JP2005324327A - 遠隔移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】
狭隘な場所において、安全，確実に狭隘部での点検やハンドリングなどの作業ができて、かつ必要最小限の機器から構成する単純なロボットを提供すること。
【解決手段】
移動ロボット２０のケーブル３０をドラム４０で低張力で巻き取り制御し、移動ロボット２０の位置を検出して必要なケーブル送り出し量を制御して、ケーブル張力も制御してケーブル３０が移動ロボット２０の移動に邪魔にならないようにする。また、伸縮アーム２００の先端には視覚装置６５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は遠隔移動ロボットに関し、特に原子力施設などの通常人間の入ることのできない部屋の狭隘部の点検などの作業に適した遠隔移動ロボットである。

従来、特開昭５８−７６７９９号「原子炉格納容器内監視装置」あるいは特開昭６０−２３００９４号「原子炉監視装置」にあるようにＴＶカメラなどのセンサを搭載して移動する監視点検ロボットの概念は示されていた。また、特開平０５−０６５７０４号「高架橋点検装置」にあるように移動車に伸縮ブーム，旋回機構，アーム機構などを備えて先端のセンサの位置と向きを変えるような作業装置の概念は示されていた。

特開昭５８−７６７９９号公報 特開昭６０−２３００９４号公報 特開平０５−０６５７０４号公報

しかし、狭隘な場所において、安全，確実に狭隘部の点検等の作業ができて、かつ必要最小限の機器から構成する単純な機構とすることについてはあまり考慮されていなかった。

本発明の目的は、狭隘な場所において、安全，確実に狭隘部の点検などの作業ができて、かつ必要最小限の機器から構成する単純なロボットを提供することにある。

第１の手段は、ロボット本体が床面を走行する台車を有する走行型ロボットにおいて、ロボット本体から出ているケーブルは回転可能なジョイント部を介して接続されて、ケーブルを常に低張力で引っ張っているドラムを固定局側に設けることである。

第２の手段は、前記ロボットにおいて、ドラムはケーブルの張力を検出する張力検出センサの信号に基づき回転駆動するようにすることである。

第３の手段は、前記ロボットにおいて、ドラムはロボット本体の移動距離を検出する距離検出センサの信号に基づき回転駆動するようにすることである。

第４の手段は、前記ロボットにおいて、ドラムはケーブルの張力を検出する張力検出センサの信号とロボット本体の移動距離を検出する距離検出センサの信号に基づき回転駆動するようにすることである。

第５の手段は、前記ロボットにおいて、距離検出センサはロボット本体に設けたターゲットの位置を既に位置と向きの既知の撮像装置で捕らえ、その撮像装置からの画像情報を処理して求め、ロボット本体に設けたターゲットの位置から距離を検出するようにすることである。

第６の手段は、前記ロボットにおいて、距離検出センサはロボット本体に設けた積算型センサの情報を元にロボット本体の位置を求めて、その位置から距離を検出するようにすることである。

第７の手段は、前記ロボットにおいて、距離検出センサはロボット本体に設けたターゲットの位置を既に位置と向きの既知の撮像装置で捕らえ、その撮像装置からの画像情報を処理して求めたロボット本体に設けたターゲットの位置情報と、ロボット本体に設けた積算型センサの情報を元に求めたロボット本体の位置情報との両方から距離を検出するようにすることである。

第８の手段は、ロボット本体を狭い空間を通して搬入した部屋の床面を走行する走行台車を有する細長い走行型ロボットにおいて、ロボット本体が超信地旋回する中心部分の台車の左右に走行型ロボットの全長より短いクローラを配置し、クローラない台車部分にはその部分の荷重を受け走行を滑らかに補助するためのガイド車輪を設けるようにすることである。

第９の手段は、前記ロボットにおいて、ロボット本体にはロボット本体から出ているケーブルを後方へ折り曲げる機構を設け、操作部にはケーブルを常に低張力で引っ張っている制御モードとケーブルを後方にたるませ牽引走行させる制御モードとの切替機能を設け、両制御モードを切替選択可能とすることである。

第１の手段では、ロボット本体が床面を走行する台車を有する走行型ロボットにおいて、ロボット本体から出ているケーブルは回転可能なジョウイント部を介して接続されて、ケーブルを常に低張力で引っ張っているドラムを固定局側に設ける。従って、ロボット本体は床面上を前後左右に移動してもケーブルは常に低張力で張られているので、たるんでロボットにからまったりすることはない。また、ロボット本体が床面上で旋回走行してもケーブルは回転可能なジョイント部で円滑に回転できるので、ケーブルが捩れたりすることもない。従って、狭隘な場所においても、安全，確実にロボット本体は床面上を動き回ることが可能となり、設備としても単純な設備で必要最小限の機器から構成することが可能となる。

第２の手段では、前記第１の手段のロボットにおいて、ケーブルの張力を検出する張力検出センサの信号に基づきドラムを回転駆動する。これによって、ケーブルをたるませることなく、また、必要以上に張りすぎることもなく常に適切なケーブル張力とすることができるので、ドラムを必要以上に大型にすることもなく、安全確実にケーブル処理をできる移動ロボットとすることができる。この場合、ケーブル張力はドラム側で検出してもよいし、ロボット本体側で検出してもよい。

第３の手段では、前記第１の手段のロボットにおいて、ロボット本体の移動距離を検出する距離検出センサの信号に基づきドラムを回転駆動する。ロボット本体の初期位置を既知とすれば移動距離からロボット本体の現在位置がわかるので、その現在位置とドラム側のケーブル支持支点位置から必要なケーブルの送り出し量はわかるので、その量を送り出すようにドラムを駆動制御すればケーブル張力を検出しないで容易に安全で適切なケーブルの送り出し制御が可能となる。

第４の手段では、前記第１の手段のロボットにおいて、ケーブルの張力を検出する張力検出センサの信号とロボット本体の移動距離を検出する距離検出センサの信号に基づきドラムを回転駆動するようにする。ロボット本体の移動距離からフィードフォワード的にドラム送り出し量を求めて、ドラム制御するが、本手段としておけば床面とロボット本体とが滑るとして移動距離が正しく検出できなかった場合とか、障害物にケーブルが接触したりして一時的にケーブル負荷が大きくなった場合にも検出しているケーブル張力の信号データより、ドラムの送り出しあるいは巻き取り制御を加減することが可能となり、安全確実にケーブル処理を可能とすることができる。

第５の手段では、前記第３又は第４の手段のロボットにおいて、距離検出センサはロボット本体に設けたターゲットの位置を既に位置と向きの既知の撮像装置で捕らえ、その撮像装置からの画像情報を処理して求め、ロボット本体に設けたターゲットの位置から距離を検出する。撮像装置の位置と向き、それから床面の位置データは既知なので、画像情報を処理して床面上のロボット本体の位置を求めることができるので、その位置からケーブルの適切な送り出し量は求められるので、本手段を用いれば、たとえロボット本体が床面で滑っても常にターゲットでロボット本体の絶対位置を検出できるので、安全確実なケーブル処理が可能となる。

第６の手段では、前記第３又は第４の手段のロボットにおいて、距離検出センサはロボット本体に設けた積算型センサの情報を元にロボット本体の位置を求めて、その位置から距離を検出するようにすることである。積算型センサはジャイロとか走行駆動輪の回転数をカウントするものでもよいが、ロボット本体側で容易に実装できるので、位置を検出する撮像装置などの設備を使用しないで、より単純な構成で前記の第１３の手段の効果を得ることが可能となる。また、障害物の陰で撮像装置から見えなくなった場合にも適用できる手段である。

第７の手段では、前記第１３又は第１４の手段のロボットにおいて、距離検出センサはロボット本体に設けたターゲットの位置を既に位置と向きの既知の撮像装置で捕らえ、その撮像装置からの画像情報を処理して求めたロボット本体に設けたターゲットの位置情報と、ロボット本体に設けた積算型センサの情報を元に求めたロボット本体の位置情報との両方から距離を検出するようにする。従って、本手段を用いれば前記第５の手段と第６の手段の利点を生かして安全確実なケーブルが可能となる。すなわち、ロボット本体の絶対位置を撮像装置で検出することができ、また、障害物の陰に隠れた場合にも積算型センサでその直前の精度の良い絶対位置情報を基に継続検出することができるので、すべり等による誤差も小さくできる。

第８の手段では、ロボット本体を狭い空間を通して搬入した部屋の床面を走行する走行台車を有する細長い走行型ロボットにおいて、ロボット本体が旋回する中心部分の台車の左右に走行型ロボットの全長より短いクローラを配置し、クローラのない台車部分にはその部分の荷重を受け走行を滑らかに補助するためのガイド車輪を設ける。狭い空間を各種機材を搭載して通すことを考えるとどうしてもロボット本体は細長い形状になる。一方、床面には油などでスリップする要因とか凹凸があるとクローラの台車が望ましいが、クローラの車体が細長くなると旋回力に対して旋回時の抵抗が大きくなる。本手段を用いれば旋回中心に短いクローラを設けるので旋回性が損なわれることはない。また、クローラのない部分の台車重量はガイド車輪で自重のみを受ける構造とするので旋回時にも滑らかにガイドされる。

第９の手段では、前記第１１の手段の遠隔移動ロボットにおいて、ロボット本体にはロボット本体から出ているケーブルを後方へ折り曲げる機構を設けることで、ハード的にケーブルを後方にたるませ牽引走行させることを可能として、操作部にはケーブルを常に低張力で引っ張っている制御モードとケーブルを後方にたるませ牽引走行させる制御モードとの切替機能を設け、両制御モードを切替選択可能とすることでドラムの制御方法を２通り選択できるようになる。走行する部屋に床面から浮いて障害物があった場合には本手段を用いることで、障害物がないところではケーブルを常に引っ張った状態でからまない軽快な走行を行い、障害物の下へ走行して行きたい場合にはケーブルを張った状態のままではケーブルと障害物が干渉するが、制御方法を切り替えて、ケーブルを後方へ倒すことで、走行車がケーブルを牽引走行することも可能となる。いろいろなケースで安全に遠隔操作することが可能となる。

以上のように本発明によれば、狭隘な場所において、安全，確実に狭隘部の点検やハンドリングなどの作業ができて、かつ必要最小限の機器から構成する単純なロボットを得ることができる。

図１は軽快なケーブル処理を可能とした本発明を適用した床面走行型ロボットの基本的な一実施例である。挿入機構１００で部屋の開口部１から伸縮アーム２００を挿入可能としている。伸縮アームはストロークＳ分前後に伸縮制御可能である。

伸縮アーム２００の先端には回転軸θ１，θ２を有するパンチルト機構に視覚センサ
６５が取り付けてある。こればＴＶカメラでもよいし、特殊な撮像装置でもよい。回転軸θ１，θ２で部屋の中を撮像することが可能となっている。また、伸縮アーム２００には滑車４８を介してケーブル３０がガイドされて、走行型ロボット本体２０とケーブルドラム４０につながっている。アーム２００は伸縮しなく長いポールを人手で挿入するようにしてもよい。

今までは走行型ロボットが床を走るとケーブルが絡まるなどがあって、あまり自由に動かし回すことができなかったが、本発明を適用すれば走行型ロボット本体２０は床面を自由に走行させることが可能となる。本発明はロボット本体２０のケーブル出口部にケーブルが回転可能なようにたとえばスリップリングを介して取り付け、さらにケーブル３０を常に低張力でドラム４０で巻き取っておくようにする。

それによって、部屋の中のどこを走ってもケーブルはからまらないように常にちょうどよい適切な長さにしておくことが可能となる。また、ロボット本体にランプなどの撮像装置のターゲットとなる部品２６を設けておき、それを撮像装置６５で撮影してロボット本体の現在位置を求める。

図３には撮像画像の一例を示すが、２６ｇがターゲットランプ２６の画像である。この画像データから画面内のターゲットの画像内の位置は画像処理で求めることができるので、さらにパンチルト機構の角度θ１，θ２、伸縮アームのストロークＳと開口部１の位置と床面の位置関係が既知であれば、床面上のターゲット２６（Ａ点）の位置は幾何計算からもとまるので、滑車４８（Ｂ点）の位置も既知なので、線分ＡＢの長さが求まり、その長さから、ドラム４０のケーブル巻き取り，送り出し量を制御するようにすれば、容易に常にちょうどよいケーブル長を保つことができるようになる。

位置の検出精度は撮像装置の分解能とかレンズ系の画角によってきまってくるが、装置のセッティング誤差もあるので、撮像装置を挿入後部屋の角のコーナー部等の部屋の基準となる部位を撮影して予め用意しておく部屋のＣＡＤデータと対応させて撮像装置の部屋の中での正確な位置と姿勢を最初にキャリブレーションするのがよい。

ロボット本体２０に設けたターゲット２６を撮像装置６５で捕らえる位置検出だけでは、たとえばロボット本体２０が物の影に入った場合とか場所によって撮像装置に撮影されなくなる時があるので、たとえばジャイロセンサとか壁からの距離を計測する距離センサとか左右の走行車輪あるいはクローラの回転数をカウントするなどの積算型の位置検出データも持っておき、撮像装置で撮影したときに絶対位置として積算型センサによる位置データを構成するやりかたで両方をうまく使い分けることで、ものの影に入っても継続して位置を正しく検出して、その結果により適切なケーブル長を制御できるようになる。

図２はロボットの位置検出とケーブルの張力検出を組み合わせた場合の基本的な一実施例を示す。ロボット本体２０のターゲット２６（Ａ点）から滑車４８（Ｂ点）を介してケーブル３０はドラム４０に巻かれているが、途中滑車４１の反力をロードセル４２で検出可能としている。これでドラム側のケーブル張力を検出することが可能である。

ロボット本体の位置データは撮像装置６５の画像処理の結果得られるデータもあるが、それはロボット制御装置２９あるいはドラム制御装置４５に入力され必要なケーブル長が演算されてケーブルドラム４０の回転角が制御駆動される。ロボット本体２０の積算型センサの情報はケーブル３０を介してドラム４０のスリップリング３９からロボット制御装置２９へ送信され、同じようにドラム制御の位置情報として活用される。

ケーブル反力を検出するロードセル４２の信号はドラム制御装置４５へ入力されて、たとえば、ケーブルが物に絡まって計算値ケーブル長では短くなって一時的にケーブルが張った場合には張力が大きくなるので、所定の張力以上になった場合にはドラムケーブルを送り出す制御にするとか、常時一定の張力になるようにドラムを制御して計算したケーブル長と実際のケーブル長が大きく違った場合には何かからまった状態などの異常である可能性があるので、その場合には警報でオペレータに知らせるなどの異常検出制御を行ってもよい。

また、オペレータが強制的に低張力制御とケーブル長をあわせる制御と切り替えられるようにしてもよい。何もない空間ではケーブル長を演算して送り出す制御を適用して、柱とか物にケーブルがひかかり直線以外のケーブルパスになる場合にはケーブル長制御でなく、低張力制御に切り替えて運転可能なようにするのがよい。

滑車４８はドラム４０と同期して補助的にモータドライブされるのがケーブルを円滑に送り出し巻き取りが可能となる。この滑車４８はドライブするときだけケーブルをはさみ込む機構があるのがよい。この滑車４８を常時ケーブルを挟み込んでドライブする場合にはこの部分でケーブル張力を検出するようにするのがよい。

図３には撮像画像の一例を示すが、２６ｇがターゲットランプ２６の画像である。この画像データから画面内のターゲットの画像内の位置は画像処理で求めることができるので、さらにパンチルト機構の角度θ１，θ２、伸縮アームのストロークＳと開口部１の位置と床面の位置関係が既知であれば、床面上のターゲット２６（Ａ点）の位置は幾何計算からもとまる。

図４，図５は狭隘開口部から挿入する細長いロボットで床面走行に適したロボットの基本的一実施例を示す。走行駆動はすべりなどが少ない左右のクローラ７０ａと７０ｂで走行する。但し、細長い車体の長いクローラは旋回抵抗が大きくなりスムーズな旋回ができないので、クローラ７０ａと７０ｂは適度な長さのものとする。

それでも走行車体は長く大きいので、その前後の自重は車輪７３，７４で受ける構成としてある。クローラ７０ａと７０ｂの駆動制御はモータ７１ａ，７１ｂで左右独立に制御できるようにしておけば旋回動作も可能である。

ケーブルのスリップリング２５は旋回中心となる台車の中央に配置する。車体の前方にはこの場合ＴＶカメラ６０を配置してＴＶカメラ６０ａのようにチルト動作可能なように構成する。これによって、床面を軽快に走行して部屋の中の点検が容易にできる走行型ロボットとすることができる。

カメラ６０が水平の位置になったとき、先端にミラー６１１が４５度傾斜して出るような機構を設ければ床面も同じカメラで点検が可能となる。ランプターゲットはケーブル
３０がスリップリングで回転してどちら側にくるか不確定なので、ケーブル３０がターゲットを隠さないようにランプターゲットを２６ａ，２６ｂ，２６ｃの３個を配置して常にどれか２つのランプは撮像されるようにしてその幾何学的配置あるいはランプの色などからロボット本体の位置と姿勢を検出するようにしてもよい。

クローラの回転数はエンドレスのポテンショメータ７２ａ，７２ｂを配置してその回転角信号を積算して走行位置を検出する。ポテンショメータを用いるのは放射線に強いからである。これは放射線に強い磁気エンコーダを用いてもよい。もちろん放射線がない環境ではオプティカルエンコーダでもよい。

また、本実施例ではケーブル３０ａをレバー７５に回転可能なように保持させておき、レバー７５を後ろへ倒すとケーブルは３０ｂのように後方へ出るようにしている。これによって、ケーブルを常に張った状態で走行させるモードとケーブルを後ろにたらして牽引する方式を切り替えて両方式のケーブル処理モードを切り替えて使い分けができるようになる。

これは部屋空間に物があって、ケーブルを張ると物とケーブルが干渉するので、どうしてもケーブルを後ろにたるませて牽引しながら物の下へ入っていきたいという場合に切り替えて有効に安全に走行ロボットを遠隔操作できるようになる。

本発明は、原子力施設などの通常人間の入ることのできない部屋の狭隘部の点検などの作業に適した遠隔移動ロボットに適用できる。

軽快なケーブル処理を可能とした本発明を適用した床面走行型ロボットの全体斜視図である。 本発明の実施例によるロボットの位置検出とケーブルの張力検出を組み合わせた場合の基本的な構成を示す図である。 本発明の実施例による撮像画像の画面表示図である。 本発明の実施例による狭隘開口部から挿入する細長いロボットで床面走行に適したロボットの平面図である。 狭隘開口部から挿入する細長いロボットで床面走行に適した本発明の実施例によるロボットの側面図である。

符号の説明

１…点検孔、２０…移動ロボット本体、２５…スリップリング、２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…ターゲットランプ、２６ｇ…画像の中のターゲットランプ、２９…ロボット制御装置、３０…ケーブル、３９…スリップリング、４０…ドラム、４２…ロードセル、
４５…ドラム制御装置、４８…ケーブルドライブ滑車、６５…視覚装置、７０ａ，７０ｂ…クローラ、７１ａ，７１ｂ…モータ、７２ａ，７２ｂ…ポテンショメータ、７３，７４…車輪、７５…ケーブル保持可動レバー、１００…挿入装置、２００…伸縮アーム。

Claims (9)

1. ロボット本体が床面を走行する台車を有する走行型ロボットにおいて、ロボット本体から出ているケーブルは回転可能なジョイント部を介して接続されて、ケーブルを引っ張っているドラムを固定局側に設けることを特徴とする遠隔移動ロボット。
2. 請求項１において、ドラムはケーブルの張力を検出する張力検出センサの信号に基づき回転駆動されるものであることを特徴とする遠隔移動ロボット。
3. 請求項１において、ドラムはロボット本体の移動距離を検出する距離検出センサの信号に基づき回転駆動されるものであることを特徴とする遠隔移動ロボット。
4. 請求項１において、ドラムはケーブルの張力を検出する張力検出センサの信号とロボット本体の移動距離を検出する距離検出センサの信号に基づき回転駆動されるものであることを特徴とする遠隔移動ロボット。
5. 請求項３又は請求項４において、距離検出センサはロボット本体に設けたターゲットの像を予め位置と向きが既知の撮像装置で捕らえ、その撮像装置からの画像情報を処理して求め、ロボット本体に設けたターゲットの位置からドラムまでの距離を検出することを特徴とした遠隔移動ロボット。
6. 請求項３又は請求項４において、距離検出センサはロボット本体に設けた積算型センサの情報を元にロボット本体の位置を求めて、その位置から距離を検出することを特徴とした遠隔移動ロボット。
7. 請求項３又は請求項４において、距離検出センサはロボット本体に設けたターゲットの像を予め位置と向きが既知の撮像装置で捕らえ、その撮像装置からの画像情報を処理して求めたロボット本体に設けたターゲットの位置情報と、ロボット本体に設けた積算型センサの情報を元に求めたロボット本体の位置情報との両方から距離を検出するようにしたことを特徴とした遠隔移動ロボット。
8. ロボット本体を搬入した部屋の床面を走行する走行台車を有する細長い走行型ロボットにおいて、ロボット本体が旋回する中心部分の台車の左右に走行型ロボットの全長より短いクローラを配置し、クローラない台車部分にはその部分の荷重を受け走行を滑らかに補助するためのガイド車輪を設けることを特徴とした遠隔移動ロボット。
9. 請求項１において、ロボット本体にはロボット本体から出ているケーブルを後方へ折り曲げる機構と、ケーブルを引っ張る制御モードとケーブルを後方にたるませ牽引走行させる制御モードと切替可能としたことを特徴とする遠隔移動ロボット。
   

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