方側無限帯輪（１）と、本体（１２）に揺動可能に支持される後方側無限帯輪（２）と、前方側無限帯輪（１）の揺動角度位置を規定して前方側無限帯輪（１）の揺動を制限する前方側制限機構（１５）と、後方側無限帯輪（２）の揺動角度位置を規定して後方側無限帯輪（２）の揺動を制限する後方側制限機構（１６）とを具備している。前方側制限機構（１５）が前方側無限帯輪（１）の揺動を制限する時に同時に、後方側制限機構（１６）は後方側無限帯輪（２）の揺動を制限する。このような同時的制限は、前方と後方の２つの無限帯輪（１，２）による凹凸面上（例示：階段面上）の円滑な自律走行を実現する。

前方側無限帯輪（１）と後方側無限帯輪（２）とは、揺動自在であり、階段面（例示：鉛直面）のような斜面に乗り上がって本体（１２：台車）を前進させ又は後退させることができ、且つ、その揺動角度が本体（１２）に対して制限され、前方側無限帯輪（１）と後方側無限帯輪（２）は、それぞれに１個の車輪として動作し起伏面に点状接触して前進し又は後退することができる。このように揺動と非揺動の切替えにより、本体（１２）は多様に変化する起伏面上で運動することができ、全体の長さを短縮することができる。

前方側制限機構は、前方側無限帯輪（１）を回転自在に本体（１２）に対して支持する回転軸（９）と、回転軸（９）と同体に回転するリンク（１３）と、本体（１２）に固定されリンク（１３）の回転を阻止するストッパ（１５）とを形成している。この場合には、揺動角度の上限が規定される。ストッパ（１５）は、可動的に固定されていて、自己の揺動阻止機能を無効化することができる。このようなリンクとストッパの組は、後方側と前方側で配置される。前方側リンク（１３）が前方側ストッパ（１５）により第１方向の回転が阻止される時に同時に、後方側リンク（１４）が後方側ストッパ（１６）により第１方向と逆方向である第２方向の回転が阻止される。

前方側制限機構としては、本体（１２）と前方側無限帯輪（１）との間に介設されるサーボモータが用いられ得る。この場合には、揺動制限角度は自由に制御的に変更され、運動の自由性が拡張される。このようなサーボモータは、後方側にも用いられる。前方側サーボモータと後方側サーボモータは両方の揺動角度位置を自由に規定し、階段を登り下りする際に、階段面の傾斜角度に対応して前方側無限帯輪（１）又は後方側無限帯輪（２）の傾斜角度を適正範囲に制御することができ、前方側無限帯輪（１）と後方側無限帯輪（２）の立ち上がり角度を自由に制御することができる。サーボモータの使用により、リンクとストッパの組によりる角度制限を解消し、ストッパの出没による無効機構を解消することができる。

本発明による無軌道走行機関の運動制御方法は、無軌道走行機関の運動を制御する無軌道走行機関の運動制御方法であり、前方側無限帯輪（１）の本体（１２）に対する揺動を許容して本体（１２）を前進させる第１ステップと、その第１ステップの本体（１２）の前進時に、後方側無限帯輪（２）の本体（１２）に対する揺動を許容する第２ステップと、前方側無限帯輪（１）の本体（１２）に対する揺動を禁止して本体（１２）を前進させる第３ステップと、後方側無限帯輪（２）の本体（１２）に対する揺動を禁止して本体（１２）を前進させる第４ステップとから構成されている。第３ステップと第４ステップとは同一時刻を共有する。そのような共有時刻は連続的であり、又は、瞬間的であり得る。

前方側無限帯輪（１）と後方側無限帯輪（２）の揺動と非揺動との同時的・非同時的組合せにより、前方側無限帯輪（１）と後方側無限帯輪（２）は多様に変化する路面上で自由に走行することができ、運動不能に陥ることがなく、更には、その全長が変化して、特には短縮して、狭い通路を走行することができる。

その第３ステップでは、前方側無限帯輪（１）が第１面（ＳＬ１）と第２面（ＳＶ１）とが交叉する凸面領域（１７）に支持され、第１面（ＳＬ１）と水平面との間の角度は、第２面（ＳＶ１）と水平面との間の角度より小さい。特には、第１面（ＳＬ１）は概ね水平であり、第２面（ＳＶ１）は概ね鉛直である。このような第１面と第２面は、所謂階段面を形成している。この状態では、回転を阻止する前方側ストッパ（１５）が前方側リンク（１３）の本体（１２）に対する回転を禁止しているため、前方側リンク（１３）と同一に回転する前方側無限帯輪（１）のこれ以上の反時計方向への回転を制限していて、前方側無限帯輪（１）が図５（ｅ）に示されるような状態に陥ることなく、凸面領域（１７）を乗り越えて通過できる。また、その第４ステップでは、後方側ストッパ（１６）の後方側リンク（１４）の本体（１２）に対する回転を禁止しているため、後方側リンク（１４）と同一に回転する後方側無限帯輪（２）のこれ以上の時計方向への回転を制限していて、このまま前進を続けることにより後方側無限帯輪（２）の前方部位が路面から浮き、後方側無限帯輪の後方部位が路面に支持されていることが特徴的である。

第４ステップから更に前進することにより、後方側無限帯輪（２）の後方部位が路面から浮き、後方側無限帯輪（２）の前方部位が路面に支持されているこ走行が可能になり、これは同時に自走台車の全長が短縮され得ることを意味する。

本発明による無軌道走行機関、及び、無軌道走行機関の運動制御方法は、運動の自由性が飛躍的に拡大される。

図に対応して、本発明による無軌道走行機関の実現態は詳細に記述される。自律走行台車を支持するクローラが、図１に示されるように、クローラ揺動機構とともに設けられている。そのクローラは、前方右側クローラ１と後方右側クローラ２と前方左側クローラ（図示されず）と後方左側クローラ（図示されず）とから構成されている。４つのクローラは、それぞれに、駆動輪と従動輪と無端輪とから構成されている。前方側クローラ１は、前方側駆動輪３と前方側従動輪４と前方側無端輪５とから構成されている。前方側無端輪５は、前方側駆動輪３の外周面と前方側従動輪４の外周面に案内されて回転する。後方側クローラ２は、後方側駆動輪６と後方側従動輪７と後方側無端輪８とから構成されている。後方側無端輪８は、後方側駆動輪６の外周面と後方側従動輪７の外周面に案内されて回転する。ここで、前方は、後方に対して相対的にいわれる。駆動輪と従動輪の前後位置関係は、任意に規定される。４つのクローラは、独立に駆動され、独立に自律走行台車（本体）１２に推進力を与えることができる。

クローラ揺動機構は、前方側揺動構造本体（図示されず）と後方側揺動構造本体（図示されず）とを構成している。前方側揺動構造本体は、前方側揺動中心軸９を介して自律走行台車１２に対して揺動可能に連結している。後方側揺動構造本体は、後方側揺動中心軸１１を介して自律走行台車１２に対して揺動可能に連結している。前方側駆動輪３と前方側従動輪４とは、その前方側揺動構造本体に回転自在に支持されている。後方側駆動輪６と後方側従動輪７とは、その後方側揺動構造本体に回転自在に支持されている。前方側揺動中心軸９と後方側揺動中心軸１１とは、自律走行台車１２に回転不能に又は回転可能にそれぞれに固定されている。

自律走行台車１２は、前方側揺動中心軸９と後方側揺動中心軸１１とを介して、前方側クローラ１と後方側クローラ２と図示されない他の２つのクローラとに揺動自在に支持されている。揺動は、前方側クローラ１に関しては、前方側駆動輪３の回転軸心線と前方側従動輪４の回転軸心線とを含む平面が水平面に対して前方側揺動中心軸９を回転中心として正負方向に回転することである。揺動は、後方側クローラ２に関しては、後方側駆動輪６の回転軸心線と後方側従動輪７の回転軸心線とを含む平面が水平面に対して後方側揺動中心軸１１を回転中心として正負方向に回転することである。前方側駆動輪３と前方側従動輪４と前方側無端輪５とは、前方側揺動中心軸９を回転中心として同体に揺動する。後方側駆動輪６と後方側従動輪７と後方側無端輪８とは、後方側揺動中心軸１１を回転中心として同体に揺動する。

前方側揺動角度規定回転体１３は、前方側揺動中心軸９に同軸に固着されている。前方側揺動角度規定回転体１３は、前方側揺動中心軸９と同体に自律走行台車１２に対して回転する。前方側揺動角度規定回転体１３は、既述の前方側揺動構造本体に支持されている前方側駆動輪３と前方側従動輪４とに同体に前方側揺動中心軸９を回転中心軸として回転的に揺動する。後方側揺動角度規定回転体１４は、後方側揺動中心軸１１に同軸に固着されている。後方側揺動角度規定回転体１４は、後方側揺動中心軸１１と同体に自律走行台車１２に対して回転する。後方側揺動角度規定回転体１４は、既述の後方側揺動構造本体に支持されている後方側駆動輪６と後方側従動輪７とに同体に後方側揺動中心軸１１を回転中心軸として回転的に揺動する。

前方側揺動中心軸９は、自律走行台車１２に本体が固定されている前方側電動モータ（図示されず）の出力軸として構成され得る。この場合には、前方側揺動角度規定回転体１３は、その前方側電動モータにより正負回転方向に回転駆動される。後方側揺動中心軸１１は、自律走行台車１２に本体が固定されている後方側電動モータ（図示されず）の出力軸として構成され得る。この場合には、後方側揺動角度規定回転体１４は、その後方側電動モータにより正負回転方向に回転駆動される。そのような電動モータに代えられて、流体圧シリンダが用いられ得る。この場合には、自律走行台車１２に揺動可能に支持される前方側流体圧シリンダと前方側揺動角度規定回転体１３との間に前方側リンク機構が介設され、自律走行台車１２に揺動可能に支持される後方側流体圧シリンダと後方側揺動角度規定回転体１４との間に後方側リンク機構が介設される。

前方側揺動角度規定固定体１５は、自律走行台車１２の前方部位に出没可能又は進退可能に位置固定されている。前方側揺動角度規定固定体１５は、反時計方向に回転する前方側揺動角度規定回転体１３の回転位置限界角度を規定する。後方側揺動角度規定固定体１６は、自律走行台車１２の後方部位に出没可能又は進退可能に位置固定されている。後方側揺動角度規定固定体１６は、時計方向に回転する後方側揺動角度規定回転体１４の回転位置限界角度を規定する。前方側揺動角度規定固定体１５と後方側揺動角度規定固定体１６は、その進退動作又は出没動作により２位置間で遷移し、そのストッパ機能を無効化することができる。既述の電動モータとして、そのロータを規定回転角度位置で固定させることができる機能を持つサーボモータが用いられる場合には、前方側揺動角度規定回転体１３と前方側揺動角度規定固定体１５の組は省略され、後方側揺動角度規定回転体１４と後方側揺動角度規定固定体１６の組は省略され得る。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本発明による無軌道走行機関の実施の形態を示している。実施の本形態で用いられている自律走行車は、図１に示される既述の自律走行車である。図２（ａ）に示される自律走行車は、その前方側無端輪５の前面が第１階段鉛直面ＳＶ１に突き当たろうとしている。前進可能方向に回転している後方側無端輪８により前進方向推力を与えられている自律走行台車１２により前方に押されている前方側無端輪５は、図２（ｂ）に示されるように、第１階段鉛直面ＳＶ１に摩擦的に接触していて、第１階段鉛直面ＳＶ１の面上で上方に進む。

後方側クローラ２から前進推力を受ける前方側無端輪５の接地面は前進方向に運動し前方側クローラ１の傾斜角度（自律走行台車１２に対する揺動角度）は大きくなる。前方側クローラ１の傾斜角度がある角度に達した時点で、図２（ｃ）に示されるように、前方側クローラ１のそれ以上の反時計方向の回転が阻止される。そのような阻止と同時に、後方側揺動角度規定回転体１４と後方側揺動角度規定固定体１６とが接触することにより、後方側クローラ２のそれ以上の時計方向の回転が阻止される。後方側クローラ２による前進方向推進力を受ける前方側クローラ１は、自己の前進力により第１階段鉛直面ＳＶ１と第１階段水平面ＳＬ１との交叉縁線（エッジ）１７−１で支持されその交叉縁線１７−１から反作用を受けて更に前進し、図２（ｄ）に示されるように、後方側クローラ２の前方部位は、床面（地面）から強制的に持ち上げられる。

前方側クローラ１が第２階段鉛直面ＳＶ２に突き当たれば、前方側クローラ１は既述の通りに第２階段鉛直面ＳＶ２に接して競り上がり、前方側クローラ１が第２階段鉛直面ＳＶ２に突き当たらなければ、前方側クローラ１の前方部位は空中に浮いたままで前進し、その前方部位の下側面は第２階段鉛直面ＳＶ２と第２階段水平面ＳＬ２との交叉縁線１７−２で支持され、前方側クローラ１は交叉縁線１７−２から反作用力を受けて更に前進する。前方側クローラ１が交叉縁線１７−２で支持され前進する過程で、後方側クローラ２の前面は、第１階段鉛直面ＳＶ１に突き当たり、既述の通り図２（ｅ）に示されるように、第１階段鉛直面ＳＶ１に接して上方に前進して競り上がるこのようにして、自律走行台車１２は、前方側クローラ１の前方部位の１箇所（１直線領域）と後方側クローラ２の後方部位の１箇所（１直線領域）とを介して階段面と地面とに支持され前進し続けることができる。

図２（ｄ）に示される２箇所接地は、前後の２つのクローラが１つのクローラになっていることを示す。揺動角度が規定されている前後の２つのクローラ、特には、階段面の落差（段差）に対して相対的に小型であるために生じる２箇所接地の運動状態にある前後２つのクローラ１，２は、それらの一部位が浮いた状態になって、それぞれのクローラの揺動角度が水平面に対して９０度にならずに、適正な傾斜角度で相対的に段差が大きい階段を平気で上り続けることができる。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、自律走行台車の多様に変形する姿勢を示している。図３（ａ）は、前方側クローラ１と後方側クローラ２とが前方側揺動中心軸９と後方側揺動中心軸１１とを中心としてそれぞれに時計方向と反時計方向に等角度に回転し、自律走行台車１２がその姿勢を一定に保持したままで地面から競り上がって、前進している状態を示している。図３（ｂ）は、既述のサーボモータが無制御状態になった場合に、前方側クローラ１と後方側クローラ２の接地可能面の全面が自然に地面に接地して前進している状態を示している。図３（ｃ）は、前方側クローラ１と後方側クローラ２とが前方側揺動中心軸９と後方側揺動中心軸１１とを中心としてそれぞれに反時計方向と時計方向に回転している状態を示している。図３（ｄ）は、前方側揺動角度規定固定体１５と後方側揺動角度規定固定体１６とを無効にした後に、前方側クローラ１と後方側クローラ２とが前方側揺動中心軸９と後方側揺動中心軸１１とを中心としてそれぞれに反時計方向と時計方向に回転し、自律走行台車１２がその姿勢を一定に保持したままで２箇所接地により前進方向長さを最短にして、プラントの事故発生現場に向かう廊下の９０度偏向領域又は階段踊り場の方向転換で移動前進している状態を示している。

図１は、本発明による無軌道走行機関の実施の形態を示す正面図である。 図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本発明による無軌道走行機関の実施の形態のステップをそれぞれに示す断面図である。 図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明による無軌道走行機関の実施の他の形態のステップをそれぞれに示す断面図である。 図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、公知方法のステップをそれぞれに示す断面図である。 図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、公知方法のステップをそれぞれに示す断面図である。

符号の説明

１…前方側無限帯輪
２…後方側無限帯輪
９…前方側回転軸
１１…後方側回転軸
１２…本体（台車）
１３…前方側リンク
１４…後方側リンク
１５…前方側ストッパ（前方側制限機構）
１６…後方側ストッパ（後方側制限機構）

Claims (5)

1. 本体と、
   前記本体に揺動可能に支持される前方側無限帯輪と、
   前記本体に揺動可能に支持される後方側無限帯輪と、
   前記前方側無限帯輪の揺動角度位置を規定して前記前方側無限帯輪の揺動を制限する前方側制限機構と、
   前記後方側無限帯輪の揺動角度位置を規定して前記後方側無限帯輪の揺動を制限する後方側制限機構とを具え、
   前記前方側制限機構が前記前方側無限帯輪の揺動を制限する時に同時に、前記後方側制限機構は前記後方側無限帯輪の揺動を制限する
   無軌道走行機関。
2. 前記前方側制限機構は、
   前記前方側無限帯輪を回転自在に前記本体に対して支持する前方側回転軸と、
   前記前方側回転軸と同体に回転する前方側リンクと、
   前記本体に固定され前記前方側リンクの回転を阻止する前方側ストッパとを備え、
   前記後方側制限機構は、
   前記公報側無限帯輪を回転自在に前記本体に対して支持する後方側回転軸と、
   前記後方側回転軸と同体に回転する後方側リンクと、
   前記本体に固定され前記後方側リンクの回転を阻止する後方側ストッパとを備え、
   前記前方側リンクが前記前方側ストッパにより第１方向の回転が阻止される時に同時に、前記後方側リンクが前記後方側ストッパにより前記第１方向と逆方向である第２方向の回転が阻止される
   請求項１の無軌道走行機関。
3. 前記前方側ストッパと前記後方側ストッパはともに可動的に固定されている
   請求項２の無軌道走行機関。
4. 前記前方側制限機構は、前記本体と前記前方側無限帯輪との間に介設される前方側サーボモータであり、前記後方側制限機構は、前記本体と前記後方側無限帯輪との間に介設される後方側サーボモータであり、
   前記前方側サーボモータと前記後方側サーボモータは、両方の前記揺動角度位置を規定する
   請求項１の無軌道走行機関。
5. 請求項１の無軌道走行機関の運動を制御する無軌道走行機関の運動制御方法であり、
   前記前方側無限帯輪の前記本体に対する揺動を許容して前記本体を前進させる第１ステップと、
   前記第１ステップの前記本体の前進時に、前記後方側無限帯輪の前記本体に対する揺動を許容する第２ステップと、
   前記前方側無限帯輪の前記本体に対する揺動を禁止して前記本体を前進させる第３ステップと、
   前記後方側無限帯輪の前記本体に対する揺動を禁止して前記本体を前進させる第４ステップとを具え、
   前記第３ステップと前記第４ステップとは同一時刻を共有する
   無軌道走行機関の運動制御方法。

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